智能調溫纖維技術及應用

文獻標識碼: A

文章編號: 1006-334X(2015)03-0039-05

收稿日期: 2015－05－13

作者簡介:嚴巖(1989—)，山東曲阜人，助理工程師，主要從事特種纖維研究開發工作。

傳統紡織品具有保溫、裝飾和美觀的功能，其中保溫作用主要是通過阻止人體與外界環境之間的熱交換而實現的。為了提高紡織品的保溫功能，人們開發了超細纖維、中空纖維和復合纖維等功能性纖維，提高織物內部空氣的含量，在一定程度上提高了織物的保暖性。目前，對高質量、高性能紡織品的需求日益增加，傳統紡織品的保溫性能難以滿足人們的要求，積極產熱式保暖纖維和智能調溫纖維應運而生，積極產熱式保暖纖維包括吸濕發熱纖維、相變放熱纖維、光能發熱纖維、化學放熱纖維等。智能調溫纖維是將相變材料技術與纖維制造技術結合開發出的新型功能性纖維產品 ［1］，與傳統保溫纖維及織物有明顯不同，其利用相變材料吸收或放出熱量使溫度保持恒定，具有雙向溫度調節功能，在不同環境下滿足人體舒適性的要求。

1　溫度調節原理

智能調溫纖維及織物中含有一定量的相變材料(PCM)，相變材料在一定溫度下發生相態變化，相變化時吸收或放出能量。相變化時吸收或放出的能量稱為相變熱(相變潛熱)，物質溫度變化時吸放熱稱作顯熱，相對于顯熱來說，相變熱要大得多。

當外界環境溫度升高時，纖維中含有的相變材料發生固－固或液－固相變，吸收熱量，產生短暫制冷效果;當外界環境溫度降低時，纖維中含有的相變材料發生固－固或固－液相變，放出熱量，產生短暫制熱效果。這種吸熱放熱功能使纖維對溫度的改變具有緩沖作用，外界溫度變化時，穿著者體表溫度在一定時間內可保持恒定，使人體處于一種舒適狀態。智能調溫纖維吸熱和放熱過程是自動、可逆、無限次的。

2　相變材料

20世紀60年代，美國航空航天局(NASA )開始從事研究相變材料和相關技術。早期的研究主要集中在飛行器、建筑和太陽能的應用領域上 ［2］，選用的相變材料主要是無機水合鹽。隨后，美國的Birchena ［3］、德國的Gluck ［4］、日本的Yagi和Akjyama ［5］等學者對多種相變材料進行了深入研究。國內對相變材料的研究開始于20世紀80年代初，華南理工大學 ［6］、東華大學 ［7］、天津工業大學 ［8］以及廣州化學研究所 ［9］等科研機構和高校在此方面做了大量研究工作。

2.1　相變材料的分類

2.1.1　按相變類型分

相變材料按照相變類型 ［10］可以分為固－液、固－氣、固－固、液－氣相變材料四大類。盡管固－氣和液－氣材料相變潛熱較大，但轉化時有氣體產生，材料體積變化非常大，故很難應用在纖維及織物中。固－固相變材料可以分為三大類:無機鹽、多元醇和有機高分子相變材料;固－液相變材料主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等無機相變材料以及石蠟烴、脂酸類、高分子化合物等有機類相變材料。液－固相變材料研究工作和技術較為成熟，發展較快且應用最為廣泛。

2.1.2　按化學成分分

相變材料按化學成分可分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料三類 ［11］。

無機相變材料主要有單純鹽、熔融鹽、混合鹽和金屬合金等。無機相變材料熔解熱大、有固定熔點、相變體積變化小，但存在壽命短、腐蝕性強、價格貴等缺點，在智能調溫纖維中應用較少。

有機相變材料是在不同溫度下利用晶型之間的轉變和高分子支鏈的轉變來進行吸熱或放熱，主要包括石蠟類烷烴、高級脂肪酸、多元醇和高分子化合物。目前，紡織領域中應用廣泛的是石蠟烷烴和多元醇材料。

復合相變材料是將幾種相變材料復合形成二元或多元相變材料，其中包括無機類和有機類相變材料混合物及相變材料與非相變材料混合物兩大類。復合相變材料可以有效克服單一的無機物或有機物相變材料存在的缺點，又可以改善相變材料的應用效果以及拓展其應用范圍。

