相變調溫纖維調溫性能試驗分析

徐炎炎 劉 琳 樊爭科 林 娜 侯 琳

（陜西省紡織科學研究院，陜西西安，710038）

智能紡織品在提升服裝舒適性、提高人們生活質量、改善作業者從業環境、滿足某些特種行業和特種場合的需求方面正在發揮越來越重要的作用［1-4］。使用相變調溫纖維開發的雙向智能調溫紡織品，可通過纖維中的相變材料實現固-液相態轉化來吸收或釋放潛熱，使纖維溫度維持在一定相對穩定的范圍內。當人體皮膚溫度過高時織物中的調溫單元吸收多余熱量，當人體皮膚溫度過低時織物中的調溫單元釋放已儲存熱量，從而可緩解人體因環境和自身溫度降低或升高導致的過冷過熱現象，達到改善舒適性的目的［5-8］。

目前市場上的調溫紡織品以針織內衣類產品為主，機織類產品及相關研究較少，且現有產品大多使用進口Outlast纖維。近年來，國產相變調溫纖維逐漸成熟，因此本研究對國產相變調溫纖維含量、紡紗加工、織物組織結構以及染色加工對調溫性能的影響進行試驗分析，以期為調溫紡織品的開發提供參考。

1 相變調溫纖維含量與調溫性能試驗

1.1 試驗原料、儀器

試驗原料：國產相變調溫粘膠纖維（以下簡稱調溫纖維），規格1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強度2.3 c N/dtex，纖維縱向表面有溝槽，橫向截面中調溫微膠囊呈海島分布，調溫微膠囊壁材耐受溫度為160℃，芯材采用烷烴類固-液轉化相變材料，相變溫度28℃，相變熱焓值5 J/g～8 J/g。對照樣選用的普通粘膠纖維規格為1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強度2.41 c N/dtex。滌綸規格1.65 dtex×38.0 mm，斷裂強度4.5 c N/dtex。試驗儀器：B-260型恒溫水浴鍋（濟南東儀實驗室設備有限公司），高精度電子溫度計組合測溫裝置（自組裝，冀興儀器儀表廠），HS-100B型恒溫恒濕試驗箱（寧波市奔陽大成試驗設備有限公司）。

1.2 試驗方案

（1）測試樣制備：將調溫纖維與滌綸混配制備測試樣，經反復人工梳理使纖維均勻混和。調溫纖維的含量將直接影響織物的調溫能力，文獻表明［9-12］，調溫織物中調溫纖維的含量不得少于30%，因此，本研究將試樣中調溫纖維的最小含量設為30%，同時考慮調溫纖維的強力較低，為兼顧混紡織物的使用堅牢度，將調溫纖維的最大含量設為80%，調溫纖維含量按10個百分點逐漸增加。各測試樣的調溫纖維/滌綸混配比例分別為：1#試樣，30/70；2#試樣，40/60；3#試樣，50/50；4#試樣，60/40；5#試樣，70/30；6#試樣，80/20。

（2）對照樣制備：選用普通粘膠纖維/滌綸50/50的纖維混和樣作為溫度測試對照樣（記為0#試樣），采用反復人工梳理的方式使纖維混和均勻。

（3）升溫性能測試：將調濕后同質量的測試樣與對照樣分別裝入不同的測試管中，然后將兩試樣同時置于10℃的恒溫恒濕箱中持續一段時間，待其溫度保持在10℃后，將兩試樣取出放入水溫為40℃的恒溫水浴中，按一定時間間隔記錄試樣的瞬時溫度，直至測試樣與對比樣的溫度升到水浴鍋溫度40℃，根據所測數據繪制升溫溫度-時間曲線［13］。

（4）降溫性能測試：將經升溫性能測試后溫度為40℃的兩試樣同時置入水溫為10℃的恒溫水浴中，按同樣的時間間隔記錄試樣的瞬時溫度，直到測試樣、對比樣的溫度達到水浴鍋溫度10℃，繪制降溫溫度-時間曲線。

（5）根據混和纖維升溫和降溫曲線，計算每個時間點測試樣與對照樣的溫差ΔT，并取所有溫差ΔT的最大絕對值記為混和纖維的最大溫度調控值ΔTmax。

1.3 結果與討論

纖維混和樣升降溫度-時間曲線分別見圖1、圖2。由圖1、圖2可以看出，調溫纖維與滌綸混配后具有一定的調溫效果，調溫性能隨著調溫纖維含量的增加而提升，最大溫度調控值出現在升溫過程，這是由調溫纖維本身性質決定的，目的主要是快速吸熱。當環境溫度從高到低時，混和纖維中的相變材料由液態逐漸轉換成固態，釋放內部儲存的熱量，因此與對照樣相比，測試樣溫度下降較緩。隨著調溫纖維比例的增大，所含相變材料越多，混和纖維溫度下降速率就越小，調溫效果越明顯。

