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　　大學(xué)生材料科技論文篇一

　　新型服裝材料――相變材料

　　[摘要] 本文論述了相變材料的特點及作用機(jī)理,重點說明了微膠囊相變材料在服裝中的應(yīng)用及調(diào)溫過程,并展望了其良好前景。

　　[關(guān)鍵詞] 相變材料 微膠囊相變材料 前景

　　1 相變材料

　　相變材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狹窄明確的溫度范圍,即通常所說的相變范圍內(nèi)可以改變物理狀態(tài),如從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的材料。在相變過程中,體積變化很小,熱焓高,因此以潛熱形式從周圍環(huán)境吸收或釋放大量熱量,熱的吸收量或釋放量比一般加熱和冷卻過程要大得多,而此時PCMs的溫度保持不變或恒定。在服裝上應(yīng)用時,相轉(zhuǎn)變溫度范圍應(yīng)和人體溫度變化范圍相似,以利于保持恒定的皮膚溫度。我們最常見的相變材料就是水:當(dāng)溫度低至0℃時,水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),當(dāng)溫度高于0℃時,水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在結(jié)冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量,而在溶解過程中會吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量(體積)越大,溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型示例。從水的例子中可以看出,相變材料的這種特性在節(jié)能,溫度控制等領(lǐng)域有著極大的實踐意義,實際上可作為能量存儲器來使用。因此,相變材料及其應(yīng)用已成為廣泛的研究課題。對紡織領(lǐng)域來講,相變材料尚屬新型材料,其在紡織服裝領(lǐng)域內(nèi)大有用武之地。該材料可廣泛應(yīng)用于制冷業(yè)、長期室外作業(yè)人員,以及特種行業(yè),如坦克兵、航天員的服裝使用材料。相變材料主要分為三種,由于相變材料在液態(tài)時易于流動散失,在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料。

　　2 相變材料的分類

　　2.1無機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料

　　硫酸鈉基防護(hù)服可以用到無機(jī)相變材料,其相變溫度為15℃,相變焓為18OJ/g,目前已進(jìn)入實際應(yīng)用階段。該材料以硫酸鈉鹽為主相變劑,用添加劑來控制材料的熔點,改善材料的形態(tài),提高材料的綜合性能,找出影響材料性能因素及最佳工藝控制條件,掌握了材料的加工工藝、制備溫度、存儲方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保證了必要相變溫度的條件下,仍有較大的相變焓,同時,在長期使用的過程中也確實表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。

　　經(jīng)大量研究表明,以醇為主相變劑,高級烷烴等為輔相變劑,得到相變溫度為23℃,相變焓達(dá)到200J/g-220J/g的有機(jī)相變材料,是一種較好的制備方法;通過用DSC和TG對相變材料的熱穩(wěn)定性、重復(fù)穩(wěn)定性和膨脹性進(jìn)行的分析表明,該材料是一種膨脹率低、穩(wěn)定性很好的相變材料。

　　2.2微膠囊相變材料

　　相變材料在液態(tài)時易于流動散失,在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微膠囊相變材料是將微膠囊技術(shù)應(yīng)用于相變材料而形成的新型復(fù)合相變材料,微膠囊化是將直徑1～1000um的固體或液體粒子埋入硬殼的物理和化學(xué)過程。得到微膠囊的物理工藝包括噴射烘干、離心流動床或涂層。化學(xué)工藝是通過界面縮聚以聚酰胺或聚亞氮酯為殼,反應(yīng)原理是通過使用水溶聚合物和高速攪拌機(jī)將一種油類乳化在水中形成所需類型的穩(wěn)定乳狀液。加入可溶的三聚氰胺甲醛樹脂。由于加入酸的作用引起縮聚反應(yīng),交聯(lián)樹脂開始形成,并且沉積在油滴和水相界面之間。在殼壁硬化期間,就形成了微膠囊結(jié)構(gòu)和聚合物油滴膠囊的水中分散。

