相變調(diào)溫材料在紡織領(lǐng)域中的發(fā)展及應(yīng)用

程浩南

(1.江西服裝學(xué)院 ，江西 南昌330201；2.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330201)

綜述與專論

相變調(diào)溫材料在紡織領(lǐng)域中的發(fā)展及應(yīng)用

程浩南1,2

(1.江西服裝學(xué)院 ，江西 南昌330201；2.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330201)

介紹相變調(diào)溫材料的國內(nèi)外發(fā)展情況、分類和生產(chǎn)方法及在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用。其中相變調(diào)溫材料分固－氣型、液－氣型、固－液型和固－固型四類，常用生產(chǎn)方法為紡絲法、相變材料微膠囊法、中空纖維填充法和后整理法四種。相變調(diào)溫材料在消防服的設(shè)計(jì)、服裝面料設(shè)計(jì)、醫(yī)療紡織品設(shè)計(jì)都有應(yīng)用。相變調(diào)溫紡織材料的生產(chǎn)將更多的應(yīng)用微膠囊法，微膠囊的小型化及環(huán)保性能將是未來的發(fā)展方向之一。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)調(diào)溫紡織品時(shí)，與其他生理保健功能的復(fù)合化也將是研究的熱點(diǎn)。

相變調(diào)溫材料；紡織領(lǐng)域；生產(chǎn)方法；微膠囊法

0 前言

當(dāng)人體所處環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，會發(fā)生熱量轉(zhuǎn)移，當(dāng)人體正常機(jī)能無法保持熱量平衡時(shí)，人體就會感覺不舒適，這時(shí)就需要服裝進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證微小氣候區(qū)內(nèi)的熱量平衡。相變調(diào)溫材料因在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)可以通過相變實(shí)現(xiàn)吸收或者釋放熱量的調(diào)溫功能，逐漸在紡織服裝領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]。通過多年的發(fā)展，新型相變調(diào)溫材料的開發(fā)取得了一些研究成果，但是，相變材料并不能直接添加在服裝材料上實(shí)現(xiàn)調(diào)溫功能，需要借助一些特殊的方法實(shí)現(xiàn)相變調(diào)溫材料與紡織材料的有機(jī)結(jié)合[2]。本文通過查閱有關(guān)相變材料的發(fā)展及在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用的參考文獻(xiàn)，總結(jié)相變材料在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，為調(diào)溫功能紡織品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一些參考。

1 相變材料研究的發(fā)展

相變材料最早是外國研究人員開發(fā)的，已開發(fā)出能夠在特定環(huán)境使用的調(diào)溫服裝，且有些產(chǎn)品已投入生產(chǎn)[3]。上世紀(jì)70年代發(fā)生的石油危機(jī)引起了發(fā)達(dá)國家對熱儲能技術(shù)重視，并不斷地在新能源開發(fā)和節(jié)能減排方面加以廣泛應(yīng)用[4]。以美國為代表的發(fā)達(dá)國家還為熱儲能技術(shù)研究提供了大量的政策支持，并制定了長期發(fā)展規(guī)劃，以保證其在熱儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方面長期處于領(lǐng)先地位。我國在相變材料的研究及應(yīng)用方面起步較晚，但隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，也取得了一些研究成果。

1.1 相變材料在國外紡織領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初期，美國的T.L.Vigo和T.S.Bruno系統(tǒng)探討了PEG與紡織纖維發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使紡織品具有了調(diào)溫功能[5]。在隨后的幾十年間，相變材料在國外紡織領(lǐng)域的研究和應(yīng)用取得了豐碩的成果，具體如圖1所示。

圖1 相變材料在國外的發(fā)展?fàn)顩r

1.2 國內(nèi)相變材料研究的發(fā)展

相變材料的一系列研究在我國起步晚，現(xiàn)在處于探索研究階段，與西方發(fā)達(dá)國家差距較大，主要體現(xiàn)在相變材料的研究理論與應(yīng)用技術(shù)不夠完善。我國研究人員大多側(cè)重于研究相變高分子材料，已取得較大的成果，對調(diào)溫紡織品的應(yīng)用正在進(jìn)一步研究中。直到上世紀(jì)90年代，我國有關(guān)相變材料的研究重點(diǎn)才轉(zhuǎn)移到有機(jī)類材料方面。具體的相變材料發(fā)展如圖2所示。

圖2 國內(nèi)相變材料發(fā)展?fàn)顩r

2 相變材料分類及生產(chǎn)方法

2.1 相變材料分類

相變材料在自然界中是以氧化物或聚合物等不同形式存在的，具有的種類多種多樣。大致分為四種類型[6]：固 －氣型相變材料、液 －氣型相變材料、固－液型相變材料和固－固型相變材料。固-氣型相變材料和液-氣型相變材料因在相變過程中會伴隨著大量氣體產(chǎn)生，如果是在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備的內(nèi)壁會受到巨大壓強(qiáng)的嚴(yán)重?fù)p傷，因此，這兩種相變材料的應(yīng)用受到了限制。固-固相變材料雖然不會產(chǎn)生氣體，其儲能密度較低、潛熱也比較小，但是應(yīng)用的相對比較少一些。近些年，許多研究者把研究重點(diǎn)放在了固 -液型相變材料。這類材料相變潛熱較高，在相變過程中近似恒溫，因此，固-液相變材料在紡織用調(diào)溫相變材料應(yīng)用較為廣泛。

