適溫型纖維開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展動向（二）

劉樹英

4.濕熱轉(zhuǎn)換類發(fā)熱纖維。吸濕放熱是一般材料的共性。選用吸濕放熱效果明顯的材料與纖維材料復(fù)合，可制造吸濕自發(fā)熱纖維面料，其吸水性之強遠遠超過其他品種纖維，令人關(guān)注的新產(chǎn)品如日本東洋紡的Heat Performa纖維、Softwarm纖維Renaissa纖維等。

受羊毛吸濕放熱原理的啟發(fā)，日本Atofina公司開發(fā)了一種Softwarm纖維。它能夠吸收人體散發(fā)出的水分并放出熱量，所放出的熱量是羊毛纖維的2倍。通過控制發(fā)熱和放熱速度，使纖維吸附水蒸氣后產(chǎn)生的吸附熱得以均勻地釋放，因此緩慢地抑制了服裝內(nèi)的溫度變化，從而使纖維發(fā)揮出保溫防冷的作用。

日本東洋纖維公司開發(fā)的吸濕自發(fā)熱纖維，是采用改質(zhì)聚丙烯腈或改質(zhì)聚烯酸制成的Softwarm、Renaissa吸濕放熱纖維，以吸收人體排出的水分而發(fā)熱，釋放出的熱量是羊毛的2倍。

Thermotron是日本旭化成株式會社開發(fā)的。它是由銅氨絲和超細抗起球腈綸 Cashmilonff組合而成。這種嶄新的保溫纖維擁有優(yōu)越的吸濕發(fā)熱性及調(diào)濕功能，令衣物穿著感覺干爽柔順。其優(yōu)異特點有：①Thermotron銅氨絲的優(yōu)越吸濕發(fā)熱性發(fā)揮至最大含上超細抗起球腈綸Cashmilonff能有效令紗線之間空氣量增加并能夠持久保持溫暖。②由于超細纖維的毛細現(xiàn)象，能夠迅速地把汗水擴散令衣服變得干爽。③Thermotron的優(yōu)秀調(diào)濕功能可以驅(qū)除多余的濕氣及迅速把汗水擴散并保持溫暖干爽感覺。④Thermotron中使用的Cashmilonff比一般腈綸更為細及柔軟。因此觸及皮膚時感覺更柔順，在洗滌后又不會影響到其柔軟程度。

日本Decent公司采用碳化鋯開發(fā)的Heat Performa纖維，由于該纖維以碳化鋯的微小粒子來改變紗線的形態(tài)，能對人體發(fā)射出的波長在10微米左右的紅外線有強烈的反射作用，使纖維表面露出紗線阻斷遠紅外線以達到“遠紅外-熱反射/轉(zhuǎn)換”效果，因此具備良好的發(fā)熱功能。還有其纖維的截面為齒形，更可以利用纖維縱向凹凸溝槽起到吸汗、排汗、速干的作用而具有保溫功能。

微納米級鐵粉在吸濕方面具優(yōu)越的性能，很有廣闊的應(yīng)用遠景。最近美國格雷斯纖維公司將微納米鐵粉等混入聚合物中紡絲，利用鐵粉在吸濕過程中不斷氧化放熱性能，研究開發(fā)出了利用化學(xué)反應(yīng)放熱的Ultra comfortable fever纖維。

5.太陽能光熱轉(zhuǎn)換類發(fā)熱纖維。目前，塑膠太陽能電池和溫差電池技術(shù)日新月異，而服裝是人體接受太陽能的直接表面，因此將塑膠太陽能電池技術(shù)與纖維材料技術(shù)結(jié)合，能制造出太陽能電池服裝。同時，服裝表面和內(nèi)部存在溫差，給溫差電池開發(fā)提供了基本前提，業(yè)界可結(jié)合織物結(jié)構(gòu)和纖維材料設(shè)計，達到利用服裝溫差發(fā)電。

目前，日本、英國、德國等國家正在開發(fā)有機薄膜太陽能電池、有機敏化染料太陽能電池，這些新技術(shù)以及新型光電、光熱轉(zhuǎn)換材料與纖維材料結(jié)合，將會開發(fā)出新型的具有太陽能轉(zhuǎn)換、儲存功能的紡織纖維制品。而用于織物與服裝和太陽能光熱轉(zhuǎn)換類發(fā)熱纖維的主要制造方法：在纖維中附加特殊的敏化成分或光熱轉(zhuǎn)換化學(xué)材 料，使其在特定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生熱量。比如：Thermotron纖維—太陽能發(fā)熱保溫纖維、Outlast空調(diào)纖維、Textcare納米竹炭纖維和Ceramino發(fā)熱保溫纖維等。

