智能調溫纖維及其在紡織品中的應用

繆福昌，朱信蓂

(1.泰州市公共資源交易中心， 江蘇 泰州 225300；2.江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

智能調溫紡織品是指對溫度或溫度變化有響應的紡織品，它超越了傳統(tǒng)紡織品的單一保溫功能，是一種具有雙向溫度調節(jié)作用的、以改善舒適性為主要目的的新型材料[1]。其調溫原理是根據外界環(huán)境溫度的變化，紡織品的相變物質會發(fā)生固-液可逆變化，當環(huán)境溫度升高時，吸收儲存熱量，相變物質由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；當溫度降低時，放出儲存的熱量，其由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，從而實現(xiàn)紡織品的雙向調溫，創(chuàng)造舒適的溫度環(huán)境[2]。

1 調溫纖維

1.1 單向溫度調節(jié)纖維

單向溫度調節(jié)纖維只能進行單向溫度調節(jié)，通過纖維的蓄熱或放熱功能使溫度升高或者降低，如具有降溫功能的陶瓷纖維、亞麻纖維等。由于只具有單向溫度調節(jié)作用，致使這些調溫纖維存在明顯的不足，當環(huán)境溫度的變化方向與其溫度調節(jié)方向相反時就不能很好地發(fā)揮作用，甚至造成不良后果。

1.2 雙向溫度調節(jié)纖維

雙向溫度調節(jié)纖維能根據外界溫度的變化進行雙向溫度調節(jié)和適應，主動智能地調節(jié)溫度，可以在溫度不穩(wěn)定的環(huán)境中反復調節(jié)，故稱為智能調溫纖維[3]。

2 智能調溫纖維的調溫原理

智能調溫纖維與傳統(tǒng)纖維相比，有著更好地根據溫度變化進行調節(jié)的功能，它突破了傳統(tǒng)紡織材料與單向調溫紡織材料溫度調節(jié)的局限，能夠根據周圍環(huán)境溫度的變化通過吸收、儲存、釋放能量的方式來調節(jié)溫度，使人體長期處于一種舒適狀態(tài)，提高了服裝的舒適性能[3]。在外界環(huán)境溫度升高時，纖維中的相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，將吸收熱量存儲于纖維之中，從而降低了人體的溫度；當外界環(huán)境溫度降低時，相變材料釋放出存儲的熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，減少了人體向周圍放出的熱量，以保持正常體溫[4]。智能調溫纖維的吸熱放熱功能是可逆的、反復的，從而使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)。

當穿著智能調溫服裝從溫暖的室內到寒冷的室外時，由于最外層的服裝溫度始終低于皮膚溫度，相變材料可能呈固態(tài)，而最內層接近皮膚溫度處的相變材料呈液態(tài)，存在放熱的潛在趨勢，但相變材料的整體溫度不會有明顯改變。對著裝者來說，當相變材料中的一部分液體吸收并存儲了熱量，與其固態(tài)相混合的狀態(tài)下，相變材料就能發(fā)揮“恒溫器”的作用阻止熱量的散發(fā)，在一定時間內可以保持人體與服裝這一微小氣候內的溫度基本恒定，對周圍環(huán)境溫度的變化起到緩沖作用，從而使人體處于一種舒適狀態(tài)。利用這一特性, 可以研制能夠改變服裝內溫度的“智能”服裝，來調節(jié)人體特定部位的溫度，使其處于恒定的微氣候。

3 智能調溫纖維的調溫特點

相變材料可以根據周圍環(huán)境溫度的變化進行吸熱、放熱，由于紡織纖維加工工藝的特殊要求，使得相變材料的可選范圍縮小，為了達到更好的調溫效果，有時需選用多種相變材料組合加工。適宜紡織品應用的相變材料應具有以下特點：儲熱能力強。要求材料單位質量或單位體積的相變潛熱足夠大；安全指數高。化學和物理性質穩(wěn)定，無毒、無異味、無腐蝕，不易燃；適宜的相變溫度。相變材料應滿足不同氣候和應用場合的要求；相變過程的可逆性強?？稍诤隼浜鰺岬膭邮帨囟拳h(huán)境中始終保持人體與服裝間微氣候的恒定；相變材料的調溫時間長。通過加大相變材料的用量或提高相變性能等方式可延長調溫紡織品的調溫時間；相變速度快?？筛鶕車沫h(huán)境變化進行快速的熱傳遞；相變材料體積變化小。在吸熱或者放熱過程中，相變材料的體積變化不宜過大，否則很難在紡織品中應用；重復利用率高；方便穿著。同時，相變材料應易于洗滌與整理，便于穿脫。

