儲熱調溫纖維的研究進展(二)

韓 娜 張 榮 張興祥

(1.改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津工業大學功能纖維研究所，天津，300160; 2.航宇救生裝備有限公司技術中心，襄樊，211102)

儲熱調溫纖維的研究進展(二)

韓 娜1張 榮2張興祥1

(1.改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津工業大學功能纖維研究所，天津，300160; 2.航宇救生裝備有限公司技術中心，襄樊，211102)

4 儲熱調溫纖維的性能評價

目前較為廣泛的是采用差示掃描量熱分析儀測試纖維在體溫上下的吸放熱特性，從而區分儲熱調溫纖維與常規纖維。也可將纖維加工成織物或非織造布，通過測試儲熱調溫纖維織物和常規織物的相變性能［6，9，10，15］、內部溫度差［9］、溫度調節系數［27］、動態熱阻［28］等評價其性能。

4.1 相變性能

差示掃描量熱分析儀(DSC)被廣泛用于測試儲熱調溫纖維的低溫吸放熱溫度和吸放熱量［6，9，10，15］。儲熱調溫纖維中的相變材料在環境溫度由低于其相變溫度到高于其相變溫度時發生固—液相轉變，吸收熱量，DSC升溫掃描曲線上出現明顯的吸熱峰(圖4［22］);反之，在環境溫度由高于其相變溫度到低于其相變溫度時發生液—固相轉變，放出熱量，DSC降溫掃描曲線上出現明顯的放熱峰。而普通纖維由于在此溫度范圍內沒有吸放熱效應，DSC掃描曲線上沒有吸熱或放熱峰。因此，DSC和差熱分析儀(DTA)被廣泛用于檢測和區分儲熱調溫纖維，目前已制備出吸放熱量(熱焓)達45 J/g以上的儲熱調溫纖維。

4.2 內部溫差

通過測量升溫和降溫過程中儲熱調溫纖維織物與常規織物內部溫差的方法也可以評價儲熱調溫纖維織物的儲熱性能［9，19］，該方法更適用于高單位面積質量儲熱調溫纖維織物的性能評價。已經測得的儲熱調溫纖維非織造布與對比試樣之間的最大溫差為 8 ～9 ℃(圖5［9］)。

圖4 儲熱調溫腈氯綸的DSC掃描曲線

4.3 溫度調節系數

2004年，美國材料與試驗協會(ASTM)公布了一項評價儲熱調溫纖維織物的標準(D7024—04)［27］，在一個脈沖式加熱裝置上，對儲熱調溫(纖維)織物和對比織物施加脈沖加熱信號，然后測試熱板上最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)、最大熱流qmax和最小熱流qmin，經計算得到織物的溫度調節系數(TRF):

式中:R——織物的靜態熱阻(℃·m2/W)。

TRF為0，表示織物具有無限溫度調節能力;TRF為1，表示織物沒有溫度調節能力。

Hittle等人［27］測得的一種 MicroPCMs涂層織物的TRF約為0.52。該標準只適用于薄型織物，而且要求有同規格的對比織物，因此特別適用于MicroPCMs涂層前后織物TRF的變化情況測試。

圖5 升溫和降溫過程中對比試樣(Tc)與儲熱調溫纖維非織造布(Ts)的溫差

4.4 動態熱阻

針對常規的熱板法測試織物保溫性能需要將試樣在熱板上長時間平衡，從而導致纖維中的相變材料的固—液相轉變在測試開始時已經完成。Pause［28］設計了一種新型的測試裝置，可用于測試織物的基礎熱阻和動態熱阻。Pause測得的一種MicroPCMs涂層織物的基礎熱阻和動態熱阻如表1所示。膜材料的動態熱阻是其基礎熱阻的4～8倍，相變材料的貢獻非常明顯。