四、智能調(diào)溫類適溫型纖維

智能調(diào)溫類適溫型纖維也稱為“智能纖維”，它的研究于20世紀80年代起源于美國。最早為美國國家航空與航天局研究項目所開發(fā)的Outlast腈綸基智能調(diào)溫纖維，是采用包裹有相變材料石蠟烴的微膠囊加入到腈綸紡絲液中所得，當時是美國太空總署為登月計劃而研發(fā)的，用于宇航員服裝和保護太空實驗精密儀器等外套，于1988年開發(fā)成功，1994年首次用于商業(yè)用途。1997年美國太空總署成立了Gateway公司專門從事智能調(diào)溫纖維的開發(fā)研究，將Outlast腈綸基纖維注冊商標為outlast，發(fā)展用于普通服裝，并從此在美國及歐洲市場上銷售。此后，德國Kelheim纖維公司與Outlast公司合作開發(fā)出Outlast粘膠型纖維，其實就是將相變材料微膠囊加入到粘膠纖維的紡絲液中得到的，其隔熱效果達到42.5%，并獲得專利。

目前以相變材料作為智能調(diào)溫類適溫型纖維的開發(fā)與應(yīng)用，在國外比較成熟的主要有美國和瑞士，他們生產(chǎn)的調(diào)溫纖維主要是微膠囊紡絲工藝；歐洲和日本也有這方面的研究。德國最早研制成功硫酸鈉蓄熱微膠囊整理材料；之后，又開發(fā)了在中空纖維充入溶劑與惰性氣體的織物。日本的代表技術(shù)是大和化學(xué)工業(yè)研制的微膠囊漿料涂層。

1.智能調(diào)溫機理。智能調(diào)溫類適溫型纖維又叫空調(diào)纖維，是將相變材料（簡稱PCM） 技術(shù)與纖維制造技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出的一類新型功能性產(chǎn)品，具有雙向溫度調(diào)節(jié)作用。當外界環(huán)境溫度升高時，纖維中包含的相變材料發(fā)生相變，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量儲存于纖維內(nèi)部；當外界環(huán)境溫度降低時，相變材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出儲存的熱量，保持體表溫度，使人體處于一種舒適的狀態(tài)。智能調(diào)溫纖維的這種吸熱和放熱過程是自動的、可逆的、無限次的。

智能調(diào)溫紡織品的調(diào)溫機理與傳統(tǒng)保溫衣物有明顯不同：傳統(tǒng)衣物主要是利用空氣熱傳導(dǎo)率極小的特點，采用提高織物內(nèi)部靜止空氣的方法來避免熱量散失的，其絕熱 效果主要取決于織物的厚度和密度，且其保溫效果受外界壓縮和水分的影響；智能調(diào)溫紡織品利用其內(nèi)部的相變材料來調(diào)節(jié)熱量而不是隔絕熱，是一種對水分和外界壓力影響不敏感的，能為人體提供舒適微氣候環(huán)境的全新保溫纖維。

2.相變材料選擇。相變是指某些物質(zhì)在一定溫度下相態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。相變時所吸收或放出的能量稱為相變熱（也叫做相變潛熱），物質(zhì)溫度變化時的吸放熱量叫做顯熱，相對于顯熱來說，相變熱要大得多。所以相變材料選擇是制備智能調(diào)溫纖維及其紡織品的第一步。

適用于紡織品的相變纖維材料應(yīng)具有的性質(zhì)：①相變潛熱要高；②適合紡織服裝使用的相變材料，要根據(jù)不同的氣候及用途，選擇與使用溫度相一致的相變溫度范圍；③相變材料安全可靠，化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定；④相變材料應(yīng)具有適宜的熱傳導(dǎo)系數(shù)，靈敏性高，能較快地吸收和釋放熱量；⑤相轉(zhuǎn)變過程完全可逆；⑥相變體積變化??；⑦經(jīng)濟可行。endprint

3.相變材料種類。相變材料分為無機相變材料、有機相變材料和復(fù)合相變材料。迄今為止，已開發(fā)和應(yīng)用的單一型相變材料有500多種，還有通過復(fù)合技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的具有獨特相變特性的復(fù)合相變材料，但是能完全符合上述要求的材料很少。

通常用于紡織品的相變材料有：①無機相變材料，如MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O等，相變溫度小于35℃，相變熱為100J/g～300J/g。②有機相變材料，如有機酸酯類、多元醇類、高級烷烴類和有機酯類等，應(yīng)用較多的相變材料直鏈烷烴的相變熱可達200J/g～300J/g、相變溫度為18℃～40℃。③復(fù)合相變材料，是一些可用于紡織品的相變材料的物理性質(zhì)，通過合理復(fù)配能夠得到在一定溫度范圍內(nèi)具有調(diào)溫作用的復(fù)合相變材料，如一些烷烴的物理性質(zhì)：十六烷的熔點18.5℃、結(jié)晶溫度16.2℃、熱焓237J/g；十七烷的熔點22.5℃、結(jié)晶溫度21.5℃、熱焓213J/g；壬烷的熔點32.1℃、結(jié)晶溫度26.4℃、熱焓222J/g。

