國際相變智能調溫纖維發展趨勢（三）

劉樹英譯

STFT紡織品調溫性能測試與指標

STFT紡織品是將PCMs或MEPCM與纖維和紡織品制造技術相結合的一種高技術產品，具有自動吸收、存儲、分配和放出熱量的功能，在外部環境溫度劇烈變化時，營造舒適的衣內微氣候。但是PCMs或MEPCM有一定狹窄明確的溫度（相變點溫度）范圍，特別是在相變過程中，它以潛熱形式從周圍環境吸收或向環境釋放大量熱量，而其調溫性能的測定是STFT紡織業與服裝業必須把握的主要應用技術之一。

（一）STFT紡織品的測試方法

關于相變智能調溫織物和服裝的溫度調節性能，至今還沒有統一的測試方法與標準。當前國際紡織業與服裝業主要采用熱分析法、溫度調節因素測試法、微氣候儀測試法、步冷曲線法和暖體假人法測試。

（1）熱分析法

熱分析是在程序控溫條件下，測量物質物理化學性質隨溫度變化的函數關系的一種技術。程序控溫可采用線性、對數或倒數程序。熱分析法依照所測樣品物理性質的不同有以下幾種：差示掃描量熱法，熱重分析法，差熱分析法，熱膨脹分析及熱-力分析法等。在STFT紡織品熱性能研究中前三種技術應用較多。

（2）TRF測試法

TRF測試法（溫度調節因素法）是Outlast纖維紗線、織物性能的非生理檢測方法。這項新技術測量影響溫度調節的各種因素，適用于在實驗室模擬真實生活狀況的生理測試。該系統使用連續的環境溫度和能量，維持一種模擬皮膚的溫度。測量皮膚溫度隨外界能量變化的波動狀況，這種能量正是織物和纖維調節溫度的決定因素。該程序的數字范圍是0～1代表織物有能代力適應連續的溫度變化，1意味著調節溫度的能力很差。若該技術能夠區分有無熱能力的相似織物間的差別，將有助于織物的設計。

（3）MCI測試法

在MCI（微氣候儀）測試法中，通常織物以MCI模擬外界環境中檢測模擬皮膚與試樣間的微氣候變化及熱濕傳遞狀況，即檢測人體熱量和汗氣通過織物內空氣層、織物及織物外空氣層與環境進行能量交換的全過程，并用溫度和濕度梯度法測試出織物能量交換和質量交換的狀態變化，以反映織物對能量流和質量流的阻力。

應用致力于解決熱濕傳遞多功能測試的MCI有：原田織物微氣候儀、Yasuda多功能織物微氣候儀、Wehner-Gibson織物微氣候儀等；利用傳感技術和計算機技術使這種測試目標成為可能，并能簡化操作程序，實現由穩態測試向動態測試的發展。

（4）SCC測試法

SCC（步冷曲線）測試法是分別將含和不含相變材料的試樣放入圓筒保溫儀中，同時升溫到一定溫度（如46℃），并穩定一定時間（如15min）后同時移出，開動秒表，在一定時間間隔（如10s）下記錄試樣在不同時間所對應的溫度。以時間為橫坐標、溫度為縱坐標，繪制步冷曲線。從測試中可看到，在溫度下降到相變點之前，兩個試樣均為顯熱放熱，溫度下降趨勢大體相同。但溫度下降到相變點之后，相變材料變為潛熱放熱，溫度變化趨于緩和，溫度下降的速度明顯低于空白試樣。比較二者的步冷曲線可以看出，含相變材料試樣有調節溫度和延緩溫度變化的作用。

（5）WBD測試法

WBD（暖體假人）測試法是以暖體假人模擬真人群體的幾何造型，符合真人群體統計數據的平均值；全身分為頭、軀干、四肢等解剖段至少6段；皮膚溫度被加熱到一個恒定溫度，其溫度應與人體平均皮膚溫度基本相近且皮膚表面安裝溫度傳感器；能維持靜止站立和動態步行兩種姿勢，步速為每分鐘30～60步。在WBD測試法中，氣候調節倉內至少放置3個環境溫度傳感器、2個環境濕度傳感器、2個環境風速傳感器，分別放置在距假人周圍0.5m的非等高間隔位置處；溫度傳感器精度優于0.2℃；濕度傳感器精度優于5%；風速傳感器的精度優于0.05m/s。

暖體假人試驗可分為靜態和動態試驗。動態試驗時設定步速和步長。暖體假人達到動態熱平衡后，至少每分鐘檢測一次皮膚溫度、環境溫度和調控加熱功率，這種狀態必須保持30min以上。暖體假人符合人體解剖生理特點，能模擬人體表面溫度分布，可進行與人體有關的熱學研究，也是進行服裝隔熱值試驗研究的理想測試設備，它可以接受任何試驗條件，由于沒有生理、心理因素的影響，試驗結果穩定，誤差較小，測量精確合理。

