Outlast空調(diào)纖維性能及紡織技術(shù)研究

陳尚山

（江蘇雙山集團(tuán)股份有限公司，江蘇 射陽 224300）

20世紀(jì)80年代，為了更好地保護(hù)宇航員和航天器內(nèi)的高精度機(jī)械設(shè)備，使其免受外層空間溫度變化的影響，美國國家航空航天局逐漸采用相變材料進(jìn)行控制。在保暖性紡織產(chǎn)品中，Outlast空調(diào)纖維于1988年研發(fā)設(shè)計(jì)成功，1994年在商業(yè)活動中首次應(yīng)用，1997年在戶外運(yùn)動服中應(yīng)用，現(xiàn)在服裝及床上用品中得到廣泛應(yīng)用。用Outlast空調(diào)纖維制作的服裝特別適用于戶外活動以及對溫度變化較為敏感的老人和嬰幼兒。

Outlast空調(diào)纖維屬于智能溫控纖維，是一種用微膠囊技術(shù)在纖維內(nèi)部嵌入熱敏電阻相變材料的新型纖維，可以自行對熱量進(jìn)行消化、吸收、儲存和散發(fā)，避免強(qiáng)溫變化傷害人體，營造宜人的 “小氣候自然環(huán)境” 。當(dāng)外部環(huán)境溫度升高時(shí)，纖維中的相變物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，消化吸收熱能并儲存在纖維內(nèi)部；當(dāng)外部環(huán)境溫度降低時(shí)，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的相變材料釋放儲存的熱量，保持皮膚溫度。

1 Outlast空調(diào)纖維的生產(chǎn)方法和功效產(chǎn)生的基本原理

相變材料（PCM）是一種運(yùn)用相變潛能熱來存儲和開釋熱量的化學(xué)材料。從種類上看，相變儲能技術(shù)材料較多，根據(jù)原料的化學(xué)成分可分為3類，即有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料。根據(jù)相變材料改變相態(tài)之法，可分為4種形式，即固-氣、固-液、液-氣、固-固。其中，固-固這一形式轉(zhuǎn)變的是晶體結(jié)構(gòu)，熱值的轉(zhuǎn)換發(fā)生在晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程中[1]。現(xiàn)階段，對固-液相變材料的科學(xué)研究較多，發(fā)展較為穩(wěn)定。按相變溫度可分為高、中、低溫三大類，高溫相變材料主要有熔鹽、金屬材料、合金；中溫相變材料主要是水和鹽類、有機(jī)化合物和纖維材料；低溫相變材料主要是冰和膠凝劑。根據(jù)具體要求，Outlast空調(diào)纖維在相變材料方面有3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用：寒冷天氣的相變溫度為18.3~30.6 ℃；溫暖天氣的相變溫度為27.8~38.9 ℃；炎熱天氣或進(jìn)行大量健身運(yùn)動時(shí)，相變溫度在33.3~44.4 ℃。

微膠囊技術(shù)在化肥、食品、紡織制品、護(hù)膚品和生物制藥等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)重點(diǎn)科研、開發(fā)和設(shè)計(jì)的高新技術(shù)。紡織工業(yè)中使用的相變微膠囊是用纖維材料、天然石材或半復(fù)合材料覆蓋在特殊溫度范圍內(nèi)的相變材料上，覆蓋的材料被稱為膠囊壁，制成正常狀態(tài)下相對穩(wěn)定、直徑為2~200 mm的固體顆粒。規(guī)定相變材料的性質(zhì)不會受到膠囊壁的影響，也不會和膠囊壁發(fā)生反應(yīng)。膠囊壁應(yīng)選擇能在外界溫度大幅度變化和強(qiáng)大外力作用下長時(shí)間保持有效性的原料，以防止相變材料從微膠囊中外滲。隨后，在紡絲液中加入一定量的相變微膠囊，根據(jù)噴絲頭擠出纖維。微膠囊立即置于纖維內(nèi)部，內(nèi)部的相變物質(zhì)可以順利存在纖維中。

Outlast空調(diào)纖維的關(guān)鍵技術(shù)在于微膠囊封裝的熱敏相變材料的應(yīng)用。在溫度變化過程中，固體和液體可以相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到吸熱和放熱反應(yīng)的實(shí)際效果。當(dāng)自然環(huán)境溫度或人體皮膚溫度接近微膠囊相變材料的熔點(diǎn)時(shí)，固態(tài)的相變材料就會消化吸收熱量、變成液態(tài)，達(dá)到實(shí)際降溫效果。在嚴(yán)寒環(huán)境中，相變材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放熱量，達(dá)到實(shí)際加熱效果。這種熱轉(zhuǎn)化可以減小皮膚溫度的變化，緩沖作用十分明顯，提高穿著者的舒適度，達(dá)到像空調(diào)一樣控制溫度的實(shí)際效果。

2 Outlast空調(diào)纖維的溫控特性

使用Diamond差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimetry，DSC）對Outlast空調(diào)纖維和一般紡織品進(jìn)行熱分析，考察兩者在-10~60 ℃升溫區(qū)間和60~-10 ℃降溫區(qū)間是否有吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)段，設(shè)定升降速率為5 ℃/min。DSC是一種熱統(tǒng)計(jì)分析方法，可準(zhǔn)確測量在系統(tǒng)控制溫度下被測產(chǎn)品和參比產(chǎn)品的輸出功率差異與溫度之間的相關(guān)性。DSC具有較高的鑒別力和靈敏度，可以定量分析和測量各種主要熱參數(shù)（熱量、直射比熱、恒壓比熱等），被廣泛應(yīng)用于材料應(yīng)用研究。Outlast空調(diào)纖維和普通纖維的熱分析結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 Outlast空調(diào)纖維差示掃描量熱分析

