智能调温纺织品的种类及应用

第3期第24页浙江纺织服装职业技术学院学报2009年9月doi：10．3969／j．issn．1674—2346．2009．03．007智能调温纺织品的种类及应用赵宝艳王碹吴超摘要：文章对智能调温纺织品的概念和调温原理进行了阐述，着重介绍了智能调温纺织品的种类，及其在服装、床上用品，医疗卫生用品等领域中的应用，并对智能调温纺织品的未来发展作了展望。关键词：智能；调温；纺织品；相变材料；应用中图分类号：TSl01．3文献标识码：A文章编号：1674．2346(2009)03．0024．041概述智能调温纺织品是指对温度或温度变化有响应的智能纺织品，它超越了传统纺织品的单一保温功能，是一种具有双向温度调节作用的、以改善舒适性为主要目的的新型材料。它是将相变蓄热技术与纤维和纺织品制造技术相结合开发出的一种高技术产品，具有自动吸收、储存、分配和放出热量的功能，有智能调温的效果，能够防止头、身体、手和足部位的剧烈温度变化，创造舒适的温度环境。其调温原理是利用含有的相变物质随外界环境温度的变化发生液——固可逆变化，即环境温度升高时吸收储存热量，自身由固态变为液态；当温度降低时，放出储存的热量，相变物质由液态变为固态，从而实现纺织品的温度自调节，创造舒适的温度环境。2智能调温纺织品的种类20世纪80年代中期，各国研究人员先后采用多种工艺路线研制开发智能调温纺织品，我国自20世纪90年代初开始这方面的研究工作，现已取得很大成绩。目前常用的制备方法主要有以下几种(本文通过制备方法的区分分别介绍智能调温纺织品)。2．1后整理法制备的智能调温纺织品织物后整理法是通过整理或涂层的方式，将相变材料施加在织物上，从而获得调温纺织品的方法。整理法采用浸一轧一烘一皂洗工艺得到相变材料的织物，浸渍液中含相变材料或相变材料微胶囊(Micro．PCM)、交联剂、催化剂等。涂层法通过涂层加工手段，利用胶粘剂将相变材料机械地粘接在纺织品上。由于织物整理的方法是将相变高聚物附着在纤维表面，故对织物手感以及使用中的稳定性都存在问题，而且相变材料进行交联后调温性能可能发生改变。据中国纺织报报道，日本小松精练公司近年推出了具有保持衣服内舒适温度功能的纤维材料Air-Tech．no。它主要利用聚酯纤维等合成纤维，镀上具有调节温度功能的特殊蛋白微粒子(10毫微米)超薄膜。当收稿日期：2009一03一13作者简介：赵宝艳，女，浙江纺织服装职业技术学院，宁波市先进纺织技术Lj服装CAD重点实验室，硕士(浙江宁波315211)王碹，女，浙江纺织服装职业技术学院，副教授，硕士(浙江宁波315211)万方数据2009年9月浙江纺织服装职业技术学院学报第3期第25页衣服外温度上升时，特殊微粒子即随温度状况吸热，抑制衣服内温度上升。相反，当外部温度下降时，这种纤维释放出储存的热量，防止衣服内部温度下降。天津工业大学马晓光等将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水常温水解聚合成二氧化硅网状结构凝胶，然后加入醇类相变材料而制成复合相变材料，最后将复合相变材料与粘合剂混合后涂布在纺织面料的表面制成智能调温纺织品。王春莹等人通过微胶囊涂层法制得了储热量达155J／g的调温织物，研究表明整理后的植物蓄热效果较为明显，与服用相关的性能可基本保持。2．2中空纤维填充法制备的智能调温纺织品中空纤维填充法是在织造前，利用特殊方法将中空部分密封，将Micro．PCM充填到中空纤维的中空部分，利用相变材料而产生可逆蓄热和防热性能，然后用树脂将纤维进行包覆，防止相变胶囊外泄从而达到持久调温效果。采用中空纤维填充法生产智能调温纺织品所用相变材料有无机水合盐、聚乙二醇、塑晶物质等。在20世纪80年代初，Vigo等将无机水合盐填加在中空纤维内部，得到了相变调温纤维，但这种纤维调温效果的耐久性差，使用一段时间后其调温功能会降低。此后，Vigo等将聚乙二醇填充在中空纤维中，得到了调温效果可耐150次以上升温和降温循环的纤维。另外，Hansen．