2.2 相變材料的生產(chǎn)方法

相變紡織材料常用的生產(chǎn)方法有4種[7]：紡絲法、相變材料微膠囊法、中空纖維填充法和后整理法。

2.2.1 紡絲法

該方法的主要目的是生產(chǎn)相變紡織纖維，將相變材料微膠囊添加到紡絲熔體當(dāng)中，利用溶液紡絲或熔融紡絲技術(shù)生產(chǎn)出含有相變材料微膠囊的纖維，然后與其他纖維進(jìn)行混紡。目前美國的Outlas公司[8]已研制出含有MEPCM的聚丙烯腈纖維、黏膠和聚酯短纖維，且已經(jīng)應(yīng)用于服用紡織品的設(shè)計(jì)過程中。

2.2.2 相變材料微膠囊法

該方法是將相變材料包裹在特制的微膠囊內(nèi)，然后將微膠囊整理到面料表面，使得紡織產(chǎn)品具有相變智能調(diào)溫功能。該技術(shù)不僅拓展了相變材料在服裝材料領(lǐng)域的應(yīng)用，還增大了面料的熱傳導(dǎo)面積，提高了相變材料的使用效率。所以，相變材料微膠囊法逐漸發(fā)展成為生產(chǎn)相變材料最常用的方法之一。

2.2.3 中空纖維填充法

該方法需要借助物理或化學(xué)方法對纖維的內(nèi)徑進(jìn)行預(yù)處理，增加纖維與變相材料的結(jié)合效果，且在相變材料中添加適量的表面活性劑，用于增強(qiáng)相變材料表面的浸潤性能，從而使其更順利地填充到中空纖維當(dāng)中，然后需要將帶有相變材料的中空纖維置于PCMs溶液當(dāng)中放置一段時(shí)間，取出進(jìn)行真空干燥處理后，用樹脂將纖維頭端進(jìn)行有效封閉，這樣可以防止相變材料膠囊的泄漏，可以保證材料調(diào)溫功能的長時(shí)間有效性。

2.2.4 后整理法

后整理法常用浸漬法和涂層法。其中浸漬法的工藝流程：浸漬液配制→服裝材料的浸、軋和烘→服裝材料的皂洗工藝得到含有相變材料的面料；涂層法的工藝流程：涂層漿配制→面料涂層→焙烘。浸漬液和涂層漿除了含有相變材料微膠囊外，往往需要添加乳化劑、催化劑、交聯(lián)劑和分散劑等，提高面料的后整理效果。該方法操作比較簡單，但紡織品的手感有一定程度的下降，同時(shí)，后整理效果在使用過程中的耐久性也要提高。

3 相變材料在紡織品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在日常生活中，利用相變材料的這種相變特性，開發(fā)的高科技功能紡織品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，相變材料在紡織方面主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 消防服裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

相變材料在防護(hù)性紡織品設(shè)計(jì)中的主要作用是調(diào)節(jié)身體局部溫度的熱量平衡，為人體的這些特定部位提供較為舒適的環(huán)境。在防護(hù)性紡織品中主要應(yīng)用在消防服的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以有效減小熱壓并提高著裝舒適性。朱方龍等[9]將PCM織物層設(shè)計(jì)在消防服中，并與一般多層消防服進(jìn)行熱防護(hù)的比較分析，結(jié)果顯示：含PCM織物層在多層服裝各層中的布置對服裝防護(hù)人體皮膚燒傷性能影響較為顯著。Bartkowiak等[10]通過將相變內(nèi)衣層和相變材料大膠囊冷卻背心進(jìn)行有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)出的調(diào)溫消防服，通過試驗(yàn)證明可以調(diào)節(jié)消防服與人體之間的微小氣候，有效地提高了消防人員在救援現(xiàn)場的服裝舒適性。Hu等[11]通過將 “阻燃外層 +相變層 +透汽層 +隔熱內(nèi)層”和 “阻燃外層 +透汽層+相變層+隔熱內(nèi)層”進(jìn)行不同的配置，并構(gòu)建熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行消防服熱防護(hù)性能的分析，試驗(yàn)結(jié)果分析得到：在消防服的設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)相變材料的厚度分別為1 mm、2 mm、5 mm及10 mm時(shí)，采用 “阻燃外層+透汽層+相變層+隔熱內(nèi)層”的配置設(shè)計(jì)消防服，其熱防護(hù)效果較好，且防護(hù)效果隨著相變材料含量的增加而不斷提高。