　　紡織品使用的MPCMs直徑為人發(fā)直徑的1/2,有時只有人發(fā)直徑的1/20,這些小容器非常象裝滿了相變材料的乒乓球,殼體不僅小,而且經(jīng)久耐用,可以填充卻不會溶解。這種MPCMs可放人纖維和泡沫中,或作為涂層材料用于多種織物和泡沫材料,并且能經(jīng)受進(jìn)一步的紡織機(jī)械加工、熱和化學(xué)處理等。

　　3 相變材料的作用機(jī)理

　　當(dāng)環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達(dá)到服裝內(nèi)MPCMs溶點,其吸熱從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。在服裝層內(nèi)產(chǎn)生短暫的致冷效果(見圖1)。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環(huán)境。一旦PCMs完全溶解,儲能結(jié)束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點溫度的寒冷環(huán)境中使用,服裝溫度低于轉(zhuǎn)換溫度,液態(tài)MPCMs將變回固態(tài),釋放出能量提供短暫的加熱效果(見圖2)。這種熱轉(zhuǎn)換在服裝內(nèi)起緩沖作用,減小皮膚溫度的變化,延長穿著者的熱舒適感。

　　如果在服裝上使用,希望其相變溫度在33℃。但是所使用的MPCMs相變溫度不一定就是33℃,而是比這一溫度高幾度和低幾度的MPCMs混合后應(yīng)用于服裝。只有這個溫度下,一半的固態(tài)相變材料吸熱溶解成液態(tài),不至使皮膚溫度過高,而另一半的液態(tài)放熱凝固成固態(tài),釋放熱量,不至使皮膚溫度下降過低。

　　4 微膠囊相變材料服裝

　　由于相轉(zhuǎn)變過程比較短暫,在恒溫環(huán)境中PCMs沒有任何作用。因此,穿著者必須活動以引起PCMs面料的溫度變化或者經(jīng)常在有溫差的兩個環(huán)境中工作,以保證PCMs發(fā)生相變吸熱或放熱。此外,含PCMs的服裝層必須具有熱量傳導(dǎo)作用,能讓PCMs感受到溫度的變化。

　　4.1改變環(huán)境溫度

　　有些人需要不停地從冷庫或運(yùn)輸車到室內(nèi)或外界溫暖環(huán)境工作。PCMs防護(hù)服可以為這些在溫度變化環(huán)境中工作的人提供舒適。在這些使用場合中,PCMs的相變溫度應(yīng)該設(shè)定為溫暖環(huán)境時液態(tài),寒冷環(huán)境時固態(tài)。

　　PCMs面料的研發(fā)與生產(chǎn)人員聲稱該面料具有動態(tài)保曖性,在寒冷環(huán)境中比常規(guī)保曖材料的保曖時間更長,并且使用PCMs面料作戶外服裝可減小重量和體積。毫無疑問,相變材料從液態(tài)到固態(tài)要釋放能量,然而只有PCMs在服裝生成足夠的熱量以彌補(bǔ)人體向環(huán)境散失的熱量時,其才能有效改善服裝的熱舒適性。即使所有的服裝均使用PCMs,當(dāng)穿著者從室內(nèi)到室外時,也并不是所有的PCMs發(fā)生相變。熱量從溫暖的人體流向冷環(huán)境,從皮膚表面經(jīng)服裝層到外界環(huán)境存在著溫度梯度。即使人進(jìn)入更冷環(huán)境,但內(nèi)衣層與人體皮溫接近,PCMs仍處于液態(tài)。而服裝外層的PCMs已遇冷固化放出熱量。PCMs固化后,放熱就停止了。因此,有一定厚度的保曖系統(tǒng)在持續(xù)冷暴露時能有效維持熱舒適性。

　　當(dāng)人們穿著防火服在高溫下短時間作業(yè)時,PCMs可以提供短暫的致冷效果維持人體舒適和安全。此時并不需要PCMs凝固放熱,石蠟基PCMs的加入會增加面料的可燃性,所以只能在防火面料里層使用。

　　有些工作需要不時的接觸冷或熱的物體,因此PCMs手套的相變溫度設(shè)定在環(huán)境溫度與冷或熱物體的溫度之間。如果工人反復(fù)的短時間接觸物體,PCMs的相變就可以發(fā)生,溫度緩沖作用得以繼續(xù),手套里層必需使用薄面料。

