智能调温纤维技术及应用

文献标识码: A

文章编号: 1006-334X(2015)03-0039-05

收稿日期: 2015－05－13

作者简介:严岩(1989—)，山东曲阜人，助理工程师，主要从事特种纤维研究开发工作。

传统纺织品具有保温、装饰和美观的功能，其中保温作用主要是通过阻止人体与外界环境之间的热交换而实现的。为了提高纺织品的保温功能，人们开发了超细纤维、中空纤维和复合纤维等功能性纤维，提高织物内部空气的含量，在一定程度上提高了织物的保暖性。目前，对高质量、高性能纺织品的需求日益增加，传统纺织品的保温性能难以满足人们的要求，积极产热式保暖纤维和智能调温纤维应运而生，积极产热式保暖纤维包括吸湿发热纤维、相变放热纤维、光能发热纤维、化学放热纤维等。智能调温纤维是将相变材料技术与纤维制造技术结合开发出的新型功能性纤维产品 ［1］，与传统保温纤维及织物有明显不同，其利用相变材料吸收或放出热量使温度保持恒定，具有双向温度调节功能，在不同环境下满足人体舒适性的要求。

1　温度调节原理

智能调温纤维及织物中含有一定量的相变材料(PCM)，相变材料在一定温度下发生相态变化，相变化时吸收或放出能量。相变化时吸收或放出的能量称为相变热(相变潜热)，物质温度变化时吸放热称作显热，相对于显热来说，相变热要大得多。

当外界环境温度升高时，纤维中含有的相变材料发生固－固或液－固相变，吸收热量，产生短暂制冷效果;当外界环境温度降低时，纤维中含有的相变材料发生固－固或固－液相变，放出热量，产生短暂制热效果。这种吸热放热功能使纤维对温度的改变具有缓冲作用，外界温度变化时，穿着者体表温度在一定时间内可保持恒定，使人体处于一种舒适状态。智能调温纤维吸热和放热过程是自动、可逆、无限次的。

2　相变材料

20世纪60年代，美国航空航天局(NASA )开始从事研究相变材料和相关技术。早期的研究主要集中在飞行器、建筑和太阳能的应用领域上 ［2］，选用的相变材料主要是无机水合盐。随后，美国的Birchena ［3］、德国的Gluck ［4］、日本的Yagi和Akjyama ［5］等学者对多种相变材料进行了深入研究。国内对相变材料的研究开始于20世纪80年代初，华南理工大学 ［6］、东华大学 ［7］、天津工业大学 ［8］以及广州化学研究所 ［9］等科研机构和高校在此方面做了大量研究工作。

2.1　相变材料的分类

2.1.1　按相变类型分

相变材料按照相变类型 ［10］可以分为固－液、固－气、固－固、液－气相变材料四大类。尽管固－气和液－气材料相变潜热较大，但转化时有气体产生，材料体积变化非常大，故很难应用在纤维及织物中。固－固相变材料可以分为三大类:无机盐、多元醇和有机高分子相变材料;固－液相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等无机相变材料以及石蜡烃、脂酸类、高分子化合物等有机类相变材料。液－固相变材料研究工作和技术较为成熟，发展较快且应用最为广泛。

2.1.2　按化学成分分

相变材料按化学成分可分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料三类 ［11］。

无机相变材料主要有单纯盐、熔融盐、混合盐和金属合金等。无机相变材料熔解热大、有固定熔点、相变体积变化小，但存在寿命短、腐蚀性强、价格贵等缺点，在智能调温纤维中应用较少。

有机相变材料是在不同温度下利用晶型之间的转变和高分子支链的转变来进行吸热或放热，主要包括石蜡类烷烃、高级脂肪酸、多元醇和高分子化合物。目前，纺织领域中应用广泛的是石蜡烷烃和多元醇材料。

复合相变材料是将几种相变材料复合形成二元或多元相变材料，其中包括无机类和有机类相变材料混合物及相变材料与非相变材料混合物两大类。复合相变材料可以有效克服单一的无机物或有机物相变材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。

2.1.3　按相变温度范围分

相变材料按相变温度范围可分为高温(＞250 ℃)、中温(100～250℃)和低温(＜100℃)相变材料 ［12］。

2.2　相变材料的选择

由于纤维加工和应用的特殊要求，应用于纺织纤维的相变材料并不是很多。适合用于智能调温纤维的相变材料应具备以下性能:

