浅谈相变材料在蓄热调温纺织品中的应用

胡剑灿++++张宇群++++姚盼盼++++罗峻

摘要

蓄热调温纺织品是相变材料与纺织品相結合的、具有温度调节功能的新型纺织品。本文简单地介绍了调温纺织品的原理、相变材料的主要类型、调温纺织品制备应用的主要方法。调温纺织品目前尚无统一的测试方法，本文对几种调温纺织品的测试方法进行了简单的介绍。

关键词：调温纺织品；相变材料；制备；测试

智能纤维是指能够感知外界环境变化或刺激（如光、热、磁、电、化学、力等），并做出响应的纤维材料。智能纤维以及利用智能纤维制作而成的智能纺织品被认为是纺织服装工业发展的一个重要方向。智能调温纤维是智能纤维的一种，是相变材料与纤维制备技术相结合而成的新型纤维产品，其能感知环境的温度变化而发生相应的吸热、放热行为，实现对温度双向的调节，使温度保持合适的范围内，在不同外界环境下满足人体舒适性、使用性的要求。图1为Outlast调温纤维与传统纤维的比较示意图，调温纤维能对温度进行一定的调剂，使温度保持在人体的舒适温度范围内。

1 相变材料

相变材料是指在目标的使用范围内，能发生相态转变的材料，发生相态变化的温度点称之为相变点。在相态转变发生的过程中，相变材料可以吸收或释放大量的热量，使温度在很小的范围内变化甚至保持不变，对温度起到缓冲的效果。直至相变过程完全完成后，材料的温度才继续上升或下降。相变材料的热能存储过程如图2所示[2]。相变材料在相变过程中储存或释放的热量称为潜热。

物质相变主要有4种不同的形式：固-液相变、固-气相变、液-气相变和固-固相变，其中固-固相变是指材料在不同的晶型之间发生的转变[3]。固-气相变和液-气相变过程涉及气体的产生，物质的体积在相变前后发生较大的变化，难以在实际中应用。固-液相变过程具有较高的储能密度，意味着在使用时占用较小的质量和体积[4]，是目前相变材料应用的主要类型。

人体感到适宜的温度大约在18℃～35 ℃[4]，因此具有调温性能的纺织品中相变材料的相变温度应该在这个温度附近为宜。根据相变材料的组成，相变材料可分为三大类：有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料。下面简单介绍几种在这个温度内的相变材料。

1.1 无机相变材料

无机类相变材料主要是指无机水合盐，如十水硫酸钠、七水碳酸钠、六水硫酸镁等。这些无机水合盐失去结晶水是明显的吸热过程，而水合盐的产生则会放出热量。例如十水硫酸钠又被称作格劳伯尔（Glauber）盐，其相变温度为32.4℃，是人体普遍感到舒适的温度。当温度高于相变温度时，十水硫酸钠固体会脱去结晶水，形成硫酸钠溶液；当温度低于相变温度时，硫酸钠与水分子结合，重新形成十水硫酸钠固体。十水硫酸钠的相变过程潜热可达254 kJ/kg，同时具有良好的导热性能[5]。

无机水合盐具有较高的潜热和储能密度、良好的导热性能、性质稳定、价格低廉，是具有巨大吸引力的相变材料；但是大多数无机水合盐存在着一定的腐蚀性，在相变过程中存在过冷现象和相分离现象，反复使用过程中容易产生无规则的变形，使无机水和盐在实际应用中受到了限制。

1.2 有机相变材料

有机相变材料可大致分为以下几种：石蜡类、聚乙二醇类、脂肪酸类等。

石蜡类是指长链烷烃化合物，分子通式为CnH2n+2，是石油精馏的副产物。石蜡类烷烃的熔点随着碳原子数目增加而增加，具有近似的线性关系，因此可以根据应用的温度来选择碳原子数目的化合物。其中n=17～20的烷烃熔点为16℃～36℃，适合应用于调温纺织品之中[6]。石蜡类无毒、价格便宜、化学性能稳定，是目前商业应用中最常用的相变材料。

