淺談相變材料在蓄熱調(diào)溫紡織品中的應(yīng)用

胡劍燦++++張宇群++++姚盼盼++++羅峻

摘要

蓄熱調(diào)溫紡織品是相變材料與紡織品相結(jié)合的、具有溫度調(diào)節(jié)功能的新型紡織品。本文簡(jiǎn)單地介紹了調(diào)溫紡織品的原理、相變材料的主要類型、調(diào)溫紡織品制備應(yīng)用的主要方法。調(diào)溫紡織品目前尚無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試方法，本文對(duì)幾種調(diào)溫紡織品的測(cè)試方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：調(diào)溫紡織品；相變材料；制備；測(cè)試

智能纖維是指能夠感知外界環(huán)境變化或刺激（如光、熱、磁、電、化學(xué)、力等），并做出響應(yīng)的纖維材料。智能纖維以及利用智能纖維制作而成的智能紡織品被認(rèn)為是紡織服裝工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。智能調(diào)溫纖維是智能纖維的一種，是相變材料與纖維制備技術(shù)相結(jié)合而成的新型纖維產(chǎn)品，其能感知環(huán)境的溫度變化而發(fā)生相應(yīng)的吸熱、放熱行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度雙向的調(diào)節(jié)，使溫度保持合適的范圍內(nèi)，在不同外界環(huán)境下滿足人體舒適性、使用性的要求。圖1為Outlast調(diào)溫纖維與傳統(tǒng)纖維的比較示意圖，調(diào)溫纖維能對(duì)溫度進(jìn)行一定的調(diào)劑，使溫度保持在人體的舒適溫度范圍內(nèi)。

1 相變材料

相變材料是指在目標(biāo)的使用范圍內(nèi)，能發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的材料，發(fā)生相態(tài)變化的溫度點(diǎn)稱之為相變點(diǎn)。在相態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生的過(guò)程中，相變材料可以吸收或釋放大量的熱量，使溫度在很小的范圍內(nèi)變化甚至保持不變，對(duì)溫度起到緩沖的效果。直至相變過(guò)程完全完成后，材料的溫度才繼續(xù)上升或下降。相變材料的熱能存儲(chǔ)過(guò)程如圖2所示[2]。相變材料在相變過(guò)程中儲(chǔ)存或釋放的熱量稱為潛熱。

物質(zhì)相變主要有4種不同的形式：固-液相變、固-氣相變、液-氣相變和固-固相變，其中固-固相變是指材料在不同的晶型之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變[3]。固-氣相變和液-氣相變過(guò)程涉及氣體的產(chǎn)生，物質(zhì)的體積在相變前后發(fā)生較大的變化，難以在實(shí)際中應(yīng)用。固-液相變過(guò)程具有較高的儲(chǔ)能密度，意味著在使用時(shí)占用較小的質(zhì)量和體積[4]，是目前相變材料應(yīng)用的主要類型。

人體感到適宜的溫度大約在18℃～35 ℃[4]，因此具有調(diào)溫性能的紡織品中相變材料的相變溫度應(yīng)該在這個(gè)溫度附近為宜。根據(jù)相變材料的組成，相變材料可分為三大類：有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。下面簡(jiǎn)單介紹幾種在這個(gè)溫度內(nèi)的相變材料。

1.1 無(wú)機(jī)相變材料

無(wú)機(jī)類相變材料主要是指無(wú)機(jī)水合鹽，如十水硫酸鈉、七水碳酸鈉、六水硫酸鎂等。這些無(wú)機(jī)水合鹽失去結(jié)晶水是明顯的吸熱過(guò)程，而水合鹽的產(chǎn)生則會(huì)放出熱量。例如十水硫酸鈉又被稱作格勞伯爾（Glauber）鹽，其相變溫度為32.4℃，是人體普遍感到舒適的溫度。當(dāng)溫度高于相變溫度時(shí)，十水硫酸鈉固體會(huì)脫去結(jié)晶水，形成硫酸鈉溶液；當(dāng)溫度低于相變溫度時(shí)，硫酸鈉與水分子結(jié)合，重新形成十水硫酸鈉固體。十水硫酸鈉的相變過(guò)程潛熱可達(dá)254 kJ/kg，同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性能[5]。

