相變調(diào)溫纖維調(diào)溫性能試驗分析

徐炎炎 劉 琳 樊爭科 林 娜 侯 琳

（陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038）

智能紡織品在提升服裝舒適性、提高人們生活質(zhì)量、改善作業(yè)者從業(yè)環(huán)境、滿足某些特種行業(yè)和特種場合的需求方面正在發(fā)揮越來越重要的作用［1-4］。使用相變調(diào)溫纖維開發(fā)的雙向智能調(diào)溫紡織品，可通過纖維中的相變材料實現(xiàn)固-液相態(tài)轉(zhuǎn)化來吸收或釋放潛熱，使纖維溫度維持在一定相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。當(dāng)人體皮膚溫度過高時織物中的調(diào)溫單元吸收多余熱量，當(dāng)人體皮膚溫度過低時織物中的調(diào)溫單元釋放已儲存熱量，從而可緩解人體因環(huán)境和自身溫度降低或升高導(dǎo)致的過冷過熱現(xiàn)象，達(dá)到改善舒適性的目的［5-8］。

目前市場上的調(diào)溫紡織品以針織內(nèi)衣類產(chǎn)品為主，機(jī)織類產(chǎn)品及相關(guān)研究較少，且現(xiàn)有產(chǎn)品大多使用進(jìn)口Outlast纖維。近年來，國產(chǎn)相變調(diào)溫纖維逐漸成熟，因此本研究對國產(chǎn)相變調(diào)溫纖維含量、紡紗加工、織物組織結(jié)構(gòu)以及染色加工對調(diào)溫性能的影響進(jìn)行試驗分析，以期為調(diào)溫紡織品的開發(fā)提供參考。

1 相變調(diào)溫纖維含量與調(diào)溫性能試驗

1.1 試驗原料、儀器

試驗原料：國產(chǎn)相變調(diào)溫粘膠纖維（以下簡稱調(diào)溫纖維），規(guī)格1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強(qiáng)度2.3 c N/dtex，纖維縱向表面有溝槽，橫向截面中調(diào)溫微膠囊呈海島分布，調(diào)溫微膠囊壁材耐受溫度為160℃，芯材采用烷烴類固-液轉(zhuǎn)化相變材料，相變溫度28℃，相變熱焓值5 J/g～8 J/g。對照樣選用的普通粘膠纖維規(guī)格為1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強(qiáng)度2.41 c N/dtex。滌綸規(guī)格1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強(qiáng)度4.5 c N/dtex。試驗儀器：B-260型恒溫水浴鍋（濟(jì)南東儀實驗室設(shè)備有限公司），高精度電子溫度計組合測溫裝置（自組裝，冀興儀器儀表廠），HS-100B型恒溫恒濕試驗箱（寧波市奔陽大成試驗設(shè)備有限公司）。

1.2 試驗方案

（1）測試樣制備：將調(diào)溫纖維與滌綸混配制備測試樣，經(jīng)反復(fù)人工梳理使纖維均勻混和。調(diào)溫纖維的含量將直接影響織物的調(diào)溫能力，文獻(xiàn)表明［9-12］，調(diào)溫織物中調(diào)溫纖維的含量不得少于30%，因此，本研究將試樣中調(diào)溫纖維的最小含量設(shè)為30%，同時考慮調(diào)溫纖維的強(qiáng)力較低，為兼顧混紡織物的使用堅牢度，將調(diào)溫纖維的最大含量設(shè)為80%，調(diào)溫纖維含量按10個百分點逐漸增加。各測試樣的調(diào)溫纖維/滌綸混配比例分別為：1#試樣，30/70；2#試樣，40/60；3#試樣，50/50；4#試樣，60/40；5#試樣，70/30；6#試樣，80/20。

（2）對照樣制備：選用普通粘膠纖維/滌綸50/50的纖維混和樣作為溫度測試對照樣（記為0#試樣），采用反復(fù)人工梳理的方式使纖維混和均勻。

（3）升溫性能測試：將調(diào)濕后同質(zhì)量的測試樣與對照樣分別裝入不同的測試管中，然后將兩試樣同時置于10℃的恒溫恒濕箱中持續(xù)一段時間，待其溫度保持在10℃后，將兩試樣取出放入水溫為40℃的恒溫水浴中，按一定時間間隔記錄試樣的瞬時溫度，直至測試樣與對比樣的溫度升到水浴鍋溫度40℃，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制升溫溫度-時間曲線［13］。

