溫控自調節抗紫外線面料的發展現狀

李曉菊,趙格格,尹愛華,宋春燕,張宏杰

(泉州師范學院 紡織與服裝學院,福建 泉州362000)

1 溫控自調節抗紫外線面料概述

1.1 溫控自調節抗紫外線面料

目前,全球紡織產品已經逐漸向功能化發展,例如阻燃面料、透濕防水面料、電磁屏蔽面料、溫控面料等。市場對這一發展趨勢認可度較高,既滿足美觀的需求,又可以提高產品附加值,增強競爭力。防紫外線面料是一種可以防護人體皮膚不受紫外線直接穿透、減少人體皮膚曬傷老化的面料。溫控自調節抗紫外線面料則是自動調節溫度的抗紫外線面料,它可以對外界冷暖刺激做出溫度響應,改善傳統服裝的舒適度以及人類對溫度的適應性。將溫度調節性能與抗紫外線能力結合,可以開發出滿足一定衛生保健功能的高檔服用面料。

1.2 溫控自調節面料分類

溫控自調節面料按照品種分類可以分為電溫控紡織品、仿生溫控紡織品及相變溫控紡織品[1]。

1.2.1 電溫控紡織品

電溫控紡織品可以通過不同介質來實現溫度響應。主要有利用柔性導電材料、液體、氣體作為核心組件,溫度靠蓄電池、電動泵驅動液體回流或恒溫器來調節。這類產品目前應用較為廣泛,生產技術水平要求比較嚴格。

1.2.2 仿生溫控紡織品

受到自然界“松球原理”等的啟發,國外某研究院設計了一種軍用自動調溫面料,這種面料所用的纖維原料表面的“松球結構”會受到溫度的影響而發生變化,結構上的收縮以及伸展賦予織物保暖或透氣的功能特性。

1.2.3 相變溫控紡織品

相變纖維是一種蓄熱溫控纖維,即一種具有向織物或纖維嵌入或涂覆在織物表面上的微膠囊包裹的變性材料(圖1、圖2)。通過固液狀態的改變,帶動能量的轉化來實現溫度的調節。但是這種方式調節溫度耗時較長,對環境溫度的適應度有一定的要求[2]。

圖1 具有芯鞘結構的復合調溫纖維[3]

圖2 多層低溫防護結構示意圖[3]

2 溫控自調節抗紫外線面料的制備方法

制備符合服用需求的溫控自調節抗紫外線面料,可以從纖維入手,通過紡絲的方法對纖維改性,或者在織物表面涂層相變微膠囊來實現溫度調節,也有利用織物組織結構的變化來實現溫度的變化。普通面料可通過后整理工藝,根據不同的功能和要求通過浸軋或涂層的方式賦予織物抗紫外線功能。目前國內外調溫紡織品制造工藝主要包括:表面涂層法、復合紡絲法和結構改性法等,這種材料在航空服、消防服、滑雪服、保暖內衣、智能床墊、智能枕頭等方面都有廣泛的應用[4]。

2.1 紡絲法

紡絲法是將粒徑在5μm以下的相變微膠囊與聚合物溶液或熔體按照一定配比混合成紡絲原液,再由噴絲孔噴出后經過冷卻凝固制得具有調溫性能的纖維。該方法最大的優點是能夠將相變微膠囊包裹在纖維內部,從而延長相變微膠囊的使用壽命,同時對織物的各方面性能和后續工藝不會造成較大影響。

2.2 涂層法

在纖維或織物表面添加涂層,可以實現材料的智能溫控。采用熱傳遞涂層技術將相變材料及其添加劑放入織物中,然后通過干燥和洗滌過程去除不可反應部分,這層不溶于水的相變材料膜使織物具有顯著的儲熱和放熱功能,它附著牢固,不易改變。目前,已有多種材料可用于纖維的智能涂布加工方法。采用涂布法可將部分塑料晶體加工成纖維織物,并對錦綸纖維和聚丙烯纖維的性能進行了改性,其熱含量分別可達3.5～4倍和2倍。此外,日本電力公司研制的表面涂有導電樹脂的雙層結構纖維,可在電流發熱后調節針織密度,實現溫度自調節功能。

2.3 結構改性法

通過對原始相變材料的涂覆,添加一層保護膜,可以防止相變材料從織物內部滲透,也可以增加材料的使用壽命。但要獲得吸熱、放熱效果明顯,物理性能優良的纖維,必須注意纖維表皮與芯層材料的比值。在現有的研究成果中,分別以聚乙烯醇和石蠟為表皮和芯材的纖維可以加工成產生30 J/g熱焓的溫控纖維。研究了以聚合物為芯材、普通成纖聚合物為表皮的復合纖維的調溫效果,用相變材料填充微膠囊化的纖維是目前具有較好的強力、耐熱性和耐水解性的溫控織物。例如,以石蠟烴為相變材料的纖維相變溫度為28.2～25.4℃,32.1～28.5℃,其熱焓達到150 J/g以上。在科技飛速發展的今天,智能新技術不斷涌現,并應用于軍事、航空航天、醫學等領域。智能溫控纖維在紡織產品創新中的應用越來越廣泛,紡織品更新換代的速度越來越快。