2.1.3　按相變溫度范圍分

相變材料按相變溫度范圍可分為高溫(＞250 ℃)、中溫(100～250℃)和低溫(＜100℃)相變材料 ［12］。

2.2　相變材料的選擇

由于纖維加工和應用的特殊要求，應用于紡織纖維的相變材料并不是很多。適合用于智能調溫纖維的相變材料應具備以下性能:

1)具有較大的相變潛熱，在相變過程中貯藏或放出較多熱量; 2)具有合適的相變溫度范圍; 3)具有較好的穩定性和耐久性，不易從基體中泄露; 4)具有較大的導熱系數及較高的靈敏性; 5)相變過程可逆性好; 6)相變材料無腐蝕性，制造方便。

以上幾個條件中，優先考慮前兩個條件。

相變材料應用于紡織織物中，其相變溫度范圍應該與人體溫度接近，符合條件的相變材料有: 1)水合無機鹽等無機相變材料; 2)有機相變材料，如石蠟烴、高級脂肪酸、脂肪醇和脂肪族聚酯等。目前用在紡織織物中的相變材料大多是有機材料。石蠟是含有12～24個碳原子的直鏈烴，其相變溫度為18～40℃，相變潛熱為200～300 kJ/kg，其優點是潛熱大、一般不過冷、不析出、性能穩定，但有導熱系數小的缺點。多元醇是一類固－固型相變材料，通過晶格變化而放熱吸熱，其優點是體積變化小、過冷度小、熱效率高和壽命長。

3　智能調溫纖維的加工方法

3.1　中空纖維浸漬填充法

20世紀80年代，人們把中空纖維浸漬于相變材料溶液中，從而使相變材料填充進入中空纖維。由于纖維和相變材料浸潤性不好，需要對中空纖維內壁改性，或者在相變材料的制備過程中加入表面活性劑，增加中空纖維內壁與相變材料的浸潤性能，使相變材料更容易填充進入纖維內部。利用該方法生產智能調溫纖維，相變材料的濃度應適當，如果濃度過高，溶液粘度較大，不利于相變材料填充進入纖維內部;溶液濃度過低，進入到中空纖維內的相變材料量太少，達不到理想的調溫效果。

20世紀80年代，Vigo ［13］將帶有結晶水的無機鹽相變材料填充進人造絲和聚丙烯等中空纖維中，利用相變鹽在室溫下發生熔融和結晶而產生可逆貯熱和放熱。Vigo等 ［14］通過浸漬法將聚乙二醇填充進中空纖維內部，把中空粘膠纖維和中空聚丙烯纖維浸漬在聚乙二醇熔體或溶液中，使聚乙二醇填充到纖維內部，然后干燥調整，制備出調溫纖維，其相變溫度范圍是40～60℃。研究發現，相對未處理的纖維織物而言，改性纖維織物具有溫度調節性能，經過50余次加熱冷卻循環，這些改性纖維仍具有熱量存儲和釋放的功能。李發學等 ［15］以三羥甲基乙烷和新戊二醇二元體系為相變材料，采用真空方法將多元醇固－固相變材料填充滌綸中空纖維，首次提出以填充率為指標衡量填充效果，研究表明滌綸纖維填充相變材料質量分數可以達到24%。

浸漬填充法生產的纖維直徑較大，并且纖維表面會殘留相變材料，在使用和洗滌過程中，相變材料易滲出，不適合作為服裝用纖維。

3.2　共混紡絲法

將相變材料直接混合到聚合物熔體或者紡絲原液中進行紡絲，得到含有相變物質的調溫纖維。天津工業大學的張興祥等 ［16］以聚丙烯和分子量為1 000～20 000的聚乙二醇(PEG)及增稠劑為主要原料，采用熔融復合紡絲法研制出了智能調溫纖維。另外還有以正十八烷、正十九烷和正二十烷為相變材料，乙烯－丙烯共聚物為增黏劑，與聚乙烯混合后制成母粒，以聚丙烯為皮層，經熔融復合紡絲制成纖維 ［17－18］。有專利 ［19］報道將石蠟烷烴類相變材料與一定量的二氧化硅粉末混合，然后加入到聚烯烴中熔融紡絲，制備出聚烯烴調溫纖維，其相變溫度約為15～60℃。鄒黎明等 ［20］采用熔融復合紡絲，纖維皮層采用聚丙烯，芯層采用由脂肪酸酯類和高級脂肪族醇類組成的復合相變材料，制備了具有皮芯結構的蓄熱調溫纖維，并對纖維的結構與性能進行表征，其中相變材料質量分數為53.6%，熔融相變溫度和結晶相變溫度分別是32.6～48.0℃和20.9～39.0℃，熔融焓和結晶焓分別是90.04 J/g和81.01 J/g。鄒黎明等 ［21］還采用尼龍切片為皮層，復合相變材料為芯層，使用自制的復合紡絲組件熔融紡絲，制得PA6/PCM初生調溫纖維，并在80℃下拉伸5倍得到調溫纖維，該纖維可用于冬季保暖外套中。

