温度调节纤维及其物的发展与应用现状

温度调节纤维及其物的发展与应用现状丁丽杨建忠(西安工程大学纺织与材料学院，西安710028)摘要:论述了调温织物的发展历程，进而阐述了温度调节纤维所使用的核心物质即相变材料的相变机理，相变材料具有的特点，影响含有微胶囊包裹的相变材料一调节温度有效性的因索，纤维用相变材料的选择条件，温度调节纤维的制法(复合纺丝法.中空纤维填允法.微胶囊法.纳米胶囊相变材料法)，以及介绍了温度调节纤维的典刑代表OlltlaSt纤维的调温原理和特点，以及OlltlaSt纤维加工过程中出现的问题，最后阐述了温度调节纤维及其织物的应用，展望了今后的研究和发展方向。关键词:温度调节纤维;相变材料一;中空纤维;微胶囊;OlltlaSt纤维TheDevelopmentofTemperature一regulatedFibresandFabricDINGLi,YANGJianzhong(Xi'anpoly-technologyUniversity,Facultyoftextile&materialXi'an710048,China)Abstract:Thistextoverviewthedevelopmentoftemperature-regulatedfibresthenelaborateincludemechanism,theCharacteristicsthatthematerialhastheinfluencefactorsonthemicroencapsulatephase-changematerialtoregulatetemperature,thechoiceusesconditionofphase-changematerial,thetemperature-regulatedfiberanditsmethodformaking(themethodofcompoundspin,.themethodoffollowfiberfills,themethodofmicroencapsulateThemethodofnano-microencapsulate)，andintroducethetypicalrepresentativeoftemperature-regulatedfibres,thatisOutlastfibre,.whichincludeadjustingprincipleandcharacteristics,furthermore,presentsomeproblemsintheprocessofOutlastmixturefibres,finallyrelatetheapplicationoftemperature-regulatedfiberanditsfabric,andprospectthedirectionofresearchanddevelopmentinfuture.Keywords:temperature-regulatedfibres,phase-changematerial,followfiber,microencapsulate,Outlastfibre1调温织物的发展历程传统的纺织品具有保温、装饰和美观的功能，其保温作用卞要是阻止人体与外界环境之间的热传导，热对流和热辐射而实现的。对于人们穿用的服装来说，它所使用的纤维的保暖性体现主要是通过两种途径:一是消极保暖，也就是说通过纤维的作用，尽量保持住了原有的热量，使其暖，即纤维本身就能够通过某种方法来获得热量，从而达到了保暖的效果。至于大量损失二是积极保为了提高纺织品的保温功能人们采取了多种措施，具体从保暖由消极保暖到积极保暖经历以下几个阶段。(1)利用静止空气导热系数小这个原理，而纺织材料的保暖性取决于纤维中持有空气的数量和状态。在空气不流动时纤维层夹持的空气越多，纤维的隔热性越好。因此人们通过一些异形，中空纤维本身在结构上的特点，增加了在纤维中静止空气这个良好的保温材料而制得纤维。