發(fā)熱蓄熱保暖舒適性紡織品的制備與性能研究

張 倩,王 卓,劉 暢,王小虎,李其安,魏取福

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 無錫214122)

御寒保暖是衡量冬季服裝人體舒適性的重要指標(biāo),服裝的保暖方式一般分為被動式保暖和積極式保暖。被動式保暖服裝依靠靜止空氣層達(dá)到保暖效果,外形臃腫且活動不便,無法滿足現(xiàn)代人們對服裝美觀性和舒適性的要求。因此,通過引入外界的發(fā)熱元素,自主產(chǎn)生熱量保暖的積極式保暖材料成為當(dāng)今開發(fā)熱點,可利用的方法主要有吸濕發(fā)熱機(jī)理、相變微膠囊以及太陽能、電能、化學(xué)能的轉(zhuǎn)化等[1]。

國內(nèi)外在吸濕發(fā)熱機(jī)理和相變微膠囊兩方面的發(fā)熱蓄熱研究較多,在吸濕發(fā)熱面料方面,日本多家公司分別研發(fā)了“EKS”纖維、Thermogear纖維、Renaissu纖維等吸濕發(fā)熱纖維[2];朱藝超通過聚酯原料合成咖啡炭聚酯制備出吸濕發(fā)熱面料[3];周用民等研究出采用吸濕發(fā)熱新型原料,直接制備出吸濕發(fā)熱針織面料[4]。在相變微膠囊方面,日本有公司推出一種包覆溫度調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)粉末薄膜的溫度調(diào)節(jié)材料[5];天津工業(yè)大學(xué)功能纖維研究所研發(fā)了用于飛行服、運動服的耐高溫相變材料微膠囊[6]。但目前對于協(xié)同發(fā)揮兩者作用、更有效地發(fā)熱蓄熱的研究卻比較少,機(jī)理探究更少,本文通過將以十八烷為芯材、合成聚脲為殼材的相變微膠囊涂覆到改性腈綸吸濕發(fā)熱面料上制備了兩者的復(fù)合面料,并對其調(diào)溫性能和服用性能做了測試研究,得到了兩者協(xié)同作用所產(chǎn)生的效果。

1 試驗部分

1.1 主要材料與儀器

材料 改性腈綸面料(由深圳市威豐紡織有限公司提供的東洋紡腈綸紗線面料,商標(biāo)名極衣,0.5 dtex超細(xì)型丙烯腈綸織制的1+1羅紋針織產(chǎn)品)、相變微膠囊、交聯(lián)劑(AF3200)、乳化劑(OP-10)、皂片。

儀器 AL204電子天平(瑞士梅特勒-托利多);101A-1B電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海安亭科學(xué)儀器有限公司);KH-300DB型數(shù)控超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司);DSC-Q200差示掃描量熱儀(沃特世科技上海有限公司);型號為Su1510的掃描電子顯微鏡SEM(日本日立公司);HWS-250恒溫恒濕培養(yǎng)箱;YG461E-Ⅱ型織物透氣儀;SW-24G耐洗色牢度試驗機(jī);溫濕度測試儀;P-BO軋壓機(jī)。

1.2 微膠囊的制備

以復(fù)合石蠟、TDI、環(huán)己烷溶劑、OP-10試劑為原料制得W/O乳液,加入EDA水溶液后再加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)p H值為9,在60～80℃恒溫水浴中攪拌反應(yīng)2 h,經(jīng)蒸餾水洗滌、抽濾、干燥,得到相變微膠囊[7]。

1.3 復(fù)合面料的制備

將吸濕發(fā)熱面料剪成4份35 cm×30 cm的試樣,分別以微膠囊∶交聯(lián)劑(AF3200)∶水=10∶0∶0、微膠囊∶交聯(lián)劑(AF3200)∶水=8∶2∶0、微膠囊∶交聯(lián)劑(AF3200)∶水=7∶2∶1、微膠囊∶交聯(lián)劑(AF3200)∶水=6∶2∶2四種配比,通過超聲波儀攪拌均勻,制得4種所需浸軋原液。在P-BO軋壓機(jī)上經(jīng)三浸三軋工藝,將浸軋原液涂敷在吸濕發(fā)熱面料上,后放置于80℃烘箱預(yù)烘1 h,再將烘箱調(diào)制140℃烘燥2 min,獲得4種吸濕發(fā)熱面料和相變微膠囊結(jié)合的復(fù)合面料。

