智能调温纺织品的应用

李 扬

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

随着人们生活水平的提高以及特殊行业对纺织品要求的不同，传统纺织品简单的保温和御寒的功能已难以满足人们的要求，具有功能性和舒适性的纺织品应运而生，智能型纺织品的品种越来越多，其应用领域不断扩大。其中人们利用相变材料开发的纺织品具有智能调温的效果，可根据环境温度的不同吸收或释放热量，即具有气候调节功能，能在身体和服装 等之间形成良好的小气候，使人感觉到舒适[1]。

相变调温纺织品是将相变材料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、存储、分配和放出热量的功能。能够防止头、身体、足和手部位的因剧烈温度变化而产生伤害，创造舒适的温度环境。

冬天，人们会感觉到寒冷。寒冷是对热量散失的感觉。当温度降低时，血压降低，皮肤表面的血液流量减少，热量损失减少；温度进一步降低时，血液变得粘稠，肌肉变硬，反应变慢，行动迟缓笨拙。人体需要有正常的体温以保证由酶促反应实施的生理代谢的正常进行，而正常的体温是依靠人体的食 粮散热来实现的。人是一个散热散湿体，在30℃左右的环境温度下，处于静坐或从事轻度脑力劳动的全裸人体的散热量为58.14W／m2，由此实现33℃左右的平均皮温、38℃左右的深度血液温度，使人体感到舒适。当环境温度轻度偏离30℃，人体可以通过出汗、体表毛细血管扩展或收缩、肌肉紧张、寒颤等自身调节行为调节产热量和散热量，使人体核心温度维持在基本正常的范围，但人体已感到不舒适。在环境温度严重偏离30℃时，人体必须依靠围护结构来控制人体与环境之间的热流量，在人体表面和围护结构之间形成温度适当的微小气候区，使人体具有适当的体温和舒适的感觉。服装、被褥、帐篷、房屋及其附属的空调设备就是典型的围护结构。显然，对户外活动人群而言，服装是唯一的围护结构。

1 相变调温纺织品的特点及调温原理

1.1 调温原理

根据人体过热与发冷的情况，依据相变材料可以吸收存储和重新释放身体的热量，使人体始终保持较舒适的状态的特性。在外界环境温度升高时，相变材料吸收热量，从固态变为液态，降低了人体的温度。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，减少了人体向周围放出的热量，以保持正常体温，为人体提供舒适的“服装微气候”环境，使人体始终处于一种舒适的状态。当穿着含有这种相变材料的服装从温暖的室内进入到较冷的室外环境中时，并不是所有的相变材料发生转变。当热量从皮肤表面散发到冷环境中时，存在一个温度变化梯度，不管产生多少运动热量，靠近最外层的服装是不会达到皮肤温度的，相变材料可能呈固态；而最内层接近皮肤的温度，相变材料处于液态，有一放热的潜在趋势，但是相变材料的温度没有明显改变。由于液体部分吸收并储存了热量，在这种固液混合状态下，相变材料就像一个“恒温器”有助于阻止热量通过皮肤散发，对穿着者来说，达到了调节人体温度的作用。这种相变材料在皮肤和外界环境之间创造一种动力学平衡，对外界环境温度的变化起到了缓冲作用。因此研制能够改变服装内温度的“智能”服装，来调节人体特定部位的温度，保证人体特定的部位处于恒定的微气候。美国的Hansen R H 将二氧化碳之类的气体先溶解到不同溶剂中，然后将其填充到纤维的中空部分。在织造前，利用一些特殊的方法将中空部分密封，使纤维中的二氧化碳等气体发生气、液(固)之间的相变，使其达到保温的目的[2]。

美国农业部南方实验室的 Vigo 等，将SrC12·6H2O、CaCI2·6H2O 等带有结晶水的液相变材料充填到聚丙烯和人造丝等一些中空纤维中。其中的原理是利用相变水合盐在室温下发生的熔融和结晶，以此来达到放出热量和吸收热量的目的，从而调节温度。但是经过反复升降温后，无机盐便失去结晶水从纤维中析出，不再具有实用价值。