共混紡絲法也存在一些不足，在聚合物熔體中加入一定量相變材料后，可紡性變差，紡絲過程、纖維染整和后整理過程對相變材料穩定性要求較高，相變材料固－液轉變對纖維強度的影響較大，這些問題有待進一步解決。

3.3　微膠囊紡絲法

將相變材料用某些高分子化合物或無機化合物以特定工藝包覆，制成含有相變材料的固體微粒，直徑為1～100 μm，包覆物對相變材料的化學性質沒有影響。然后將定量的微膠囊添加入紡絲溶液或熔體中，紡絲制備智能調溫纖維 ［22－23］。微膠囊嵌入纖維內部，使微膠囊內的相變材料穩定地存在于纖維中，解決了相變材料的泄漏問題。目前，相變材料微膠囊的制備方法多釆用原位聚合法、界面聚合法、復凝聚法和懸浮聚合法等，特別是原位聚合法和界面聚合法應用最為廣泛 ［24－25］。

Kim ［26］等將正十八烷微膠囊添加到滌綸織物中，結果表明正十八烷微膠囊加入到滌綸織物后，織物有明顯熱量存儲和釋放功能，也具有一定的穩定性和持久性。Shin ［27］等制備了以密胺樹脂為殼體，正二十烷為芯材的微膠囊，將此微膠囊加入紡織品中，大大提高了紡織品的儲熱性能。張興祥 ［28］等以三聚氰胺(MF)為壁材，正十八烷為芯材，研究了微膠囊的直徑、形貌、耐熱性等。王春瑩等 ［29］以有機類石蠟為芯材，以脲－甲醛的反應產物氨基樹脂為微膠囊的壁材，選用原位聚合法制備調溫微膠囊，其有效成分石蠟的質量分數可達60%左右，能較好地發揮蓄熱調溫作用。

3.4　涂層法

涂層法是將相變材料以涂層的方式整理到纖維紡織品的表面，賦予其溫度調節的功能。此方法采用的相變材料有兩種形式:一是采用微膠囊形式，將含有微膠囊的涂層劑直接涂層到紡織品的表面;二是直接將相變材料涂層到纖維紡織品的表面。這種加工方法簡單，但存在相變材料含量低、處理后手感和服用性能變差的缺點，織物的耐洗滌性能較差，易被破壞。紀俊玲等 ［30］以石蠟為芯材，三聚氰胺－甲醛樹脂和異氰酸酯為壁材，采用原位聚合法制備了石蠟相變微膠囊。將微膠囊涂層劑涂覆在滌綸織物表面，并測試其溫度變化性能。結果表明處理后織物的溫度變化(升溫和降溫)速率明顯降低，具備溫度調節功能。調溫織物具有一定的耐洗性，撕裂強度和斷裂強度也有所提高。

上述幾種生產智能調溫纖維的方法中，共混紡絲法需要加入大量增塑劑改善可紡性，中空纖維浸漬法相變材料易滲出，涂層法存在相變材料穩定性差等問題，對于智能調溫纖維的工業化生產，微膠囊復合紡絲法是目前最適合的加工方法。

4　智能調溫纖維國內外研究進展

4.1　國外研究進展

20世紀80年代，美國開始從事智能調溫纖維紡織品的研究，主要應用于航空航天領域，將十九烷等相變材料密封在宇航服織物中來減少溫度劇烈變化帶來的影響。

Outlast空調纖維是1988年開發成功的一種智能調溫纖維，1994年首次應用于商業方面，1997年開始在戶外服裝中使用，逐歩產業化，現在已廣泛用于服裝和床上用品。Outlast公司進行了粘膠纖維添加微膠囊的研究，成功研制含有outlast微膠囊的粘膠型調溫纖維 ［31］，該纖維可以與棉、滌綸、錦綸等纖維混紡。隨后，Outlast公司又開發出含微膠囊的聚酯調溫纖維。Outlast產品廣泛應用于服裝、鞋帽和手套，特別是惡劣氣候條件的戶外用品。