1)具有较大的相变潜热，在相变过程中贮藏或放出较多热量; 2)具有合适的相变温度范围; 3)具有较好的稳定性和耐久性，不易从基体中泄露; 4)具有较大的导热系数及较高的灵敏性; 5)相变过程可逆性好; 6)相变材料无腐蚀性，制造方便。

以上几个条件中，优先考虑前两个条件。

相变材料应用于纺织织物中，其相变温度范围应该与人体温度接近，符合条件的相变材料有: 1)水合无机盐等无机相变材料; 2)有机相变材料，如石蜡烃、高级脂肪酸、脂肪醇和脂肪族聚酯等。目前用在纺织织物中的相变材料大多是有机材料。石蜡是含有12～24个碳原子的直链烃，其相变温度为18～40℃，相变潜热为200～300 kJ/kg，其优点是潜热大、一般不过冷、不析出、性能稳定，但有导热系数小的缺点。多元醇是一类固－固型相变材料，通过晶格变化而放热吸热，其优点是体积变化小、过冷度小、热效率高和寿命长。

3　智能调温纤维的加工方法

3.1　中空纤维浸渍填充法

20世纪80年代，人们把中空纤维浸渍于相变材料溶液中，从而使相变材料填充进入中空纤维。由于纤维和相变材料浸润性不好，需要对中空纤维内壁改性，或者在相变材料的制备过程中加入表面活性剂，增加中空纤维内壁与相变材料的浸润性能，使相变材料更容易填充进入纤维内部。利用该方法生产智能调温纤维，相变材料的浓度应适当，如果浓度过高，溶液粘度较大，不利于相变材料填充进入纤维内部;溶液浓度过低，进入到中空纤维内的相变材料量太少，达不到理想的调温效果。

20世纪80年代，Vigo ［13］将带有结晶水的无机盐相变材料填充进人造丝和聚丙烯等中空纤维中，利用相变盐在室温下发生熔融和结晶而产生可逆贮热和放热。Vigo等 ［14］通过浸渍法将聚乙二醇填充进中空纤维内部，把中空粘胶纤维和中空聚丙烯纤维浸渍在聚乙二醇熔体或溶液中，使聚乙二醇填充到纤维内部，然后干燥调整，制备出调温纤维，其相变温度范围是40～60℃。研究发现，相对未处理的纤维织物而言，改性纤维织物具有温度调节性能，经过50余次加热冷却循环，这些改性纤维仍具有热量存储和释放的功能。李发学等 ［15］以三羟甲基乙烷和新戊二醇二元体系为相变材料，采用真空方法将多元醇固－固相变材料填充涤纶中空纤维，首次提出以填充率为指标衡量填充效果，研究表明涤纶纤维填充相变材料质量分数可以达到24%。

浸渍填充法生产的纤维直径较大，并且纤维表面会残留相变材料，在使用和洗涤过程中，相变材料易渗出，不适合作为服装用纤维。

3.2　共混纺丝法

将相变材料直接混合到聚合物熔体或者纺丝原液中进行纺丝，得到含有相变物质的调温纤维。天津工业大学的张兴祥等 ［16］以聚丙烯和分子量为1 000～20 000的聚乙二醇(PEG)及增稠剂为主要原料，采用熔融复合纺丝法研制出了智能调温纤维。另外还有以正十八烷、正十九烷和正二十烷为相变材料，乙烯－丙烯共聚物为增黏剂，与聚乙烯混合后制成母粒，以聚丙烯为皮层，经熔融复合纺丝制成纤维 ［17－18］。有专利 ［19］报道将石蜡烷烃类相变材料与一定量的二氧化硅粉末混合，然后加入到聚烯烃中熔融纺丝，制备出聚烯烃调温纤维，其相变温度约为15～60℃。邹黎明等 ［20］采用熔融复合纺丝，纤维皮层采用聚丙烯，芯层采用由脂肪酸酯类和高级脂肪族醇类组成的复合相变材料，制备了具有皮芯结构的蓄热调温纤维，并对纤维的结构与性能进行表征，其中相变材料质量分数为53.6%，熔融相变温度和结晶相变温度分别是32.6～48.0℃和20.9～39.0℃，熔融焓和结晶焓分别是90.04 J/g和81.01 J/g。邹黎明等 ［21］还采用尼龙切片为皮层，复合相变材料为芯层，使用自制的复合纺丝组件熔融纺丝，制得PA6/PCM初生调温纤维，并在80℃下拉伸5倍得到调温纤维，该纤维可用于冬季保暖外套中。