聚乙二醇是乙二醇（PEG）的线性聚合物，分子式为HO—CH2—（CH2—O—CH2）n—CH2—OH。聚乙二醇具有无毒、稳定、难燃、可生物降解、无腐蚀性、价格低廉等优点。聚乙二醇的熔点和熔融焓随着分子量的增加而增加，例如PEG400的熔点为3.2℃，熔融焓为91.4 kJ/kg，PEG20000的熔点为68.7℃，熔融焓为187.8kJ/kg[7]。不同分子量聚乙二醇的熔点见表1。通过选择PEG的分子量或者混合不同分子量的PEG可以对聚乙二醇的熔点进行选择[8]。

脂肪酸是动植物脂肪和油脂的水解产物，低廉易得，其性质与石蜡类烷烃化合物相类似，是一类具有广泛应用前景的相变材料。脂肪酸类对人体无毒无害，可以生物降解；其化学和热学性能十分稳定，经过上千次的熔化冷冻循环仍可保持良好的热学性能[9]。但脂肪酸有不良的气味，有一定的腐蚀性，在升温的时候容易发生升华；为了克服以上缺点，有研究人员通过脂肪酸和醇类反应[10]，得到脂肪酸酯，对脂肪酸的性质加以改善。

1.3 复合相变材料

当有缺乏合适相变温度的相变材料，或在具有合适相变温度的相变材料成本太高时，为了得到相变温度适当、性能优越的相变材料，会采用将几种相变材料复合的方法，以弥补各种材料的不足。复合的材料可以是有机-有机复合材料、无机-无机复合材料或有机-无机复合材料。

马艳红[11]将相变蜡和硬脂酸正丁酯组合在一起，研究了该二元复合体系在不同比例下的相变储热性能，成功制得了一系列以相变蜡/硬脂酸正丁酯为芯材的相变温度可调的微胶囊，其熔化峰值温度在28℃～35℃之间可调。

复合相变材料既能有效克服单一的相变材料存在的缺点，同时改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。但该类材料组成和结构较为复杂，界面处理和制备技术存在着困难，同时相变结构和机理尚待进一步研究[12]。

2 调温纺织品中制备应用

保暖是纺织服装的一个重要功能。纺织服装能为人体皮肤表面创造合适稳定的微环境，使人体保持舒适的状态。将相变材料应用到纺织服装中，能提高纺织品的吸放热容量，还能在外界温度发生变化时为纺织品提供一定的温度缓冲功能，保持人体的舒适状态。调温纺织品源于上世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）为保护太空中的宇航员在太空和极高空免受低温伤害，而资助开发的技术。1997年，美国Outlast公司成功将该技术产业化，使该技术在民用纺织品领域逐渐得到广泛应用。目前，智能调温纺织品已经在鞋帽、手套、袜子、保暖内衣、户外服装、床上用品、地毯、医用绷带等多个终端产品上有所应用，其种类以及产值都在不断地增加。

目前在实际应用中的相变材料多为固-液相变材料，在使用过程中材料转变成液相时，具有流动性，使相变材料容易发生泄漏，因此通常将相变材料封装在具有核壳结构的微胶囊中，从而实现材料的固态化。相变材料胶囊化能增大有效传热面积，增强材料的传热效果，提高相变材料的使用寿命，解决固-液相变材料在相变过程液体渗漏、分解、与外界环境接触及污染环境等问题，使得相变材料更方便地使用、贮存和运输。下面介绍将相变材料胶囊化后，其在纺织品中应用的方法。

2.1 纺丝法

纺丝法是将相变微胶囊加入到聚合物的溶液或熔体中，再通过湿法纺丝或熔融纺丝工艺制备出含有相变材料的纤维。相变微胶囊被包裹在纤维的内部，使微胶囊的使用寿命大大增加，对织物的手感、柔软度、颜色等性能不会造成较大的影响，同时织物的针织、梭织、染色、后整理、印花等后续工艺也无需进行较大的调整。1988年，美国Triangle公司将含有石蜡的相变微胶囊加入到聚丙烯腈纺丝液中，通过湿法纺丝法成功地制备出具有调温功能的腈纶纤维，并申请了发明专利[13]。1997年Outlast公司利用这一技术推出了具有调温纤维功能的面料，应用于内衣、鞋帽、床上用品等多种产品。天津工业大学的张天祥将含有正十八烷相变材料的微胶囊加入到聚丙烯熔体中，再通过熔融纺丝制备成纤维；纤维大致在32℃左右发生吸放热，使温度在一定范围内保持不变[14]。图3分别为Outlast公司推出的腈纶调温纤维和粘胶调温纤维。