　　4.2改變皮膚溫度

　　某些工作和運(yùn)動要求人們時動時靜。人體活動越劇烈,產(chǎn)熱越多。只有活動程度和代謝產(chǎn)熱發(fā)生變化時PCMs才能改善人體的舒適度。PCMs服裝能吸收人體由于運(yùn)動產(chǎn)生的大量體熱,提供暫時的涼爽效果。當(dāng)人體處于安靜狀態(tài)時PCMs重新固化放出熱量(假設(shè)空氣溫度低于皮膚溫度),這就稱為PCMs的熱調(diào)節(jié)效應(yīng)。在這種情況下使用的PCMs的轉(zhuǎn)變溫度必須設(shè)定在人體代謝產(chǎn)熱變化時最高與最低皮溫之間。在運(yùn)動時人體的皮膚溫度變化只有幾度,但是卻會產(chǎn)生大量的體熱。例如,在下坡滑雪運(yùn)動中的產(chǎn)熱量是靜坐時的5倍,但皮膚溫度卻沒有成比例增加。首先皮膚表面的血管舒張,皮膚溫度略微升高,熱量慢慢散失到周圍環(huán)境中。然而劇烈活動后這種生理散熱無法去除過多體熱,人體就開始出汗,汗水蒸發(fā)會帶走熱量,提供自然的涼爽感。因此PCMs只有在靠近皮膚層發(fā)生相變才能有涼爽效果,如果在外層就不會有任何作用。

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　　人體不同部位的皮膚溫度不同。頭部平均溫度高于腳部。此外,皮膚溫度的個體差異范圍,通常高于同一人運(yùn)動后皮膚溫度的變化范圍。對防護(hù)服的設(shè)計者來說,通過皮膚溫度的微小變化使PCMs具有熱調(diào)節(jié)效果是一項艱難的工作。

　　5 研究現(xiàn)狀

　　自1985年以來,NASA、USAF等機(jī)構(gòu)先后資助了10余項該方面的研究工作,近年來,中國、法國、德國和韓國等國家也先后資助了這方面的研究工作。

　　1987年,USAF資助的一個項目,旨在開發(fā)用于極端低溫環(huán)境中工作的飛行員和地勤人員手套,該項目促成了MicroPCMs用于纖維,該技術(shù)獲得了美國專利。1995年NAVY進(jìn)行了一項研究,將含有MicroPCMs的纖維用于寒冷環(huán)境下使用的襪子,這種襪子獨特的熱性能使其能夠免于象普通襪子那樣受壓縮和潮濕的影響。

　　Outlast、Frisby和3M等紡織公司參與了產(chǎn)品的開發(fā),已經(jīng)開發(fā)出的腈綸纖維制品中含有MicroPCMs,纖維已經(jīng)用于滑雪服、睡毯、內(nèi)衣、襪子、手套等的開發(fā)。這種纖維織物表現(xiàn)出了靜態(tài)和動態(tài)兩重保溫性能,在降溫過程中其總體保溫性能高于普通紡織品,而在升溫過程中,其總體保溫性能低于普通紡織品。

　　ReeBook、Polo等4O余家知名體育運(yùn)動用品公司在開發(fā)新產(chǎn)品過程中使用了這類紡織品。NSF資助開展的MicroPCMs用于丙綸和滌綸纖維技術(shù)也在進(jìn)行中。

　　采用MicroPCMs研制出的蓄熱調(diào)溫織物目前己用于飛行員手套。還對這種紡織品用于高馬赫數(shù)飛機(jī)飛行員服裝進(jìn)行了研究。美國空軍消防研究所實驗了將該類紡織品用于消防服隔熱襯,在100s時間內(nèi),該內(nèi)襯的溫度比普通羊毛內(nèi)襯低了294K。

　　1995年美國海軍研究機(jī)構(gòu)的工作人員研究了由蓄熱調(diào)溫纖維和3M公司Thinsulate纖維組成的干式潛水服的保溫性能,取得了令人滿意的效果,這種潛水服的外層采用防水透濕織物,可以使?jié)撍畣T在3h內(nèi)保持溫暖,而普通潛水服只能在1h內(nèi)保持溫暖。潛水員使用的頭盔、手套和襪子也同時得到了開發(fā)。