無(wú)機(jī)水合鹽具有較高的潛熱和儲(chǔ)能密度、良好的導(dǎo)熱性能、性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉，是具有巨大吸引力的相變材料；但是大多數(shù)無(wú)機(jī)水合鹽存在著一定的腐蝕性，在相變過(guò)程中存在過(guò)冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象，反復(fù)使用過(guò)程中容易產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的變形，使無(wú)機(jī)水和鹽在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。

1.2 有機(jī)相變材料

有機(jī)相變材料可大致分為以下幾種：石蠟類、聚乙二醇類、脂肪酸類等。

石蠟類是指長(zhǎng)鏈烷烴化合物，分子通式為CnH2n+2，是石油精餾的副產(chǎn)物。石蠟類烷烴的熔點(diǎn)隨著碳原子數(shù)目增加而增加，具有近似的線性關(guān)系，因此可以根據(jù)應(yīng)用的溫度來(lái)選擇碳原子數(shù)目的化合物。其中n=17～20的烷烴熔點(diǎn)為16℃～36℃，適合應(yīng)用于調(diào)溫紡織品之中[6]。石蠟類無(wú)毒、價(jià)格便宜、化學(xué)性能穩(wěn)定，是目前商業(yè)應(yīng)用中最常用的相變材料。

聚乙二醇是乙二醇（PEG）的線性聚合物，分子式為HO—CH2—（CH2—O—CH2）n—CH2—OH。聚乙二醇具有無(wú)毒、穩(wěn)定、難燃、可生物降解、無(wú)腐蝕性、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。聚乙二醇的熔點(diǎn)和熔融焓隨著分子量的增加而增加，例如PEG400的熔點(diǎn)為3.2℃，熔融焓為91.4 kJ/kg，PEG20000的熔點(diǎn)為68.7℃，熔融焓為187.8kJ/kg[7]。不同分子量聚乙二醇的熔點(diǎn)見(jiàn)表1。通過(guò)選擇PEG的分子量或者混合不同分子量的PEG可以對(duì)聚乙二醇的熔點(diǎn)進(jìn)行選擇[8]。

脂肪酸是動(dòng)植物脂肪和油脂的水解產(chǎn)物，低廉易得，其性質(zhì)與石蠟類烷烴化合物相類似，是一類具有廣泛應(yīng)用前景的相變材料。脂肪酸類對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，可以生物降解；其化學(xué)和熱學(xué)性能十分穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)上千次的熔化冷凍循環(huán)仍可保持良好的熱學(xué)性能[9]。但脂肪酸有不良的氣味，有一定的腐蝕性，在升溫的時(shí)候容易發(fā)生升華；為了克服以上缺點(diǎn)，有研究人員通過(guò)脂肪酸和醇類反應(yīng)[10]，得到脂肪酸酯，對(duì)脂肪酸的性質(zhì)加以改善。

1.3 復(fù)合相變材料

當(dāng)有缺乏合適相變溫度的相變材料，或在具有合適相變溫度的相變材料成本太高時(shí)，為了得到相變溫度適當(dāng)、性能優(yōu)越的相變材料，會(huì)采用將幾種相變材料復(fù)合的方法，以彌補(bǔ)各種材料的不足。復(fù)合的材料可以是有機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料、無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料或有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。

馬艷紅[11]將相變蠟和硬脂酸正丁酯組合在一起，研究了該二元復(fù)合體系在不同比例下的相變儲(chǔ)熱性能，成功制得了一系列以相變蠟/硬脂酸正丁酯為芯材的相變溫度可調(diào)的微膠囊，其熔化峰值溫度在28℃～35℃之間可調(diào)。

復(fù)合相變材料既能有效克服單一的相變材料存在的缺點(diǎn)，同時(shí)改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。但該類材料組成和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，界面處理和制備技術(shù)存在著困難，同時(shí)相變結(jié)構(gòu)和機(jī)理尚待進(jìn)一步研究[12]。

