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1、关于智能调温纤维的概述 摘要：智能调温纤维是相变材料技术与纤维制造技术相结合开发的一种新型功能性纤维，可随外界环境温度的变化通过相变、吸收或放热来调节温度从智能调温纤维的调温机理、相变材料的选择、加工方法(中空纤维浸渍法、熔融复合纺丝法、涂层法、微胶囊复合纺丝法)、性能评价以及国内外发展现状等方面进行了综述，并指出了目前智能调温纤维存在的不足之处。关键字：智能调温纤维 调温机理 用途 性能评价智能调温纤维是将相变材料技术与纤维制造技术相结合开发出的一类新型功能性制品,具有双向温度调节作用。当外界环境温度升高时,纤维中包含的相变材料发生相变,从固态变为液态,吸收热量储存于纤维内部；当外界环境温度
2、降低时,相变材料从液态变为固态,释放出储存的热量,这种吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。因而，智能调温面料有助于保持人体体表温度,带给人体舒适性的同时还能节省空调能耗，低碳环保1。1 智能调温纤维的调温机理智能调温纺织品的调温机理与传统保温衣物有明显不同：传统衣物主要是利用空气热传导率极小的特点，采用提高织物内部静止空气的方法来避免热量散失的，其绝热效果主要取决于织物的厚度和密度，且其保温效果受外界压缩和水分的影响；智能调温纺织品利用其内部的相变材料来调节热量而不是隔绝热，是一种对水分和外界压力影响不敏感的，能为人体提供舒适微气候环境的全新保温纤维BPAUSE测试了普通纺织品的热阻值和
3、含有相变材料纺织品的热阻值，结果如表1所示2。表1 织物的基本特征与保温性能试样面密度/(gm-2)厚度/mm热阻/clo静态动态总热阻不含相变物质14807.80.063000.0630含5%相变物质11606.00.06270.07730.1400相变材料(Phase Change Materials，简称PCM)的调温机理如图1、图2。2 智能调温纤维的原料选择相变材料能随环境温度的变化而发生相转变，但并不是能发生相转变的物质就可作为相变材料。相变材料选择是制备智能调温纤维及其纺织品的第一步，作为适宜工业化应用的相变材料应具有以下特点3：a)合适的相变温度。相变材料的应用领域、具体的应用
4、场合不同，所要求的相变温度不同，应根据具体的应用要求，选择具有适宜相变温度的相变材料。b)储热能力强。一方面要求材料的相变潜热(相变焓)大，另一方面要求单位质量和单位体积材料储存的热量多(即储热密度大)。c)在相变过程中的体积变化小。在相变过程中，相变材料的体积变化越小越好，相变时体积变化大的相变材料难以在实际中应用。d)相变过程的可逆性好。e)导热快，即相变材料具有较高的传热能力，吸热和放热的速度快。f)化学性质稳定，无毒，无腐蚀性，不易燃。g)结晶速度快，过冷程度低。h)密度大。许多应用场合要求相变材料具有较大的密度，以减小体积。i)价格低。相变材料分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变
5、材料迄今为止，已开发和应用的单一型相变材料有500多种，还有通过复合技术开发和应用的具有独特相变特性的复合相变材料，但是能完全符合述要求的材料很少。通常用于纺织品的相变材料有4：待添加的隐藏文字内容1(1)无机相变材料，如MgCl26H20、CaCl26H20、Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O等，相变温度小于35，相变热为100300 J/g；(2)有机相变材料，如有机酸酯类、多元醇类、高级烷烃类和有机酯类等，应用较多的相变材料直链烷烃的相变热可达200300 J/g、相变温度为l840表2是一些可用于纺织品的相变材料的物理性质通过合理复配能够得到在一定温度范围内具有调温作用的
