微膠囊相變調(diào)溫纖維的調(diào)溫性能研究

金美菊，劉艷春，鄺湘寧

(1.寧波市纖維檢驗(yàn)所，浙江 寧波 315048； 2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000)

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微膠囊相變調(diào)溫纖維的調(diào)溫性能研究

金美菊1，劉艷春2，鄺湘寧1

(1.寧波市纖維檢驗(yàn)所，浙江 寧波 315048； 2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000)

摘要：文章采用差示掃描量熱法測(cè)定相變微膠囊的吸熱焓及放熱焓；采用溫度變化曲線法測(cè)定微膠囊相變調(diào)溫纖維的升溫及降溫過(guò)程；從而研究相變微膠囊及相變微膠囊調(diào)溫纖維的調(diào)溫性能。結(jié)果表明：以石蠟為芯材的相變微膠囊滿(mǎn)足紡織用相變材料的要求；粘膠基相變微膠囊調(diào)溫纖維的溫度調(diào)控范圍與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區(qū)間一致。

關(guān)鍵詞：相變材料；微膠囊；調(diào)溫纖維；調(diào)溫性能

相變材料 (Phase Chang Materials ,簡(jiǎn)稱(chēng)PCM)是一類(lèi)在一定溫度范圍內(nèi)，依靠自身可逆相變從環(huán)境中吸收或向環(huán)境釋放熱量的物質(zhì)。目前人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并掌握的天然或合成相變材料約有500 種[1]，它們以各種形式存在于自然界中。將相變材料加入到纖維中或整理到織物上，可以開(kāi)發(fā)出在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)溫度的相變紡織品。由于服用紡織品通常直接或非直接接觸人體皮膚，因而要求用于紡織領(lǐng)域的相變材料(PCM)具備相變溫度在30℃～35℃之間，相變潛熱足夠大、相變可逆性好、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)，大量研究表明，要得到滿(mǎn)足所有這些條件的PCM極其困難[2]，為了取得預(yù)期效果，有時(shí)可能會(huì)采用多種相變材料混合使用。本文采用差示掃描量熱法測(cè)定相變微膠囊的吸熱焓及放熱焓；采用溫度變化曲線法測(cè)定粘膠基微膠囊相變調(diào)溫纖維的升溫及降溫過(guò)程；從而研究?jī)烧吒髯缘恼{(diào)溫性能。

1　相變材料的調(diào)溫機(jī)理

在一定條件下，某些物質(zhì)通過(guò)相態(tài)變化來(lái)儲(chǔ)存或釋放能量，從而保持自身溫度基本不變的過(guò)程，稱(chēng)為相變。相變是自動(dòng)的、可逆的、無(wú)限次的[3]，常見(jiàn)的相變有固-液、液-汽、固-汽等。伴隨著相態(tài)變化的過(guò)程，一定會(huì)有吸熱或放熱現(xiàn)象產(chǎn)生，這種熱量稱(chēng)為相變潛熱，亦稱(chēng)為相變焓。

含有相變材料的紡織品在環(huán)境溫度升高時(shí)，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，使得紡織品本身溫度升高相對(duì)不明顯；在環(huán)境溫度降低時(shí)，相變材料放出熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使得紡織品本身溫度下降相對(duì)較慢，形成舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境。而傳統(tǒng)的保溫紡織品，則是通過(guò)提高織物內(nèi)部靜止空氣量的方法來(lái)隔絕熱傳導(dǎo)，達(dá)到蓄熱保溫的目的。可見(jiàn)，相變紡織品與傳統(tǒng)紡織品的蓄熱調(diào)溫機(jī)理不同。

相變材料的溫度調(diào)節(jié)能力是有限的，這與相變材料的相變溫度和環(huán)境溫度的差異、相變材料質(zhì)量以及相變焓等因素有關(guān)。

2　相變調(diào)溫紡織品的發(fā)展

相變調(diào)溫纖維是近代發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型纖維材料，在國(guó)內(nèi)外普受關(guān)注。美國(guó)航空航天局 (NASA) 中心實(shí)驗(yàn)室早在20世紀(jì)60年代，就已開(kāi)始研究相變材料，并應(yīng)用于航天領(lǐng)域；爾后Outlast 技術(shù)公司成功采用微膠囊技術(shù)，制造出蓄熱調(diào)溫紡織品和泡沫，并于1997年開(kāi)始生產(chǎn)和銷(xiāo)售。我國(guó)對(duì)于相變材料的研究始于20世紀(jì)90年代，起步較晚，但發(fā)展迅速，現(xiàn)已在運(yùn)動(dòng)服、職業(yè)服、鞋襪和醫(yī)療用品等方面得到應(yīng)用。