2 調(diào)溫紡織品中制備應(yīng)用

保暖是紡織服裝的一個(gè)重要功能。紡織服裝能為人體皮膚表面創(chuàng)造合適穩(wěn)定的微環(huán)境，使人體保持舒適的狀態(tài)。將相變材料應(yīng)用到紡織服裝中，能提高紡織品的吸放熱容量，還能在外界溫度發(fā)生變化時(shí)為紡織品提供一定的溫度緩沖功能，保持人體的舒適狀態(tài)。調(diào)溫紡織品源于上世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為保護(hù)太空中的宇航員在太空和極高空免受低溫傷害，而資助開(kāi)發(fā)的技術(shù)。1997年，美國(guó)Outlast公司成功將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，使該技術(shù)在民用紡織品領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。目前，智能調(diào)溫紡織品已經(jīng)在鞋帽、手套、襪子、保暖內(nèi)衣、戶外服裝、床上用品、地毯、醫(yī)用繃帶等多個(gè)終端產(chǎn)品上有所應(yīng)用，其種類以及產(chǎn)值都在不斷地增加。

目前在實(shí)際應(yīng)用中的相變材料多為固-液相變材料，在使用過(guò)程中材料轉(zhuǎn)變成液相時(shí)，具有流動(dòng)性，使相變材料容易發(fā)生泄漏，因此通常將相變材料封裝在具有核殼結(jié)構(gòu)的微膠囊中，從而實(shí)現(xiàn)材料的固態(tài)化。相變材料膠囊化能增大有效傳熱面積，增強(qiáng)材料的傳熱效果，提高相變材料的使用壽命，解決固-液相變材料在相變過(guò)程液體滲漏、分解、與外界環(huán)境接觸及污染環(huán)境等問(wèn)題，使得相變材料更方便地使用、貯存和運(yùn)輸。下面介紹將相變材料膠囊化后，其在紡織品中應(yīng)用的方法。

2.1 紡絲法

紡絲法是將相變微膠囊加入到聚合物的溶液或熔體中，再通過(guò)濕法紡絲或熔融紡絲工藝制備出含有相變材料的纖維。相變微膠囊被包裹在纖維的內(nèi)部，使微膠囊的使用壽命大大增加，對(duì)織物的手感、柔軟度、顏色等性能不會(huì)造成較大的影響，同時(shí)織物的針織、梭織、染色、后整理、印花等后續(xù)工藝也無(wú)需進(jìn)行較大的調(diào)整。1988年，美國(guó)Triangle公司將含有石蠟的相變微膠囊加入到聚丙烯腈紡絲液中，通過(guò)濕法紡絲法成功地制備出具有調(diào)溫功能的腈綸纖維，并申請(qǐng)了發(fā)明專利[13]。1997年Outlast公司利用這一技術(shù)推出了具有調(diào)溫纖維功能的面料，應(yīng)用于內(nèi)衣、鞋帽、床上用品等多種產(chǎn)品。天津工業(yè)大學(xué)的張?zhí)煜閷⒑姓送橄嘧儾牧系奈⒛z囊加入到聚丙烯熔體中，再通過(guò)熔融紡絲制備成纖維；纖維大致在32℃左右發(fā)生吸放熱，使溫度在一定范圍內(nèi)保持不變[14]。圖3分別為Outlast公司推出的腈綸調(diào)溫纖維和粘膠調(diào)溫纖維。

調(diào)溫纖維（b）[1]

2.2 涂層法

涂層法是指將相變微膠囊加入分散到涂層劑中，再通過(guò)干法涂層、濕法涂層、轉(zhuǎn)移涂層等方法將涂層固定到織物上，從而使織物具有調(diào)溫的功能。美國(guó)Triangle公司于1994年申請(qǐng)了在織物表面添加具有相變微膠囊涂層的專利[15]。涂層法屬于織物的后整理過(guò)程，適用于多種纖維成分的織物，如棉、麻等難以通過(guò)紡絲法添加相變微膠囊的織物。常用的涂層劑主要為丙烯酸涂層和聚氨酯涂層。SalaünF等利用相變微膠囊的聚氨酯涂層對(duì)棉織物進(jìn)行了整理，具有良好的調(diào)溫效果[16]。但是織物表面的涂層結(jié)構(gòu)會(huì)使織物的柔軟度、透氣性等下降，對(duì)織物的舒適性造成一定的影響。