R．H等将二氧化碳等气体溶解在溶剂中，然后填充到纤维的中空部分，并在织造前将中空部分封闭。当温度降低时，调温纤维中空部分的液体固化，气体在其中的溶解度降低，从而使纤维的有效体积增大，织物的绝热性能提高；反之，温度升高时绝热性能降低。由于使用过程中易造成气体逸出，因此其调温效果耐久性有待改进。2．3纺丝法制备的智能调温纺织品纺丝法是将Micro-PCM直接分散在纺丝熔体或溶液内进行纺丝，或将含有Micro．PCM的纺丝组分作为岛或芯组分-聚酯、丙纶等作为皮组分制备耐久效果更好的相变纤维，现阶段主要应用的为溶液纺丝和熔融纺丝技术。最早应用的为溶液纺丝技术纺造相变腈纶纤维，目前研究的热点为采用熔融纺丝工艺。相变材料微胶囊作为一种复合材料，它具有解决固液相变材料相变时体积变化以及泄漏问题；提供大的传热面积改善传热；防止相变材料的性质改变等优点，对于制备智能调温纺织品至关重要。20世纪80年代，TraigleResearch&DevelopmentCorporation公司的Colvin和Brandt申请了微胶囊相变材料技术的专利。1997年，美国Outlast公司获得了Triangle公司的专利使用权，将相变材料或塑晶包覆在微胶囊内，制成用于纺丝加工的相变材料微胶囊，微胶囊的直径在lmm--10mm之间。这种纤维中相变微胶囊的质量分数为8％左右。石海峰等人采用熔纺工艺制出了MEPCM质量含量在12％以上的蓄热调温纤维。聚乙二醇(PEG)是有机高分子类材料，具有较高的结晶度，相变潜热大，其相变温度恰好在人们感觉最舒适的范围内，是目前研究和应用最多相变材料。马晓光等人将PEG以交联方式添加到织物上制备了冬暖夏凉的智能调温纺织品。另外，用PEG链段嵌入聚氨酯涂层具有良好的挡风和保暖性，用它制成的织物称为“空调织物”，如美国Polytech公司的Uneatech产品。石蜡烃是不同链长的直链烷烃的混合物，是常用的相变材料。天津工业大学张兴祥等以石蜡、聚醚、脂肪族聚酯、芳香族聚酯醚、脂肪族聚酯醚或它们的混合物为芯或岛组分，采用熔融复合纺丝方法，制备出具有调温功能的复合纤维，其中芯组分与皮组分(或岛组分与海组分)的质量比为(4—6)：(6—4)。最近，他们将相变材料微胶囊引入丙烯腈及其单体中，经测试，升温过程中，其制备的调温纤维在37’C左右发生明甚的吸热行为；降温过程中，在25℃左右有明显的放热行为，热效应达到45．1J／g。苗晓光等人采用相变蜡和负离子发射材料，并与以酪蛋白质改性的(聚)丙烯腈喷丝液共混，通过湿法纺丝工艺制造出同时具有智能调温和负离子发射功能的牛奶蛋白纤维，其相变焓高达16J儋。在其课题组进一步深入研究下，智能调温型牛奶蛋白纤维的性能技术又有了重大突破，使得该产品更易应用于实际当中，特别是使得与高级羊毛、驼绒混纺制作具有明显舒适性智能调温特征的高级面料成为现实。2．4泡沫法制备的智能调温纺织品使用水吹法得到的泡沫材料很柔软，其中蓄热调温微胶囊均匀分布，增重约35％--48％，但撕破强万方数据第3期第26页赵宋艳，等：智能调温纺织品的种类及应用2009年9月力很低，通常适合做服装衬里。Outlast曾授权Lendell制造公司生产这种软泡沫材料，美国Ffisby公司将蓄热调温微胶囊嵌入轻型的泡沫材料中，已用于头盔、手套和靴子。3智能调温纺织品的应用3．1服．装穿着智能调温纺织品的人体与外界环境之问的热量流动减少或者被中断，从而在人体与外界环境之间建立一种相对的动态热平衡，对人体起到积极的温度调节作用。不仅能令您在严冬感到温暖如春，在酷暑也能感到丝丝凉意。据报道，英国玛莎推出了温度可调服装。