早期的調(diào)溫紡織品通常是將相變材料直接整理到織物上，容易對(duì)皮膚造成傷害，且耐洗性能較差。近年來(lái)研究的熱點(diǎn)課題是：利用膠囊技術(shù)將相變材料包裹到膠囊內(nèi)部，制備成相變調(diào)溫微膠囊，從而賦予相變紡織品良好的調(diào)溫性能和調(diào)溫持久性。

目前，相變微膠囊調(diào)溫紡織品的加工方法主要有兩種：一是微膠囊涂層法，即將微膠囊相變材料均勻分散于粘合劑中，涂覆于織物表面，此方法簡(jiǎn)單方便，但織物柔軟性和光滑度較低[4]；二是微膠囊紡絲法，即將微膠囊添加到紡絲液中，通過(guò)紡絲工藝制成調(diào)溫纖維，再經(jīng)紡、織、染等過(guò)程制成相變織物，由于微膠囊的良好穩(wěn)定性，使纖維及織物能保持原有的柔軟性，但纖維斷裂強(qiáng)度會(huì)受到一定的損傷。

3　相變微膠囊及相變微膠囊調(diào)溫纖維的調(diào)溫性能

3.1相變微膠囊的合成及調(diào)溫性能

選取相變材料石蠟為芯材，甲苯-2，4二異氰酸酯(TDI)和己二胺為壁材，以合成共聚物苯乙烯-順丁烯二酸酐的水解物(SMH)為乳化劑，采用原位聚合技術(shù)，將相變材料包覆在微膠囊內(nèi)部，制成相變微膠囊。

據(jù)資料載：超聲波震蕩有助于反應(yīng)液中大顆粒團(tuán)分散成小顆粒，同時(shí)有助于極細(xì)小的顆粒聚集成稍大的顆粒團(tuán)，使微膠囊的體均粒徑差異減小，數(shù)均粒徑分布區(qū)域相對(duì)集中。本實(shí)驗(yàn)分別制備了微膠囊A和微膠囊B，其中A為制備過(guò)程使用超聲波震蕩，B為未使用。

使用差熱掃描量熱儀分別測(cè)量石蠟芯材和實(shí)驗(yàn)制備所得微膠囊的熔融范圍、吸熱焓、凝固范圍和放熱焓。結(jié)果見(jiàn)表1。升溫過(guò)程DSC和降溫過(guò)程DSC見(jiàn)圖1和圖2。

表1芯材及微膠囊A、B的熔融范圍、吸熱焓、凝固范圍和放熱焓

熔融范圍(℃)吸熱焓(J/g)凝固范圍(℃)放熱焓(J/g)芯材16～45122.337～13125.3微膠囊A16～4595.2537～1390.01微膠囊B16～4586.0137-1382.65

從圖1看，熱焓吸收主要發(fā)生在20℃～38℃之間，而從圖2看，熱焓放量大部分集中在18℃～37℃之間。可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)制得的相變微膠囊吸熱和放熱溫度區(qū)間(即調(diào)溫范圍)在18℃～38℃之間，適合應(yīng)用于人體溫度的調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足紡織用相變材料的要求。

圖1　芯材和微膠囊A、B升溫過(guò)程DSC

圖2　芯材和微膠囊A、B降溫過(guò)程DSC

3.2相變微膠囊調(diào)溫纖維的加工及調(diào)溫性能

選用優(yōu)質(zhì)棉、木漿粕等纖維素漿粕為原料，采用粘膠纖維紡絲工藝，經(jīng)浸漬、壓榨、老成、黃化，制得纖維素黃酸脂，然后加入相變調(diào)溫微膠囊，混合攪拌、過(guò)濾、熟成，制得調(diào)溫微膠囊有效含量10%的紡絲膠，經(jīng)噴頭噴入溫度為48℃的凝固浴中成型，經(jīng)過(guò)牽伸、精練、烘干等后處理制得粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維。本實(shí)驗(yàn)分別采用上述微膠囊A、B制備得到粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維A、B。

相變調(diào)溫纖維的調(diào)溫效果測(cè)定方法，目前主要有三種：一是差示掃描量熱法，即DSC法，用于測(cè)定纖維儲(chǔ)熱能力及植入到纖維結(jié)構(gòu)中的相變微膠囊的相變溫度范圍；二是動(dòng)態(tài)熱轉(zhuǎn)換法，用于測(cè)定動(dòng)態(tài)保暖效果，可以有效區(qū)分纖維本身與相變材料提供的保暖性能；三是溫度變化曲線法，借助溫度測(cè)試儀來(lái)測(cè)定纖維溫度變化范圍和熱量吸收程度[5]。

微膠囊調(diào)溫纖維本質(zhì)上是通過(guò)微膠囊的調(diào)溫性能來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么微膠囊經(jīng)紡絲工藝后調(diào)溫效果是否有改變？我們采用溫度變化曲線法測(cè)定粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維的升溫及降溫性能。