共混纺丝法也存在一些不足，在聚合物熔体中加入一定量相变材料后，可纺性变差，纺丝过程、纤维染整和后整理过程对相变材料稳定性要求较高，相变材料固－液转变对纤维强度的影响较大，这些问题有待进一步解决。

3.3　微胶囊纺丝法

将相变材料用某些高分子化合物或无机化合物以特定工艺包覆，制成含有相变材料的固体微粒，直径为1～100 μm，包覆物对相变材料的化学性质没有影响。然后将定量的微胶囊添加入纺丝溶液或熔体中，纺丝制备智能调温纤维 ［22－23］。微胶囊嵌入纤维内部，使微胶囊内的相变材料稳定地存在于纤维中，解决了相变材料的泄漏问题。目前，相变材料微胶囊的制备方法多釆用原位聚合法、界面聚合法、复凝聚法和悬浮聚合法等，特别是原位聚合法和界面聚合法应用最为广泛 ［24－25］。

Kim ［26］等将正十八烷微胶囊添加到涤纶织物中，结果表明正十八烷微胶囊加入到涤纶织物后，织物有明显热量存储和释放功能，也具有一定的稳定性和持久性。Shin ［27］等制备了以密胺树脂为壳体，正二十烷为芯材的微胶囊，将此微胶囊加入纺织品中，大大提高了纺织品的储热性能。张兴祥 ［28］等以三聚氰胺(MF)为壁材，正十八烷为芯材，研究了微胶囊的直径、形貌、耐热性等。王春莹等 ［29］以有机类石蜡为芯材，以脲－甲醛的反应产物氨基树脂为微胶囊的壁材，选用原位聚合法制备调温微胶囊，其有效成分石蜡的质量分数可达60%左右，能较好地发挥蓄热调温作用。

3.4　涂层法

涂层法是将相变材料以涂层的方式整理到纤维纺织品的表面，赋予其温度调节的功能。此方法采用的相变材料有两种形式:一是采用微胶囊形式，将含有微胶囊的涂层剂直接涂层到纺织品的表面;二是直接将相变材料涂层到纤维纺织品的表面。这种加工方法简单，但存在相变材料含量低、处理后手感和服用性能变差的缺点，织物的耐洗涤性能较差，易被破坏。纪俊玲等 ［30］以石蜡为芯材，三聚氰胺－甲醛树脂和异氰酸酯为壁材，采用原位聚合法制备了石蜡相变微胶囊。将微胶囊涂层剂涂覆在涤纶织物表面，并测试其温度变化性能。结果表明处理后织物的温度变化(升温和降温)速率明显降低，具备温度调节功能。调温织物具有一定的耐洗性，撕裂强度和断裂强度也有所提高。

上述几种生产智能调温纤维的方法中，共混纺丝法需要加入大量增塑剂改善可纺性，中空纤维浸渍法相变材料易渗出，涂层法存在相变材料稳定性差等问题，对于智能调温纤维的工业化生产，微胶囊复合纺丝法是目前最适合的加工方法。

4　智能调温纤维国内外研究进展

4.1　国外研究进展

20世纪80年代，美国开始从事智能调温纤维纺织品的研究，主要应用于航空航天领域，将十九烷等相变材料密封在宇航服织物中来减少温度剧烈变化带来的影响。

Outlast空调纤维是1988年开发成功的一种智能调温纤维，1994年首次应用于商业方面，1997年开始在户外服装中使用，逐歩产业化，现在已广泛用于服装和床上用品。Outlast公司进行了粘胶纤维添加微胶囊的研究，成功研制含有outlast微胶囊的粘胶型调温纤维 ［31］，该纤维可以与棉、涤纶、锦纶等纤维混纺。随后，Outlast公司又开发出含微胶囊的聚酯调温纤维。Outlast产品广泛应用于服装、鞋帽和手套，特别是恶劣气候条件的户外用品。

