新型服裝材料——相變材料

[摘要] 本文論述了相變材料的特點及作用機理，重點說明了微膠囊相變材料在服裝中的應用及調溫過程，并展望了其良好前景。

[關鍵詞] 相變材料 微膠囊相變材料 前景

1 相變材料

相變材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狹窄明確的溫度范圍，即通常所說的相變范圍內可以改變物理狀態，如從固態轉變為液態或從液態變為固態的材料。在相變過程中，體積變化很小，熱焓高，因此以潛熱形式從周圍環境吸收或釋放大量熱量，熱的吸收量或釋放量比一般加熱和冷卻過程要大得多，而此時PCMs的溫度保持不變或恒定。在服裝上應用時，相轉變溫度范圍應和人體溫度變化范圍相似，以利于保持恒定的皮膚溫度。我們最常見的相變材料就是水:當溫度低至0℃時，水由液態變為固態，當溫度高于0℃時，水由固態變為液態。在結冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中會吸收大量的熱能量。冰的數量(體積)越大，溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型示例。從水的例子中可以看出，相變材料的這種特性在節能，溫度控制等領域有著極大的實踐意義，實際上可作為能量存儲器來使用。因此，相變材料及其應用已成為廣泛的研究課題。對紡織領域來講，相變材料尚屬新型材料，其在紡織服裝領域內大有用武之地。該材料可廣泛應用于制冷業、長期室外作業人員，以及特種行業，如坦克兵、航天員的服裝使用材料。相變材料主要分為三種，由于相變材料在液態時易于流動散失，在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料。

2 相變材料的分類

2.1無機相變材料和有機相變材料

硫酸鈉基防護服可以用到無機相變材料，其相變溫度為15℃，相變焓為18OJ/g，目前已進入實際應用階段。該材料以硫酸鈉鹽為主相變劑，用添加劑來控制材料的熔點，改善材料的形態，提高材料的綜合性能，找出影響材料性能因素及最佳工藝控制條件，掌握了材料的加工工藝、制備溫度、存儲方法等手段。大量研究表明，所得到的材料在保證了必要相變溫度的條件下，仍有較大的相變焓，同時，在長期使用的過程中也確實表現出了較好的穩定性。

經大量研究表明，以醇為主相變劑，高級烷烴等為輔相變劑，得到相變溫度為23℃，相變焓達到200J/g-220J/g的有機相變材料，是一種較好的制備方法;通過用DSC和TG對相變材料的熱穩定性、重復穩定性和膨脹性進行的分析表明，該材料是一種膨脹率低、穩定性很好的相變材料。

2.2微膠囊相變材料

相變材料在液態時易于流動散失，在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微膠囊相變材料是將微膠囊技術應用于相變材料而形成的新型復合相變材料，微膠囊化是將直徑1～1000um的固體或液體粒子埋入硬殼的物理和化學過程。得到微膠囊的物理工藝包括噴射烘干、離心流動床或涂層。化學工藝是通過界面縮聚以聚酰胺或聚亞氮酯為殼，反應原理是通過使用水溶聚合物和高速攪拌機將一種油類乳化在水中形成所需類型的穩定乳狀液。加入可溶的三聚氰胺甲醛樹脂。由于加入酸的作用引起縮聚反應，交聯樹脂開始形成，并且沉積在油滴和水相界面之間。在殼壁硬化期間，就形成了微膠囊結構和聚合物油滴膠囊的水中分散。

紡織品使用的MPCMs直徑為人發直徑的1/2，有時只有人發直徑的1/20，這些小容器非常象裝滿了相變材料的乒乓球，殼體不僅小，而且經久耐用，可以填充卻不會溶解。這種MPCMs可放人纖維和泡沫中，或作為涂層材料用于多種織物和泡沫材料，并且能經受進一步的紡織機械加工、熱和化學處理等。

3 相變材料的作用機理

當環境溫度或人體皮膚溫度達到服裝內MPCMs溶點，其吸熱從固態轉化為液態。在服裝層內產生短暫的致冷效果(見圖1)。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環境。一旦PCMs完全溶解，儲能結束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點溫度的寒冷環境中使用，服裝溫度低于轉換溫度，液態MPCMs將變回固態，釋放出能量提供短暫的加熱效果(見圖2)。這種熱轉換在服裝內起緩沖作用，減小皮膚溫度的變化，延長穿著者的熱舒適感。

如果在服裝上使用，希望其相變溫度在33℃。但是所使用的MPCMs相變溫度不一定就是33℃，而是比這一溫度高幾度和低幾度的MPCMs混合后應用于服裝。只有這個溫度下，一半的固態相變材料吸熱溶解成液態，不至使皮膚溫度過高，而另一半的液態放熱凝固成固態，釋放熱量，不至使皮膚溫度下降過低。

4 微膠囊相變材料服裝

由于相轉變過程比較短暫，在恒溫環境中PCMs沒有任何作用。因此，穿著者必須活動以引起PCMs面料的溫度變化或者經常在有溫差的兩個環境中工作，以保證PCMs發生相變吸熱或放熱。此外，含PCMs的服裝層必須具有熱量傳導作用，能讓PCMs感受到溫度的變化。

4.1改變環境溫度

有些人需要不停地從冷庫或運輸車到室內或外界溫暖環境工作。PCMs防護服可以為這些在溫度變化環境中工作的人提供舒適。在這些使用場合中，PCMs的相變溫度應該設定為溫暖環境時液態，寒冷環境時固態。