Rupp［29］采用該裝置測試了儲熱調溫纖維非織造布的基礎熱阻和動態熱阻，獲得了動態熱阻2倍于基礎熱阻的效果。

4.5 熱流量

儲熱調溫纖維中含有相變材料，織物在接觸時由于相變材料發生固—液相轉變將比普通織物吸收更多的熱量，因此通過熱板傳遞到織物的熱流量更高。Ying等［30］采用智能手感儀測試了MicroPCMs涂層織物的熱流量，結果發現:隨著MicroPCMs涂覆量的增加，織物的熱流量明顯增加。Zhang等［31］采用該儀測試了不同儲熱調溫纖維的熱流量，相變材料含量高的儲熱調溫纖維非織造布的熱流量明顯大于相變材料含量低的試樣。由于常溫的普通織物在與35℃的熱板接觸時也會產生熱流量，因此該方法需要與其他方法配合使用。該方法更適用于采用同種工藝制成的不同MicroPCMs含量的織物的性能評價。

表1 含MicroPCMs涂層膜材料的基礎熱阻和動態熱阻

5 儲熱調溫纖維的應用

5.1 軍用服裝

目前，儲熱調溫纖維已用于制造飛行保暖手套，軍用冷或熱作戰靴、潛水服、冬季服裝、海軍陸戰隊微氣候冷卻服裝等方面［3］。此外，它還可用于紅外線偽裝服［32］，軍事應用上的紅外光波段主要分為0.75～3 μm 的近紅外和3～15 μm 的熱紅外。近紅外探測是根據目標與背景的亮度差別來發現目標，因此偽裝主要是設法減少或消除目標與背景的亮度差別。紅外熱像儀是利用高于環境溫度的物體都會向外發射紅外輻射的原理而使之成像，因此防熱紅外探測就要通過降低目標在熱紅外譜段的熱輻射。調溫纖維及紡織品能緩沖人體散發的熱，降低熱紅外輻射，有望在熱紅外偽裝方面起到一定作用。

5.2 民用服裝

因為儲熱調溫纖維中的相變材料能吸收運動員劇烈運動產生的大量熱量，使穿著者避免因體溫過快上升而產生的高溫現象。高溫會使運動員產生頭暈、乏力等不良反應，因此儲熱調溫纖維適宜做運動服裝，如滑雪服等。人體的足部溫度低于體溫，日常生活中腳處于運動和靜止的交替狀態，因此用調溫紡織品做襪子及鞋襯材料能緩沖足部的溫度差異。手套也是調溫紡織品的重要用途之一，北美手套制造商(Wells Lamont)的測試結果表明，如果測試者穿戴含微膠囊相變材料防水手套浸入水中時，測試者的手部溫度維持在26.7℃以上可長達15 min;而穿戴普通絕緣材料手套浸入水中時，在5 min內手部溫度下降至10℃。

5.3 家用裝飾、床上用品

采用儲熱調溫纖維制成的家用裝飾、床罩、睡毯和被褥等床上用品具有自動調節溫度的性能，當環境溫度變化時，儲熱調溫纖維可以通過吸收或釋放一定量的潛熱維持環境溫度的平衡，從而使人們處于舒適的生活環境中。

5.4 汽車內織物

在汽車內部采用儲熱調溫紡織品作為內襯可為乘客提供溫度調節效果，并通過相變材料的吸放熱來保持車內溫度的恒定。Pause對汽車內部諸如地板、車頂、座椅及儀表盤等部位應用儲熱調溫紡織品做了試驗，結果表明:在車頂和座椅部位應用儲熱調溫紡織品具有明顯的調溫效果。如對于面積為1.5 m2的車頂來說，車頂襯層中的相變材料能吸收約150 J的熱量;應用于座椅的儲熱調溫紡織品不僅可通過相變材料的變化吸收乘客身體多余的熱量，而且還減少了乘客身體濕氣的產生。

5.5 保護性裝置

在頭盔、膝蓋護墊、肘部襯墊等保護性裝置中，應用儲熱調溫纖維可適當控制這些部位汗液的產生與排放［33］。通過儲熱調溫纖維中相變微膠囊的相變熱可調節身體局部溫度的平衡，以減少濕熱的產生，從而為人體的這些部位提供適當的冷卻。

