相變調(diào)溫紡織品研究現(xiàn)狀及評價(jià)方法

肖 堯，余 弘，李衛(wèi)東，徐 紅

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040；2.東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620）

0 引言

相變智能調(diào)溫紡織品是一種新型紡織品，可以有效地將穿著者身體的溫度維持在某一舒適的范圍或起到對外界溫度的緩沖作用，而達(dá)到這一效果并非通過增加衣服厚度的方式獲得，同時(shí)也不會使得穿著者顯得臃腫。因此，智能調(diào)溫紡織品普遍受到消費(fèi)市場的歡迎。

1 相變材料

相變材料（phase change material，簡稱PCM）是指在某一物體的使用范圍內(nèi)可以發(fā)生不同相態(tài)轉(zhuǎn)變的材料，材料的分子排列在有序與無序之間迅速轉(zhuǎn)變，且在這個(gè)過程中存在著吸熱與放熱的現(xiàn)象[1]。由于在該溫度時(shí)恰好發(fā)生相變，因而把這一溫度稱為相變材料的相變點(diǎn)[2]。利用相變材料儲能和放能過程中可自行吸熱與放熱的特性，將相變材料添加到紡織品中可制得相變調(diào)溫紡織品。

1.1 分類

相變材料的類別較多，按照不同形式劃分可得到不同的結(jié)論。根據(jù)相轉(zhuǎn)變過程形態(tài)的不同，可將相變儲能材料分為固-固相變材料、液-氣相變材料和固-液相變材料3種。其中，固-固相變材料和液-氣相變材料潛熱小，這一特點(diǎn)限制了它們的發(fā)展。在紡織領(lǐng)域，目前采用的儲能材料主要是固-液相變材料，即通過微膠囊化處理固-液相變材料[3]。

根據(jù)相變溫度范圍，相變材料可分為高溫型、中溫型和低溫型3種。顧名思義，高溫型相變材料相較于中溫型相變材料和低溫型相變材料，具有較高的相變溫度，其相變溫度可達(dá)到幾千攝氏度，且相變潛熱大。一般來說，低溫型相變材料的溫度變化在0～50℃，這一溫度范圍也恰好為人體的舒適溫度，因此紡織產(chǎn)業(yè)用相變材料是低溫型相變材料。中溫型相變材料溫度范圍介于低溫相變材料與高溫相變材料之間。

根據(jù)化學(xué)成分，相變材料又可分為有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料。無機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)大，價(jià)格便宜，易于獲得，但在相變過程中存在相分離問題；有機(jī)相變材料有較高的相變潛熱，并不存在相分離問題，但自身易燃?？傮w來看，有機(jī)相變材料的發(fā)展前景比無機(jī)相變材料好[4]。

1.2 應(yīng)用

相變材料應(yīng)用范圍較廣，被廣泛用于建筑、紡織、航天等行業(yè)。建筑行業(yè)一直存在高耗能的問題，研究人員利用相變材料具有儲能的特點(diǎn)可為建筑供暖與制冷，雖然目前還存在重復(fù)性差等問題，但相變材料的應(yīng)用前景還是很大的[5]。當(dāng)相變材料應(yīng)用于紡織領(lǐng)域時(shí)，可制得智能調(diào)溫紡織品，且各大紡織廠商對智能調(diào)溫紡織品也有著極大的興趣，因?yàn)閷⑾嘧儾牧咸砑佑诩徔椘分锌商岣叻b的附加值。智能調(diào)溫紡織品與普通服裝相比，確有可調(diào)溫的功能，這對于消費(fèi)者無疑是好消息。例如：相變材料應(yīng)用在運(yùn)動性服裝上可吸收運(yùn)動過程中產(chǎn)生的熱量，避免溫度升高過快造成體溫過高的現(xiàn)象。相變材料也可用于手套、滑雪服等[6]。目前，各大領(lǐng)域?qū)ο嘧儾牧系难芯空呌诔墒臁?/p>

1.3 相變調(diào)溫紡織品的制備方法

相變調(diào)溫紡織品是將相變材料添加到紡織品中，使紡織品具有智能調(diào)溫作用，主要制備方式有中空纖維填充法、紡絲法、涂層法等。值得注意的是，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，相變材料可直接使用的難度較大，常與其它材料復(fù)合后再使用，其主要的復(fù)合方法有浸漬法、微膠囊法、化學(xué)改性法等[7]。