　　6 前景

　　MPCMs的出現(xiàn),引入了熱調(diào)節(jié)功能紡織品的概念。含MPCMs的服裝有效地改善了人體與服裝間的微氣候。但受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的限制,其熱調(diào)節(jié)功能不是無限的。只有當(dāng)穿著者不停往返于存在溫差的環(huán)境中時,MPCMs服裝的溫度不斷地變化,服裝中的MPCMs才能最大地發(fā)揮作用。

　　MPCMs的研究在一些方面已經(jīng)獲得了很好的應(yīng)用,無論從提高效率角度考慮,還是從環(huán)保角度考慮,MPCMs的未來發(fā)展前景都是光明的,可以預(yù)見,隨著MPCMs制造技術(shù)的進(jìn)一步成熟,它將對我們的生活發(fā)揮越來越重要的作用。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[2]蔡利海,張興祥;相變材料微膠囊的研究與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報,2002,(12):61.

　　[3]從紡織到航天相變材料應(yīng)用前景廣闊[J].中國高校與產(chǎn)業(yè)化,2006,(4):35.

　　[4]中國個體防護(hù)裝備.2002,(6):18.

　　大學(xué)生材料科技論文篇二

　　工程項目材料與材料管理

　　1、前言

　　項目、項目周期與工程項目管理，所謂項目, 就是在一定的約束條件(包括時間、費(fèi)用和資源)下，為實現(xiàn)特定目標(biāo)而進(jìn)行的，由一系列具有明確起點和終點的協(xié)調(diào)和控制活動所構(gòu)成的唯一過程。而這一過程對整個項目而言是指從項目立項到建成投產(chǎn)并完成最后評估,也就是所說的項目的周期。

　　項目周期可以分成4個大的階段，即概念階段、規(guī)劃階段、實施階段和結(jié)束階段。每個階段通常又由5個管理過程——啟動、計劃、實施、控制與結(jié)束過程組成。這些過程之間不是完全獨立的,而是相互影響、相互作用的,有的過程之間甚至是相互重疊的，而且過程之中含有過程。項目整個周期實際上是一個視具體情況不同而又復(fù)雜程度各異的一個過程網(wǎng)絡(luò)。因此，工程項目管理就是對工程項目周期全過程的管理,工程項目的材料管理就是對工程項目周期全過程有關(guān)材料進(jìn)行的有效管理。

　　2、

　　工程項目材料是指工程項目實施過程中必需的全部設(shè)備和全部所需材料的總和，人們通常所說的材料管理與控制主要是指對材料的數(shù)量和進(jìn)度能否滿足施工，安裝需要所進(jìn)行的管理和控制。因此,材料控制周期通常只包括從工程設(shè)計請購開始到材料運(yùn)抵施工現(xiàn)場并在施工中交付使用這段時間。我認(rèn)為這是狹義的材料管理,它對適時按量滿足現(xiàn)場施工無疑起到十分重要的作用。但是,為了使得最終的工程產(chǎn)品投資少、質(zhì)量優(yōu)、效益好、操作維修方便，僅僅進(jìn)行狹義材料管理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須進(jìn)行廣泛意義上的材料管理與控制。廣義材料管理是指在整個項目周期全過程中都必須對材料進(jìn)行有效的管理與控制。事實上,工程項目的策劃與實施過程在很大程度上就是在一定的時間和資源等約束條件下,為實現(xiàn)特定的工程產(chǎn)品而進(jìn)行的對材料的研究、設(shè)計、組合、選擇、購置、施工直至生產(chǎn)調(diào)試的過程,材料管理與控制貫穿于工程項目周期的全過程。

　　3、工程項目周期的材料管理

　　工程項目的材料管理與控制工作貫穿于工程項目的全過程的各個階段，涉及到與項目有關(guān)的所有部門和專業(yè)的相關(guān)人員。這些專業(yè)人員必須在一個共同的目標(biāo)下，按照統(tǒng)一的要求各司其職，協(xié)調(diào)一致，共同完成。

