淺談相變材料在蓄熱調溫紡織品中的應用

胡劍燦++++張宇群++++姚盼盼++++羅峻

摘要

蓄熱調溫紡織品是相變材料與紡織品相結合的、具有溫度調節功能的新型紡織品。本文簡單地介紹了調溫紡織品的原理、相變材料的主要類型、調溫紡織品制備應用的主要方法。調溫紡織品目前尚無統一的測試方法，本文對幾種調溫紡織品的測試方法進行了簡單的介紹。

關鍵詞：調溫紡織品；相變材料；制備；測試

智能纖維是指能夠感知外界環境變化或刺激（如光、熱、磁、電、化學、力等），并做出響應的纖維材料。智能纖維以及利用智能纖維制作而成的智能紡織品被認為是紡織服裝工業發展的一個重要方向。智能調溫纖維是智能纖維的一種，是相變材料與纖維制備技術相結合而成的新型纖維產品，其能感知環境的溫度變化而發生相應的吸熱、放熱行為，實現對溫度雙向的調節，使溫度保持合適的范圍內，在不同外界環境下滿足人體舒適性、使用性的要求。圖1為Outlast調溫纖維與傳統纖維的比較示意圖，調溫纖維能對溫度進行一定的調劑，使溫度保持在人體的舒適溫度范圍內。

1 相變材料

相變材料是指在目標的使用范圍內，能發生相態轉變的材料，發生相態變化的溫度點稱之為相變點。在相態轉變發生的過程中，相變材料可以吸收或釋放大量的熱量，使溫度在很小的范圍內變化甚至保持不變，對溫度起到緩沖的效果。直至相變過程完全完成后，材料的溫度才繼續上升或下降。相變材料的熱能存儲過程如圖2所示[2]。相變材料在相變過程中儲存或釋放的熱量稱為潛熱。

物質相變主要有4種不同的形式：固-液相變、固-氣相變、液-氣相變和固-固相變，其中固-固相變是指材料在不同的晶型之間發生的轉變[3]。固-氣相變和液-氣相變過程涉及氣體的產生，物質的體積在相變前后發生較大的變化，難以在實際中應用。固-液相變過程具有較高的儲能密度，意味著在使用時占用較小的質量和體積[4]，是目前相變材料應用的主要類型。

人體感到適宜的溫度大約在18℃～35 ℃[4]，因此具有調溫性能的紡織品中相變材料的相變溫度應該在這個溫度附近為宜。根據相變材料的組成，相變材料可分為三大類：有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料。下面簡單介紹幾種在這個溫度內的相變材料。

1.1 無機相變材料

無機類相變材料主要是指無機水合鹽，如十水硫酸鈉、七水碳酸鈉、六水硫酸鎂等。這些無機水合鹽失去結晶水是明顯的吸熱過程，而水合鹽的產生則會放出熱量。例如十水硫酸鈉又被稱作格勞伯爾（Glauber）鹽，其相變溫度為32.4℃，是人體普遍感到舒適的溫度。當溫度高于相變溫度時，十水硫酸鈉固體會脫去結晶水，形成硫酸鈉溶液；當溫度低于相變溫度時，硫酸鈉與水分子結合，重新形成十水硫酸鈉固體。十水硫酸鈉的相變過程潛熱可達254 kJ/kg，同時具有良好的導熱性能[5]。

無機水合鹽具有較高的潛熱和儲能密度、良好的導熱性能、性質穩定、價格低廉，是具有巨大吸引力的相變材料；但是大多數無機水合鹽存在著一定的腐蝕性，在相變過程中存在過冷現象和相分離現象，反復使用過程中容易產生無規則的變形，使無機水和鹽在實際應用中受到了限制。

1.2 有機相變材料

有機相變材料可大致分為以下幾種：石蠟類、聚乙二醇類、脂肪酸類等。

石蠟類是指長鏈烷烴化合物，分子通式為CnH2n+2，是石油精餾的副產物。石蠟類烷烴的熔點隨著碳原子數目增加而增加，具有近似的線性關系，因此可以根據應用的溫度來選擇碳原子數目的化合物。其中n=17～20的烷烴熔點為16℃～36℃，適合應用于調溫紡織品之中[6]。石蠟類無毒、價格便宜、化學性能穩定，是目前商業應用中最常用的相變材料。