2 測試與表征

2.1 調(diào)溫性能

2.1.1 帶液率測試

利用天平和烘箱分別稱取整理前和整理后的織物干重,代入公式(1)進(jìn)行計算。

2.1.2 差示掃描量熱法(DSC)測試

采用TAQ-200差示掃描量熱儀對復(fù)合調(diào)溫面料的熔化峰和結(jié)晶峰進(jìn)行測試,分析其熔化焓值和結(jié)晶焓值,得出調(diào)溫?zé)釋W(xué)性能。溫度區(qū)間-10～60℃,升溫速率2℃/min。

2.1.3 表面形貌觀察

采用Su1510的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合調(diào)溫面料的表面形貌,因本樣品無導(dǎo)電性,需在掃描前進(jìn)行噴金處理,降低表面放電效應(yīng),再通過導(dǎo)電膠粘附于樣品臺。

2.1.4 吸濕發(fā)熱性能測試

采用HWS-250恒溫恒濕培養(yǎng)箱和溫濕度測試儀測量復(fù)合調(diào)溫面料的吸濕發(fā)熱性能。剪取6 cm×10 cm的試樣2張,將織物正面疊合在一起,在正下方中間部分縫合一個8.5 cm×2 cm×8.5 cm的三面封閉口袋,供后續(xù)溫濕度測試儀的傳感器放入。

將試驗樣布烘干至2次測量質(zhì)量差小于1%,再把烘干樣布放置在密封瓶內(nèi),置于恒溫恒濕箱平衡1～2 h,打開密封瓶將溫濕度測試儀放在樣布口袋內(nèi),每隔1 min記錄溫度、濕度數(shù)據(jù),直至溫度不再變化。恒溫恒濕箱相對濕度為90%RH,溫度為30℃,溫濕度測試儀測量范圍為-25～85℃,間隔時間20 s。

2.1.5 升溫與降溫測試

采用溫濕度測試儀、水浴鍋和烘箱對復(fù)合調(diào)溫面料在20～50℃溫度區(qū)間內(nèi)的升降溫速度變化進(jìn)行測試。

將所制試樣放入20℃的恒溫水浴鍋中,插入溫度傳感器,待其溫度保持恒定后開始測試。設(shè)置烘箱穩(wěn)定50℃的恒溫,當(dāng)烘箱升溫至50℃后,將水浴鍋中的試樣快速轉(zhuǎn)移到烘箱中,每隔20 s記錄一個數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)不再發(fā)生變化。高溫測試結(jié)束后,不拿出測試樣中的傳感器,直接將測試樣從50℃的烘箱中快速轉(zhuǎn)移到20℃的水浴鍋環(huán)境中,每隔20 s記錄一個數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)不再發(fā)生變化。

2.2 服用性能

2.2.1 透氣性測試

采用YG461E-Ⅱ型織物透氣儀對復(fù)合調(diào)溫面料的透氣性進(jìn)行測試,測試壓差為100 Pa,測試面積為20 cm2。

2.2.2 耐水洗測試

采用SW-24G耐洗色牢度試驗機(jī),將烘干后的試樣與皂片重量比為10∶1投入水洗杯中,測試溫度為40℃,每次水洗時間為15 min,將所得數(shù)據(jù)代入公式(2)計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 調(diào)溫性能分析

3.1.1 帶液率測試

4塊試驗樣布的帶液率見表1。

表1 試驗樣布的帶液率

由表1數(shù)據(jù)可知微膠囊所占比例越大,帶液率越高,粘附程度越高。

3.1.2 差示掃描量熱法(DSC)測試

圖1 樣布DSC曲線圖

調(diào)溫織物的DSC曲線圖(圖1)出現(xiàn)了明顯的熔化峰和結(jié)晶峰,據(jù)此可判斷試樣織物在-10～60℃區(qū)間內(nèi),能隨外界溫度變化主動與外界交換能量[8]。由圖1可知,相變調(diào)溫織物的熔化峰溫度在33.67℃左右,結(jié)晶峰溫度在24.35℃左右。通過織物試樣的對比可以看出,樣布1#的熔化焓值和結(jié)晶焓值高出其他3種織物試樣,分別為2.871 J/g和4.351 J/g,因此其調(diào)溫效應(yīng)優(yōu)于其他3種織物試樣。普通織物并無明顯的吸放熱峰,因而不作調(diào)溫效應(yīng)比較。綜上,相變微膠囊整理劑濃度越高,相變調(diào)溫織物的調(diào)溫效果越高,但調(diào)溫效果提高的效果逐漸變緩。