1.3.1 中空纖維填充法

中空纖維填充法是將相變材料填充于纖維的中空部分，相變材料可以起到調(diào)節(jié)溫度的作用，纖維也具有了智能調(diào)溫的功能。為了更好地將相變材料填充到中空纖維中，可在織造前對纖維進(jìn)行物理或化學(xué)改性[8]。聚乙二醇和無機(jī)水合鹽類相變材料都可以填充到纖維的中空部分。Vigo等[9]采用中空纖維填充法，將聚乙二醇填充于纖維中空部分，制得的智能調(diào)溫紡織品效果明顯，調(diào)溫次數(shù)超過150次。但這種中空纖維填充法使得相變材料易殘留于纖維表面，不耐洗滌。此外，采用這種方法生產(chǎn)智能調(diào)溫紡織品需要使用直徑較大的纖維，難以在工業(yè)化生產(chǎn)中推廣。上述這些缺點(diǎn)都制約了中空纖維填充法制備相變調(diào)溫紡織品的發(fā)展。

1.3.2 紡絲法

最初，紡絲法制備相變調(diào)溫紡織品是在紡絲聚合物的熔體或溶液中加入相變材料[9]，經(jīng)過紡絲后制得有調(diào)溫性能的纖維。由于相變材料的熔融黏度低，因而在紡絲時(shí)需添加增塑劑[10]。隨著相變材料的研究與開發(fā)，現(xiàn)在無需添加增塑劑也可制得具有調(diào)溫作用的紡織品。

紡絲法主要有濕法紡絲和熔融紡絲兩種。濕法紡絲是將相變材料與紡絲液混合進(jìn)行紡絲[9]，且在工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。最早使用這種方法生產(chǎn)的纖維是調(diào)溫腈綸。苗曉光[11]使用濕法紡絲工藝將相變材料添加到聚丙烯腈紡絲液中，制得具有智能調(diào)溫作用的腈綸。熔融紡絲法是先將微膠囊相變材料分散在聚合物的熔體中，然后進(jìn)行紡絲，制得調(diào)溫纖維。將微膠囊相變材料嵌入聚合物熔體中，可使微膠囊中的相變材料穩(wěn)定地存在纖維中，因而制得的纖維調(diào)溫效果也較好。

上述兩種紡絲方法各有優(yōu)劣，但由于目前相變材料的化學(xué)穩(wěn)定性不高，耐高溫性能也有待提高，而熔融紡絲法對相變材料的化學(xué)穩(wěn)定性及耐高溫性能均有一定的要求，因此濕法紡絲是制備調(diào)溫纖維的主要方法。

1.3.3 涂層法

涂層法是通過涂層手段，利用膠黏劑將相變材料固著在紡織品表面。這種方法操作簡單，但使用的膠黏劑會影響紡織品的柔軟性，使得紡織品的手感變硬[12]。馬曉光等[13]使用相變材料A和B進(jìn)行復(fù)合，利用丙烯酸酯類低溫黏合劑，涂層量約為60 g/m2，將復(fù)合相變材料涂于紡織面料表面制得智能調(diào)溫紡織品。

2 調(diào)溫紡織品研究現(xiàn)狀及評價(jià)方法

2.1 調(diào)溫紡織品研究現(xiàn)狀

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀

Outlast空調(diào)纖維是人們比較熟知的一款調(diào)溫纖維。美國太空總署為了實(shí)施登月計(jì)劃，研發(fā)出Outlast空調(diào)纖維，即Outlast空調(diào)纖維最初是應(yīng)用于宇航員服裝上的。鑒于這項(xiàng)技術(shù)實(shí)用性較大，后來逐漸開始民用化，開發(fā)了一系列民用服裝，特別是戶外服裝（沖鋒衣、毛衣等）。目前，Outlast系列纖維主要有Outlast腈綸、Outlast聚酯纖維和Outlast黏膠纖維3個(gè)品種[14]。美國Outlast公司最初是利用相變調(diào)溫微膠囊與聚丙烯腈，通過濕法紡絲法制得Outlast腈綸。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，Outlast公司又與泰國丙烯腈纖維公司共同研制出不封裝的相變腈綸，在染色性能和舒適性方面均有所提升[15]。

