調(diào)溫纖維在紡織品中的應(yīng)用

魏敬敬，劉艷君

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

1 調(diào)溫纖維

1.1 調(diào)溫纖維的定義

調(diào)溫纖維是指對溫度或溫度變化有響應(yīng)的智能纖維，它是一種具有雙向溫度調(diào)節(jié)作用的、以改善織物舒適性為主要目的的新型纖維。它主要是采用相變材料并將相變蓄熱技術(shù)與纖維制造技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出的一種高技術(shù)產(chǎn)品，能夠自動吸收、儲存、分配和放出熱量，有效地調(diào)節(jié)溫度，使纖維可以根據(jù)人體的需要保持在一定溫度范圍內(nèi)，為人體創(chuàng)造舒適的溫度環(huán)境。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀[1]

智能調(diào)溫纖維的研究于20世紀(jì)80年代起源于美國，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。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，最初是太空總署為登月計劃而研發(fā)的，用作宇航員服裝和保護(hù)太空實驗精密儀器等，于1988年開發(fā)成功，1994年首次用于商業(yè)用途，1997年在戶外服裝中使用，現(xiàn)在已廣泛用于時裝和床上用品。此后，Outlast公司與Kelheim纖維公司合作開發(fā)出Outlast粘膠纖維，并獲得專利。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，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隋性氣體的織物。日本東洋紡公司開發(fā)了以塑性晶體為芯材的鞘一芯復(fù)合絲。

我國自20世紀(jì)90年代初開始蓄熱調(diào)溫紡織品的研究工作。天津工業(yè)大學(xué)功能纖維研究所自1993年立項，開始從事蓄熱調(diào)溫纖維的研究開發(fā)工作，2000年底成功完成相變物質(zhì)熔融復(fù)合紡絲，研制出了相變物質(zhì)含量在16%以上、單絲纖度5 dtex的蓄熱調(diào)溫纖維，獲得了國家發(fā)明專利。另外，該研究所還發(fā)明了耐高溫相變材料微膠囊和熔融紡絲儲熱調(diào)溫纖維技術(shù)，在升溫和降溫過程中其內(nèi)部溫度較普通紡織品低或高3 ℃以上，持續(xù)時間可達(dá)30 min。2005年7月初，江蘇丹盛紡織有限公司研發(fā)的奧特佳(熱敏材料)腈綸基智能調(diào)溫纖維棉型機織產(chǎn)品通過了江蘇省省級鑒定，這是國內(nèi)第一個開發(fā)智能調(diào)溫纖維機織面料的報道。

2008年3月于中國國際紡織技術(shù)展覽會上，河北吉藁化纖有限責(zé)任公司協(xié)同北京巨龍博方科學(xué)技術(shù)研究院聯(lián)合發(fā)布了智能調(diào)溫纖維紡織品最新研究進(jìn)展，推出了微膠囊復(fù)合紡絲法生產(chǎn)的粘膠基智能調(diào)溫纖維——絲維爾，該智能調(diào)溫粘膠纖維的推出，不僅填補了我國粘膠纖維行業(yè)的一項空白，更把中國納入國際上相同領(lǐng)域研究的前列。

1.3 調(diào)溫纖維的調(diào)溫原理

調(diào)溫原理是利用含有的相變物質(zhì)隨外界環(huán)境溫度的變化發(fā)生液——固可逆變化，即環(huán)境溫度升高時，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，降低體表溫度。相反，當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時，相變材料放出熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，減少了人體向周圍放出的熱量，以保持人體正常體溫，為人體提供舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)。

2 調(diào)溫纖維的制造方法

2.1 中空纖維填充法[2-3]

在20世紀(jì)70年代初，Hansen提出將二氧化碳?xì)怏w溶解在溶劑中，然后填充到中空纖維內(nèi)部，封閉端口，得到蓄熱調(diào)溫纖維。在常溫下液體的固化比較困難，因此這種纖維可用于織造能適用氣溫較低的紡織品，而且在加工過程中氣體難免會從纖維中逸出，使織物調(diào)溫效果變差。

1985年Vigo等人將帶有結(jié)晶水的硫酸鹽、氯化鈣等水合鹽填充到人造絲和聚丙烯等中空纖維的中空部分，利用含結(jié)晶水的水合鹽在室溫下發(fā)生熔融和結(jié)晶而產(chǎn)生可逆的貯熱和放熱性能，從而達(dá)到調(diào)溫效果。但這種纖維的調(diào)溫效果耐久性較差，經(jīng)過幾次循環(huán)使用后調(diào)溫效果會變差。后來，Vigo等人還將聚乙二醇封入中空纖維內(nèi)部，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高或降低時，聚乙二醇熔融或結(jié)晶。它的耐久性要比前者好，可以得到調(diào)溫效果可耐150次以上升溫和降溫循環(huán)的纖維，但這種方法制備調(diào)溫纖維時所用的中空纖維直徑較大，相變物質(zhì)殘留在纖維表面，易于滲出和洗出，使得該調(diào)溫纖維的應(yīng)用受到限制。

