儲熱調(diào)溫纖維的研究進展(二)

韓 娜 張 榮 張興祥

(1.改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津工業(yè)大學功能纖維研究所，天津，300160; 2.航宇救生裝備有限公司技術(shù)中心，襄樊，211102)

儲熱調(diào)溫纖維的研究進展(二)

韓 娜1張 榮2張興祥1

(1.改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津工業(yè)大學功能纖維研究所，天津，300160; 2.航宇救生裝備有限公司技術(shù)中心，襄樊，211102)

4 儲熱調(diào)溫纖維的性能評價

目前較為廣泛的是采用差示掃描量熱分析儀測試纖維在體溫上下的吸放熱特性，從而區(qū)分儲熱調(diào)溫纖維與常規(guī)纖維。也可將纖維加工成織物或非織造布，通過測試儲熱調(diào)溫纖維織物和常規(guī)織物的相變性能［6，9，10，15］、內(nèi)部溫度差［9］、溫度調(diào)節(jié)系數(shù)［27］、動態(tài)熱阻［28］等評價其性能。

4.1 相變性能

差示掃描量熱分析儀(DSC)被廣泛用于測試儲熱調(diào)溫纖維的低溫吸放熱溫度和吸放熱量［6，9，10，15］。儲熱調(diào)溫纖維中的相變材料在環(huán)境溫度由低于其相變溫度到高于其相變溫度時發(fā)生固—液相轉(zhuǎn)變，吸收熱量，DSC升溫掃描曲線上出現(xiàn)明顯的吸熱峰(圖4［22］);反之，在環(huán)境溫度由高于其相變溫度到低于其相變溫度時發(fā)生液—固相轉(zhuǎn)變，放出熱量，DSC降溫掃描曲線上出現(xiàn)明顯的放熱峰。而普通纖維由于在此溫度范圍內(nèi)沒有吸放熱效應(yīng)，DSC掃描曲線上沒有吸熱或放熱峰。因此，DSC和差熱分析儀(DTA)被廣泛用于檢測和區(qū)分儲熱調(diào)溫纖維，目前已制備出吸放熱量(熱焓)達45 J/g以上的儲熱調(diào)溫纖維。

4.2 內(nèi)部溫差

通過測量升溫和降溫過程中儲熱調(diào)溫纖維織物與常規(guī)織物內(nèi)部溫差的方法也可以評價儲熱調(diào)溫纖維織物的儲熱性能［9，19］，該方法更適用于高單位面積質(zhì)量儲熱調(diào)溫纖維織物的性能評價。已經(jīng)測得的儲熱調(diào)溫纖維非織造布與對比試樣之間的最大溫差為 8 ～9 ℃(圖5［9］)。

圖4 儲熱調(diào)溫腈氯綸的DSC掃描曲線

4.3 溫度調(diào)節(jié)系數(shù)

2004年，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)公布了一項評價儲熱調(diào)溫纖維織物的標準(D7024—04)［27］，在一個脈沖式加熱裝置上，對儲熱調(diào)溫(纖維)織物和對比織物施加脈沖加熱信號，然后測試熱板上最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)、最大熱流qmax和最小熱流qmin，經(jīng)計算得到織物的溫度調(diào)節(jié)系數(shù)(TRF):

式中:R——織物的靜態(tài)熱阻(℃·m2/W)。

TRF為0，表示織物具有無限溫度調(diào)節(jié)能力;TRF為1，表示織物沒有溫度調(diào)節(jié)能力。

Hittle等人［27］測得的一種 MicroPCMs涂層織物的TRF約為0.52。該標準只適用于薄型織物，而且要求有同規(guī)格的對比織物，因此特別適用于MicroPCMs涂層前后織物TRF的變化情況測試。

圖5 升溫和降溫過程中對比試樣(Tc)與儲熱調(diào)溫纖維非織造布(Ts)的溫差

4.4 動態(tài)熱阻

針對常規(guī)的熱板法測試織物保溫性能需要將試樣在熱板上長時間平衡，從而導致纖維中的相變材料的固—液相轉(zhuǎn)變在測試開始時已經(jīng)完成。Pause［28］設(shè)計了一種新型的測試裝置，可用于測試織物的基礎(chǔ)熱阻和動態(tài)熱阻。Pause測得的一種MicroPCMs涂層織物的基礎(chǔ)熱阻和動態(tài)熱阻如表1所示。膜材料的動態(tài)熱阻是其基礎(chǔ)熱阻的4～8倍，相變材料的貢獻非常明顯。

