紡織用發(fā)熱材料的性能評(píng)價(jià)及其應(yīng)用

白 潔

(中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì),北京 100000)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和物質(zhì)生活水平的提高,人們對(duì)保暖服裝的要求不只局限于保暖,還希望服裝盡可能輕薄。人們?nèi)粘Ｋ┲膫鹘y(tǒng)保暖服裝,如羽絨服、棉服、皮草等,大多利用高密織物結(jié)構(gòu)以及蓬松絮片、絨毛等,防止外部冷空氣進(jìn)入,增加服裝內(nèi)部的靜止空氣含量,阻止熱量損失,以達(dá)到一種“被動(dòng)”的保暖效果。這類服裝往往“暖、厚、重、腫”,即保暖、蓬松、體積大、厚重,難以滿足對(duì)服裝舒適感和美感的要求,人們希望獲得“暖、輕、薄、健”的保暖服裝。因此,能夠“積極”產(chǎn)熱的各種發(fā)熱纖維及其輕薄型保暖服裝逐漸進(jìn)入人們視野。

發(fā)熱材料根據(jù)其發(fā)熱原理不同,大致可分為吸濕發(fā)熱材料、相變發(fā)熱材料、化學(xué)能發(fā)熱纖維、電能發(fā)熱材料、太陽(yáng)能發(fā)熱材料等[1-2]。當(dāng)人體穿著用發(fā)熱材料制成的紡織品時(shí),身體因發(fā)熱材料的作用會(huì)產(chǎn)生微熱感。

選取了吸濕發(fā)熱材料、相變發(fā)熱材料和遠(yuǎn)紅外發(fā)熱材料等3種目前應(yīng)用在紡織服裝領(lǐng)域較多的發(fā)熱材料進(jìn)行討論。

1 吸濕發(fā)熱材料

1.1 定義和原理

吸濕發(fā)熱紡織品是由吸濕發(fā)熱纖維與其他纖維混紡而成。吸濕發(fā)熱纖維實(shí)現(xiàn)發(fā)熱效果的原理主要有兩種[3]:(1)動(dòng)能理論?？諝庵芯哂休^高動(dòng)能的水分子,由于氫鍵等作用力被吸附到材料上成為靜止?fàn)顟B(tài),動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能從而放出熱量。(2)相變理論。材料通過(guò)吸收空氣中或人體散發(fā)的氣態(tài)水,將其轉(zhuǎn)化成液態(tài)水,液化放熱。

1.2 實(shí)現(xiàn)途徑

1.2.1 吸濕發(fā)熱纖維

纖維的發(fā)熱性能與其自身的回潮率有關(guān)。吸濕發(fā)熱纖維是通過(guò)纖維本身的吸濕性或改善纖維分子結(jié)構(gòu),提高纖維的吸濕性來(lái)達(dá)到發(fā)熱效果,可以分為天然和合成兩大類。

(1)天然吸濕發(fā)熱纖維。本身具有較好吸濕性的纖維,主要有棉纖維和羊毛纖維,回潮率相對(duì)較高,吸濕性好。但是當(dāng)人體大量出汗時(shí),天然纖維雖可以吸濕發(fā)熱,但無(wú)法做到快速排出濕氣,使人體皮膚與織物黏貼,從而產(chǎn)生濕熱和不適感,并不具有實(shí)用性。

(2)合成吸濕發(fā)熱纖維。多通過(guò)增加纖維大分子鏈上的親水基團(tuán),來(lái)提高纖維的吸濕性能,實(shí)現(xiàn)吸濕發(fā)熱,如改性聚酯、改性聚丙烯腈等纖維,以及接入了高吸水基團(tuán)的高度交聯(lián)聚丙烯酸酯類纖維和亞丙烯酸鹽系纖維等。也可以在紡絲過(guò)程中添加吸濕性強(qiáng)的單體進(jìn)行共混紡絲制備,如吸濕發(fā)熱黏膠纖維。

1.2.2 吸濕發(fā)熱紗線及織物

僅通過(guò)吸濕發(fā)熱纖維,難以實(shí)現(xiàn)兼具輕薄、透濕及其他服用性能的吸濕發(fā)熱服裝。可將吸濕性較強(qiáng)的纖維與具有獨(dú)特物理性能的纖維進(jìn)行混紡,如銅氨纖維與超細(xì)旦抗起球腈綸混紡等,可以兼具吸濕發(fā)熱及蓬松保暖等服用性能。

