簡(jiǎn)述發(fā)熱保暖纖維的發(fā)熱機(jī)理及開發(fā)應(yīng)用

王喜娜

(東華大學(xué),上海 200051)

保暖性是冬季服裝最重要的性能，傳統(tǒng)的保溫是以阻止身體所發(fā)出的熱逃逸為主，發(fā)熱保暖纖維則是自行發(fā)熱達(dá)到保暖效果的新型纖維，是一種積極產(chǎn)熱的保暖纖維。

就目前市場(chǎng)和研究現(xiàn)狀看，發(fā)熱保暖纖維包括吸濕發(fā)熱、光能發(fā)熱、相變放熱、電能發(fā)熱、化學(xué)放熱等，都是積極產(chǎn)熱式保暖材料[1]。然而在諸多發(fā)熱纖維的研究和探討中，多是針對(duì)其保暖性和生產(chǎn)工藝的探討，缺少對(duì)發(fā)熱機(jī)理的基礎(chǔ)性研究。文章著重對(duì)發(fā)熱保暖纖維的發(fā)熱機(jī)理和開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行深入地探討，同時(shí)就其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 吸濕發(fā)熱纖維

1.1 發(fā)熱機(jī)理

有關(guān)吸濕發(fā)熱纖維的發(fā)熱機(jī)理目前有兩種解釋：

(1)利用纖維分子(吸濕發(fā)熱高分子)中強(qiáng)親水性的極性基團(tuán)，與空氣中具有較高動(dòng)能的水蒸氣分子通過氫鍵相結(jié)合，使得高動(dòng)能的水蒸氣被纖維分子吸附而靜止，由能量守恒定理可知，物體由動(dòng)態(tài)變?yōu)殪o態(tài)，在沒有勢(shì)能變化條件下，必將轉(zhuǎn)化成熱能[2]。

(2)氣化反應(yīng)——利用液體蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱量的逆向反應(yīng)原理， 即吸收人體散發(fā)的汗和濕氣進(jìn)行物理反應(yīng)發(fā)熱；吸濕發(fā)熱纖維通過吸收空氣中或人體所散發(fā)的水蒸氣，并將其轉(zhuǎn)化成液態(tài)放熱[3]。

常用的紡織纖維大都有吸濕發(fā)熱性能，一般情況下，吸濕發(fā)熱性能與纖維的回潮率有很大關(guān)系，纖維的回潮率大則吸濕發(fā)熱性能強(qiáng)。鑒于此，提高纖維吸濕發(fā)熱性能的途徑主要有：①對(duì)纖維進(jìn)行高親水化處理，分子鏈中引入氨基或羧基等親水基團(tuán)，并進(jìn)行交聯(lián)處理，得到強(qiáng)吸濕性能的纖維；②增加纖維的比表面積，通過表面能效應(yīng)吸附水分子；③將纖維素纖維與超細(xì)抗起球合成纖維組合在一起[4]。

1.2 開發(fā)應(yīng)用

EKS纖維是通過將氨基、羧基等親水化基團(tuán)引入聚丙烯酸分子，并進(jìn)行交聯(lián)處理而得到，屬于“亞烯酸鹽系纖維”，不僅能夠?qū)⑷梭w皮膚蒸發(fā)出的水蒸氣轉(zhuǎn)換為熱量，達(dá)到保暖的效果，還可以將人體多余汗氣及時(shí)吸收，以達(dá)到干爽舒適的效果[1]。

Thermogear 是由銅氨纖維Cuprobemberg 和超細(xì)抗起球腈綸Cashmilonff 組合而成。該纖維的保暖原理為：利用銅氨絲的優(yōu)越吸濕發(fā)熱性，加上超細(xì)抗起球腈綸Cashmilonff 高效的毛細(xì)效應(yīng)，能迅速將汗水?dāng)U散吸收，使衣服變得干爽，因而能夠使服裝持久保持溫暖。

璐奈絲纖維是由疏水性的腈綸和親水性的醋酸兩種成分組成，由于纖維表面有微孔，濕氣通過微孔時(shí)，被醋酸成分吸收而發(fā)出熱量；腈綸則可以將生成的熱量保持較長(zhǎng)時(shí)間；同時(shí)，由于水滴不能通過纖維的微孔而被擠壓返回，所以穿著時(shí)不會(huì)感到悶熱潮濕[3]。