20世纪90年代初期，日本酯公司在纺丝过程中将相变物质加入到纤维中，并且用环氧树脂对纤维表面进行一定处理，保证相变材料不会从纤维中渗出，纤维制品的稳定性得到提高。1993年，日本Tringle公司使用微胶囊纺丝方法，先用石蜡烷烃制备出微胶囊，直径约1～10 μm，然后加入到纺丝液中进行纺丝，生产出的纤维具有双向温度调节功能 ［32］。2006年，日本大和化学工业 ［33］研制了Prethermo C系列微胶囊调温剂产品并推向市场。

瑞士Schoeller ［34］公司采用c-change技术开发了一种记忆面料，可以对温度弹性调整。c-change材料亲水性好，可自动调节水汽渗透力，根据外界温度变化微调内部温度，并且具有防水防风功能。

4.2　国内研究进展

我国自20世纪90年代初开始智能调温纤维研究工作，早在1993年，天津工业大学功能纤维研究所就开始对智能调温纤维进行研究，最初以聚对苯二甲酸乙二酯－聚乙二醇嵌段共聚物、脂肪族聚酯、聚乙二醇和聚丁二醇为原料进行熔融复合纺丝，制备的纤维具有双向温度调节功能，对熔融复合纺丝做了系统的研究工作; 2000年之前，该研究所把相变材料与多种增粘剂成份共混，然后进行复合纺丝，研制出相变材料质量分数达25%的智能调温纤维，并获得国家科技发明二等奖。之后，该研究所还对微胶囊技术进行系统的研究，发明了耐高温相变材料微胶囊和熔融纺丝智能调温纤维技术。另外，东华大学，青岛大学等高校也进行了相关研究工作。

2005年，江苏丹盛纺织品有限公司研发了奥特佳腈纶基智能调温纤维棉型纺织产品。2007年，北京雪莲羊绒股份有限公司与山西恒天新纤维科技开发有限公司共同研制智能调温型牛奶蛋白纤维。2008年河北吉藁化纤有限责任公司协同北京巨龙博方科学技术研究院联合发布了智能调温纤维纺织品最新研究进展，推出了微胶囊复合纺丝法生产的粘胶基智能调温纤维－丝维尔。在纤维制造、功能纱线、功能面料及功能性服装等方面，上海第三十六棉纺针织服装厂形成了智能调温纺织品产业链，开发了SL调温纤维系列产品。

5　应用领域

5.1　民用服装

智能调温纺织品具有良好的舒适性和调温功能，因而可用做服饰纺织品，如服装衬里、内衣、手套、帽子、运动服等。智能调温纺织品在服饰领域应用较为广泛 ［35］。

5.2　职业服装

智能调温纤维可用于制造军用服装、宇航服、潜水服、消防服、炼钢服、特殊劳保服装、耐高低温手套等。

5.3　床上用品、室内装饰

智能调温纺织品可用于制造窗帘、床垫、枕头、毛毯或保温絮，当环境温度变化时，智能调温纤维可以通过吸收或释放一定量的潜热维持环境温度的平衡，从而使人们处于舒适的生活环境中，目前用作睡袋产品已经产业化。

5.4　鞋衬

调温纺织品吸收、存储、重新分配和释放热量，防止脚部温度剧烈变化，温度恒定使舒适感增加 ［36］，比如滑雪靴、高尔夫鞋、登山鞋、赛车靴子。

5.5　医疗和卫生领域

加入相变微胶囊的智能调温纺织品可应用在外科医疗手术服，病人被褥，恒温绷带和为重症监护病房调节温度的产品。

5.6　其他

可用于航空材料、汽车内饰、座椅靠垫、电池隔板、建筑材料。

6　展望

含有相变材料的智能调温纤维及织物最初是应用于宇航服，如今已出现在日常消费产品中，并且具有广阔的市场前景。采用相变材料微胶囊方法制备智能调温纤维，较好地解决了含有相变材料微胶囊的纤维及织物中相变材料的泄漏问题，但对于这种新兴纤维在纺织领域的应用仍面临一些挑战，例如:微胶囊封装的效率、产量、稳定性，微胶囊对纤维结构和性能的影响，智能调温织物在染整加工过程中的稳定性，相变材料重复使用的耐久性，智能调温纤维系列化和产业化生产等，这些技术问题都值得进一步研究。