4 智能調溫紡織品的制備

4.1 復合紡絲法制備的智能調溫纖維

復合紡絲法是將相變材料溶液或熔體進行紡絲，與噴絲板擠出的含有相變材料的聚合物按照一定比例進行復合，做成并列結構和皮芯結構的復合纖維，將相變材料直接嵌入纖維內部，使其具有吸放熱的功能。缺點是由于皮層聚合物的包覆，導致纖維的相變速度變慢，熱傳遞遲緩。現(xiàn)階段主要應用溶液紡絲和熔融紡絲技術，但由于相變材料化學穩(wěn)定性不高，可紡性較低，因此目前研究熱點是提高相變材料的耐高溫性能和將溶液紡絲轉變?yōu)槿廴诩徑z。

4.2 中空纖維填充法制備的智能調溫纖維

中空纖維填充法是在織造前，對纖維內孔進行物理或化學改性，增加其對相變材料的表面浸潤性能，使相變材料能夠更好地填充到中空纖維的中空部分，然后用樹脂將纖維包覆、密封，防止相變材料泄漏，以達到持久調溫的效果?？捎糜谥锌绽w維填充的相變材料有聚乙二醇、三羥甲基乙烷、無機水合鹽等。

在20世紀80年代初，Vigo等人將無機水合鹽填加在中空纖維內部，得到了相變調溫纖維，但這種纖維的調溫效果不持久，使用一段時間后調溫功能會降低。此后，Vigo等將聚乙二醇填充在中空纖維中，得到了調溫效果150次以上的升溫和降溫循環(huán)的纖維[1]。李發(fā)學等人[5]研究了將三羥甲基乙烷/新戊二醇二元體系固-固相變材料采用水溶液真空填充的方法填充到滌綸中空纖維，得到了相變材料填充率為24%的調溫纖維。但用中空纖維填充法制得的調溫纖維內徑較大，相變物質易殘留于纖維表面，易滲出和洗出，作為服用纖維還有很大局限性[6]。

4.3 后整理法制備的智能調溫紡織品

后整理法主要是通過涂層和整理的方式實現(xiàn)紡織品的智能調溫功能。涂層法是指將相變材料粘結在紡織品上的加工方法，這種方法制備的紡織品缺點是由于黏膠固著的緣故，導致織物摸上去手感較硬。

整理法是通過浸軋-焙烘的方式，將相變材料或相變微膠囊用聚乙二醇和2D免燙樹脂整理劑混合，在酸性催化劑作用下將其附著在棉、麻等纖維素織物上，從而獲得調溫紡織品的方法。由于織物整理的方法是將相變高聚物附著在織物表面，會導致其手感較差，同時存在相變材料含量較低，儲熱性能欠佳，在反復使用及洗滌中易破損等缺點。

馬曉光等人[7]將相變材料嵌入到導熱系數較高的二氧化硅三維網狀結構凝膠中制成納米級至微米級的復合相變材料，然后將復合相變材料與粘合劑混合后涂布在紡織面料的表面制得了智能調溫紡織品。凝膠的網狀結構可以抑制相變過程中液態(tài)相變材料的析出，從而不會對紡織品的外觀造成類似油浸狀的負面影響，而且復合相變材料的性能穩(wěn)定且具有較高的相變焓及適宜的調溫區(qū)間。