除了以上幾種新型吸濕發(fā)熱纖維，市場(chǎng)上還有Thermostock 纖維、Softwarm、“N38”、Renaiss α 纖維等，廣泛用于保暖內(nèi)衣和運(yùn)動(dòng)衣等。

2 相變放熱纖維

相變，是指物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)，相變材料(PCM)是一種雙向溫度調(diào)節(jié)保溫材料，它在環(huán)境溫度較高時(shí)具有吸熱功能、在環(huán)境溫度較低時(shí)具有放熱功能。

相變材料主要分為三種：無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、微膠囊相變材料，由于相變材料在液態(tài)時(shí)易于流動(dòng)散失，在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料，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。

2.1 發(fā)熱機(jī)理

相變材料的作用機(jī)理，即當(dāng)環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達(dá)到或高于服裝內(nèi)相變材料溶點(diǎn)時(shí)，相變材料吸收熱量從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，在服裝層內(nèi)產(chǎn)生短暫的致冷效果；如果相變材料服裝在低于相變材料冰點(diǎn)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)相變材料將變回固態(tài)，釋放出能量提供短暫的加熱效果[5]。

含相變材料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。由于相轉(zhuǎn)變過程比較短暫，在恒溫環(huán)境中相變材料沒有任何作用。因此，穿著者必須活動(dòng)以引起相變材料面料的溫度變化或者經(jīng)常在有溫差的兩個(gè)環(huán)境中工作，以保證相變材料發(fā)生相變吸熱或放熱。

2.2 開發(fā)應(yīng)用

Outlast 纖維技術(shù)關(guān)鍵是使用微膠囊包裹的熱敏相變材料，這種材料為碳?xì)浠D，能以潛熱的形式吸收、儲(chǔ)存和釋放熱量。其在溫度變化中，可以固態(tài)液態(tài)相互轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到吸熱、放熱的效果[6]，為覆蓋所有實(shí)際需要的溫度范圍，它使用三種不同的相變材料。

由蓄熱調(diào)溫纖維和Thinsulate纖維組成的干式保溫潛水服，外層采用防水透濕織物，可以使?jié)撍畣T在3 h內(nèi)保持溫暖，而普通潛水服只能在lh內(nèi)保持溫暖[5]。

相變發(fā)熱纖維織物表現(xiàn)出了靜態(tài)和動(dòng)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。該材料可廣泛應(yīng)用于制冷業(yè)、長(zhǎng)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。

3 光能發(fā)熱纖維

3.1 發(fā)熱機(jī)理

光能發(fā)熱纖維是一種可吸收太陽輻射中的可見光與近紅外線，且可反射人體熱輻射, 具有保溫功能的材料。以添加IV族過渡金屬碳化物為主，例如ZrC 、TiC 、HfC，碳化物能吸收陽光中的0.6eV 高能波長(zhǎng)段( < 2 μm) ，而反射低能波長(zhǎng)段( > 2 μm) ，陽光中波長(zhǎng)0.3～2 μm 的能量占其總能量的95%以上，而人體散發(fā)的熱輻射波長(zhǎng)為10 μm，幾乎100%被反射，因此具有極好的蓄熱保溫功能[6]。

遠(yuǎn)紅外線纖維也屬于光能發(fā)熱纖維的一種，它通過吸收人體發(fā)射出的熱量, 向人體輻射一定波長(zhǎng)范圍的遠(yuǎn)紅外線(其中包括最易被人體吸收的7～14 μm 波長(zhǎng)段), 可使人體局部產(chǎn)生溫?zé)嵝?yīng), 促進(jìn)血液循環(huán)；由于能反射返還部分人體輻射的紅外線, 減少了人體熱量損失,使得此類纖維織物的保溫性能較好[7]。

3.2 開發(fā)應(yīng)用

近紅外線吸收纖維Thermocatch是將氧化錫與氧化銻的復(fù)合物微粉添加在腈綸紡絲原液中。這種纖維織制的織物即使在陰天也能夠顯著提高內(nèi)部溫度達(dá)2～10℃。

Ceramino儲(chǔ)熱保溫聚酯纖維，采用在后加工過程中將遠(yuǎn)紅外吸收物質(zhì)均勻地滲透到纖維分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)(無定形區(qū))的技術(shù)，以提高對(duì)陽光等外界紅外線的吸收率。