圖1 纖維混和樣降溫溫度-時間曲線及局部放大圖

圖2 纖維混和樣升溫溫度-時間曲線及局部放大圖

當環境溫度從低到高變化時，混和纖維中的相變材料由固態逐漸轉換成液態，吸收環境熱量并儲存于纖維內部，與對照樣相比，測試樣均表現出較緩的溫度上升速率，且調溫纖維比例越大，相變材料越多，其相變潛能就越大，混和纖維溫度上升就越慢。當調溫纖維含量在50%以下時，最大溫度調控值較小，調溫效果不明顯；當調溫纖維含量達到50%以上時，最大溫度調控值超過3℃，滿足調溫類產品的標準要求。這是因為調溫纖維含量低時，混和纖維中相變材料含量較少，其總相變潛熱較少，不足以補充（降溫時）或吸收（升溫時）環境熱量，溫度調控范圍較小。

2 紡紗與調溫性能試驗

2.1 紡紗情況

為了解調溫纖維的可紡性、調溫纖維配比對紗線性能、紡紗生產對纖維調溫性能的影響，選用調溫纖維/滌綸50/50和70/30兩種混紡比紡制小樣紗，紗線線密度均為14.8 tex×2。采用棉型設備紡紗，工藝流程為：原料預混和→清梳聯→并條（三道）→粗紗→細紗→絡筒→并線→捻線→蒸紗。由于調溫纖維基體中含有調溫微膠囊，為防止紡紗加工造成微膠囊的擠壓破損，設計合理的紡紗工藝參數至關重要。開清、梳棉工序采用“大隔距，低速度，輕打擊”的工藝原則；粗紗工序膠輥加壓偏輕掌握；細紗工序速度、后區牽伸倍數偏小設置，后區隔距偏大掌握，選擇合適的鋼領鋼絲圈，以防止由于張力過大而造成紗線斷頭、掛花等現象，減少毛羽產生［14-15］。

紡紗過程中設備、纖維及紗線未出現油污現象，說明相變微膠囊未發生損傷外漏情況。同時，用電子顯微鏡觀察紗線中調溫纖維的縱向、橫向結構，相變微膠囊的分布與原纖維基本一致，未發現明顯的膠囊破損現象。此外，紡紗生產順利，表明調溫纖維可紡性較好。調溫纖維滌綸14.76 tex×2混紡紗線質量如下。

由以上可知，調溫纖維混紡紗線條干較好，但隨著調溫纖維含量的增加，紗線的斷裂強度和斷裂伸長率下降，這是由于調溫纖維的斷裂強度小于滌綸。當調溫纖維含量為70%時，混紡紗的斷裂強度降至17.5 c N/tex，可以滿足織物開發需求。

2.2 紗線調溫性能測試分析

按照GB/T 19466.3—2004《塑料 差示掃描量熱法（DSC） 第3部分：熔融和結晶溫度及熱焓的測定》標準，采用差示掃描量熱儀測試調溫纖維以及混紡紗線的DSC曲線，溫度區間為-10℃～60℃，升降溫速率為5℃/min，平衡時間為5 min，惰性氣體為高純氮氣。調溫纖維、調溫纖維/滌綸50/50、調溫纖維/滌綸70/30混紡紗線的DSC曲線分別見圖3、圖4、圖5。

由圖3、圖4、圖5可以看出，2種不同混紡比紗線的DSC曲線與調溫纖維DSC曲線變化趨勢基本一致，在升溫和降溫過程中均出現了明顯的熔融峰和結晶峰，說明紗線在一定的溫度調節范圍內均具有調溫功能。同時，相對于調溫纖維2種混紡紗線的結晶焓值分別下降49.2%和34.1%，與滌綸含量50%和30%接近。調溫纖維/滌綸70/30混紡紗線的熔融焓值、結晶焓值比調溫纖維/滌綸50/50混紡紗線大，說明調溫纖維比例越大，紗線的調溫性能提升空間越大。

圖3 調溫纖維DSC曲線

圖4 調溫纖維/滌綸50/50紗線DSC曲線

圖5 調溫纖維/滌綸70/30紗線DSC曲線

3 織物組織結構與調溫性能試驗

3.1 樣品準備與測試

采用SGA598型劍桿織樣機織制不同組織結構的織物小樣，經緯向均采用調溫纖維/滌綸70/30 14.8 tex×2混紡紗線，經密252根/10 cm，緯密244根/10 cm，組織結構分別為平紋、二上一下斜紋和二上二下斜紋，測試分析組織結構對織物調溫性能的影響［16］。