2.2 紡絲法[2]

利用紡絲法制備調(diào)溫纖維時，通過將相變材料添加到紡絲聚合物的熔體或溶液中，然后進(jìn)行紡絲加工，從而得到含有相變材料的調(diào)溫纖維。根據(jù)紡絲方法的不同形式，紡絲法分為濕法紡絲和熔融紡絲。

2.2.1濕法紡絲法

濕法紡絲是將聚合物制成濃溶液，再用泵將紡絲液輸送到噴絲頭，從噴絲頭小孔擠壓出的紡絲液以細(xì)流狀進(jìn)入凝固浴，聚合物經(jīng)凝固成形后形成纖維。濕法紡絲法是目前工業(yè)化制備調(diào)溫纖維的主要方法，濕法紡絲所用的相變材料主要是微膠囊形式的相變材料，通過微膠囊壁和纖維的包裹作用，使相變材料不易泄漏，纖維調(diào)溫功能的耐久性好。但濕法紡絲工藝流程較長，污染較大，并且纖維中微膠囊的添加量較低。

目前采用濕法紡絲法生產(chǎn)的調(diào)溫纖維主要是腈綸纖維。1987年Triangle公司通過將相變材料或塑晶包裹在微膠囊內(nèi)，制成用于紡絲加工的相變材料微膠囊。通過將相變材料微膠囊與聚合物溶液混合，然后進(jìn)行紡絲，可制備具有儲熱和調(diào)溫功能的纖維。1997年Outlast公司和Fridy公司采用這一技術(shù)，將相變材料微膠囊填加到聚丙烯腈溶液中。通過濕法紡絲，制備出了具有溫度調(diào)節(jié)功能的腈綸纖維。

2.2.2熔融紡絲法

熔融紡絲法是將聚合物加熱熔融然后將熔體從噴絲頭擠出，形成的熔體細(xì)流經(jīng)冷卻后凝固成纖維。采用熔融紡絲法生產(chǎn)調(diào)溫纖維時，對相變材料的要求較高，應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，所采用的相變材料主要是低分子相變材料的微膠囊以及高分子相變材料。

1993年日本酯公司以脂肪族聚酯為芯組分，以普通聚合物為皮層組分；或以脂肪族聚酯為島組分，以普通聚合物為海組分，采用熔融復(fù)合紡絲方法，制備出調(diào)溫復(fù)合纖維。1994年日本東洋紡公司以聚乙二醇為芯組分，以普通聚合物為皮層組分；或以聚乙二醇為島組分，以普通聚合物為海組分，通過熔融復(fù)合紡絲方法，制備出調(diào)溫復(fù)合纖維。

中國天津工業(yè)大學(xué)張興祥等以石蠟烴、聚醚、脂肪族聚酯、聚酯醚等聚合物作為纖維的芯或島組分的主要成分，以成纖聚合物作為皮或海組分，采用熔融復(fù)合紡絲方法，制備出調(diào)溫功能纖維。

利用相變材料與成纖聚合物結(jié)合后的聚合物，采用熔融紡絲法紡絲，這種制備調(diào)溫纖維的方法具有成本低、紡絲容易，可避免相變材料的泄漏等優(yōu)點。與其他的方法制備的調(diào)溫纖維相比，這種調(diào)溫纖維具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

2.3 涂層法[1]

涂層法是把相變物質(zhì)固定到織物上的簡便易行的方法。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(dá)26.75 J/g，缺點是經(jīng)過整理的織物因樹脂固著而手感變硬。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。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。天津工業(yè)大學(xué)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，并獲得了國家專利。

3 調(diào)溫纖維在紡織上的應(yīng)用

3.1 服裝領(lǐng)域

穿著智能調(diào)溫紡織品的人體與外界環(huán)境之間的熱量流動減少或者被中斷，從而在人體與外界環(huán)境之間建立一種相對的動態(tài)熱平衡，對人體起到積極的溫度調(diào)節(jié)作用。不僅能令您在嚴(yán)冬感到溫暖如春，在酷暑也能感到絲絲涼意。

調(diào)溫纖維在服裝上的應(yīng)用很廣，如服裝面料、里料等，已經(jīng)市場化的產(chǎn)品有茄克、體育運動服和滑雪衫等。用于高級西服、消防服、煉鋼服、潛水服、宇航服、飛行服、野戰(zhàn)服、極地探險服、冷庫工作服、鞋襯等。耐高溫或低溫手套也在研究中[4]。

2001年美國海軍成功研制出由微膠囊相變材料摻和而成的儲熱調(diào)溫纖維和3M公司Thinsulate纖維組成的干式潛水服，這種潛水服可使?jié)撍畣T在3 h內(nèi)保持溫暖，而普通潛水服只能在1h內(nèi)保持溫暖。