（4）降溫性能測試：將經(jīng)升溫性能測試后溫度為40℃的兩試樣同時置入水溫為10℃的恒溫水浴中，按同樣的時間間隔記錄試樣的瞬時溫度，直到測試樣、對比樣的溫度達(dá)到水浴鍋溫度10℃，繪制降溫溫度-時間曲線。

（5）根據(jù)混和纖維升溫和降溫曲線，計算每個時間點測試樣與對照樣的溫差ΔT，并取所有溫差ΔT的最大絕對值記為混和纖維的最大溫度調(diào)控值ΔTmax。

1.3 結(jié)果與討論

纖維混和樣升降溫度-時間曲線分別見圖1、圖2。由圖1、圖2可以看出，調(diào)溫纖維與滌綸混配后具有一定的調(diào)溫效果，調(diào)溫性能隨著調(diào)溫纖維含量的增加而提升，最大溫度調(diào)控值出現(xiàn)在升溫過程，這是由調(diào)溫纖維本身性質(zhì)決定的，目的主要是快速吸熱。當(dāng)環(huán)境溫度從高到低時，混和纖維中的相變材料由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換成固態(tài)，釋放內(nèi)部儲存的熱量，因此與對照樣相比，測試樣溫度下降較緩。隨著調(diào)溫纖維比例的增大，所含相變材料越多，混和纖維溫度下降速率就越小，調(diào)溫效果越明顯。

圖1 纖維混和樣降溫溫度-時間曲線及局部放大圖

圖2 纖維混和樣升溫溫度-時間曲線及局部放大圖

當(dāng)環(huán)境溫度從低到高變化時，混和纖維中的相變材料由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換成液態(tài)，吸收環(huán)境熱量并儲存于纖維內(nèi)部，與對照樣相比，測試樣均表現(xiàn)出較緩的溫度上升速率，且調(diào)溫纖維比例越大，相變材料越多，其相變潛能就越大，混和纖維溫度上升就越慢。當(dāng)調(diào)溫纖維含量在50%以下時，最大溫度調(diào)控值較小，調(diào)溫效果不明顯；當(dāng)調(diào)溫纖維含量達(dá)到50%以上時，最大溫度調(diào)控值超過3℃，滿足調(diào)溫類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因為調(diào)溫纖維含量低時，混和纖維中相變材料含量較少，其總相變潛熱較少，不足以補(bǔ)充（降溫時）或吸收（升溫時）環(huán)境熱量，溫度調(diào)控范圍較小。

2 紡紗與調(diào)溫性能試驗

2.1 紡紗情況

為了解調(diào)溫纖維的可紡性、調(diào)溫纖維配比對紗線性能、紡紗生產(chǎn)對纖維調(diào)溫性能的影響，選用調(diào)溫纖維/滌綸50/50和70/30兩種混紡比紡制小樣紗，紗線線密度均為14.8 tex×2。采用棉型設(shè)備紡紗，工藝流程為：原料預(yù)混和→清梳聯(lián)→并條（三道）→粗紗→細(xì)紗→絡(luò)筒→并線→捻線→蒸紗。由于調(diào)溫纖維基體中含有調(diào)溫微膠囊，為防止紡紗加工造成微膠囊的擠壓破損，設(shè)計合理的紡紗工藝參數(shù)至關(guān)重要。開清、梳棉工序采用“大隔距，低速度，輕打擊”的工藝原則；粗紗工序膠輥加壓偏輕掌握；細(xì)紗工序速度、后區(qū)牽伸倍數(shù)偏小設(shè)置，后區(qū)隔距偏大掌握，選擇合適的鋼領(lǐng)鋼絲圈，以防止由于張力過大而造成紗線斷頭、掛花等現(xiàn)象，減少毛羽產(chǎn)生［14-15］。