采用吸濕快干的聚酯、吸濕性好的黏膠、蓬松保暖的腈綸和彈力氨綸構(gòu)成的吸濕發(fā)熱內(nèi)衣面料,兼具彈性、輕柔、吸濕發(fā)熱、快干、透濕等性能,綜合服用性能極佳。

1.3 性能與評(píng)價(jià)

吸濕發(fā)熱纖維與其他種類的發(fā)熱纖維比較,其優(yōu)勢(shì)是:(1)不需要外加能源,相比電能發(fā)熱纖維更加節(jié)能環(huán)保;(2)不受限于時(shí)間,相比光能發(fā)熱纖維工作時(shí)間更加靈活;(3)耐久性更好,相變發(fā)熱纖維中的微膠囊會(huì)影響耐洗滌性。

吸濕發(fā)熱纖維作為一種新型功能性纖維,升溫效果還有待提升,且大多應(yīng)用于貼身內(nèi)衣,價(jià)格昂貴。另外,需要注意的一點(diǎn),是否選擇“吸濕發(fā)熱”類衣物還要依據(jù)自身的身體狀況,有些人在北方穿著此類內(nèi)衣,開始會(huì)有些許熱感,但之后由于吸濕內(nèi)衣的強(qiáng)烈吸濕性及北方的高干燥氣候,可能會(huì)出現(xiàn)皮膚迅速脫水干燥、起皮發(fā)癢等不適感。

目前,不管是針對(duì)吸濕發(fā)熱纖維還是其織物,國(guó)際上均沒有統(tǒng)一測(cè)試吸濕發(fā)熱性能的方法和標(biāo)準(zhǔn)[4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》和FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》。前者只規(guī)定了紡織品吸濕發(fā)熱性能的試驗(yàn)方法,后者規(guī)定了吸濕發(fā)熱內(nèi)衣應(yīng)滿足兩項(xiàng)升溫值指標(biāo),即最高升溫值不低于4℃,30 min內(nèi)平均升溫值不低于3℃。

上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試吸濕發(fā)熱性能的試驗(yàn)方法,均是將試樣烘干后放在溫度為(20±0.5)℃、相對(duì)濕度為(90±3)%的恒溫恒濕試驗(yàn)箱中測(cè)試面料的發(fā)熱性能。而在實(shí)際穿著過(guò)程中,如果人體與服裝之間的微氣候相對(duì)濕度為90%,服裝的發(fā)熱性已不是關(guān)注重點(diǎn)了,舒適性就不能滿足了。所以,今后的研究重點(diǎn)應(yīng)為在低相對(duì)濕度條件下來(lái)實(shí)現(xiàn)吸濕發(fā)熱材料的發(fā)熱效果[5]。

1.4 應(yīng)用

日本在此方面的研究比較成熟,如東洋紡公司研發(fā)的N38?(高度交聯(lián)的聚丙烯酸酯類纖維)和EKS?纖維(亞丙烯酸鹽系纖維),除了具有吸濕發(fā)熱功能的同時(shí)還能將人體多余汗汽及時(shí)排走,達(dá)到干爽舒適的效果,還具有抗菌防臭等性能,在保暖內(nèi)衣、滑雪衫等戶外運(yùn)動(dòng)服、家紡領(lǐng)域均有應(yīng)用。東麗公司開發(fā)的Softwarm?紗線(超細(xì)腈綸與黏膠纖維復(fù)合制備)、旭化成株式會(huì)社開發(fā)的Thermogear?紗線(超細(xì)旦腈綸與銅氨絲復(fù)合制備),通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接枝改性等方法大大提升了吸濕保暖性。

在內(nèi)衣方面應(yīng)用最知名的是優(yōu)衣庫(kù)的Heattech?系列產(chǎn)品,采用聚酯、黏膠、腈綸和氨綸構(gòu)成,面料輕薄、柔滑,透氣率可高達(dá)68 mm/s,透濕率高達(dá)10 024 g/(m2·d),出汗時(shí)會(huì)明顯感到發(fā)熱。但是,這款產(chǎn)品的吸濕發(fā)熱性能和普通棉內(nèi)衣并無(wú)大的區(qū)別,其優(yōu)勢(shì)在于輕柔且透氣透濕,穿上后在感受到發(fā)熱的同時(shí),感覺舒適。