英国玛莎(Marks＆Spencer)公司为改进男士服装舒适性，在其新的温度可调节系列内衣中应用了Outlast公司PCM(相变)技术；日本钟纺公司开发出能够使服装内温度保持在舒适范围的聚酰胺纤维“ThermoSupport”，该纤维是一种芯层为温度可调节聚合物、皮层为尼龙6的皮芯型复合纤维；Mid6技术公司开发了一种新型的智能潜水服SmartSkin，其外层是闭孔氯丁橡胶泡沫材料，中间夹层是温敏性水凝胶与开孔的聚氨酯泡沫材料的复合物；香港福田实业集团与美国杜邦公司合作，采用Outlast相变材料微胶囊技术，生产出具有温度调节功能的针织面料，制成的“Fountian”牌温度响应型智能服装，已开始投放国内外高档服装专卖店；杭州求兴科技有限公司与浙江大学、浙江理工大学合作研发出多种新型智能调温纤维(纱线)，有棉、腈纶、锦纶、涤纶等品种。3．2床上用品床垫、褥子、棉被、枕头和毛毯等床上用品采用智能调温纤维，可将床上的温度和湿度保持在理想的范围内，能让使用者保持良好的睡眠状态。如金华新佳家纺有限公司2007年9月研制出了自动调温被芯，产品名为“天芙棉”，已申请国家发明专利。它主要用物理方法改变棉纤维的空间结构，使弹性、强度、收缩性等性能得到改善。在常温下“天芙棉”处于休眠状态，人体体温传过去后，天芙棉体积开始膨胀，纤维间的体积增大，透气性增强，排出多余的湿气和热量，达到调温的效果。3．3医疗卫生用品智能调温纺织品被应用于诸如手术服、病人床上物品时，不仅可以改善医生或患者的穿着舒适度，而且对病人的心里起到良好的安抚作用。3．4保护性装置智能调温纺织品应用于头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等防护性装备中，可以适当地控制这些部位汗液的产生与排放。以减少湿热的产生，从而为人体的这些部位提供适当的冷却度。如BioSkin系列产品都是以SmartSkin膜材料作为中间层，成功开发了护腕、护肘、护膝和足垫等运动保护产品。3．5汽车装饰物在汽车内部采用智能调温纺织品作为内衬，同样可以为乘客提供温度调节效果，来保持车内温度的相对恒定。如浙江有一家企业开发生产了一种能给汽车降热保温的防尘罩。此防尘罩非一般的防尘罩，它是采用相变材料微胶囊技术工艺生产出来的。在纤维中藏有微粒胶囊，当外界环境温度升高时，藏在纤维中的相变材料吸收热量，从固态变为液态，降低了覆盖物表面温度。相反，当外界环境温度降低时，相变材料放出热量，从液态变为固态，以保持周围正常的微气候环境。4展望纺织品相变调温功能整理被美国Newsday选为“改变2l世纪人类生活的2l项革新”之一。智能调温纺织品的开发不仅代表了纺织工业的科技进步，也给人们的生活带来了便利。但目前我国在这方面仍停留在实验研究阶段，还没有形成产业化生产局面，自主创新不多，主要是跟踪研究。调温纺织品还有待进一步解决提高调温效果，降低成本两个问题，以更利于市场接受，因此研究和开发相变调温纺织品是非常有意义的课题。通过对已有文献的分析总结，可以预测未来的智能调温纺织品会向着以下几个方向发展：1)提高相变材料的性能。研制调温性能更加优良的相变材料，使得相变温度接近人的体温，提高相万方数据2009年9月浙汀纺织服装职业技术学院学报第3期第27页变材料用量的上限。2)优化相变材料微胶囊的制备方法。改变微粒形态、微粒大小，降低微胶囊壁厚，攻克壳材料的制备技术，开发储能性高的新型芯材料，进一步优化微胶囊的调温效果。3)优化调温纺织品的制备工艺，降低成本，实现生产过程无污染、节约能源。4)生态健康化，使产品绿色环保，对身体没有危害。5)美观。产品不仅调温效果好，而且要符合美学和时尚的要求。6)多功能化。产品不仅具有良好的调温效果，还有生理监测、全球定位和音乐播放等功能。参考文献【IlK．Ghali，N．Ghaddar．Experimentalandnumericalinvestigationoftheeffectofphasechangematerialsonclothingduringperi—odicventilation[J】．TextileRes．J,2004(3)：205．214．f2】刘书芳，顾振亚．温敏性水凝胶存锷能纺织品开发巾的应用【J】．纺织学报，2007(11)：140-143，【3】窦明池．智能纺织品的研究进展[J】．河北纺织，2006(3)：11-17．【4】窦明池，陈人豪．智能纺织品的研究现状与展望