聚乙二醇是乙二醇（PEG）的線性聚合物，分子式為HO—CH2—（CH2—O—CH2）n—CH2—OH。聚乙二醇具有無毒、穩定、難燃、可生物降解、無腐蝕性、價格低廉等優點。聚乙二醇的熔點和熔融焓隨著分子量的增加而增加，例如PEG400的熔點為3.2℃，熔融焓為91.4 kJ/kg，PEG20000的熔點為68.7℃，熔融焓為187.8kJ/kg[7]。不同分子量聚乙二醇的熔點見表1。通過選擇PEG的分子量或者混合不同分子量的PEG可以對聚乙二醇的熔點進行選擇[8]。

脂肪酸是動植物脂肪和油脂的水解產物，低廉易得，其性質與石蠟類烷烴化合物相類似，是一類具有廣泛應用前景的相變材料。脂肪酸類對人體無毒無害，可以生物降解；其化學和熱學性能十分穩定，經過上千次的熔化冷凍循環仍可保持良好的熱學性能[9]。但脂肪酸有不良的氣味，有一定的腐蝕性，在升溫的時候容易發生升華；為了克服以上缺點，有研究人員通過脂肪酸和醇類反應[10]，得到脂肪酸酯，對脂肪酸的性質加以改善。

1.3 復合相變材料

當有缺乏合適相變溫度的相變材料，或在具有合適相變溫度的相變材料成本太高時，為了得到相變溫度適當、性能優越的相變材料，會采用將幾種相變材料復合的方法，以彌補各種材料的不足。復合的材料可以是有機-有機復合材料、無機-無機復合材料或有機-無機復合材料。

馬艷紅[11]將相變蠟和硬脂酸正丁酯組合在一起，研究了該二元復合體系在不同比例下的相變儲熱性能，成功制得了一系列以相變蠟/硬脂酸正丁酯為芯材的相變溫度可調的微膠囊，其熔化峰值溫度在28℃～35℃之間可調。

復合相變材料既能有效克服單一的相變材料存在的缺點，同時改善相變材料的應用效果以及拓展其應用范圍。但該類材料組成和結構較為復雜，界面處理和制備技術存在著困難，同時相變結構和機理尚待進一步研究[12]。

2 調溫紡織品中制備應用

保暖是紡織服裝的一個重要功能。紡織服裝能為人體皮膚表面創造合適穩定的微環境，使人體保持舒適的狀態。將相變材料應用到紡織服裝中，能提高紡織品的吸放熱容量，還能在外界溫度發生變化時為紡織品提供一定的溫度緩沖功能，保持人體的舒適狀態。調溫紡織品源于上世紀80年代，美國國家航空航天局（NASA）為保護太空中的宇航員在太空和極高空免受低溫傷害，而資助開發的技術。1997年，美國Outlast公司成功將該技術產業化，使該技術在民用紡織品領域逐漸得到廣泛應用。目前，智能調溫紡織品已經在鞋帽、手套、襪子、保暖內衣、戶外服裝、床上用品、地毯、醫用繃帶等多個終端產品上有所應用，其種類以及產值都在不斷地增加。

目前在實際應用中的相變材料多為固-液相變材料，在使用過程中材料轉變成液相時，具有流動性，使相變材料容易發生泄漏，因此通常將相變材料封裝在具有核殼結構的微膠囊中，從而實現材料的固態化。相變材料膠囊化能增大有效傳熱面積，增強材料的傳熱效果，提高相變材料的使用壽命，解決固-液相變材料在相變過程液體滲漏、分解、與外界環境接觸及污染環境等問題，使得相變材料更方便地使用、貯存和運輸。下面介紹將相變材料膠囊化后，其在紡織品中應用的方法。

2.1 紡絲法

紡絲法是將相變微膠囊加入到聚合物的溶液或熔體中，再通過濕法紡絲或熔融紡絲工藝制備出含有相變材料的纖維。相變微膠囊被包裹在纖維的內部，使微膠囊的使用壽命大大增加，對織物的手感、柔軟度、顏色等性能不會造成較大的影響，同時織物的針織、梭織、染色、后整理、印花等后續工藝也無需進行較大的調整。1988年，美國Triangle公司將含有石蠟的相變微膠囊加入到聚丙烯腈紡絲液中，通過濕法紡絲法成功地制備出具有調溫功能的腈綸纖維，并申請了發明專利[13]。1997年Outlast公司利用這一技術推出了具有調溫纖維功能的面料，應用于內衣、鞋帽、床上用品等多種產品。天津工業大學的張天祥將含有正十八烷相變材料的微膠囊加入到聚丙烯熔體中，再通過熔融紡絲制備成纖維；纖維大致在32℃左右發生吸放熱，使溫度在一定范圍內保持不變[14]。圖3分別為Outlast公司推出的腈綸調溫纖維和粘膠調溫纖維。