(2)通过超细纤维制成高密度的织物，其直径是一般纤维的十分之一，使纤维间留有更多空气，在同样大小的空间内，可以充塞更多的纤维更有效的反射人体热辐射，减少热对流具有良好的防风作用起到保暖作用。(3)通过采用制造对红外线有良好阻挡能力的远红外纤维，而远红外纤维主要是给纤维中添加远红外物质制得，远红外物质是指能够吸收太阳光中的远红外线，将其转化为自身的能量储存起来，并不断地向外发射远红外线的物质，卞要是远红外陶瓷粉，且其红外光谱,与人体的很相似都在远红外区有强烈的吸收，进而提高对热辐射的反射和阻挡能力。(4)利用太阳能转化为热能的原理生产阳光蓄热保温纤维，卞要是将碳化错系的化合物微粒与成纤高聚物共混纺制成纤维，吸收在服装内部的热量从人体散发出的热量同时被纤维反射，阻止了热量向外部扩散.起到了高效保温的作用。(5)20世纪80年代中后期，人们开发了一种根据环境变化，在一定的温度范围内可自由调节体温的纤维，即当环境温度升高时，它可以贮存能量，当环境温度降低时，它可以释放能量，这便兼具舒适性和功能性的温度调节纤维。现己开发的温度调节纤维有相变物质类的温度调节纤维、塑性品体类的温度调节纤维、添加溶剂类温度调节纤维、电发热温度调节纤维。而相变物质类的温度调节纤维是日前在纺织领域卞要所使用的，这项技术源于相变控温材料的发展，最早是美国国家宇航局为了保护太空仪器不受温度剧烈变化的影响，开发出系列相变控温材料。而后其下属的Triangle公司实现了相变物质与纤维的复合。日前，美国Outlast技术公司的Outlast调温纤维及制品在20世纪90年代己商品化。相变材料的相变机理及纤维用相变材料的选择相变材料调温机理相变材料能够根据外界环境温度的变化而发生相变，当环境温度或人体皮肤温度达到服装内相变材料熔点时，相变材料吸收热量，同时从固态转为液态，以此在服装内层产生短暂的致冷效果。如果在低于相变材料结品温度的寒冷环境下使用，液态的相变材料将转变回固态，释放其储存的能量，提供短暂的加热效果。这种热转换在服装内起缓冲作用，减小皮肤温度的变化，延长穿着者的舒适感。2.2相变材料具有的特点能以“潜热”的形式吸收、储存、释放大量的能量;相变材料有固定的温度变化范围((1°~20°F);相变材料的固液态能相互转化。2.3影响含有微胶囊包裹的相变材料调节温度有效性的因素相变材料的温度变化范围;相变材料的热焓值;每个微胶囊体中相变材料和微胶囊壁的比率。2.4纤维用相变材料的选择正'常条件下，人体的环境舒适温度一般在29°C~35°C之间，因此一般选用相变温度落在此区间的相变材料作为服用纤维的改性剂。一般应选择潜热和密度较大、热膨胀系数小、导热迅速的相变材料。同时，相变过程必须保持蓄热性能的稳定、无过冷、过热现象，在洗涤等使用过程中蓄热性能不损失、不变化。通常具有使用价值的纤维用相变材料的使用寿命一般大于1000次循环。为了覆盖所有实际需要温度范围，现在我们使用二种不同的相变材料:41级一一温度65°F一85°F,用于严寒气候;42级一一温度80°F一100°F,用于温暖气候;43级一一温度90°F一110°F,用于炎热气候。3.1.3微胶囊涂层法涂层剂包括聚合物粘合剂、相变材料微胶囊，涂层剂在特定温度下有特殊的蓄热效应。将含有相变材料微胶囊的涂层剂涂到织物上，获得温度调节的效果。采用涂层法制得的微胶囊处于纺织品表面，耐洗性较差，易被破坏。3.1.4微胶囊纺兹法将直径在5µm以下的相变材料微胶囊分散在聚合物熔体或者聚合物纺兹原液中，经纺兹得到相变调温纤维，将相变材料制成微胶囊后提高了相变材料的稳定性，可更好的应用纺兹，其微胶囊直径为10~16µm壁厚小于lµm，相变材料的加入量为80%~185%现在己实现工业化生产的温度调节纤维品种较少，产品性能有待进一步提高。采用涂层和整理加工的方法生产的调温纺织品，由于相变材料的含量较低，储热和调温功能较差。而目加工效果的耐洗性、耐磨性较差。