紡紗過程中設(shè)備、纖維及紗線未出現(xiàn)油污現(xiàn)象，說明相變微膠囊未發(fā)生損傷外漏情況。同時，用電子顯微鏡觀察紗線中調(diào)溫纖維的縱向、橫向結(jié)構(gòu)，相變微膠囊的分布與原纖維基本一致，未發(fā)現(xiàn)明顯的膠囊破損現(xiàn)象。此外，紡紗生產(chǎn)順利，表明調(diào)溫纖維可紡性較好。調(diào)溫纖維滌綸14.76 tex×2混紡紗線質(zhì)量如下。

由以上可知，調(diào)溫纖維混紡紗線條干較好，但隨著調(diào)溫纖維含量的增加，紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率下降，這是由于調(diào)溫纖維的斷裂強(qiáng)度小于滌綸。當(dāng)調(diào)溫纖維含量為70%時，混紡紗的斷裂強(qiáng)度降至17.5 c N/tex，可以滿足織物開發(fā)需求。

2.2 紗線調(diào)溫性能測試分析

按照GB/T 19466.3—2004《塑料 差示掃描量熱法（DSC） 第3部分：熔融和結(jié)晶溫度及熱焓的測定》標(biāo)準(zhǔn)，采用差示掃描量熱儀測試調(diào)溫纖維以及混紡紗線的DSC曲線，溫度區(qū)間為-10℃～60℃，升降溫速率為5℃/min，平衡時間為5 min，惰性氣體為高純氮氣。調(diào)溫纖維、調(diào)溫纖維/滌綸50/50、調(diào)溫纖維/滌綸70/30混紡紗線的DSC曲線分別見圖3、圖4、圖5。

由圖3、圖4、圖5可以看出，2種不同混紡比紗線的DSC曲線與調(diào)溫纖維DSC曲線變化趨勢基本一致，在升溫和降溫過程中均出現(xiàn)了明顯的熔融峰和結(jié)晶峰，說明紗線在一定的溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均具有調(diào)溫功能。同時，相對于調(diào)溫纖維2種混紡紗線的結(jié)晶焓值分別下降49.2%和34.1%，與滌綸含量50%和30%接近。調(diào)溫纖維/滌綸70/30混紡紗線的熔融焓值、結(jié)晶焓值比調(diào)溫纖維/滌綸50/50混紡紗線大，說明調(diào)溫纖維比例越大，紗線的調(diào)溫性能提升空間越大。

圖3 調(diào)溫纖維DSC曲線

圖4 調(diào)溫纖維/滌綸50/50紗線DSC曲線

圖5 調(diào)溫纖維/滌綸70/30紗線DSC曲線

3 織物組織結(jié)構(gòu)與調(diào)溫性能試驗

3.1 樣品準(zhǔn)備與測試

采用SGA598型劍桿織樣機(jī)織制不同組織結(jié)構(gòu)的織物小樣，經(jīng)緯向均采用調(diào)溫纖維/滌綸70/30 14.8 tex×2混紡紗線，經(jīng)密252根/10 cm，緯密244根/10 cm，組織結(jié)構(gòu)分別為平紋、二上一下斜紋和二上二下斜紋，測試分析組織結(jié)構(gòu)對織物調(diào)溫性能的影響［16］。

織物的DSC性能測試及分析方法與紗線相同，并按照T/CTES 1005—2017《紡織用相變調(diào)溫微膠囊及其應(yīng)用功能評價》標(biāo)準(zhǔn)中附錄A相變調(diào)溫織物性能檢測方法，測試樣品的動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值；依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測定織物的透氣性，依據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》測試織物厚度。

3.2 結(jié)果與討論

3種不同組織結(jié)構(gòu)織物的DSC曲線整體趨勢基本一致，在升溫和降溫的過程中都出現(xiàn)了明顯的熔融峰和結(jié)晶峰，表明3種織物在一定的溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均具有調(diào)溫功能。同時，3種織物的熔融焓值與結(jié)晶焓值差異很小，說明在熔融或結(jié)晶過程織物放熱量或吸熱量主要與相變材料含量有關(guān)，織物的組織結(jié)構(gòu)對其影響較小?？椢锶廴陟手蹬c結(jié)晶焓值、動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值等測試結(jié)果見表1。