日本大和化學(xué)工業(yè)以高級脂肪族碳化氫為主要原料，制得Prethermo C微膠囊調(diào)溫劑，并將調(diào)溫劑以浸軋方式添加到織物上，也可制得調(diào)溫紡織品。

各大公司一直致力于智能調(diào)溫紡織品的研究。Outlast公司生產(chǎn)的Outlast纖維應(yīng)用較為廣泛，由最初航空的應(yīng)用擴(kuò)展到普通服裝。法國Rhodia公司以聚酰胺66為原料，加工出一種“智能”紗，再用這種“智能”紗制作成調(diào)溫紡織品[9]。在全球化的今天，各國開始合作開發(fā)調(diào)溫紡織品，如Outlast纖維由美國杜邦開發(fā)，歐洲Fountain Set開發(fā)Outlast棉針織品[16]，歐洲Plouequet公司負(fù)責(zé)歐洲Outlast紡織面料后整理技術(shù)[9]。

2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國外相比，我國對相變調(diào)溫紡織品的研究稍晚，還存在一定的差距。但是近年來對相變調(diào)溫紡織品的研究卻越來越多，甚至有些已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。

國內(nèi)對相變調(diào)溫的研究可追溯到20世紀(jì)90年代。張興祥等[17]使用熔融紡絲法，以聚丙烯和聚乙二醇（相對分子質(zhì)量為1 000～20 000）及增稠劑為原料，制得蓄熱調(diào)溫纖維。這種調(diào)溫纖維與同類普通織物相比，調(diào)溫效果明顯，當(dāng)環(huán)境溫度為35.5℃時(shí)，這種調(diào)溫纖維的內(nèi)部溫度比純聚丙烯纖維低3.3℃。同年，天津紡織工學(xué)院功能纖維所將相變微膠囊涂層整理到純棉織物上，制得的調(diào)溫織物熱焓值可達(dá)30 J/g。但涂層整理后調(diào)溫紡織品的手感較硬，且其力學(xué)性能有所下降，因此，從穿著舒適度來看，這種相變調(diào)溫紡織品還有待改善。此外，張寅平等[18]使用相變材料研究開發(fā)出醫(yī)用降溫服，相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

2003年，保定雄亞紡織集團(tuán)與美國安伯士國際集團(tuán)共同研制出調(diào)溫織物，并首次實(shí)現(xiàn)調(diào)溫服裝的產(chǎn)業(yè)化，對紡織行業(yè)產(chǎn)生較大的影響。香港福田實(shí)業(yè)集團(tuán)與美國杜邦公司共同研制出Outlast空調(diào)纖維調(diào)溫服，投放到市場上也得到較好的評價(jià)。近年來，北京探路者戶外用品股份有限公司也在開發(fā)智能調(diào)溫服，在ISPO BEIJING展會中，公司向外界公開的調(diào)溫服裝（產(chǎn)品為TIEF SKIIN），具有智能調(diào)溫、防曬等性能，并且透氣性很好[14]。

2.2 相變調(diào)溫紡織品評價(jià)方法

智能調(diào)溫紡織品質(zhì)量的重要指標(biāo)是溫度調(diào)節(jié)能力，但目前來看，我國對于其溫度的表征并無統(tǒng)一的方法標(biāo)準(zhǔn)，若參照保溫性和傳熱性的測試標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際應(yīng)用情況相差較大，因此并不適用[19]。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究人員采用的檢測方法主要有掃描電鏡法、DSC熱分析法、熱平板法以及暖體假人法[20]等。

2.2.1 掃描電鏡法（SEM）

趙蒙蒙[21]先將相變材料微膠囊均勻地分散在表面處理劑中，再將相變材料整理劑與聚氨酯黏合劑按照一定比例混合均勻后涂于棉織物上，利用掃描電鏡表征織物上的相變材料。表征結(jié)果顯示：當(dāng)相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.2%時(shí)，觀測到棉織物的表面仍有縱橫交錯的紗線；當(dāng)相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35.1%時(shí)，相變材料微膠囊覆蓋了整個(gè)棉織物表面，觀測不到棉織物表面的紗線。由此可知，使用掃描電鏡觀測織物的表面形貌，可用于區(qū)別添加相變材料的織物與普通織物。雖然該方法操作簡單，但并不能評價(jià)含相變材料的智能調(diào)溫紡織品的調(diào)溫能力，只能證明相變材料的存在。