6、复合相变材料，如表3所示。表2 一些烷烃的物理性质烷烃熔点/结晶温度/热焓/(Jg-1)十六烷18.516.2237十七烷22.521.5213辛烷28.225.424.4壬烷32.126.42223 智能调温纤维的加工方法3.1 中空纤维浸渍法中空纤维填充相变材料始于20世纪80年代中期，该法是将中空纤维浸渍于相变材料溶液中，使中空部分充满相变材料，再将纤维两端封闭，缺点是中空纤维浸渍法存在封端困难。20世纪80年代初，Vigo等人将无机固一液相变材料CaCl26H2O、SrC126H2O充填到人造丝和聚丙烯等中空纤维。20世纪80年代中期，他们又将聚乙二醇整理到织物表面和封入到中空纤维内部
7、5。东华大学研究了将三羟甲基乙烷/新戊二醇二元体系固一固相变材料采用水溶液真空填充的方法填充到涤纶中空纤维，得到了相变材料填充率为24的调温纤维。用中空纤维填充法制得的调温纤维内径较大，相变物质残留于纤维表面，故易于渗出和洗出，作为服用纤维使用还有很大局限性。3.2 熔融复合纺丝法低温相变物质的熔融粘度很低，无可纺性。单纯将相变物质用于熔融复合纺丝很困难，加人增塑剂后可以用于纺丝。将石蜡烃类相变材料混合一定的二氧化硅粉末，与聚烯烃进行熔融纺丝，可以得到相变温度为1565的调温纤维。国外有人以聚丙烯（PP)和分子质量为100020000的聚乙二醇(PEG)及增稠剂为主要原料，采用熔融复合纺丝法研
8、制出了蓄热调温纤维6。3.3 涂层法涂层法是把相变物质固定到织物上的简便易行的方法。将聚乙二醇用2D树脂(DMDHEU)在氯化镁及对甲基苯磺酸催化下，将其固着在纤维上，经处理的织物最高的热焓达26.75 J/g，缺点是经过整理的织物因树脂固着而手感变硬7。采用二异氰酸酯、乙二醇与聚乙二醇聚合得到具有防水透湿性的调温涂料可以涂覆在纺织品表面获得调温功能。用聚乙二醇和2D免烫树脂整理剂混合整理棉、麻等纤维素织物，在酸性催化剂作用下经浸轧一焙烘工艺得到具有一定调温功能的面料。天津工业大学将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水常温水解聚合成二氧化硅网状结构凝胶，然后加人醇类相变材料而制成复合相变材料，最后将复
9、合相变材料与粘合剂混合后涂覆在纺织面料的表面而制成智能调温纺织品，并获得了国家专利。3.4 微胶囊纺丝法将平均直径15 m的含有相变物质的微胶囊与成纤聚合物溶液混合后纺丝，其他工艺与复合纺丝相同。随着高分子合成技术的发展，生产工艺简单化，使相变材料主要以微胶囊形式出现，采用微胶囊技术包覆相变复合材料。微胶囊法是目前加工相变纤维最先进的方法之一，它已经成功地应用于聚丙烯腈系列纤维的溶液纺丝中，得到了PCM分布均匀、蓄热能力显著的相变纤维。熔纺相变纤维在使用时有很大的优越性。但是，在温度较高(200)条件下，微胶囊PCM容易失去，并且熔纺不易进行。Triangle公司对此问题进行研究后，纺制出了熔
10、纺相变纤维8。目前Outlast公司授权英国的Acordis公司生产的纤维细度最低可达到2.2 dtex，可以满足用于生产针织物和机织物的要求上述4种生产智能调温纤维的方法中，复合熔融纺丝法需要加入大量增塑剂才能用于纺丝，中空纤维浸渍法存在封端困难，涂层织物虽然热焓值很高，但普遍存在手感较差的缺点。所以，微胶囊复合纺丝法生产智能调温纤维是目前最实用的先进的加工方法。通常，微胶囊中的相变材料质量分数不超过80(大多数在506O)，微胶囊连同其中的相变材料的热焓多在100200J/g。4 应用领域4.1 服装穿着智能调温纺织品的人体与外界环境之间的热量流动减少或者被中断，从而在人体与外界环境之间建
11、立一种相对的动态热平衡，对人体起到积极的温度调节作用。不仅能令您在严冬感到温暖如春，在酷暑也能感到丝丝凉意。据报道，英国玛莎推出了温度可调服装。英国玛莎(Marks&Spencer)公司为改进男士服装舒适性，在其新的温度可调节系列内衣中应用了Outlast公司PCM (相变)技术；日本钟纺公司开发出能够使服装内温度保持在舒适范围的聚酰胺纤维“Thermo Supprot”，该纤维是一种芯层为温度可调节聚合物、皮层为尼龙6的皮芯型复合纤维；Mid6技术公司开发了一种新型的智能潜水服SmartSkin，其外层是闭孔氯丁橡胶泡沫材料，中间夹层是温敏性水凝胶与开孔的聚氨酯泡沫材料的复合物；香港福田实业