Rupp［29］采用該裝置測試了儲熱調(diào)溫纖維非織造布的基礎(chǔ)熱阻和動態(tài)熱阻，獲得了動態(tài)熱阻2倍于基礎(chǔ)熱阻的效果。

4.5 熱流量

儲熱調(diào)溫纖維中含有相變材料，織物在接觸時由于相變材料發(fā)生固—液相轉(zhuǎn)變將比普通織物吸收更多的熱量，因此通過熱板傳遞到織物的熱流量更高。Ying等［30］采用智能手感儀測試了MicroPCMs涂層織物的熱流量，結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著MicroPCMs涂覆量的增加，織物的熱流量明顯增加。Zhang等［31］采用該儀測試了不同儲熱調(diào)溫纖維的熱流量，相變材料含量高的儲熱調(diào)溫纖維非織造布的熱流量明顯大于相變材料含量低的試樣。由于常溫的普通織物在與35℃的熱板接觸時也會產(chǎn)生熱流量，因此該方法需要與其他方法配合使用。該方法更適用于采用同種工藝制成的不同MicroPCMs含量的織物的性能評價。

表1 含MicroPCMs涂層膜材料的基礎(chǔ)熱阻和動態(tài)熱阻

5 儲熱調(diào)溫纖維的應(yīng)用

5.1 軍用服裝

目前，儲熱調(diào)溫纖維已用于制造飛行保暖手套，軍用冷或熱作戰(zhàn)靴、潛水服、冬季服裝、海軍陸戰(zhàn)隊微氣候冷卻服裝等方面［3］。此外，它還可用于紅外線偽裝服［32］，軍事應(yīng)用上的紅外光波段主要分為0.75～3 μm 的近紅外和3～15 μm 的熱紅外。近紅外探測是根據(jù)目標與背景的亮度差別來發(fā)現(xiàn)目標，因此偽裝主要是設(shè)法減少或消除目標與背景的亮度差別。紅外熱像儀是利用高于環(huán)境溫度的物體都會向外發(fā)射紅外輻射的原理而使之成像，因此防熱紅外探測就要通過降低目標在熱紅外譜段的熱輻射。調(diào)溫纖維及紡織品能緩沖人體散發(fā)的熱，降低熱紅外輻射，有望在熱紅外偽裝方面起到一定作用。

5.2 民用服裝

因為儲熱調(diào)溫纖維中的相變材料能吸收運動員劇烈運動產(chǎn)生的大量熱量，使穿著者避免因體溫過快上升而產(chǎn)生的高溫現(xiàn)象。高溫會使運動員產(chǎn)生頭暈、乏力等不良反應(yīng)，因此儲熱調(diào)溫纖維適宜做運動服裝，如滑雪服等。人體的足部溫度低于體溫，日常生活中腳處于運動和靜止的交替狀態(tài)，因此用調(diào)溫紡織品做襪子及鞋襯材料能緩沖足部的溫度差異。手套也是調(diào)溫紡織品的重要用途之一，北美手套制造商(Wells Lamont)的測試結(jié)果表明，如果測試者穿戴含微膠囊相變材料防水手套浸入水中時，測試者的手部溫度維持在26.7℃以上可長達15 min;而穿戴普通絕緣材料手套浸入水中時，在5 min內(nèi)手部溫度下降至10℃。

5.3 家用裝飾、床上用品

采用儲熱調(diào)溫纖維制成的家用裝飾、床罩、睡毯和被褥等床上用品具有自動調(diào)節(jié)溫度的性能，當環(huán)境溫度變化時，儲熱調(diào)溫纖維可以通過吸收或釋放一定量的潛熱維持環(huán)境溫度的平衡，從而使人們處于舒適的生活環(huán)境中。