實(shí)驗(yàn)樣品：(1)粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維A、B；

(2)普通粘膠纖維。

升溫測(cè)試：將三種實(shí)驗(yàn)樣品纖維，同時(shí)放在國(guó)標(biāo)GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》[6]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下調(diào)濕24h，然后分別放在溫度40℃的保溫板上，采用紅外測(cè)溫儀每隔3s測(cè)定一次纖維表面溫度，記錄并繪制升溫曲線，見(jiàn)圖3。

圖3　粘膠纖維及粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維的升溫曲線

降溫測(cè)試：將三種實(shí)驗(yàn)樣品纖維，同時(shí)放置于42℃恒溫烘箱中加熱保溫2h，取出，置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下自然冷卻至環(huán)境溫度(20±2)℃，用紅外測(cè)溫儀每隔3s，測(cè)定一次纖維表面溫度，記錄并繪制降溫曲線，見(jiàn)圖4。

圖4　粘膠纖維及粘膠基微膠囊調(diào)溫纖維的降溫曲線

從圖3可以看出：在30℃時(shí)，微膠囊調(diào)溫纖維開(kāi)始吸收熱量，自身升溫速率逐漸減慢，35℃時(shí)達(dá)到最小值，最后緩緩到達(dá)37℃；從圖4可以看出：在34℃時(shí)，微膠囊調(diào)溫纖維開(kāi)始釋放自身熱量，自身降溫速率下降，30℃時(shí)達(dá)到最小值，最后到達(dá)20℃。而普通粘膠纖維，無(wú)論是升溫速度還是降溫速度，均比調(diào)溫纖維相對(duì)較快。

該實(shí)驗(yàn)表明：粘膠基微膠囊相變調(diào)溫纖維的溫控范圍約在20℃～37℃之間，與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區(qū)間基本一致。

4　結(jié)語(yǔ)

4.1以石蠟為芯材，甲苯-2，4二異氰酸酯(TDI)和己二胺為壁材，苯乙烯-順丁烯二酸酐的水解物(SMH)為乳化劑，制成的相變微膠囊熱焓吸收區(qū)間20℃～38℃，熱焓放量區(qū)間18℃～37℃，適合應(yīng)用于人體溫度的調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足紡織用相變材料的要求。

4.2以上述相變微膠囊為相變材料，采用紡絲法制得的粘膠基微膠囊相變調(diào)溫纖維，溫控范圍約在20℃～37℃之間，與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區(qū)間基本一致。

4.3相變調(diào)溫紡織品的調(diào)溫性能取決于其采用的相變材料，與紡織品形態(tài)及環(huán)境濕度無(wú)關(guān)。隨著相變材料新品種的不斷出現(xiàn)及相變微膠囊紡絲技術(shù)的不斷完善，相變調(diào)溫微膠囊纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]武松梅,田 麗.相變材料在紡織上的應(yīng)用與研究[J].輕紡工業(yè)與技術(shù),2012，41(2):68—69.

[2]王 全,王清成,蔡建軍.蓄熱調(diào)溫纖維制備方法研究進(jìn)展[J].棉紡織技術(shù),2013，42(11):65—68.

[3]周立群,孟家光.蓄熱調(diào)溫紡織品的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2010，(6):56—58.

[4]蘇德保.智能調(diào)溫纖維的研究新進(jìn)展[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào), 2013，(8):10—14.

[5]李娜娜.智能調(diào)溫纖維及其紡織品[J].上海紡織科技,2010，(3):15—17.

[6]GB/T 6529—2008.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣[S].

收稿日期：2015-10-14 2015-12-15

基金項(xiàng)目：2014年國(guó)家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目(2014QK205)

作者簡(jiǎn)介：金美菊(1966—)，女，浙江溫嶺人，高級(jí)工程師。

中圖分類(lèi)號(hào)：TS102.52+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3028(2016)01-0001-04

Study on the Thermal Performance of Microcapsules Phase Change Fiber

Jin Meiju1, Liu Yanchun2, Kuang Xiangning1

(1.Ningbo Fibre Inspection Institute, Ningbo 315048,China;2.Shaoxing University, Shaoxing 312000,China)

Abstract：The article studied the thermal performance of phase change micro capsule and microcapsules phase change fiber, by using differential scanning calorimeter method for phase change micro capsule of endothermic enthalpy and exothermic enthalpy; by using temperature change curve method for determination the temperature change of microcapsule phase change fiber in heating and cooling process.The results show that: The phase change micro capsules with paraffin as core material was suitable for textiles; The temperature regulation range of viscose base phase change microcapsule fiber, was the same as the temperature scope of micro capsule endothermic and exothermic .

Key words：phase change material; microcapsule; thermostat fiber; thermal performance