采用纺丝法生产的调温纤维的调温功能和耐久性较好，但日前工业化生产的调温纤维，卞要是利用相变材料微胶囊进行加工的，由于相变材料微胶囊在熔融纺兹过程需要经受高温和较大的压力，相应的会产生许多的问题，因此现在工业化生产的调温纤维卞要是通过将相变材料微胶囊加在睛纶成纤聚合物中，利用湿法纺法而制得的。调温纤维品种较少，相变材料在纤维中的含量有限。日前，卞要生产的是Outlast调温纤维及制品。4温度调节纤维的典型代表Outlast纤维[9}Outlast技术的应用卞要有两方面，即面料涂层和纺丝(1)将含有Outlast技术的微胶囊(PCMS)涂于织物表面，C2)用Outlast技术将微胶囊混入纺妊液中进行纺妊，卞要应用于睛纶纤维。毛纺型:线密度2.2dtex，3.3dtex，5dtex，长度为51mm，60~110mm的不等长散纤维不II毛条。棉纺型:线密度1.7dtex，1.9dtex，长度38mmo纺织工业南方测试中心通过热分析法测出Outlast睛纶纤维中含有热敏相变材料的吸热、放热性能:融熔吸热温度范围为24.00C--32.00C,吸热焓值为4.3J/g;结品放热温度范围为3.5°C~19.5°C，放热焓值为2.4j/gJ/go4.1温度调节原理和特点Outlast技术关键是使用微胶囊包裹的热敏材料，这种材料具有以潜热的形式储存和释放能量的功能。根据温度的变化，它可以固态、液态4_相转化，从而达到吸热、放热的效果。Outlast纤维中的微胶囊热敏相变材料为碳氢化蜡，它能根据外界环境温度的变化在皮肤上作出相应的反应，对温度变化有缓冲作用。由此纤维制成的服装中存在着成千‘上百万个具有能量转换功能的相变材料，它们能不间断地吸收和释放能量，从而调节温度使服装保持在一个舒适的温度范围，故用该纤维可制得冬暖夏凉的服装。4.2Outlast纤维加工过程中出现的问题我国卞要是进日Outlast纤维，将Outlast纤维与棉、麻、毛、妊等混纺，Outlast纤维本身容易起静电，而目在纺纱的过程中微胶囊受到温度、挤压力以及摩擦的影响会发生破裂，不仅会使纺纱难于进行，而且.会影响温度调节的效果，因此，我们要进一步研究相变材料微胶囊在下怎样的(温度、摩擦、挤压)的范围下，保持其完整性，进而能够指导工业生产。5温度调节纤维的用途5.1服装领域温度调节纤维做太空服，运动性服装上，制成滑雪服、滑雪靴、手套、袜类。它根据人体头部或脚部过热与过冷的情况，吸收环境或运动员剧烈运动产生的大量热量，使人体避免了过快的体温上升而出现的高热现象。5.2医疗卫生用品制成多种温度段和适合人体部位形态的热敷袋、被褥、服装等，相变材料可以根据环境及人体温度的变化，吸收存储的和贡新释放热量，对病人的病情起到良好的辅助治疗作用。5.3保护性装置在头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等保护性装置中应用微胶囊相变材料，可以适当地控制这些部位泪一液的产生与排放。通过微胶囊内的相变材料的相变可以调节身体局部温度的平衡，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5.4军事用途用于制造时示保暖乎套，军用冷热作战靴、潜水服、冬季服装、海军陆战队微气候冷却服装等方面。除此之外，它还能用于红外线伪装服，军事应用上的红外光波段卞要分为0.75~3µm的近红外和3~15µm的热红外。近红外探测是根据日标与背景的亮度差别来发现日标。因此，伪装卞要是设法减少或消除日标与背景的亮度差别。红外热象仪则是利用高于环境温度的物体都会向外发射红外辐射而使之成像，因此，防热红外探测就要通过降低日标在热红外谱段的热辐射，调温纤维及纺织品能缓冲人体散发的热，降低热红外辐射，有望在热红外伪装方面起到作用。6前景展望采用相变材料直接复合纺妊法会使聚合物的可纺性下降，目若是固液相变材料复合纤维则相变材料易流失、渗出，耐水洗性也较差。日前重点在于获得更小尺寸的胶囊，增大胶囊的强度、包囊率，增大纺丝中相变材料的填充率以及对微胶囊复合纺丝工艺的深入理论研究。随着人们对纺织品功能性和舒适性的要求不断提高，今后我们应向多功能化发展如抗菌一热调节功能纤