　　3.1概念階段

　　眾所周知，在付諸實施之前，任何一個項目都有一個至關(guān)重要的前期策劃過程,工程項目也毫不例外。通過這一過程，要對上什么項目,為什么要上該項目,能否上該項目，上該項目需要具備什么樣的條件以及該項目實施以后可能帶來什么樣的效果等問題，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會各個方面進(jìn)行研究、策劃和決策。而研究和確定工程項目的技術(shù)來源是這一過程中的重要一環(huán),不僅要研究所需技術(shù)的工藝流程、控制方法是否先進(jìn)可靠,更重要的是要研究是否有合適可靠的材料來實現(xiàn),否則,再先進(jìn)的工藝及控制方案也難以付諸實現(xiàn)。

　　3.2規(guī)劃階段

　　項目規(guī)劃階段的工作是為項目的下一步實施做全面的規(guī)劃,包括實施方案的研究、進(jìn)度計劃的確定、風(fēng)險評估與對策等。在這一階段有關(guān)材料管理主要應(yīng)作好3個方面的工作:①在項目組織中,應(yīng)包括專門的材料管理與控制人員,材控人員的及早介入對工程項目的實施具有指導(dǎo)作用;②從資源的角度對相關(guān)材料供應(yīng)的來源及可靠性作進(jìn)一步研究;③對可能存在的風(fēng)險進(jìn)行評估并找出相應(yīng)的對策措施。

　　3.3實施階段

　　工程項目的實施階段主要包含工程設(shè)計、采購、施工和試行等過程。從工程設(shè)計開始工程項目就進(jìn)入實施階段.

　　3.4結(jié)束階段

　　意味著工程公司對業(yè)主在該項目的義務(wù)已履行完畢。但是,工程公司的材料管理工作并沒有結(jié)束。為了明確已完成項目的產(chǎn)品是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)、其中所采用的設(shè)備材料的實際運(yùn)行狀況是否與當(dāng)時的預(yù)期相吻合,在工程產(chǎn)品通過考核交付業(yè)主并運(yùn)行一段時間后,應(yīng)該組織相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場回訪,收集生產(chǎn)運(yùn)行的第一手資料,以便對整個項目進(jìn)行后評價,從而完成整個項目周期全過程的材料管理工作。

　　4、各階段材料管理之間的相互關(guān)系

　　以上分階段和過程論述了工程項目周期各個階段有關(guān)項目材料管理的主要工作。實際上,各個階段材料管理工作是一個統(tǒng)一的有機(jī)體,它們相互聯(lián)系又相互影響,每個階段工作的好壞都與項目的成敗相聯(lián)系,每一個階段工作的成功是項目最后成功的保證。因此,項目周期全過程的材料管理是一個系統(tǒng)工程,要用系統(tǒng)的觀點和方法來進(jìn)行。

　　5、構(gòu)想

　　材料需求計劃隨著市場競爭的加劇,如何在降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時,又能夠縮短工期 。 為此,我們在討論工程項目材料管理時,自然應(yīng)該涉及MRP和CIMS在工程項目材料管理上的應(yīng)用問題。由于工程項目的唯一性特征,決定著它對MRP和CIMS的應(yīng)用與一般企業(yè)特別是機(jī)器制造行業(yè)有非常大的差別,必須結(jié)合工程項目的特殊性來考慮。

　　當(dāng)一個工程項目經(jīng)過論證立項，確定了項目的目標(biāo)之后,就可以說此工程產(chǎn)品的獨立需求就已確定。而有關(guān)設(shè)備材料的需求則由實施階段的設(shè)計過程確定;提前期由項目主計劃及項目的采購、施工及試行計劃確定。由于工程項目的唯一性,所以,從整體上不存在庫存問題,重要的是確保設(shè)備材料的按計劃到貨。但在項目實施的一些過程中，為了保證項目的主計劃的實現(xiàn)，則需要在一定時期內(nèi)保持一定量的材料，主要是一些必備材料的庫存。

　　6、結(jié)束語

　　工程項目材料管理是廣義的材料管理，即項目周期全過程的材料管理。只有這樣才能實現(xiàn)項目的目標(biāo)，使項目達(dá)到最高的利益。