國(guó)內(nèi)吸濕發(fā)熱纖維研究起步較晚,主要通過(guò)將已有的吸濕發(fā)熱纖維與其他種類的纖維進(jìn)行混紡,拓展面料的新功能,例如上海正家牛奶絲科技有限公司開發(fā)的易熱寶?纖維(改性聚丙烯腈纖維)和上海潔宜康化工科技有限公司自主研發(fā)的舒熱絲?纖維(改性聚丙烯酸類纖維)等?，F(xiàn)如今吸濕發(fā)熱材料在紡織面料中應(yīng)用越來(lái)越多,吸濕發(fā)熱產(chǎn)品的研究和開發(fā)也會(huì)越來(lái)越深入[6]。

2 相變發(fā)熱材料

2.1 定義和原理

相變調(diào)溫紡織品是將相變材料以合理的方式與纖維織物進(jìn)行結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)溫效果。當(dāng)外界環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時(shí),紡織品內(nèi)的相變材料發(fā)生相變時(shí)會(huì)吸收和放出熱能,在紡織品周圍形成微氣候,從而賦予紡織品溫度調(diào)節(jié)的功能。目前,人們所認(rèn)識(shí)到的相變材料有500多種。服用紡織品使用的相變材料要求相變熱高、相變轉(zhuǎn)換溫度貼近人體溫度,一般多采用有機(jī)相變材料或復(fù)合相變材料,多為體積變化較小的固-液相變材料,也包含一些含結(jié)晶水的無(wú)機(jī)水合鹽。

相變材料能夠存儲(chǔ)和釋放能量,但在發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)易發(fā)生泄漏,可對(duì)相變材料進(jìn)行封裝,對(duì)后續(xù)材料加工過(guò)程起有效的保護(hù)作用,可以提高材料的穩(wěn)定性和耐久性[7]。目前可用的方法包括多孔材料吸附法和微膠囊法兩種,在紡織領(lǐng)域,相變微膠囊的應(yīng)用較為廣泛,該方法是將特定溫度范圍的相變材料以物理或化學(xué)方法包封于高分子聚合物中,制成直徑小于100μm并且常態(tài)下穩(wěn)定的微型單元(微膠囊)。

2.2 實(shí)現(xiàn)途徑

相變調(diào)溫紡織品的加工方式一般為兩種[8]:一類是先將相變材料或相變微膠囊制成相變調(diào)溫纖維,然后加工成紡織品;另一類是將相變材料或相變微膠囊通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞脚c織物直接復(fù)合得到相變調(diào)溫紡織品。

2.2.1 常用相變材料

固液相變材料如石蠟類、聚醚、脂肪族聚酯、聚醚酯、聚乙二醇、聚戊二酸己二酯、正十二酸、正十四醇等。

含結(jié)晶水的無(wú)機(jī)水合鹽,如Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O等,具有250～400 J/g的相變熱,但水合鹽容易出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變的不可逆現(xiàn)象,需要改進(jìn)。

2.2.2 相變調(diào)溫纖維

(1)中空纖維填充法:將相變材料填充至中空纖維的中空部分,得到相變纖維,相變材料能夠在纖維中均勻分布,調(diào)溫性能良好。

(2)紡絲法:將相變材料或相變微膠囊添加到紡絲聚合物的熔體或紡絲液中,紡絲加工成調(diào)溫纖維。該方法的優(yōu)點(diǎn)是相變材料能均勻分布在纖維內(nèi)部和表面,既能防止相變材料泄露,又能有效提高纖維的熱響應(yīng)速率。

2.2.3 相變調(diào)溫紡織品

(1)直接填充法:將相變材料或相變微膠囊直接填充到密封袋中,然后再?gòu)?fù)合到服裝中。本體相變材料、相變微膠囊和相變大膠囊都可這樣制成相變調(diào)溫紡織品。

(2)表面整理法:將相變微膠囊通過(guò)涂層整理與紡織品結(jié)合,工藝簡(jiǎn)單,操作方便,易工業(yè)化。但添加的相變材料量較低,經(jīng)整理后織物的柔軟性、透氣性、透濕性、耐洗滌性等服用性能降低。

(3)表面接枝法:將織物中的特定官能團(tuán)與相變材料通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合,使織物具有調(diào)溫性能。工藝相對(duì)復(fù)雜,不易工業(yè)化,制備出的產(chǎn)品具有較好的手感和耐久性。

2.3 性能與評(píng)價(jià)

目前,國(guó)際上針對(duì)提升潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的測(cè)試和分析方法缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[9]。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)于2004年6月發(fā)布的《ASTMD7024紡織材料穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中,定義了總熱傳導(dǎo)系數(shù)和溫度調(diào)節(jié)因素(TRF)2個(gè)指標(biāo)及其測(cè)試方法,適用于紡織品、棉絮纖維及其他類似樣品。