英國瑪莎(Marks& Spencer)公司為改進(jìn)男士服裝舒適性，在其新的溫度可調(diào)節(jié)系列內(nèi)衣中應(yīng)用了Outlast公司PCM 技術(shù)，推出了溫度可調(diào)服裝；香港福田實業(yè)集團(tuán)與美國杜邦公司合作，采用Outlast 相變材料微膠囊技術(shù)，生產(chǎn)出具有溫度調(diào)節(jié)功能的針織面料，制成的“Fountian”牌溫度響應(yīng)型智能服裝，已開始投放國內(nèi)外高檔服裝專賣店。

保定雄亞紡織集團(tuán)與美國安伯士國際集團(tuán)合作，利用 太空技術(shù)”成功開發(fā)生產(chǎn)出相變調(diào)溫洛科絨線，并首次在國內(nèi)生產(chǎn)出相變調(diào)溫服裝。該集團(tuán)開發(fā)生產(chǎn)的“安伯士”牌太空調(diào)溫洛科絨2950型號絨線，是采用引進(jìn)美國太空署開發(fā)并用于太空宇航服的高科技太空相變調(diào)溫纖維，與進(jìn)口高級洛科絨合制而成。

3.2 裝飾領(lǐng)域

可用于窗簾、床上用品或保溫絮片等方面。床墊、褥子、棉被、枕頭和毛毯等床上用品采用智能調(diào)溫纖維，可將床上的溫度和濕度保持在理想的范圍內(nèi)，能讓使用者保持良好的睡眠狀態(tài)。如金華新佳家紡有限公司2007年9月研制出了自動調(diào)溫被芯，產(chǎn)品名為“天芙棉”，已申請國家發(fā)明專利。它主要用物理方法改變棉纖維的空間結(jié)構(gòu)，使彈性、強度、收縮性等性能得到改善。在常溫下“天芙棉”處于休眠狀態(tài)，人體體溫傳過去后，天芙棉體積開始膨脹，纖維間的體積增大，透氣性增強，排出多余的濕氣和熱量，達(dá)到調(diào)溫的效果[5]。

3.3 醫(yī)療領(lǐng)域

用于手術(shù)服、醫(yī)用恒溫繃帶，還可用于病員服裝。當(dāng)用于手術(shù)服、病人床上物品時，不僅可以改善醫(yī)生或患者的穿著舒適度，而且對病人的心里起到良好的安撫作用[6]。

3.4 產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域

用做建筑屋頂、汽車內(nèi)織物、電池隔板或其他材料。在汽車內(nèi)部采用智能空調(diào)纖維紡織品作為內(nèi)襯，同樣可以為乘客提供溫度調(diào)節(jié)效果，來保持車內(nèi)溫度的相對恒定。在汽車內(nèi)部采用調(diào)溫紡織品作為內(nèi)襯同樣可以為乘客提供溫度調(diào)節(jié)效果，并且通過相變材料的吸熱或放熱來保持車內(nèi)溫度的恒定。B．PAUSE對汽車內(nèi)部諸如地板、車頂、座椅及儀表盤等物品應(yīng)用調(diào)溫紡織品做了實驗，研究結(jié)果表明在車頂和座椅部位應(yīng)用蓄熱調(diào)溫紡織品具有明顯的調(diào)溫效果。應(yīng)用于座椅的調(diào)溫紡織品不僅可以通過相變材料的變化吸收乘客身體多余的熱量，而且也減少了乘客身體濕氣的產(chǎn)生。

4 發(fā)展前景

隨著對有關(guān)調(diào)溫紡織品的研究和開發(fā)，調(diào)溫紡織品的品種不斷增加，性能不斷得到完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。今后調(diào)溫紡織品的一個重要發(fā)展方向是將調(diào)溫功能和其他功能結(jié)合起來，在賦予紡織品舒適性的同時，賦予多種其它功能，提高紡織品的應(yīng)用價值，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。同時隨著相變材料新品種的不斷開發(fā)，相變材料微膠囊技術(shù)的進(jìn)一步完善以及調(diào)溫紡織品加工技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)溫紡織品的性能也將不斷的改進(jìn)和完善。由于人類對服裝的要求將越來越高，傳統(tǒng)的服裝已經(jīng)不能滿足人們的需求，特別是航空、航海、野戰(zhàn)、生化、消防等需要與外界惡劣的環(huán)境接觸的職業(yè)。相變材料的開發(fā)為紡織工業(yè)的發(fā)展，特別是為制造高功能的智能服裝提供了新的途徑。自調(diào)溫相變服裝的研發(fā)對上述惡劣環(huán)境下工作的人員來說不僅能避免意外傷害，還可以改善穿著舒適性，提高工作效率。調(diào)溫纖維的市場前景會非常廣闊。

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