5 智能調溫纖維的應用

5.1 服裝

智能調溫纖維在服裝領域的應用較為廣泛，穿著智能調溫服裝的人體與服裝間可形成一個溫度相對穩(wěn)定的微氣候區(qū)，同時調溫纖維可感知人體各部分的溫度差異，自動調節(jié)體溫，使人體長期處于一種溫度舒適的狀態(tài)。民用紡織品如襯衫、運動裝、滑雪服等，特種工作服如煉鋼服、冷藏庫工作服、潛水服、宇航服、野外探險服、極地工作服、飛行服等都可應用。如恬藍新材料科技(上海)有限公司與國外公司共同研發(fā)的智能調溫襯衫，其主要材料是“空調聚酯纖維”，此款智能調溫襯衫具有調節(jié)體溫、排汗散熱、自然舒適等功能。獨特的PCMS 微膠囊，能對外界溫度變化起到緩沖作用，使人體體感溫度始終保持在一個舒適的范圍內，大大提高了人們的著裝舒適性。

5.2 保護性裝置

智能調溫纖維在保護性裝置方面的應用主要是指耐高溫、耐低溫的手套、頭盔、護膝墊等，這些保護性裝置的使用不僅可為穿戴者提供舒適的溫度，還可在危險時刻保護人體部位的安全。如Bio Skin系列產品都是以Smart Skin膜材料作為中間層，成功開發(fā)了護腕、護肘、護膝和足墊等運動保護產品。

5.3 床上用品

將智能調溫纖維制成床褥、枕頭、被子等床上紡織品，既恒溫保暖，又有利于床上微環(huán)境保持在一個舒適的范圍內，使睡眠者能夠安心入睡并保持良好的睡眠狀態(tài)。如鄭州德惠紡織科技有限公司研制出的一種自調溫被子，已申請國家發(fā)明專利。其主要特征在于被子表面是粘膠纖維和含有相變材料的Outlast腈綸纖維混紡成的面料，填充物是由聚酯長絲和含有相變材料的Outlast腈綸纖維混合而成的，具有蓬松、柔軟、恒溫保暖、親膚舒適的特點[8]。

6 結語

智能調溫紡織品作為一種新的智能紡織品，可調節(jié)人體與外界環(huán)境間的微氣候，提高人體的著裝舒適度，這不僅是紡織品行業(yè)的一項技術革新，更重要的是為在極端環(huán)境溫度下工作的人們提供了保障。但目前我國對智能調溫紡織品的研究還處在實驗階段，智能調溫纖維在加工過程中的調溫穩(wěn)定性以及纖維的可紡性能還有待進一步提高，同時還要考慮到成本問題，以利于市場的普及。因此對于智能調溫紡織品的研究還要繼續(xù)深入，通過對目前已有成果分析，可以總結出以下幾點發(fā)展建議：延長智能纖維的調溫時間。目前相變材料存在的最大問題就是調溫時間短，可通過提高相變材料的用量等方式來延長紡織品的調溫時間；提高智能調溫纖維的強力和可紡性；優(yōu)化智能調溫紡織品的制作工藝。減少制備時相變材料的破損，節(jié)約能源，降低成本；進一步提高產品的美觀性，使其不僅具有良好的調溫效果，同時又能符合著裝者審美與時尚的需求；綠色環(huán)?；＿M一步提高智能調溫紡織品的安全性，確保無毒無污染，對人體沒有傷害。

[1] 趙寶艷,王瑄,吳超.智能調溫紡織品的種類及應用[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術學院學報,2009,8(3)：24—27.

[2] 魏敬敬,劉艷君.調溫纖維在紡織品中的應用[J].山東紡織科技,2012,53(1)：37—40.

[3] 李娜娜.智能調溫纖維及其紡織品[J].上海紡織科技,2010,38(3)：15—17.

[4] 劉延輝.新型溫度調節(jié)織物結構與性能的研究[D].西安：西安工程大學, 2012.

[5] 李發(fā)學，張廣平，俞建勇.三羥甲基乙烷/新戊二醇二元體系填充滌綸中空纖維的研究[J].東華大學學報(自然科學版),2003,29(6)：15—17.

[6] 徐德彬，王進美.相變材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其在紡織上的應用[J].紡織科技進展,2011，(4)：10—12.

[7] 馬曉光，李俊升，李樺，等.一種智能調溫紡織品及其制備方法[P].中國專利：CN101070679，2007—11—14.

[8] 李民強，王德貴，王占霞，等.一種自調溫被子[P]. 中國專利：CN105411301A，2016—03—23.