3 溫控自調節抗紫外線面料國內外研究現狀

3.1 國內研究現狀

我國對于溫控自調節抗紫外線面料這一概念方面的研究起步較晚,相關的研究也較少,但近年來研究熱度逐漸上升,涌現出不少極具發展前景的設計思路。

從最初通過紡絲的方式生產溫控纖維,到后來的涂層法后整理生產的溫控織物,國產溫控面料制備技術在不斷改進。周建璋等[5]針對嬰幼兒設計發明了一種感溫控溫的特殊面料,將熱敏纖維與棉纖維混紡,再加入銀材料感溫顆粒,實現雙向控溫的效果。這種面料不僅對嬰幼兒的皮膚刺激性小,安全性高,還具備一定的抗菌效果,耐水洗測試表現出色。林貞祥等[6]公開了一種溫控織物,將兩種導電布連結起來,電流流過這幾種導體所形成的回路,除了不可逆的焦耳熱之外,在連接處將分別隨電流方向發生吸熱、放熱現象,稱為帕爾貼效應,從而實現不同環境下的溫度調節。邵慧奇等[7]設計出一種溫度可控的三維經編間隔織物,立體多層結構通過一次全成型編織而成,溫控層固定于間隔層的中間,控溫區域分布均勻,產品質量以及生產效率都比較好。陶光明等[8]設計出一種相變溫控材料,通過纖維微結構的改進以提高相變材料的填充量,增加其循環穩定性。這種材料經過表面處理以及內部摻雜技術可以得到很好的耐水洗性能和機械性能。制備材料普遍易得,適合工業化生產。

陳殿根[9]指出紡織面料引用新材料既可以增加面料美觀性,也可以提高耐用性,助力了傳統紡織業的升級轉型。董杰[10]指出,未來的研究重點主要是開發具有自潔性、抗菌性、透氣性等功能性抗紫外線紡織品。在烈日下,陽光照射會產生強烈的長波紫外線,能輕易穿透皮膚表層,破壞人體表面及深層的膠原、彈性纖維等組織內部的微細結構,使肌膚變得老化松弛。為了減少紫外線對皮膚的直接照射,人們已采取了許多措施,如使用抗紫外線的化妝品、防曬霜、遮陽帽和遮陽傘等,但這些措施的保護作用、作用時間和作用范圍均受到限制。所以,越來越多的人傾向于使用更全面、更有效的防護衣物來解決這一問題[11]。

3.2 國外研究現狀

相對而言,將相變材料應用于紡織領域,國外對此的研究更加深入,研究范圍也更廣。20世紀80年代,美國太空開始資助研發調溫功能紡織品的相關企業,研發出Outlast空調纖維,用于宇航員工作服中的手套。這項研究實際意義較大,可以很好地滿足人們的需求,于是開始由航天產業轉向民用。Outlast空調纖維逐漸走進人們的視野,成為大眾較為熟知的一種調溫纖維,被應用到控溫織物的生產中。隨后,Outlast公司與Frisby合作,生產出腈綸纖維,這種紡織品可用于保暖內衣、運動襪、空調被等,在歐美地區廣受歡迎。當前,美國Outlast公司與泰國丙烯腈纖維公司合作,在腈綸纖維方面取得新進展,共同研制開發了不封裝的相變腈綸纖維,在染色性能和舒適方面都有所提升[12]。目前全球有150多家廠商使用這種纖維制作調溫服裝,主要市場為歐美地區。Wells Lamont等[13]研究人員,開發出一款調溫防水手套,穿著者在冷水中手溫保持在25℃以上可達15 min,而穿著正常防水手套,5 min后手溫已降至10℃。Xu等[14]利用對溫度、濕度可以做出響應的紅外線敏感紗線構建了一種溫度自調節織物,當人體皮膚與衣服之間的微環境改變時,紗線收縮釋放熱量,或者是膨脹將熱量保持(圖3)。能夠適應這些不同環境的服裝將會更加實用、舒適。

圖3 溫控紡織設計原理[14]