3.2 服裝面料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

服裝中相變材料會依據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化而進(jìn)行相變，當(dāng)周圍環(huán)境的溫度發(fā)生過高或過低變化時(shí)，相變材料通過發(fā)生相變對溫度進(jìn)行主動調(diào)控，使服裝與人體形成的微氣候區(qū)的溫度保持穩(wěn)定[12]。甘芬等[13]將自制固 -固型含有聚乙二醇的相變材料涂刷到皮革表面，用于提高皮革對溫度變化的適應(yīng)性能。試驗(yàn)測試結(jié)果表明：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%左右的相變材料涂刷到皮革中，當(dāng)溫度過高時(shí)，該相變皮革面料與普通皮革相比溫度低2～3℃；當(dāng)溫度過低時(shí)，該相變皮革面料與普通皮革相比溫度高2～3℃，可以有效地調(diào)節(jié)皮革面料的穿著舒適性。葉穎等[14]采用溶膠凝膠技術(shù)將正硅酸乙酯作為前驅(qū)體，利用SiO2的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對十四醇、溴甲酚紫和硼酸進(jìn)行有效包裹制備出熱敏變色儲能復(fù)合材料，使復(fù)合材料通過浸軋烘的方式整理到蠶絲織物上。結(jié)果表明：經(jīng)過整理后的蠶絲織物具有較好的熱敏變色和相變儲能的效果。張世安等[15]以14.8 tex相變黏膠紗線與14.8 tex云母紗交織開發(fā)兩款新型智能調(diào)溫商務(wù)休閑針織面料。并測試分析相變儲能黏膠混紡面料的物理指標(biāo)和功能舒適性指標(biāo)。結(jié)果表明：該面料柔軟、質(zhì)輕、保暖，并具有良好的溫度可調(diào)節(jié)性，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可廣泛應(yīng)用于商務(wù)內(nèi)衣、家居服等休閑針織服裝。

3.3 醫(yī)療保健紡織品設(shè)計(jì)中應(yīng)用

醫(yī)用手術(shù)服通過相變材料整理后可以有效地改善醫(yī)生服裝的穿著舒適性；病人的床單被褥面料經(jīng)過相變材料整理后，可對病人的病情起到一定程度的輔助治療作用[16]。相變調(diào)溫材料應(yīng)用在醫(yī)療恒溫繃帶或傷口敷料方面，可有效降低夏季因溫度過高傷口發(fā)炎感染的概率，對于病人傷口的愈合起到了積極作用。英國的STP公司利用納米技術(shù)將銀粉納米粒子作微膠囊外壁，然后將微膠囊同繃帶面料進(jìn)行結(jié)合，可以有效的起到殺菌效果[17]。英國皇家藝術(shù)院利用體溫可以加熱面料中的微膠囊的原理，將藥物制成微膠囊，藥物成分可以散發(fā)到血液，開發(fā)出可以減緩關(guān)節(jié)炎等輕慢性病的紡織產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有藥效持續(xù)時(shí)間長，耐水洗的優(yōu)點(diǎn)[18]。日本KOMATSU SEIREN公司將防螨介質(zhì)膠囊植于滌/棉面料表面進(jìn)行防螨整理，可以產(chǎn)生良好的防螨效果，達(dá)到保護(hù)皮膚作用，該產(chǎn)品在女性消費(fèi)者中大受歡迎。

4 結(jié)束語

（1）微膠囊法在相變調(diào)溫紡織材料的應(yīng)用中將占據(jù)重要位置，隨著微膠囊生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，減小微膠囊的外殼厚度可以促使封裝在其內(nèi)部的相變材料更直接有效發(fā)揮調(diào)溫作用，同時(shí)，微膠囊相變材料安全性和環(huán)保性需要得到保障。所以微膠囊的小型化及安全環(huán)保性能將是未來的發(fā)展方向之一。

（2）隨著消費(fèi)者生活品質(zhì)的不斷提高，調(diào)溫紡織品在設(shè)計(jì)過程中，其調(diào)溫功能與其它生理保健功能的復(fù)合化也將是研究的熱點(diǎn)之一。

（3）隨著相變調(diào)溫材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，有關(guān)相變調(diào)溫材料性能測試和評價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要不斷地完善，以保障企業(yè)和消費(fèi)者的權(quán)益。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF PHASE CHANGE THERMOSTAT IN TEXTILE FIELD

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China.2.Jiangxi Provincial Modern Research Center of Clothing Engineering Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China)

Introduced the development，classification and production methods of phase change materials at home and abroad.The phase change materials are divided into four types:solid-gas， liquid– gas， solid-liquid and solid-solid.The common methods for production are as follows:spinning method，phase change material microcapsule method， hollow fiber filling method and post-finishing method， four kinds.Phase change materials have been used in the design of fire fighting clothing，fabric design and medical textiles.The production of phase change temperature control textile materials will be more application of microencapsulation method，miniaturization and environmental protection performance of microcapsules will be one of the future development direction.At the same time， in the design of textile， compounding with other physiological health functions will also be the focus of future research.

phase change thermostat material， textile field， production method， microcapsule method

TS102.9

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.04.009

1672-500X(2017)04-0036-05

2017-07-20

程浩南 （1986-），男，河南周口人，碩士，助教，研究方向?yàn)榧徔棽牧细男约皽y試技術(shù)的改進(jìn)。