5.4 汽車內(nèi)織物

在汽車內(nèi)部采用儲熱調(diào)溫紡織品作為內(nèi)襯可為乘客提供溫度調(diào)節(jié)效果，并通過相變材料的吸放熱來保持車內(nèi)溫度的恒定。Pause對汽車內(nèi)部諸如地板、車頂、座椅及儀表盤等部位應(yīng)用儲熱調(diào)溫紡織品做了試驗，結(jié)果表明:在車頂和座椅部位應(yīng)用儲熱調(diào)溫紡織品具有明顯的調(diào)溫效果。如對于面積為1.5 m2的車頂來說，車頂襯層中的相變材料能吸收約150 J的熱量;應(yīng)用于座椅的儲熱調(diào)溫紡織品不僅可通過相變材料的變化吸收乘客身體多余的熱量，而且還減少了乘客身體濕氣的產(chǎn)生。

5.5 保護性裝置

在頭盔、膝蓋護墊、肘部襯墊等保護性裝置中，應(yīng)用儲熱調(diào)溫纖維可適當控制這些部位汗液的產(chǎn)生與排放［33］。通過儲熱調(diào)溫纖維中相變微膠囊的相變熱可調(diào)節(jié)身體局部溫度的平衡，以減少濕熱的產(chǎn)生，從而為人體的這些部位提供適當?shù)睦鋮s。

5.6 醫(yī)療衛(wèi)生用品

采用儲熱調(diào)溫纖維制備醫(yī)療衛(wèi)生材料的前景非?？春?，已經(jīng)進行的頸套、枕芯、繃帶等方面的試驗證實，這種材料可以使患者的手術(shù)部位保持更適宜的溫度和濕度，加速傷口愈合，減少感染。

6 展望

雖然大部分相變材料，如石蠟、聚乙二醇等并不是有害物質(zhì)，但從纖維中泄漏出來將會大大降低纖維的功用，并污染環(huán)境。采用相變材料微膠囊取代相變材料制備儲熱調(diào)溫纖維，較好地解決了含有相變材料微膠囊的纖維中相變材料的泄漏問題。然而，目前儲熱調(diào)溫纖維的制備工藝采用傳統(tǒng)的溶液法紡絲工藝，帶來了一定的資源浪費和環(huán)境污染;采用熔紡法制備工藝，納米或微米級膠囊容易出現(xiàn)團聚以及在熔融擠出過程中出現(xiàn)破裂等現(xiàn)象，降低了纖維的熱效率。因此研發(fā)出一種適用于熔融紡絲工藝的耐熱相變材料微膠囊成為未來科研的熱點，解決膠囊團聚現(xiàn)象，開發(fā)一種可以壓縮或拉伸的“柔軟”微膠囊制備儲熱調(diào)溫纖維，取代現(xiàn)有的塑性相變材料微膠囊是一種更好的解決方法。

聚烯烴的性質(zhì)與石蠟相似，相變材料的泄漏是不可避免的，因此聚烯烴并不是基體材料的首選。采用聚乙烯醇、淀粉、纖維素纖維等親水性聚合物取代憎水性聚合物，作為基體材料紡制儲熱調(diào)溫纖維是一條新路。

［27］HITTLE D C，ANDRE T L.A new test instrument and procedure for evaluation of fabrics containing phasechange material［J］.ASHRAE Transaction，2002，108(1):175-182.

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Research and development trends of thermo-regulated fibers

Han Na1，Zhang Rong2，Zhang Xingxiang1
(1.Tianjin Municipal Key Lab of Modification and Functional Fibers，Institute of Functional Fibers，Tianjin Polytechnic University; 2.Center of Technology，Hangyu Aerospace Life-Support Industries，Ltd.)

The fiber is fabricated by impregnating phase change materials or microencapsulated phase change materials(MicroPCMs)into the fiber.The fiber absorbs heat energy when its temperature is lower than the ambient temperature，and releases heat energy when its temperature is higher than the ambient temperature by the phase change of PCM.Therefore，it can regulate the inner temperature of the clothes automatically.The enthalpy of the fabricated thermo-regulated fiber at the body temperature is 45 ～60 J/g.And its mechanical properties can meet the needs of weaving and clothing.The preparation technology，research and development trends and production methods of this fiber are reviewed in this paper by comparing the merits and faults of the various production methods.The development orientation of the thermo-regulated fiber is pointed out in the paper.

thermo-regulated，fiber，phase change material，temperature regulation

TQ342

A

1004－7093(2011)06－0009－03