20世紀90年代初期，日本酯公司在紡絲過程中將相變物質加入到纖維中，并且用環氧樹脂對纖維表面進行一定處理，保證相變材料不會從纖維中滲出，纖維制品的穩定性得到提高。1993年，日本Tringle公司使用微膠囊紡絲方法，先用石蠟烷烴制備出微膠囊，直徑約1～10 μm，然后加入到紡絲液中進行紡絲，生產出的纖維具有雙向溫度調節功能 ［32］。2006年，日本大和化學工業 ［33］研制了Prethermo C系列微膠囊調溫劑產品并推向市場。

瑞士Schoeller ［34］公司采用c-change技術開發了一種記憶面料，可以對溫度彈性調整。c-change材料親水性好，可自動調節水汽滲透力，根據外界溫度變化微調內部溫度，并且具有防水防風功能。

4.2　國內研究進展

我國自20世紀90年代初開始智能調溫纖維研究工作，早在1993年，天津工業大學功能纖維研究所就開始對智能調溫纖維進行研究，最初以聚對苯二甲酸乙二酯－聚乙二醇嵌段共聚物、脂肪族聚酯、聚乙二醇和聚丁二醇為原料進行熔融復合紡絲，制備的纖維具有雙向溫度調節功能，對熔融復合紡絲做了系統的研究工作; 2000年之前，該研究所把相變材料與多種增粘劑成份共混，然后進行復合紡絲，研制出相變材料質量分數達25%的智能調溫纖維，并獲得國家科技發明二等獎。之后，該研究所還對微膠囊技術進行系統的研究，發明了耐高溫相變材料微膠囊和熔融紡絲智能調溫纖維技術。另外，東華大學，青島大學等高校也進行了相關研究工作。

2005年，江蘇丹盛紡織品有限公司研發了奧特佳腈綸基智能調溫纖維棉型紡織產品。2007年，北京雪蓮羊絨股份有限公司與山西恒天新纖維科技開發有限公司共同研制智能調溫型牛奶蛋白纖維。2008年河北吉藁化纖有限責任公司協同北京巨龍博方科學技術研究院聯合發布了智能調溫纖維紡織品最新研究進展，推出了微膠囊復合紡絲法生產的粘膠基智能調溫纖維－絲維爾。在纖維制造、功能紗線、功能面料及功能性服裝等方面，上海第三十六棉紡針織服裝廠形成了智能調溫紡織品產業鏈，開發了SL調溫纖維系列產品。

5　應用領域

5.1　民用服裝

智能調溫紡織品具有良好的舒適性和調溫功能，因而可用做服飾紡織品，如服裝襯里、內衣、手套、帽子、運動服等。智能調溫紡織品在服飾領域應用較為廣泛 ［35］。

5.2　職業服裝

智能調溫纖維可用于制造軍用服裝、宇航服、潛水服、消防服、煉鋼服、特殊勞保服裝、耐高低溫手套等。

5.3　床上用品、室內裝飾

智能調溫紡織品可用于制造窗簾、床墊、枕頭、毛毯或保溫絮，當環境溫度變化時，智能調溫纖維可以通過吸收或釋放一定量的潛熱維持環境溫度的平衡，從而使人們處于舒適的生活環境中，目前用作睡袋產品已經產業化。

5.4　鞋襯

調溫紡織品吸收、存儲、重新分配和釋放熱量，防止腳部溫度劇烈變化，溫度恒定使舒適感增加 ［36］，比如滑雪靴、高爾夫鞋、登山鞋、賽車靴子。

5.5　醫療和衛生領域

加入相變微膠囊的智能調溫紡織品可應用在外科醫療手術服，病人被褥，恒溫繃帶和為重癥監護病房調節溫度的產品。

5.6　其他

可用于航空材料、汽車內飾、座椅靠墊、電池隔板、建筑材料。

6　展望

含有相變材料的智能調溫纖維及織物最初是應用于宇航服，如今已出現在日常消費產品中，并且具有廣闊的市場前景。采用相變材料微膠囊方法制備智能調溫纖維，較好地解決了含有相變材料微膠囊的纖維及織物中相變材料的泄漏問題，但對于這種新興纖維在紡織領域的應用仍面臨一些挑戰，例如:微膠囊封裝的效率、產量、穩定性，微膠囊對纖維結構和性能的影響，智能調溫織物在染整加工過程中的穩定性，相變材料重復使用的耐久性，智能調溫纖維系列化和產業化生產等，這些技術問題都值得進一步研究。