2.2.2 熱分析法

差示掃描量熱法（DSC）是使用程序控制溫度，并限定溫度在一定的變化范圍，然后測量待測物與參照物之間的功率差和設(shè)定溫度的關(guān)系[22]。使用差示掃描量熱儀可以測定相變材料的相變焓、相變溫度、儲熱性能等參數(shù)。季宋文[10]使用差示掃描量熱儀測試升降溫過程中Outlast纖維與普通纖維的焓值，且由DSC可以發(fā)現(xiàn)：Outlast纖維具有明顯的波峰，從而可以知道相變材料在升降溫時(shí)的相轉(zhuǎn)變溫度；普通纖維不會出現(xiàn)波峰，即不存在相轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)DSC的測試結(jié)果，研究人員可以初步了解相變材料的基本性質(zhì)。雖然熱分析法操作簡單，但差示掃描量熱儀的測試條件與紡織品使用的基本條件不同，即使穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)果也會與實(shí)際穿著存在較大的差異。

2.2.3 熱平板法

熱平板法是使用熱阻測試儀測試熱阻和傳熱系數(shù)。熱阻測試儀由測試板、底板和保護(hù)板3部分組成[21]。測試時(shí)，先將涂層織物置于熱阻測試儀上，使涂相變微膠囊的一面朝外，未涂相變微膠囊的一面貼著測試板，然后調(diào)節(jié)測試板溫度。為了模擬人體舒適的溫度，一般將測試板溫度設(shè)置為35℃[21]，測試環(huán)境溫度為20℃，最終結(jié)果取3次測量的平均值。熱平板法操作簡單，在實(shí)驗(yàn)室中比較常見。

2.2.4 暖體假人法

暖體假人法是與人體感受最為接近的，假人模擬的是真人造型，溫度與真人的平均溫度也大致相符。測試時(shí)，使用輻射燈對穿著智能調(diào)溫紡織品的暖體假人升溫，模擬外界溫度變化情況；輻射一定時(shí)間后，將最初假人溫度與升溫輻射后的溫度進(jìn)行對比，評價(jià)紡織品的調(diào)溫性能。趙蒙蒙[21]通過暖體假人法測試穿著調(diào)溫服與未穿調(diào)溫服的假人溫度。結(jié)果顯示，穿著調(diào)溫服裝的假人明顯比未穿著調(diào)溫服裝的假人溫度低。暖體假人評價(jià)方法比較準(zhǔn)確，接近真人穿著時(shí)的感受，但該方法所用設(shè)備比較復(fù)雜，檢測成本高，這也阻礙了暖體假人法的推廣。

除了上述測試方法外，相關(guān)研究人員還做過一些其它嘗試。李程遠(yuǎn)[9]設(shè)計(jì)出一套檢測調(diào)溫紡織品的試驗(yàn)方案，即通過模擬外界環(huán)境與人體環(huán)境，并利用溫度傳感器記錄數(shù)據(jù)，最終得到的數(shù)據(jù)也比較接近，誤差較小，是一種較為創(chuàng)新的評價(jià)手段。彭微微[23]使用紅外測溫技術(shù)檢測相變調(diào)溫織物在升降溫過程的調(diào)溫能力，利用紅外線測定溫度，操作方便。

3 結(jié)論

隨著人們生活水平的改進(jìn)以及發(fā)達(dá)國家對功能性紡織品的重視，我國也開始重視功能性紡織品的研究，并制得很多智能可穿戴紡織品。雖然人們對于智能調(diào)溫紡織品的研究日益深入，但對智能調(diào)溫紡織品的評價(jià)還無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，相關(guān)部門需要及時(shí)對調(diào)溫紡織品的評價(jià)方法做進(jìn)一步研究，制訂出相應(yīng)的評價(jià)方法，從而滿足人們的需求，也更有利于智能調(diào)溫紡織品的發(fā)展。