Xia等[15]采用濕法紡絲工藝制備了具有儲能和溫度調節功能的纖維素纖維。這種纖維具有相變能力和一定的機械性能。此外,即使在極端條件下仍具有良好的耐洗滌性。Dounia等[16-17]研究了微封裝相變材料(微PCM),聚乙二醇作為相變材料,在交聯劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)存在下,通過在甲基丙烯酸懸浮液中進行自由基聚合,將其封裝在聚甲基丙烯酸(PMA)中。智能控溫織物就是將具有調節溫度功能的相變材料與纖維或織物結合起來制得的控溫織物[18]。一般來說,智能溫控織物具有雙向調節溫度的特點,且可回收,屬于環保型產品。美國一家公司公開了一種適合于人體服裝應用的具有控溫功能的抗紫外線織物及其制造方法,包括具有轉移性能的基材,該轉移性能適于允許自然元素通過該基材,以及非連續的熱導向元件陣列,該熱導向元件的配置及其之間的空間允許該基材保留該轉移性能的部分性能。該基材通過蒸發沉積或濺射沉積等金屬化工藝具有鋁膜層,使該織物在保持原有手感和透氣性的同時獲得抗紫外線和溫度控制功能[19]。Faming[20]設計了一款運動服,給運動員提供足夠的局部穿著舒適性。身體映射運動服由一塊多針織結構的面料或不同的面料組成,“模塊化”的人體映射運動服在恒溫模式和熱生理模式控制模式下給穿著者帶來能夠調節體感溫度的感受。一些結合了空氣和液體冷卻混合PCS技術,在炎熱的環境中進行試驗,混合氣液背心在液冷模式的冷感明顯大于風冷系統。混合PCS技術在兩種系統中都可以緩解身體熱應變和恢復期中表現最佳性能[21]。Tong[22]設計了嵌入導電紗線的織物,其電阻會受到溫度變化的影響。通過改變導電針織物的電阻與溫度之間的定量關系,來達到溫度調節的效果(圖4)。

圖4 簡化熱擴散模型[22]

智能調溫紡織品的前景廣闊,各大公司一直在深入地對其研究。美國研究人員使用涂層法制得Ureatech調溫材料,該調溫材料的溫度接近人體的舒適溫度,具有較大的實用價值,可用于服裝領域;日本大和化學工業株式會社使用浸軋法將微膠囊整理劑整理到面料上,目前主要應用到內衣、襯衫等方面,也具有良好的調溫效果。

國外有研究通過對比分析織物的組織、厚度、經緯密度、緊度等指標,考察了紫外線透過率、紫外線防護系數(UPF值)等指標的影響。研究表明,當其他參數基本一致時,斜紋織物的抗紫外線性能優于平紋織物,而平紋織物的抗紫外線性能優于平紋提花組織織物;當織物透光率較低時,抗紫外線性能較好;隨著織物經緯密度和經向的增大,其紫外透光率下降,UPF值增大,抗紫外線性能提高。此外,普立萬公司(Poly One)于2014年11月底推出應用于纖維和紡織品領域的OnCap TM紫外線防護技術。OnCap TM紫外線防護著色劑及添加劑解決方案適用于聚酰胺(PA)、聚酯(PET)、聚丙烯(PP)及其他材料系列。它們以低負荷水平、高色牢度為突出特點,且可融入阻燃劑以滿足生產過程中嚴格的安全標準。

4 市場優勢劣勢分析

4.1 優勢分析

溫控自調節抗紫外線面料有著廣闊的市場發展空間,消防人員在火災高溫環境下作業,非常容易燒傷,從服裝設計上采取防護措施,應用降溫和調溫紡織品,以制造出具有防燙傷、隔熱等效果的消防服,有效地避免了消防人員在救火過程中的傷亡率。同樣這種材料也廣泛應用在了保暖內衣、病情監護服以及各種防輻射、防紫外線服中。而現如今大氣中可以吸收紫外線的臭氧層遭到破壞,人體以及各種生物受到的紫外線照射強度增強,生態環境受到威脅。隨著人們生活水平的不斷提高,人們對服裝面料的防紫外線性能、溫度適應性等方面提出了更高的要求。目前已有的防紫外線針織面料大都采用后期添加水性泡沫涂層的方法來進行保護,這樣設計的防護功能不穩定,在后期的清洗、熨燙時容易失效,防護層被沖洗掉或者高溫失活,現有技術急需一種防紫外線面料的長期保護效果,這就給自調節抗紫外線面料提供了發展空間。

4.2 劣勢分析

當前溫控自調節抗紫外線面料的一個劣勢是技術水平較低,不能滿足產品的大批量生產加工,以及效果持久性不理想,并未形成產業化的核心競爭力,在一定程度上影響了其大規模發展的空間和步伐。

5 結語

溫控自調節抗紫外線面料目前仍以高成本市場為主,市場份額不大。我們仍然需要做出很多的努力,不只是滿足功能方面的需求,更多的要滿足廣大普通消費者的需求。隨著世界紡織纖維市場對智能控溫材料的需求增加,其研發必然會以較高的速度向高性能、高附加值方向發展,再加上普通消費者的需求,其發展前景非常廣闊。