圖2 普通紡織纖維差示掃描量熱分析

3 Outlast空調(diào)纖維紡織問題

Outlast空調(diào)纖維可以純紡，也可以與多種纖維（如棉、毛、絲、麻等混紡面料）交織，機(jī)織和針織都行，紡織難度較大。

3.1 靜電感應(yīng)問題比較嚴(yán)重

Outlast空調(diào)纖維是光亮纖維，產(chǎn)生大靜電感應(yīng)，雖然表面光滑，但纖維間的結(jié)合力較小。另外，纖維的原廠家沒有使用抗靜電劑，增大了紡織空調(diào)纖維的難度系數(shù)。在生產(chǎn)加工過程中，常出現(xiàn)梳棉困難、爛孔、爛邊、浮網(wǎng)、浮紗、并條、粗細(xì)紗纏繞羅拉等問題。

3.2 PCMS微膠囊易開裂

10% PCMS微膠囊包含在Outlast空調(diào)纖維中，纖維基于微膠囊中的熱敏電阻材料發(fā)生吸熱、放熱反應(yīng)，完成溫度調(diào)節(jié)。在梳理、分紗、紡紗等空調(diào)纖維的生產(chǎn)過程中，部分微膠囊容易被擠壓、破裂。如果微膠囊出現(xiàn)較多的分裂，纖維的空調(diào)效果就會消失。破裂微膠囊溢出的熱敏材料在基本工作環(huán)境中呈液態(tài)、黏稠狀，容易導(dǎo)致纖維纏繞輥、纏繞羅拉、使線圈堵塞等問題；微膠囊內(nèi)的蠟在纖維上粘附，易產(chǎn)生著色困難。

3.3 紡織品規(guī)格和型號設(shè)計(jì)的局限

Outlast空調(diào)纖維的相對密度、蓬松度和延展性較低，凈重和體積都較大，成紗難度系數(shù)大，紡織號數(shù)限制較大，特別是在高支紗紡織時(shí)。強(qiáng)度低，配比小，成品紗的斷裂伸長率遠(yuǎn)小于純棉紗，紡織難度較大。另外，纖維體量大，無法設(shè)計(jì)高密針織紡織品。

4 Outlast空調(diào)纖維紡織技術(shù)措施

將Outlast空調(diào)纖維與精梳棉混紡面料按65∶35的比例產(chǎn)出單紗18.4 tex和29.4 tex，將Outlast纖維混紡精梳棉、氨綸纖維按61∶32的比例產(chǎn)出彈力紗29.4 tex。生產(chǎn)的紡織品種類有彈力平布180 cm 18.4/29.4（40 D）342/220和彈力直貢180 cm 29.4/29.4（40 D）382/236。

4.1 原料準(zhǔn)備

為了更好地避免靜電感應(yīng)問題造成的負(fù)面影響，織造工廠在生產(chǎn)前應(yīng)適當(dāng)打開Outlast空調(diào)纖維包，縮小纖維塊或纖維束尺寸，然后將空調(diào)纖維混合于較少的長絨棉鋪層中，同時(shí)噴灑0.20%~0.40%抗靜電脫脂劑，放置24 h備用。添加抗靜電脫脂劑的作用是抑制織造過程中的靜電感應(yīng)，提高空調(diào)纖維的可紡性。

4.2 避免微膠囊開裂

為了更好地防止微膠囊開裂，在清棉過程中選擇了步驟少、多梳理少打漿、慢速、多抓勤抓、多混合的加工工藝標(biāo)準(zhǔn)；梳棉選擇輕量化分析、慢速、小張力、中隔距、輕壓力的加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；并條工藝流程保證分紗條件一切正常，前、中、后羅拉膠輥壓力和羅拉壓力降到最低，粗細(xì)紗上羅拉裝上更輕的齒輪。在紡織生產(chǎn)過程中，為了保證棉紗安全通過的平整度和光滑度，將不合格的綜絲和停經(jīng)片全部清除更換，用潤滑液潤滑綜絲和停經(jīng)片，保濕，防止損壞Outlast空調(diào)纖維表面的微膠囊組織[2]。

4.3 優(yōu)化紡織品規(guī)格模型

對于相對密度低、強(qiáng)力小、紗線斷裂伸長率低、紡織難度系數(shù)大的Outlast空調(diào)纖維，各工序半成品加工定量應(yīng)過輕設(shè)計(jì)，掌握定長為過小，粗細(xì)紗卷繞線距和經(jīng)向的相對密度按小控制。另外，紡織面料的經(jīng)緯密度不宜大。有的織造廠將342/220設(shè)計(jì)為彈力平布的經(jīng)緯密度、彈力直布的經(jīng)緯密度設(shè)計(jì)為382/236。

5 成紗質(zhì)量

Outlast空調(diào)纖維微膠囊有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)難度較大。在多次試驗(yàn)中，制造出多種類型的Outlast空調(diào)纖維紡織品。以O(shè)utlast空調(diào)纖維混紡棉紗為例，細(xì)紗成紗質(zhì)量如表1所示。

表1 細(xì)紗成紗質(zhì)量

采用上述棉紗紡織彈力直貢，紡機(jī)效率為89.00%，以0.8根/臺時(shí)紗臺斷頭時(shí)，一等品入庫率超過94.00%。