5.6 醫療衛生用品

采用儲熱調溫纖維制備醫療衛生材料的前景非常看好，已經進行的頸套、枕芯、繃帶等方面的試驗證實，這種材料可以使患者的手術部位保持更適宜的溫度和濕度，加速傷口愈合，減少感染。

6 展望

雖然大部分相變材料，如石蠟、聚乙二醇等并不是有害物質，但從纖維中泄漏出來將會大大降低纖維的功用，并污染環境。采用相變材料微膠囊取代相變材料制備儲熱調溫纖維，較好地解決了含有相變材料微膠囊的纖維中相變材料的泄漏問題。然而，目前儲熱調溫纖維的制備工藝采用傳統的溶液法紡絲工藝，帶來了一定的資源浪費和環境污染;采用熔紡法制備工藝，納米或微米級膠囊容易出現團聚以及在熔融擠出過程中出現破裂等現象，降低了纖維的熱效率。因此研發出一種適用于熔融紡絲工藝的耐熱相變材料微膠囊成為未來科研的熱點，解決膠囊團聚現象，開發一種可以壓縮或拉伸的“柔軟”微膠囊制備儲熱調溫纖維，取代現有的塑性相變材料微膠囊是一種更好的解決方法。

聚烯烴的性質與石蠟相似，相變材料的泄漏是不可避免的，因此聚烯烴并不是基體材料的首選。采用聚乙烯醇、淀粉、纖維素纖維等親水性聚合物取代憎水性聚合物，作為基體材料紡制儲熱調溫纖維是一條新路。

［27］HITTLE D C，ANDRE T L.A new test instrument and procedure for evaluation of fabrics containing phasechange material［J］.ASHRAE Transaction，2002，108(1):175-182.

［28］PAUSE B.Development of heat and cold insulating membranes structures with PCM［J］.Journal of Coated Fabrics，1995，25(7):59-68.

［29］RUPP J.Interactive textiles regulate body temperature［J］.International Textile Bulletin，1999，45(1):58-59.

［30］YING Boan，KWOK Yilian，LI Yi，et al.Assessing the performance of textiles incorporating phase change materials［J］.Polymer Testing，2004，23(5):541-549.

［31］ZHANG Xingxiang，TAO Xiaoming，YICK Kitlun，et al.Composition and properties of thermo-regulated nonwoven fabrics［J］.Journal of Donghua University，2005，22(4):13-18.

［32］李發學，張廣平，吳麗莉，等.相變材料在新型紅外偽裝服中的應用［J］.紡織學報，2003，24(2):79-81.

［33］COX R.Outlast熱量調節纖維［J］.徐鵬，譯.國外紡織技術，2001(1):4-6.

Research and development trends of thermo-regulated fibers

Han Na1，Zhang Rong2，Zhang Xingxiang1
(1.Tianjin Municipal Key Lab of Modification and Functional Fibers，Institute of Functional Fibers，Tianjin Polytechnic University; 2.Center of Technology，Hangyu Aerospace Life-Support Industries，Ltd.)

The fiber is fabricated by impregnating phase change materials or microencapsulated phase change materials(MicroPCMs)into the fiber.The fiber absorbs heat energy when its temperature is lower than the ambient temperature，and releases heat energy when its temperature is higher than the ambient temperature by the phase change of PCM.Therefore，it can regulate the inner temperature of the clothes automatically.The enthalpy of the fabricated thermo-regulated fiber at the body temperature is 45 ～60 J/g.And its mechanical properties can meet the needs of weaving and clothing.The preparation technology，research and development trends and production methods of this fiber are reviewed in this paper by comparing the merits and faults of the various production methods.The development orientation of the thermo-regulated fiber is pointed out in the paper.

thermo-regulated，fiber，phase change material，temperature regulation

TQ342

A

1004－7093(2011)06－0009－03