表1 織物的熔融結(jié)晶焓值及動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值測試

從表1可以看出，3種不同組織結(jié)構(gòu)織物的熔融或結(jié)晶焓值差異不大，但織物的動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值差異很明顯，這是由于不同組織結(jié)構(gòu)織物的透氣性和厚度不同導(dǎo)致的?？椢锏膭討B(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值實際上是對比樣（將所含的調(diào)溫纖維替換為與其規(guī)格一致的普通粘膠纖維）與相變調(diào)溫面料試樣的溫差的最大絕對值，其為同一時刻待測調(diào)溫面料試樣溫度減去對比試樣溫度。本試驗中，織物的溫度變化主要受環(huán)境溫度變化影響，而織物的傳熱能力是受纖維性能、紗線性能和織物結(jié)構(gòu)綜合影響，上述3種調(diào)溫織物所用紗線及經(jīng)緯密度相同，因此影響其熱傳遞的因素主要是織物組織結(jié)構(gòu)。一方面，當(dāng)織物的組織結(jié)構(gòu)由平紋變成二上一下斜紋、二上二下斜紋時，透氣性越來越好，織物紗線間的孔隙加大，測試時織物卷起（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試時將織物均勻卷繞在溫度傳感器上）后所含靜止空氣增多，而空氣的隔熱性較纖維材料好，所以透氣性越好的織物，其動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值越大；另一方面，隨著織物組織結(jié)構(gòu)的變化，其厚度也發(fā)生相應(yīng)改變，二上二下斜紋織物的厚度最大，而厚度大的織物熱傳遞速率慢，也會導(dǎo)致二上二下斜紋織物的動態(tài)升降溫最高溫度調(diào)控值大于其他2種織物。

4 織物染整加工與調(diào)溫性能試驗

4.1 樣品準(zhǔn)備

用HS-12P型高溫高壓染色小樣機(jī)對二上二下斜紋調(diào)溫纖維滌綸混紡織物進(jìn)行染色，采用滌粘混紡織物常用的兩浴法染色工藝：一浴為分散染料染色，分散藍(lán)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（omf）0.5%，冰醋酸5 g/L，染色溫度130℃，染色時間60 min，浴比1∶10；二浴為活性染料染色，活性艷藍(lán)染料質(zhì)量 分 數(shù)（omf）0.5%，元 明 粉40 g/L，碳 酸 鈉40 g/L，染色溫度60℃，染色時間90 min，浴比1∶10。

4.2 結(jié)果與討論

經(jīng)測試，織物染色前后的DSC曲線變化趨勢基本一致，染色織物的熔融峰值為28.36℃，焓值3.34 J/g，結(jié)晶峰值為21.31℃，焓值4.16 J/g?？椢锶旧昂蟮娜廴诤徒Y(jié)晶焓值變化很小，表明織物調(diào)溫性能未受到明顯影響。染色織物表面平整、光潔，手感柔軟，織物強(qiáng)力變化小（染色前織物斷裂強(qiáng)力經(jīng)向650 N、緯向630 N；染色后織物斷裂強(qiáng)力經(jīng)向642 N、緯向623 N）。經(jīng)130℃（低于調(diào)溫微膠囊壁材耐受溫度160℃）染色處理，調(diào)溫織物的調(diào)溫、強(qiáng)力等性能變化不大。

5 結(jié)論

（1）相變調(diào)溫纖維與滌綸混配后具有一定的調(diào)溫效果，隨著調(diào)溫纖維含量的增加調(diào)溫性能提升；當(dāng)調(diào)溫纖維含量在50%以下時，最高溫度調(diào)控值較小，調(diào)溫效果不明顯；當(dāng)調(diào)溫纖維含量在50%以上時，最高溫度調(diào)控值超過3℃，可滿足調(diào)溫類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）紡紗過程中調(diào)溫纖維不會出現(xiàn)相變調(diào)溫微膠囊破損現(xiàn)象，可紡性較好?；旒徏喼姓{(diào)溫纖維比例越大，紗線的調(diào)溫性能越好。

（3）織物組織結(jié)構(gòu)對制品熔融和結(jié)晶焓值影響很小，但對織物的動態(tài)升降溫最大溫度調(diào)控值影響較大，織物厚、透氣性好的織物動態(tài)升降溫最大溫度調(diào)控值大。

（4）織物染色前后的調(diào)溫性能差異不大，調(diào)溫織物可采用常規(guī)滌綸粘膠混紡織物的染整工藝。