織物的DSC性能測試及分析方法與紗線相同，并按照T/CTES 1005—2017《紡織用相變調溫微膠囊及其應用功能評價》標準中附錄A相變調溫織物性能檢測方法，測試樣品的動態升降溫最高溫度調控值；依據GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測定織物的透氣性，依據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》測試織物厚度。

3.2 結果與討論

3種不同組織結構織物的DSC曲線整體趨勢基本一致，在升溫和降溫的過程中都出現了明顯的熔融峰和結晶峰，表明3種織物在一定的溫度調節范圍內均具有調溫功能。同時，3種織物的熔融焓值與結晶焓值差異很小，說明在熔融或結晶過程織物放熱量或吸熱量主要與相變材料含量有關，織物的組織結構對其影響較小。織物熔融焓值與結晶焓值、動態升降溫最高溫度調控值等測試結果見表1。

表1 織物的熔融結晶焓值及動態升降溫最高溫度調控值測試

從表1可以看出，3種不同組織結構織物的熔融或結晶焓值差異不大，但織物的動態升降溫最高溫度調控值差異很明顯，這是由于不同組織結構織物的透氣性和厚度不同導致的。織物的動態升降溫最高溫度調控值實際上是對比樣（將所含的調溫纖維替換為與其規格一致的普通粘膠纖維）與相變調溫面料試樣的溫差的最大絕對值，其為同一時刻待測調溫面料試樣溫度減去對比試樣溫度。本試驗中，織物的溫度變化主要受環境溫度變化影響，而織物的傳熱能力是受纖維性能、紗線性能和織物結構綜合影響，上述3種調溫織物所用紗線及經緯密度相同，因此影響其熱傳遞的因素主要是織物組織結構。一方面，當織物的組織結構由平紋變成二上一下斜紋、二上二下斜紋時，透氣性越來越好，織物紗線間的孔隙加大，測試時織物卷起（標準規定測試時將織物均勻卷繞在溫度傳感器上）后所含靜止空氣增多，而空氣的隔熱性較纖維材料好，所以透氣性越好的織物，其動態升降溫最高溫度調控值越大；另一方面，隨著織物組織結構的變化，其厚度也發生相應改變，二上二下斜紋織物的厚度最大，而厚度大的織物熱傳遞速率慢，也會導致二上二下斜紋織物的動態升降溫最高溫度調控值大于其他2種織物。

4 織物染整加工與調溫性能試驗

4.1 樣品準備

用HS-12P型高溫高壓染色小樣機對二上二下斜紋調溫纖維滌綸混紡織物進行染色，采用滌粘混紡織物常用的兩浴法染色工藝：一浴為分散染料染色，分散藍染料質量分數（omf）0.5%，冰醋酸5 g/L，染色溫度130℃，染色時間60 min，浴比1∶10；二浴為活性染料染色，活性艷藍染料質量 分 數（omf）0.5%，元 明 粉40 g/L，碳 酸 鈉40 g/L，染色溫度60℃，染色時間90 min，浴比1∶10。

4.2 結果與討論

經測試，織物染色前后的DSC曲線變化趨勢基本一致，染色織物的熔融峰值為28.36℃，焓值3.34 J/g，結晶峰值為21.31℃，焓值4.16 J/g。織物染色前后的熔融和結晶焓值變化很小，表明織物調溫性能未受到明顯影響。染色織物表面平整、光潔，手感柔軟，織物強力變化小（染色前織物斷裂強力經向650 N、緯向630 N；染色后織物斷裂強力經向642 N、緯向623 N）。經130℃（低于調溫微膠囊壁材耐受溫度160℃）染色處理，調溫織物的調溫、強力等性能變化不大。

5 結論

（1）相變調溫纖維與滌綸混配后具有一定的調溫效果，隨著調溫纖維含量的增加調溫性能提升；當調溫纖維含量在50%以下時，最高溫度調控值較小，調溫效果不明顯；當調溫纖維含量在50%以上時，最高溫度調控值超過3℃，可滿足調溫類產品的標準要求。

（2）紡紗過程中調溫纖維不會出現相變調溫微膠囊破損現象，可紡性較好。混紡紗中調溫纖維比例越大，紗線的調溫性能越好。

（3）織物組織結構對制品熔融和結晶焓值影響很小，但對織物的動態升降溫最大溫度調控值影響較大，織物厚、透氣性好的織物動態升降溫最大溫度調控值大。

（4）織物染色前后的調溫性能差異不大，調溫織物可采用常規滌綸粘膠混紡織物的染整工藝。