Thermotron蓄熱保溫纖維的每根“Thermotron”單纖維芯部均溶有碳化鋯的微小粒子，可以吸收陽光中的可見光，并把吸收的光能轉(zhuǎn)換成為熱能，并反射出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線，使服裝內(nèi)部變暖?！癏eat Performa”產(chǎn)品用碳化鋯的微小粒子來改變紗線的形態(tài)，使纖維表面露出紗線阻斷遠(yuǎn)紅外線以達(dá)到保溫效果，由于纖維的截面為齒形，還可以利用纖維縱向凹凸溝槽起到吸汗、排汗、速干的功能。

含碳化鋯( ZrC )可吸收太陽能的蓄熱保暖纖維“Solar-a”，是一種皮芯復(fù)合纖維，芯層為含碳化鋯的聚酰胺或聚酯, 皮層為普通成纖高聚物, 由雙螺桿擠出機(jī)熔融紡絲而成。這種纖維加工成服裝后, 陽光照射下服內(nèi)溫度可較普通服裝高2～8℃, 保溫效果有明顯提高；但陰天時(shí)其保溫功能有所下降, 服內(nèi)溫度僅比普通服裝高0～2℃[9]。

Textcare(納米竹炭纖維)是根據(jù)竹炭的遠(yuǎn)紅外線效應(yīng)，達(dá)到蓄熱保溫及促進(jìn)血液循環(huán)的新型保暖纖維，具有優(yōu)良保溫效果、超強(qiáng)除臭力和釋放健康負(fù)離子的能力，可以安定人體精神，促進(jìn)循環(huán)。

4 其他發(fā)熱保暖纖維

化學(xué)放熱纖維一般是在纖維中加入化學(xué)物質(zhì)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能保暖，如將鐵粉混入聚合物中紡絲，利用鐵粉在空氣中氧化放熱達(dá)到保暖目的。暖貼里裝有還原鐵粉和活性炭，通過非織造布的微孔透氧技術(shù)，鐵粉氧化發(fā)熱，發(fā)熱速度和溫度由微孔大小決定，這種暖貼冬天放在內(nèi)衣里既方便又安全，但是鐵粉氧化不可逆，所以暖貼只是一次性用品。

還有利用添加分散導(dǎo)電性填料(如碳纖維) 的樹脂涂層于衣料用聚醋纖維上[9]，通電后纖維發(fā)熱，改善服裝的保暖效果。

5 發(fā)熱保暖纖維的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)熱保暖纖維的開發(fā)應(yīng)用已成為新時(shí)代新型服裝纖維發(fā)展的一個(gè)潮流，當(dāng)然隨著高新技術(shù)不斷引入該領(lǐng)域, 發(fā)熱保暖纖維還會(huì)繼續(xù)發(fā)展并完善，鑒于目前發(fā)熱保暖纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及服裝市場(chǎng)的導(dǎo)向，發(fā)熱保暖纖維將會(huì)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)作為開發(fā)發(fā)熱保暖纖維的關(guān)鍵因素，對(duì)如何配置發(fā)熱保暖纖維，使保暖性更好，同時(shí)對(duì)如何使發(fā)熱更持久和更好控制發(fā)熱過程，對(duì)發(fā)熱保暖纖維的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行深入地研究，起著至關(guān)重要的作用。

(2)建立完善的發(fā)熱保暖纖維熱評(píng)價(jià)系統(tǒng)，目前還沒有針對(duì)發(fā)熱保暖纖維專業(yè)的熱測(cè)試方法和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，這樣無法準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)發(fā)熱保暖纖維的發(fā)熱性能。

(3)使發(fā)熱保暖纖維集多功能于一身，向低靜電、抗菌防螨、吸熱保溫、抗紫外線、輕質(zhì)清涼、吸汗透濕等各種功能開發(fā)。

6 結(jié)語

發(fā)熱保暖纖維使傳統(tǒng)保暖服裝擺脫“臃腫”的面貌，走向“輕薄暖”，使保暖服裝的舒適性增強(qiáng)，同時(shí)使保暖服裝更時(shí)裝化。隨著對(duì)發(fā)熱保暖纖維的深入研究和開發(fā)，同時(shí)隨著人們對(duì)服裝高檔化和對(duì)功能性服裝要求的提高,開發(fā)新型發(fā)熱保暖纖維將有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。

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