調溫纖維（b）[1]

2.2 涂層法

涂層法是指將相變微膠囊加入分散到涂層劑中，再通過干法涂層、濕法涂層、轉移涂層等方法將涂層固定到織物上，從而使織物具有調溫的功能。美國Triangle公司于1994年申請了在織物表面添加具有相變微膠囊涂層的專利[15]。涂層法屬于織物的后整理過程，適用于多種纖維成分的織物，如棉、麻等難以通過紡絲法添加相變微膠囊的織物。常用的涂層劑主要為丙烯酸涂層和聚氨酯涂層。SalaünF等利用相變微膠囊的聚氨酯涂層對棉織物進行了整理，具有良好的調溫效果[16]。但是織物表面的涂層結構會使織物的柔軟度、透氣性等下降，對織物的舒適性造成一定的影響。

2.3 泡沫法

泡沫法是指將相變微膠囊均勻加入到聚氨酯發泡材料中，再進行發泡成型，得到含有相變微膠囊的泡沫材料。泡沫材料本身具有大量的孔狀結構，是優良的絕熱材料，添加相變微膠囊后，泡沫在相變材料的相變點附近能實現對溫度的主動調節，使溫度能進一步地保持不變。與其他方法相比，泡沫中相變微膠囊的含量可高達20%～60%[17]，因而對溫度具有優異的調節能力，泡沫材料的容量大，可以添加不同組成的相變微膠囊，達到在多個溫度都可以實現調節的效果。調溫泡沫主要通過熱熔層壓與織物粘合，或者利用泡沫涂層法添加到織物表面，從而實現在紡織品中的應用。

3 調溫紡織品的測試

調溫紡織品在外界的溫度變化過程中實現了對溫度的動態調節，針對調溫紡織品這種特殊的性能，目前國內外暫無統一的測試方法和標準對其進行評價。下面介紹幾種調溫紡織品的測試方法。

ASTM于2004年發布了ASTM D7024—2004《紡織品材料穩態和動態熱性能的試驗方法》。該方法將調溫紡織品面料夾在熱板和冷板之間，測量材料的動態熱性能時，保持控制冷板的溫度不變，對熱板施加一個隨時間正弦變化的熱流量，使熱板的溫度在材料的相變點附近變化。通過測量熱板溫度的變化幅度，可以算出紡織品面料的溫度調節因子TRF（Temperature regulating factor），由此對紡織品材料的調溫能力進行評價。該方法模擬了調溫面料在相變點附近的熱傳導過程，但該標準于2013年被ASTM撤回[18]。

熱分析法是研究物質在加熱或冷卻過程中，其性質和狀態隨溫度變化而變化的手段。熱分析中的差示掃描量熱法（DSC）法，可以測量材料在相變過程中的相變點、相變焓、溫度的變化范圍、相變過程中的能量損耗等參數，直觀反映紡織品材料的熱力學性能。熱分析法是成熟的測試手段，簡單易行；但熱分析方法的測試條件往往與紡織品實際的使用條件不同，難以對紡織品在實際使用過程中的性能和效果進行模擬。

Shim H[19]等設計了一個電腦化控制的男性暖體假人，假人的表面積達1.8m2，上面有18個獨立的溫度控制和測量單元。他們將假人推入不同溫度的環境倉中，通過測量假人表面的熱量損失對調溫紡織品的性能進行了評價。該方法能有效地模擬調溫紡織品服裝在實際使用時的狀態和性能，對人的形體、衣服與皮膚之間的空氣層等因素加以考慮，但設備結構復雜，檢測成本較高。

4 總結

調溫紡織品作為一種功能性的、高附加值產值的產品，其應用的范圍在不斷地擴大。目前針對調溫紡織品的檢測評價方法尚存在缺失，研究建立科學的檢測方法和標準，實現對調溫紡織品科學評價，是促進和引導調溫紡織品發展的一個重要任務。

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（作者單位：廣州纖維產品檢測研究院）