4.生產(chǎn)加工方法。目前，生產(chǎn)智能調(diào)溫類適溫型纖維的加工方法有以下幾種：

（1）中空纖維浸漬法。該法是將中空纖維浸漬于相變材料溶液中，使中空部分充滿相變材料，再將纖維兩端封閉。用于浸漬與充填的相變材料有聚乙二醇、CaCl2·6H2O、SrC12·6H2O、三羥甲基乙烷/新戊二醇等。缺點是用中空纖維填充法制得的調(diào)溫纖維內(nèi)徑較大，相變物質(zhì)殘留于纖維表面，故易于滲出和洗出，而且浸漬法存在封端困難，作為服用纖維使用還有很大局限性。

（2）熔融復(fù)合紡絲法。將石蠟烴類相變材料混合一定的二氧化硅粉末，與聚烯烴進行熔融紡絲，可以得到相變溫度為15℃～65℃的調(diào)溫纖維。國外有人以聚丙烯（PP）和分子質(zhì)量為1000～20000的聚乙二醇（PEG）及增稠劑為主要原料，采用熔融復(fù)合紡絲法研制出智能調(diào)溫纖維。

（3）涂層法。是把相變物質(zhì)固定到織物上的簡便易行的方法，即將聚乙二醇用2D樹脂（DMDHEU）在氯化鎂及對甲基苯磺酸催化下，將其固著在纖維上，經(jīng)處理的織物最高的熱焓達26.75 J/g；或采用二異氰酸酯、乙二醇與聚乙二醇聚合得到具有防水透濕性的調(diào)溫涂料，可以涂覆在紡織品表面獲得調(diào)溫功能；抑或用聚乙二醇和2D免燙樹脂整理劑混合整理棉、麻等纖維素織物，在酸性催化劑作用下經(jīng)浸軋一焙烘工藝得到具有一定調(diào)溫功能的面料；也可將正硅酸乙酯、無水乙醇和蒸餾水常溫水解聚合成二氧化硅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠，然后加入醇類相變材料而制成復(fù)合相變材料，最后將復(fù)合相變材料與粘合劑混合后涂覆在紡織面料的表面而制成智能調(diào)溫紡織品。

（4）微膠囊紡絲法。將平均直徑1μm～5μm的含有相變物質(zhì)的微膠囊與成纖聚合物溶液混合后紡絲，其他工藝與復(fù)合紡絲相同。該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于聚丙烯腈系列纖維的溶液紡絲中，得到了PCM分布均勻、蓄熱能力顯著的相變纖維。通常微膠囊中的相變材料質(zhì)量分數(shù)不超過80%（大多數(shù)在50%～60%），微膠囊連同其中的相變材料的熱焓多在100J/g～200J/g，在使用時有很大的優(yōu)越性。

在上述4種生產(chǎn)智能調(diào)溫類適溫型纖維的方法中，中空纖維浸漬法存在封端困難；復(fù)合熔融紡絲法需要加入大量增塑劑才能用于紡絲；涂層織物雖然熱焓值很高，但普遍存在手感較差的缺點。所以，微膠囊復(fù)合紡絲法生產(chǎn)智能調(diào)溫纖維是目前最實用的先進的加工方法。

5.調(diào)溫性能評價。為了測定智能調(diào)溫類適溫型纖維在織物上的效果，目前主要有3種方法能夠表征其調(diào)溫性能：①差示掃描量熱法（DSC）是一種熱分析方法，可以測定智能調(diào)溫纖維織物的熱焓和相轉(zhuǎn)變溫度；②動態(tài)熱轉(zhuǎn)換測試法可以測定織物靜態(tài)絕熱效果和蓄熱微膠囊的動態(tài)絕熱效果；③溫度變化測試法可以測定相變材料吸熱時溫度變化程度和相變影響的持久性。三種方法各有側(cè)重，可以根據(jù)需要合理選擇。