Frost、Vigo、Bruno 等开展了将聚乙二醇浸渍在中空纤维内部或整理在织物表面等的一系列的研究工作。他们通过研究发现，这些含有聚乙二醇的织物经过150 次冷却和加热循环后，仍具有吸放热功能。但由于中空纤维的直径较粗，很难避免纤维表面沾有聚乙二醇，所以工业化的推广价值也很小。

20 世纪80年代中期，Vigo 等将分子量为500～8000 的二羟甲基二羟基乙二烯脲和聚乙二醇等交联剂以及催化剂一起混合后制成了均匀的水溶液，再将羊毛织物、棉和涤棉等织物在溶液中浸渍，经过后处理后，得到了增重大于50%的织物，该类织物在0～50 ℃范围内都具有明显的吸放热的效果。美国Triangle 公司合成了直径15μm～40μm的微胶囊。这种微胶囊具有吸放热的作用，将其整理在织物表面，就使织物具有了温度调节的功能。Triangle 公司申请了一种具有可逆蓄热特点纤维的专利，这种纤维是在直径为1.0μm～10.0μm 的微胶囊中封入石蜡类碳氢化合物，然后经过和聚合物溶液一起纺丝从而制得的。

1.2 调温特点

相变材料能随环境温度的变化而发生相转变，但并不是能发生相转变的物质就可作为相变材料。作为适宜工业化应用的相变材料应具有以下特点：

（1）合适的相变温度。相变材料的应用领域、具体的应用场合不同，所要求的相变温度不同，应根据具体的应用要求，选择具有适宜相变温度的相变材料。

（2）储热能力强。一方面要求材料的相变潜热(相变焓)大，另一方面要求单位质量和单位体积材料储存的热量多(即储热密度大)。

（3）在相变过程中的体积变化小。在相变过程中，相变材料的体积变化越小越好，相变时体积变化大的相变材料难以在实际中应用。

（4）相变过程的可逆性好。

（5）导热快，即相变材料具有较高的传热能力，吸热和放热的速度快。

（6）化学性质稳定，无毒，无腐蚀性，不易燃。

（7）结晶速度快，过冷程度低。

（8）密度大。许多应用场合要求相变材料具有较大的密度，以减小体积。

2 应用领域

目前，相变材料在飞行保暖手套，军用冷或热气候作战靴，军用、民用潜水服、冬服，海军陆战队微气候冷却服装、寝具，赛车服、头盔，服饰(滑雪服、滑雪靴、手套、袜类等)[2]，汽车内饰织物等均有应用。在理疗上，利用相变材料温度的调控性能对病人的病情会起到良好的辅助治疗作用。对于在高寒区工作的军警等特殊群体而言，采用积极式智能保温材料PCM，可在不同温度环境下、在一定时间范围内维持人体微气候区的温度基本恒定，可降低服装体系的重量，缓解服装重量和服装保暖量的矛盾，减少单兵负荷、提高单兵的战斗力。此外，冷库工作人员等反复交替出入冷热环境的人群，也适合与使用PCM 材料。

3 智能调温纺织品的用途

关于蓄热调温纺织品的用途，目前仍在开发中，其用途有很多方面。

（1）服装领域。具有服用纺织品的基本性能，因而可用做民用纺织品，如服装面料、里料等，已经市场化的产品有茄克、体育运动服和滑雪衫等。用于高级西服、消防服、炼钢服、潜水服、宇航服、飞行服、野战服、极地探险服、冷库工作服、鞋衬等[3]。

（2）装饰领域。用做窗帘、床单、被面或保温絮片，其用于睡袋的保温絮片已市场化。

（3）医疗领域。用于手术服、医用恒温绷带，还可用于病员服装。

（4）产业领域。用做建筑屋顶、汽车内衬、电池隔板或其材料。

[1]顾振亚，陈莉. 智能纺织品设计与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006：29-30.

[2]朱良久，崔玉桐. 新兵冻伤情况调查分析[J]. 解放军医学杂志，2005(1)：61-62.

[3]石海峰，张兴祥. 微胶囊技术在蓄热调温纺织品中的应用[J]. 产业用纺织品，2008(12).