2.3 泡沫法

泡沫法是指將相變微膠囊均勻加入到聚氨酯發(fā)泡材料中，再進(jìn)行發(fā)泡成型，得到含有相變微膠囊的泡沫材料。泡沫材料本身具有大量的孔狀結(jié)構(gòu)，是優(yōu)良的絕熱材料，添加相變微膠囊后，泡沫在相變材料的相變點(diǎn)附近能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的主動(dòng)調(diào)節(jié)，使溫度能進(jìn)一步地保持不變。與其他方法相比，泡沫中相變微膠囊的含量可高達(dá)20%～60%[17]，因而對(duì)溫度具有優(yōu)異的調(diào)節(jié)能力，泡沫材料的容量大，可以添加不同組成的相變微膠囊，達(dá)到在多個(gè)溫度都可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的效果。調(diào)溫泡沫主要通過(guò)熱熔層壓與織物粘合，或者利用泡沫涂層法添加到織物表面，從而實(shí)現(xiàn)在紡織品中的應(yīng)用。

3 調(diào)溫紡織品的測(cè)試

調(diào)溫紡織品在外界的溫度變化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，針對(duì)調(diào)溫紡織品這種特殊的性能，目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面介紹幾種調(diào)溫紡織品的測(cè)試方法。

ASTM于2004年發(fā)布了ASTM D7024—2004《紡織品材料穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱性能的試驗(yàn)方法》。該方法將調(diào)溫紡織品面料夾在熱板和冷板之間，測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)熱性能時(shí)，保持控制冷板的溫度不變，對(duì)熱板施加一個(gè)隨時(shí)間正弦變化的熱流量，使熱板的溫度在材料的相變點(diǎn)附近變化。通過(guò)測(cè)量熱板溫度的變化幅度，可以算出紡織品面料的溫度調(diào)節(jié)因子TRF（Temperature regulating factor），由此對(duì)紡織品材料的調(diào)溫能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法模擬了調(diào)溫面料在相變點(diǎn)附近的熱傳導(dǎo)過(guò)程，但該標(biāo)準(zhǔn)于2013年被ASTM撤回[18]。

熱分析法是研究物質(zhì)在加熱或冷卻過(guò)程中，其性質(zhì)和狀態(tài)隨溫度變化而變化的手段。熱分析中的差示掃描量熱法（DSC）法，可以測(cè)量材料在相變過(guò)程中的相變點(diǎn)、相變焓、溫度的變化范圍、相變過(guò)程中的能量損耗等參數(shù)，直觀反映紡織品材料的熱力學(xué)性能。熱分析法是成熟的測(cè)試手段，簡(jiǎn)單易行；但熱分析方法的測(cè)試條件往往與紡織品實(shí)際的使用條件不同，難以對(duì)紡織品在實(shí)際使用過(guò)程中的性能和效果進(jìn)行模擬。

Shim H[19]等設(shè)計(jì)了一個(gè)電腦化控制的男性暖體假人，假人的表面積達(dá)1.8m2，上面有18個(gè)獨(dú)立的溫度控制和測(cè)量單元。他們將假人推入不同溫度的環(huán)境倉(cāng)中，通過(guò)測(cè)量假人表面的熱量損失對(duì)調(diào)溫紡織品的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。該方法能有效地模擬調(diào)溫紡織品服裝在實(shí)際使用時(shí)的狀態(tài)和性能，對(duì)人的形體、衣服與皮膚之間的空氣層等因素加以考慮，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)成本較高。

4 總結(jié)

調(diào)溫紡織品作為一種功能性的、高附加值產(chǎn)值的產(chǎn)品，其應(yīng)用的范圍在不斷地?cái)U(kuò)大。目前針對(duì)調(diào)溫紡織品的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法尚存在缺失，研究建立科學(xué)的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)溫紡織品科學(xué)評(píng)價(jià)，是促進(jìn)和引導(dǎo)調(diào)溫紡織品發(fā)展的一個(gè)重要任務(wù)。

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（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院）