（二）STFT紡織品的測試指標

STFT紡織品發展迅速，其測試指標也在不斷更新和改進，但是目前有許多測試指標存在不夠穩定、準確且難以操作等情況，這對于STFT紡織品的推廣是不利的。因此，STFT紡織品測試指標的完善與提高迫在眉睫。下面介紹了相變溫度與相變焓、導熱系數、相變的循環性與保暖性、暖體假人熱阻與ACR值等STFT紡織品的測試指標：

（1）相變溫度與相變焓

由STFT纖維及其紡織品的功能可知，相變發生點和終止點溫度以及整個相變過程的總焓是相變纖維的最主要性質，起、止點溫度反映材料的可使用性，相變焓反映其溫度調節能力。STFT紡織品應用PCMs或MEPCM的關鍵是有合適可控的相變激發點，能保證應用時舒適與有效；較大的相變能有效持久地調控溫度。

（2）相變纖維的導熱系數

按照導熱系數的傅立葉定律，服裝在人體與環境之間的導熱量與服裝內外表面的溫度差、時間及傳熱面積成正比，與服裝的厚度成反比。因此，導熱系數可理解為單位面積、單位時間內通過的熱量。而熱阻R=L/λ，其含義正好與導熱系數相反。織物的熱阻大或導熱系數小，則織物的隔熱性能好。因STFT纖維或織物需要靈敏地感應溫度而激發相變，提供或吸收熱能，同時又要低熱阻的傳導熱量，所以它的熱傳導系數應偏小。

（3）相變的循環性

相變的循環性表示PCMs或MEPCM的反復可使用性和有效性，Gateway公司首席工程師維戈爾對織物表面涂層低分子量PEG（聚乙二醇）經過150次冷熱交換循環后發現，織物的蓄放熱性能仍很好。此性能不僅是材料溫度波動響應能力的體現，也是材料反復有效使用的關鍵。在可控溫度調節室內進行STFT服裝的循環性測試，可用反復升降溫方法對熱焓變化的測定來確定循環性好壞。

（4）相變的保暖性

將PCMs或MEPCM纖維織物的試樣覆蓋在平板式織物保暖儀的試驗板上，試驗板、底板以及周圍的保護板都用電熱控制相同的溫度，并通過通、斷電保持恒溫，使試驗板的熱量只能隨試樣的方向散發。通過測定試驗板在一定時間保持恒溫所需要的加熱時間來計算STFT織物的保暖指標（保暖率、傳熱系數和克羅值）。

STFT紡織品的應用

STFT紡織品是智能服裝中開發最為成功的高技術紡織品，用MEPCM制成的纖維能純紡，也可以梭織或針織，還可與棉、毛、絲、麻等各類纖維混紡交織為STFT紡織品。它有廣泛的消費群體，而且其研究及開發成本都較低。

MEPCM具有良好的貯熱性能和溫控性能，可廣泛應用的領域很多，亦可以與各種高分子材料混合構成性能更加優越的復合高分子STFT紡織品，拓寬了傳統相變紡織材料的應用領域。

近兩三年在美國和歐洲市場上出現采用Outlast纖維、MEPCM纖維、PCMs生物纖維等制成的STFT紡織品，都是利用PCMs或MEPCM技術開發的新一代纖維紡織品。這些纖維紡織品為人體提供了智能化舒適的“衣內微氣候”環境，使人體始終處于一種舒適的狀態，可大量應用于戶外服裝、內衣褲、毛衣、襯衣、帽子、手套和床上用品等方面，其服飾在美國、歐洲、日本已很流行。特別是戶外運動者和對溫度變化較為敏感的老年和嬰幼兒中，更受歡迎。用PCMs或MEPCM纖維可開發以下STFT紡織產品。

（1）用于內衣服裝，即STFT型內衣、貼身短內褲、運動胸衣、襯衫等。智能調溫技術可以自動控制身體的熱量。采用STFT紡織品制成的內衣，不僅能令穿著者在嚴冬也溫暖如春，還能減少運動時產生過多熱量，而褲子則使穿著者即使在酷暑也感到絲絲涼意。

英國Essentra纖維公司采用STFT紡織品新技術研制出了一種具有“松球原理”智能仿生調溫的貼身內衣與短內褲，它能自動適應體溫變化，具有散熱、保暖和除濕功能。

巴西Rhodia公司推出一種新的以聚酰胺-6.6 為原料的Gao Shushi纖維，這種纖維嵌入一種正二十烷改性復合相變材料的MEPCM，用這種纖維生產的內衣，其體溫調節功能提高41%，乳酸積累降低35%。因此這種服裝可以改善血液微循環，減少脂肪團，皮膚彈性增高8%，大大提高穿著舒適度。

（2）用于外套服裝，即STFT型套裝、雨衣、透氣襯里、帶恒溫層或不帶恒溫層的外套。STFT紡織品的智能調溫技術是一種平衡技術。用STFT紡織品制作的外套服裝，能通過調節外套內的溫度變化自動控制身體熱量。既不會太熱，也不會太冷，舒適自在。