调温纤维（b）[1]

2.2 涂层法

涂层法是指将相变微胶囊加入分散到涂层剂中，再通过干法涂层、湿法涂层、转移涂层等方法将涂层固定到织物上，从而使织物具有调温的功能。美国Triangle公司于1994年申请了在织物表面添加具有相变微胶囊涂层的专利[15]。涂层法属于织物的后整理过程，适用于多种纤维成分的织物，如棉、麻等难以通过纺丝法添加相变微胶囊的织物。常用的涂层剂主要为丙烯酸涂层和聚氨酯涂层。SalaünF等利用相变微胶囊的聚氨酯涂层对棉织物进行了整理，具有良好的调温效果[16]。但是织物表面的涂层结构会使织物的柔软度、透气性等下降，对织物的舒适性造成一定的影响。

2.3 泡沫法

泡沫法是指将相变微胶囊均匀加入到聚氨酯发泡材料中，再进行发泡成型，得到含有相变微胶囊的泡沫材料。泡沫材料本身具有大量的孔状结构，是优良的绝热材料，添加相变微胶囊后，泡沫在相变材料的相变点附近能实现对温度的主动调节，使温度能进一步地保持不变。与其他方法相比，泡沫中相变微胶囊的含量可高达20%～60%[17]，因而对温度具有优异的调节能力，泡沫材料的容量大，可以添加不同组成的相变微胶囊，达到在多个温度都可以实现调节的效果。调温泡沫主要通过热熔层压与织物粘合，或者利用泡沫涂层法添加到织物表面，从而实现在纺织品中的应用。

3 调温纺织品的测试

调温纺织品在外界的温度变化过程中实现了对温度的动态调节，针对调温纺织品这种特殊的性能，目前国内外暂无统一的测试方法和标准对其进行评价。下面介绍几种调温纺织品的测试方法。

ASTM于2004年发布了ASTM D7024—2004《纺织品材料稳态和动态热性能的试验方法》。该方法将调温纺织品面料夹在热板和冷板之间，测量材料的动态热性能时，保持控制冷板的温度不变，对热板施加一个随时间正弦变化的热流量，使热板的温度在材料的相变点附近变化。通过测量热板温度的变化幅度，可以算出纺织品面料的温度调节因子TRF（Temperature regulating factor），由此对纺织品材料的调温能力进行评价。该方法模拟了调温面料在相变点附近的热传导过程，但该标准于2013年被ASTM撤回[18]。

热分析法是研究物质在加热或冷却过程中，其性质和状态随温度变化而变化的手段。热分析中的差示扫描量热法（DSC）法，可以测量材料在相变过程中的相变点、相变焓、温度的变化范围、相变过程中的能量损耗等参数，直观反映纺织品材料的热力学性能。热分析法是成熟的测试手段，简单易行；但热分析方法的测试条件往往与纺织品实际的使用条件不同，难以对纺织品在实际使用过程中的性能和效果进行模拟。

Shim H[19]等设计了一个电脑化控制的男性暖体假人，假人的表面积达1.8m2，上面有18个独立的温度控制和测量单元。他们将假人推入不同温度的环境仓中，通过测量假人表面的热量损失对调温纺织品的性能进行了评价。该方法能有效地模拟调温纺织品服装在实际使用时的状态和性能，对人的形体、衣服与皮肤之间的空气层等因素加以考虑，但设备结构复杂，检测成本较高。

4 总结

调温纺织品作为一种功能性的、高附加值产值的产品，其应用的范围在不断地扩大。目前针对调温纺织品的检测评价方法尚存在缺失，研究建立科學的检测方法和标准，实现对调温纺织品科学评价，是促进和引导调温纺织品发展的一个重要任务。

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（作者单位：广州纤维产品检测研究院）