PCMs面料的研發與生產人員聲稱該面料具有動態保曖性，在寒冷環境中比常規保曖材料的保曖時間更長，并且使用PCMs面料作戶外服裝可減小重量和體積。毫無疑問，相變材料從液態到固態要釋放能量，然而只有PCMs在服裝生成足夠的熱量以彌補人體向環境散失的熱量時，其才能有效改善服裝的熱舒適性。即使所有的服裝均使用PCMs，當穿著者從室內到室外時，也并不是所有的PCMs發生相變。熱量從溫暖的人體流向冷環境，從皮膚表面經服裝層到外界環境存在著溫度梯度。即使人進入更冷環境，但內衣層與人體皮溫接近，PCMs仍處于液態。而服裝外層的PCMs已遇冷固化放出熱量。PCMs固化后，放熱就停止了。因此，有一定厚度的保曖系統在持續冷暴露時能有效維持熱舒適性。

當人們穿著防火服在高溫下短時間作業時，PCMs可以提供短暫的致冷效果維持人體舒適和安全。此時并不需要PCMs凝固放熱，石蠟基PCMs的加入會增加面料的可燃性，所以只能在防火面料里層使用。

有些工作需要不時的接觸冷或熱的物體，因此PCMs手套的相變溫度設定在環境溫度與冷或熱物體的溫度之間。如果工人反復的短時間接觸物體，PCMs的相變就可以發生，溫度緩沖作用得以繼續，手套里層必需使用薄面料。

4.2改變皮膚溫度

某些工作和運動要求人們時動時靜。人體活動越劇烈，產熱越多。只有活動程度和代謝產熱發生變化時PCMs才能改善人體的舒適度。PCMs服裝能吸收人體由于運動產生的大量體熱，提供暫時的涼爽效果。當人體處于安靜狀態時PCMs重新固化放出熱量(假設空氣溫度低于皮膚溫度)，這就稱為PCMs的熱調節效應。在這種情況下使用的PCMs的轉變溫度必須設定在人體代謝產熱變化時最高與最低皮溫之間。在運動時人體的皮膚溫度變化只有幾度，但是卻會產生大量的體熱。例如，在下坡滑雪運動中的產熱量是靜坐時的5倍，但皮膚溫度卻沒有成比例增加。首先皮膚表面的血管舒張，皮膚溫度略微升高，熱量慢慢散失到周圍環境中。然而劇烈活動后這種生理散熱無法去除過多體熱，人體就開始出汗，汗水蒸發會帶走熱量，提供自然的涼爽感。因此PCMs只有在靠近皮膚層發生相變才能有涼爽效果，如果在外層就不會有任何作用。

人體不同部位的皮膚溫度不同。頭部平均溫度高于腳部。此外，皮膚溫度的個體差異范圍，通常高于同一人運動后皮膚溫度的變化范圍。對防護服的設計者來說，通過皮膚溫度的微小變化使PCMs具有熱調節效果是一項艱難的工作。

5 研究現狀

自1985年以來，NASA、USAF等機構先后資助了10余項該方面的研究工作，近年來，中國、法國、德國和韓國等國家也先后資助了這方面的研究工作。

1987年，USAF資助的一個項目，旨在開發用于極端低溫環境中工作的飛行員和地勤人員手套，該項目促成了MicroPCMs用于纖維，該技術獲得了美國專利。1995年NAVY進行了一項研究，將含有MicroPCMs的纖維用于寒冷環境下使用的襪子，這種襪子獨特的熱性能使其能夠免于象普通襪子那樣受壓縮和潮濕的影響。

Outlast、Frisby和3M等紡織公司參與了產品的開發，已經開發出的腈綸纖維制品中含有MicroPCMs，纖維已經用于滑雪服、睡毯、內衣、襪子、手套等的開發。這種纖維織物表現出了靜態和動態兩重保溫性能，在降溫過程中其總體保溫性能高于普通紡織品，而在升溫過程中，其總體保溫性能低于普通紡織品。

ReeBook、Polo等4O余家知名體育運動用品公司在開發新產品過程中使用了這類紡織品。NSF資助開展的MicroPCMs用于丙綸和滌綸纖維技術也在進行中。

采用MicroPCMs研制出的蓄熱調溫織物目前己用于飛行員手套。還對這種紡織品用于高馬赫數飛機飛行員服裝進行了研究。美國空軍消防研究所實驗了將該類紡織品用于消防服隔熱襯，在100s時間內，該內襯的溫度比普通羊毛內襯低了294K。

1995年美國海軍研究機構的工作人員研究了由蓄熱調溫纖維和3M公司Thinsulate纖維組成的干式潛水服的保溫性能，取得了令人滿意的效果，這種潛水服的外層采用防水透濕織物，可以使潛水員在3h內保持溫暖，而普通潛水服只能在1h內保持溫暖。潛水員使用的頭盔、手套和襪子也同時得到了開發。

6 前景

MPCMs的出現，引入了熱調節功能紡織品的概念。含MPCMs的服裝有效地改善了人體與服裝間的微氣候。但受當前技術發展的限制，其熱調節功能不是無限的。只有當穿著者不停往返于存在溫差的環境中時，MPCMs服裝的溫度不斷地變化，服裝中的MPCMs才能最大地發揮作用。

MPCMs的研究在一些方面已經獲得了很好的應用，無論從提高效率角度考慮，還是從環保角度考慮，MPCMs的未來發展前景都是光明的，可以預見，隨著MPCMs制造技術的進一步成熟，它將對我們的生活發揮越來越重要的作用。

參考文獻:

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