6.新型纖維開發(fā)動向。最近美國Outlast公司新開發(fā)出的Air conditioning Thermal 纖維，為Outlast空調(diào)纖維又增加了一個新的品種。該纖維技術(shù)關(guān)鍵是使用微膠囊包裹的熱敏碳氫改性材料，這種材料具有潛熱形式的吸收儲存和釋放的功能，能對外界環(huán)境溫度的變化在皮膚上做出相應(yīng)的反應(yīng)，并對溫度變化有緩沖作用。其在溫度變化中可以固態(tài)/液態(tài)互相轉(zhuǎn)化，從中達到吸熱、放熱的調(diào)節(jié)效果，其自動調(diào)溫范圍為1℃～20℃。因而該纖維用于服裝除有調(diào)節(jié)溫度功能外，還保持了紡織產(chǎn)品的舒適、透氣性。

巴西Rhodia 公司推出一種新的以聚酰胺6.6 為原料的Gao Shushi纖維，這種纖維嵌入一種專利正二十烷改性的復(fù)合相變材料，用這種纖維生產(chǎn)的運動服裝或者內(nèi)衣具備體溫調(diào)節(jié)功能，還可以改善血液微循環(huán)。公司實驗室Kosmoscience做的試驗證明，與其他產(chǎn)品相比，用Gao Shushi纖維生產(chǎn)的運動服裝，其體溫調(diào)節(jié)功能提高41%，乳酸積累降低35%，乳酸累積導(dǎo)致肌肉疲勞。同樣的研究還顯示，這種服裝可以提高舒適度，減少脂肪團，皮膚彈性提高8%，而且多次洗滌之后，智能紗的特點不會下降，這主要受益于聚酰胺的特性，如手感柔軟、易于打理、防電、有彈性。

瑞士schoeller公司最近推出可彈性調(diào)整溫度的創(chuàng)新智能型調(diào)溫纖維。其創(chuàng)新的關(guān)鍵是采用具有熱致型SMP “形態(tài)記憶導(dǎo)電功能”的相變聚合物納米材料制成PS-change仿生學(xué)調(diào)溫纖維。其仿生學(xué)調(diào)溫記憶功能主要來源于相變材料內(nèi)部存在不完全相容的兩相，即保持成型制品形狀的固定相和隨溫度變化會發(fā)生軟化與硬化可逆變化的可逆相。用PS-change仿生學(xué)調(diào)溫纖維制成的紡織品與服裝，能根據(jù)天氣變化自動調(diào)節(jié)穿衣的溫度，而且可彈性調(diào)節(jié)水氣滲透力，迅速排出濕氣，具有高度防水及防風(fēng)功能。

德國特雷維拉公司新開發(fā)出一種可控型自動調(diào)節(jié)溫度的LCAT纖維，它的創(chuàng)新技術(shù)是在腈綸型Outlast智能纖維的基礎(chǔ)上采用十六烷和2-乙烯基丙烯系納米相變材料的微膠囊紡絲法制成。用這種纖維制成的服裝，其自動調(diào)節(jié)溫度的能力跟面料單位面積內(nèi)微膠囊含有相變材料的比例有關(guān)系，其相變材料所占比例越大，所調(diào)控溫度范圍也就越大。如做一件含有百分之百“LCAT納米相變材料”的服裝，那么它對溫度的調(diào)節(jié)能力就最高，反之則降低。目前該公司制作的這種服裝，根據(jù)特殊需要其微量調(diào)節(jié)皮膚表面環(huán)境溫度的種類有1℃～5℃類、5℃～10℃類和10℃～15℃類。

德國科萊恩公司新研發(fā)的牛奶蛋白調(diào)溫纖維Milk protein，是在牛奶蛋白噴絲液中加入有機復(fù)合PCM相變材料制成，然后用Milk protein纖維與羊絨進行混紡成面料，這種面料相變焓高達28J/g以上，且耐壓、耐高溫性能優(yōu)良。即使產(chǎn)品經(jīng)高溫染色和汽蒸、高壓定型整理和皂洗工藝后，其相變焓仍達24J/g以上。這種面料做成的羊絨調(diào)溫衫服，是含有天然牛奶蛋白的營養(yǎng)材料，親膚性極好。在人們的概念中，和有機硅調(diào)溫纖維、粘膠調(diào)溫纖維相比，能夠自動調(diào)溫的Milk protein纖維顯然具有更多的賣點。

該公司的最新研究還表明，應(yīng)用這項新技術(shù)可以制造由奶酪蛋白、有機毛蛋白、麥乳蛋白或玉米蛋白等蛋白質(zhì)改性合成的高儲熱量溫度舒適性智能調(diào)溫纖維，其在人體適宜溫度范圍內(nèi)的相變焓都可達20J/g～26J/g的效果。

譯據(jù)美國佛瑞斯特研究院的院刊《佛瑞斯特經(jīng)濟》雜志2015年9月號～10月號

原文作者：佛瑞斯特研究院產(chǎn)業(yè)首席研究員約翰·格雷斯博士endprint