我國(guó)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)(CTES)于2017年12月發(fā)布的《紡織用相變調(diào)溫微膠囊及其應(yīng)用功能評(píng)價(jià)》(T/CTES 1005—2017),規(guī)定了相變調(diào)溫織物性能,采用差示掃描量熱法和動(dòng)態(tài)升降溫法,結(jié)合進(jìn)行評(píng)價(jià),分為優(yōu)等品、一等品、合格品。相變調(diào)溫織物性能評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 相變調(diào)溫紡織品性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

運(yùn)用相變材料制備的相變調(diào)溫紡織品可以有效改善人體在高溫或寒冷環(huán)境下的身體溫度,不僅可以實(shí)現(xiàn)寒冷環(huán)境下的溫度調(diào)節(jié),也可以用于炎熱環(huán)境下的溫度調(diào)節(jié),最適用于在高溫和低溫環(huán)境下切換工作的人員。

2.4 應(yīng)用

相變材料廣泛用于軍事、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、紡織服裝、航天等行業(yè)。例如在軍事領(lǐng)域,相變智能溫控紡織品可用于飛行保暖手套、軍用冷熱天氣作戰(zhàn)靴、軍用潛水服等。在民用紡織服裝領(lǐng)域,相變智能溫控紡織品常用于運(yùn)動(dòng)服裝和襪子等,調(diào)溫紡織品能及時(shí)降低運(yùn)動(dòng)員劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量熱量,緩解其體溫上升過(guò)快而產(chǎn)生的頭暈等不適癥狀。同時(shí),還可用作床單、被罩等床上用品或窗簾、壁紙、地毯等裝飾用品,為人們提供舒適的生活環(huán)境。

最知名的相變調(diào)溫纖維為美國(guó)開發(fā)的Outlast?,占全球市場(chǎng)份額80%以上。日本開發(fā)的調(diào)溫聚酯纖維Air-Techno?,已推出較成熟的相變調(diào)溫襯衫、西服及保暖內(nèi)衣等產(chǎn)品。在中國(guó),絲維爾?智能調(diào)溫纖維和上海三十六棉紡針織廠研制的SL調(diào)溫纖維已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化及推廣階段[10]。相變調(diào)溫紡織品在人們的日常生活中,以及低溫防護(hù)領(lǐng)域均具有一定的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 遠(yuǎn)紅外發(fā)熱材料

3.1 定義和原理

在電磁波譜中,通常人們將波長(zhǎng)2.5～1 000.0μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外,該波長(zhǎng)范圍的遠(yuǎn)紅外線與生物的生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān),可以振動(dòng)并激活生物內(nèi)部的水分子,與生物產(chǎn)生共鳴,促進(jìn)其代謝和生長(zhǎng)[11]。

部分材料在吸收外界電磁輻射能量后,可以發(fā)射出與人體紅外線波段相符合的遠(yuǎn)紅外線,將上述材料與纖維及織物結(jié)合,獲得蓄熱保暖、提高體感溫度的一種積極供熱式的保暖紡織品,為遠(yuǎn)紅外紡織品,一般要求其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率達(dá)到0.65以上,多用于蓬松的保暖絮片及內(nèi)衣。不同于其他保暖材料,遠(yuǎn)紅外紡織品具有保暖和促進(jìn)微循環(huán)兩種功能。一方面,吸收外界電磁波輻射的能量,發(fā)射出遠(yuǎn)紅外線,并反射人體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線,阻止人體熱量向外部散發(fā),起到高效保溫作用;另一方面,其發(fā)射的4～14μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外線與反射的人體紅外線,作用于人體表面細(xì)胞,因振動(dòng)頻率吻合而增強(qiáng)分子的熱運(yùn)動(dòng),促進(jìn)皮下組織的微循環(huán)和新陳代謝。

3.2 實(shí)現(xiàn)途徑

遠(yuǎn)紅外紡織品功能實(shí)現(xiàn)的核心是具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能的添加劑,一般都是在常溫下具有遠(yuǎn)紅外輻射功能的陶瓷微粉,粒徑通常在0.5μm以下,多為金屬氧化物或金屬碳化物,如氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化硅、氧化錫、碳化鋯等。制備遠(yuǎn)紅外保暖紡織品主要有兩種方法:

(1)涂層法:將具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能的納米級(jí)粉體、黏合劑和助劑按一定比例制成后整理劑,再通過(guò)浸軋、涂層、噴霧等方法,使其均勻涂覆在織物表面,最后對(duì)織物進(jìn)行干燥、熱處理等。工藝簡(jiǎn)便,成本較低,對(duì)遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能粉體要求不高,但是制得纖維的紡織品手感及耐洗滌性能較差。(2)紡絲法:將具有遠(yuǎn)紅外功能的材料混合在紡絲液中制得含遠(yuǎn)紅外材料的合成纖維,再用遠(yuǎn)紅外纖維加工成紡織品。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,紡絲法分為母粒法、注射法、全造粒法和復(fù)合紡絲法,母粒法是制備遠(yuǎn)紅外纖維最普遍的一種方法,此法得到的遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品耐久性較好,但成本較高。另外,紡絲法需要調(diào)控遠(yuǎn)紅外粉體的添加量,要在保證紡絲和纖維的各項(xiàng)基礎(chǔ)性能的前提下,盡量提高遠(yuǎn)紅外發(fā)射率,達(dá)到遠(yuǎn)紅外保暖的功能性,一般遠(yuǎn)紅外材料添加量在5%～20%。目前在滌綸、丙綸、腈綸、黏膠等纖維中采用這種方法。

3.3 性能與評(píng)價(jià)

目前,國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的有關(guān)遠(yuǎn)紅外紡織品的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 30127—2013《紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用5～14μm波段的遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量樣品的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率,采用遠(yuǎn)紅外輻射源以150 W輻射功率輻照試樣30 s后表面溫度升高,并給出了遠(yuǎn)紅外性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):對(duì)于一般樣品,若試樣的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率不低于0.88,且遠(yuǎn)紅外輻射溫升不低于1.4℃時(shí),則樣品具有遠(yuǎn)紅外性能;對(duì)于絮片類、非織造類、起毛絨類等疏松樣品,遠(yuǎn)紅外發(fā)射率不低于0.83,且遠(yuǎn)紅外輻射溫升不低于1.7℃,樣品具有遠(yuǎn)紅外性能。

遠(yuǎn)紅外紡織品要想達(dá)到發(fā)熱目的,一是需要吸收外界電磁輻射能量,作為外衣比較合適,但遠(yuǎn)紅外線穿透普通紡織品能力有限,如要起到促進(jìn)身體微循環(huán)的效果,又需要直接接觸皮膚,作為內(nèi)衣較合適,但作為內(nèi)層衣物,又難以吸收外界能量,只能反射人體本身散發(fā)的紅外線,能量十分有限。

3.4 應(yīng)用

遠(yuǎn)紅外纖維開發(fā)始于20世紀(jì)80年代,開發(fā)了碳化鋯保溫纖維。日本旭化成、東麗、鐘紡、可樂麗、東洋紡等都開發(fā)了多品種規(guī)?；a(chǎn)的遠(yuǎn)紅外纖維。我國(guó)開始于90年代,也實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。目前,可制成針織或梭織的具有遠(yuǎn)紅外功能的滑雪衫、運(yùn)動(dòng)服、風(fēng)衣等,也可通過(guò)非織造技術(shù)制成具有遠(yuǎn)紅外功能的保暖絮片,從而用作床單、睡袋、被子、防寒服等的填充料。遠(yuǎn)紅外除了保暖作用外,其保健功能也深受人們的喜愛,近幾年各種遠(yuǎn)紅外保健產(chǎn)品大量涌現(xiàn),如具有保健功能的連褲襪、貼身衣、鞋墊、枕頭、保健被等。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),發(fā)熱材料發(fā)展較好,其在服裝、家紡等領(lǐng)域均有較多應(yīng)用。但同時(shí)也存在一些問(wèn)題,比如配套標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善,市場(chǎng)上沒有全面、統(tǒng)一、規(guī)范的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)發(fā)熱材料制成的紡織品是否達(dá)到發(fā)熱效果。另外,經(jīng)過(guò)發(fā)熱處理的紡織品,其他服用性能,比如透濕性、耐洗滌性等能否不受影響也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

另一方面,在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,發(fā)熱材料在其生產(chǎn)和使用中要注意采用環(huán)保工藝,減少?gòu)U水和廢氣的排放,以及材料的可回收再利用等。同時(shí),為滿足人們需求的多元化,還需要開發(fā)具有抗靜電、防紫外線等多重功能的發(fā)熱面料。