3.1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)測試

經(jīng)掃描電子顯微鏡放大5 000倍的織物試樣表面如圖2所示。

圖2 樣布SEM圖

圖2 (a)所示為100%濃度的微膠囊處理后的織物樣布1#,可以看出纖維表面較光滑,且微膠囊大部分存在于纖維縫隙中,而粘附于纖維表面的較少;圖2(b)為20%濃度的微膠囊和20%濃度的交聯(lián)劑處理后的織物樣布2#,其中有較多的微膠囊粘附于纖維表面;圖2(c)所示為70%濃度的微膠囊,20%濃度的交聯(lián)劑和10%濃度的水處理后的織物樣布3#,微膠囊的粘附程度略差于樣品2#;圖2(d)為60%濃度的微膠囊,20%濃度的交聯(lián)劑和20%濃度的水處理后的織物樣布4#,微膠囊的粘附程度最差。這些現(xiàn)象說明經(jīng)過相變微膠囊與交聯(lián)劑共同作用整理后,微膠囊能夠更有效地附著在織物上使得織物具有調(diào)溫效果,且在微膠囊濃度相同的情況下,交聯(lián)劑的濃度越高,保溫性能越好。

3.1.4 吸濕發(fā)熱性能測試

圖3 時間與升高溫度關(guān)系

分析吸濕發(fā)熱試驗數(shù)據(jù)(圖3)可得結(jié)論:

(1)隨時間增加,樣布升高溫度越來越小,升溫速度也逐漸緩慢。

(2)加入交聯(lián)劑后,樣布溫度升高更為明顯,升溫時間和升溫速度也有所增加。

(3)相變微膠囊含量為80%時,樣布溫度升高最為顯著,樣布溫度升高時間最長,隨外界溫度變化作用效果最好,一定程度上實現(xiàn)了溫度可調(diào)節(jié)。

(4)原布隨溫度上升,濕度不斷降低;加入相變微膠囊后,隨溫度不斷升高,樣布濕度先降低再升高,直到與外界濕度值一致,溫度濕度基本停止變化。

3.1.5 升溫、降溫測試

圖4 升溫變化曲線

由圖4可得,微膠囊濃度較大時,織物溫度上升的速率較慢,達(dá)到溫度最高值用時較長,峰值較低,且均比原布最終溫度低;由圖5可得,微膠囊濃度較大時,織物溫度下降的速率較慢,到達(dá)最低值的時間也較長,且均比原布所用時間長。

3.3 服用性能分析

3.3.1 透氣性測試

圖5 降溫變化曲線

表2 試驗樣布的透氣性

分析試驗數(shù)據(jù)(表2)可知隨著樣布中微膠囊比例的減小,透氣性逐漸增加,但當(dāng)比例減小到一定程度,涂覆溶劑濃度過小時透氣性會減小。

3.3.2 耐水洗測試

表3 試驗樣布的耐水洗性

通過表3試驗數(shù)據(jù)分析可得,每塊復(fù)合調(diào)溫面料的耐水洗率均在95%以上,符合服用要求。

4 結(jié)語

吸濕發(fā)熱面料和相變調(diào)溫微膠囊皆為調(diào)溫織物,推測其機(jī)理為:吸濕發(fā)熱面料通過吸收不斷運動的水分子發(fā)出熱量,若溫度過高,多余的量被微膠囊吸收使溫度保持在一個恒定的范圍內(nèi),溫度不足,微膠囊可放出熱量維持溫度穩(wěn)定。

通過試驗可知,隨著在吸濕發(fā)熱面料上涂覆微膠囊濃度的增高,粘附程度越高,相變調(diào)溫織物的調(diào)溫效果越高,保溫性能越好,但面料的透氣性會受到一定影響。但本試驗也存在一些不足之處,如在吸濕發(fā)熱性能測試中樣布剪裁縫合時由于技術(shù)水平有限,縫合尺寸存在較大誤差,不利于溫濕度傳感器進(jìn)行測試;樣布干燥后直接拿出,在放入密封瓶之前與室內(nèi)空氣接觸,造成樣布重新回潮;恒溫恒濕箱由于多次打開操作(需要將溫濕度傳感器放入樣布縫合口內(nèi)),其溫濕度變化較大,短時間內(nèi)平衡狀態(tài)被打破。