最近在德國法蘭克福Avantex高科技服裝面料和時裝工程的國際論壇上，Acortex公司展示了一種新型相變智能調溫纖維即Permanent纖維。該纖維具有調溫和貯熱保溫功能，可使人體皮膚處在外界溫度和體溫之間的舒適溫度范圍之內。目前，Permanent纖維已廣泛用于外套服裝、運動服、軍事或工業用防護服、防寒用品等。

不久前美國Cyanamid公司運用MEPCM技術研制出一種智能調溫的化纖軍服。這種軍服對周圍的溫度特別敏感，會隨溫度的變化而變化，從而提高了軍服的保暖能力。最近美國Outlast公司新開發出的Thermal air conditioning纖維，是使用微膠囊包裹的熱敏碳化氫臘變性材料，這種材料具有潛熱形式的吸收儲存和釋放的功能，能對外界環境溫度的變化在皮膚上做出相應的反應，并對溫度變化有緩沖作用。其在溫度變化中可以固態/液態互相轉化，從中達到吸熱、放熱的調節效果，其自動調溫范圍為1℃～20℃。因而該纖維用于運動服裝除有調節溫度功能外，還能保持紡織產品的舒適、透氣性。

（3）用于床上用品，即STFT型床墊、床墊褥、棉被、枕頭和毛毯。STFT床上用品采用的吸吸濕與調溫型PCMs，可儲存和釋放能量，將床上的溫度和濕度保持在最理想的范圍內，讓使用者安然入眠。使用者再也不會因為過熱或者夜晚出汗而踢開被子，使使用者能輕松進入甜美夢鄉。

日本東麗公司采用多元化合物復合類PCMs技術推出的Energy induction智能調溫纖維，用其織成的紡織品具有優越的吸濕與調溫功能，稱之為“能量感應”紡織品。Energy induction可以吸收人體排出的水汽，并將之轉化為熱能；而且比傳統衣物保暖2℃～5℃，而衣物內的濕度相對下降。Energy induction纖維目前主要用于睡衣和床上用品，如被、褥等。

（4）用于保護類織物。在頭盔、護膝等保護性織物織造中采用STFT紡織品，可適當控制這些部位的汗液產生與排放。

美國Triangle公司引進美國太空署所開發的復合定性MEPCM纖維技術，將HDPE類MEPCM添加到紡絲液中，再紡成纖維用于保護類織物，生產出可定性調控溫度的手套、軍鞋、頭盔、護膝等特殊產品。

（5）用于鞋類產品。腳是身體流汗最多的地方。由于過熱而導致的汗水積存會使雙腳起泡，有異味，還會發冷。利用具有智能調溫功能的PCMs或MEPCM纖維生產STFT型鞋子、靴子和鞋墊等產品，能減少44%的流汗量，令穿著者的雙腳倍感舒適。

德國特雷維拉公司采用復合樹脂包裹不同碳原子數的石蠟烴MEPCM新工藝，并通過干法涂層的方式將MEPCM整理到皮革表面，推出系列“Foot comfort”STFT皮革。這種STFT皮革具有以下優點：穿著STFT皮革制成的鞋子或靴類，隨著皮革纖維吸濕和干燥時的溫度變化而自動調節冷暖，可消除腳部出汗時的悶熱而保持舒適，而且多次水洗后仍能保持原有性能。

（6）用于服裝配飾。手套、襪子和帽子。人的頭部、雙手和雙腳對寒冷非常敏感。智能調溫的STFT襯里和織物能令穿戴者倍感舒適，而且不易伸縮。

（7）用于醫療衛生用品。將智能調溫的PCMs或MEPCM纖維通過混紡或交織加入到手術服、醫用床品及醫療服中，可得到良性護理的輔助治療效果。

最近日本東洋紡公司推出一種Cold and hot respiration纖維產品，它采用聚丙烯腈類MEPCM嵌入中空纖維。其中MEPCM囊壁材料所應用的丙烯酸具有很強的吸水能力，因小分子水的內摩擦從而產熱，其產品內部的溫度較普通產品高5℃～9℃，用于手術服、醫用床品具有良性護理效果。

（8）用于汽車內裝置。對汽車內部諸如地板、車頂、車座應用PCMs或MEPCM纖維，通過其吸熱或放熱可保持車內溫度恒定，具有明顯的智能調溫效果。

美國陶氏化學公司最近研制推出一種智能調溫型車座外套，這種車座外套采用STFT織物制成；當車內溫度超過21℃時，它將吸收余熱，低于21℃時又會將熱量釋放出來。其外層美觀大方，上面有無數的孔，并印有裝飾圖案，品種多樣任意搭配。

日本帝人有限公司把石墨烯嵌入到MEPCM纖維結構，通過捻線織成的汽車裝飾布可支持2.5V ～4.0V 安全電壓，并可根據情況通過APP 控制升溫速度及溫度。這種汽車裝飾布除了發熱速度快之外，其在發熱均勻度、發熱效率方面比碳纖維和電阻絲要優秀一些。而作為石墨烯紡織物的柔軟、不怕折疊、可水洗的特性就更勝一籌，也提升了安全性及舒適度。