12、集团与美国杜邦公司合作，采用Outlast相变材料微胶囊技术，生产出具有温度调节功能的针织面料，制成的“Fountian”牌温度响应型智能服装， 已开始投放国内外高档服装专卖店；杭州求兴科技有限公司与浙江大学、浙江理工大学合作研发出多种新型智能调温纤维(纱线)，有棉、腈纶、锦纶、涤纶等品种9。4.2 床上用品床垫、褥子、棉被、枕头和毛毯等床上用品采用智能调温纤维，可将床上的温度和湿度保持在理想的范围内，能让使用者保持良好的睡眠状态。如金华新佳家纺有限公司2007年9月研制出了自动调温被芯，产品名为“天芙棉”，已申请国家发明专利。它主要用物理方法改变棉纤维的空间结构，使弹性、强度、收缩性等性能得
13、到改善。在常温下“天芙棉”处于休眠状态，人体体温传过去后，天芙棉体积开始膨胀，纤维间的体积增大，透气性增强，排出多余的湿气和热量，达到调温的效果。4.3 医疗卫生用品智能调温纺织品被应用于诸如手术服、病人床上物品时，不仅可以改善医生或忠者的穿着舒适度，而且对病人的心里起到良好的安抚作用。4.4 保护性装置智能调温纺织品应用于头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等防护性装备中，可以适当地控制这些部位汗液的产生与排放。以减少湿热的产生，从而为人体的这些部位提供适当的冷却度。如Bio Skin系列产品都是以SmartSkin膜材料作为中间层，成功开发了护腕、护肘、护膝和足垫等运动保护产品。4.5 汽车装饰物在汽
14、车内部采用智能调温纺织品作为内衬，同样可以为乘客提供温度调节效果，来保持车内温度的相对恒定。如浙江有一家企业开发生产了一种能给汽车降热保温的防尘罩。此防尘罩非一般的防尘罩，它是采用相变材料微胶囊技术工艺生产出来的。在纤维中藏有微粒胶囊，当外界环境温度升高时，藏在纤维中的相变材料吸收热量，从固态变为液态，降低了覆盖物表面温度。相反，当外界环境温度降低时，相变材料放出热量，从液态变为固态，以保持周围正常的微气候环境10。5 功能评价方法为了测定智能调温纤维在织物上的效果，目前主要采用3种方法：差示扫描量热法(DSC)、动态热转换测定法、温度变化测定法。DSC通常用来测定储热能力及植入到织物结构中的
15、PCM微胶囊的相变温度范围。动态热转换测量法是一种新的方法，可测定动态保暖效果，并可清楚地与织物结构提供的基本保暖效果分开，可由此比较含有与不含有蓄热微胶囊的织物的热性能。这种独特的测定方法既可测定PCM吸热时织物产生的凉爽效果，也可测定放热时产生的保暖效果。温度变化测定法是借助一种温度变化仪器来测定不同的温度范围和吸收的不同程度的热量。参考文献：1顾振亚，陈莉智能纺织品设计与应用M北京：化学工业出版社2006：29-302施楣梧，张燕PCM 在智能服装上的应用的可能性和后续研究重点J济南纺织化纤科技，2006(3)：16194李娜娜智能调温纤维及其纺织品J上海纺织科技，2010，38(3)：15一l65赵连英，董卫东，杜维强，等Outlast空调纤维开发智能调温毛衣的实践J现代纺织技术，2010(6)：42436张琳琳,王跃强智能调温纤维综述J印染助剂，201128(1)9127周晓东，朱平，张建波等智能纺织品的特性与应用J印染助剂，2006(23)：488朱张林丝维尔智能调温纤维纱线的开发J上海纺织科技，2010，38(11)：25279王茜，张红星智能调温纺织品的开发与应用J现代纺织技术，2011(2)：55571O范瑛没,调温纤维和调温非织造布的热性能研究J产业用纺织品，2010(5)：121611杨艳艳.智能调温纤维综述J.百度文库，2013（12）
