纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物吸光发热性能研究

梁佳璐,丛洪莲,高 哲

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

保暖性是冬季服装最重要的性能，日常生活中的保暖服装主要通过使用保暖纤维来实现，保暖机理主要分为维持热量和能量转换两种方式[1]。纳米陶瓷锦纶短纤是通过纳米陶瓷颗粒吸收人体发射的热量，提高对人体的热辐射，阻挡热量逸散；同时自身也可以吸收太阳能辐射中的可见光和红外线，并将其转化成热能，从而达到保暖效果，更有吸光发热的作用[2-4]。吸收光能产生热量的过程包括材料的吸光、光照能量的吸收反射、能量在环境中的交换等[5-6]。

东华大学通过加入远红外陶瓷粉和碳化锆颗粒制得了聚丙烯腈基太阳能蓄能发热纤维[7]；江苏太仓发明了由陶瓷蓄热纤维和天然纤维素纤维混纺的保暖舒适透气纤维[8]；目前已开发的具有吸光发热性能的纱线均是通过将具有吸收红外线性能的颗粒添加进基体纤维溶液中制得，织造的织物比一般织物在晴天的温度高2℃～8℃[9]。将云母颗粒加入到锦纶纺丝液中制得的锦纶基凉爽纤维的降温性能优于普通锦纶[10]。

纳米陶瓷是指在颗粒或尺寸在一维尺度上具有纳米量级的陶瓷材料，兼具陶瓷材料和纳米材料的特性，多是金属氧化物，如：氧化铝、氧化镁、氧化锆、二氧化钛以及二氧化硅等等[11-15]。纳米陶瓷锦纶短纤在后加工过程中将纳米陶瓷颗粒均匀地渗透到锦纶等纤维分子的内部结构(无定形区)中，以提高纤维对阳光等光源中红外线的吸收，起到储热保温效果[16]。

本文主要采用织物升温/降温测试、保温测试和热成像捕捉的方法，针对纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的吸光发热性能进行研究。

1 实验准备

1.1 纱线准备

本文研究的是恒天中纤纺化有限公司的纳米陶瓷锦纶短纤，将直径在200 nm左右的白色纳米陶瓷颗粒和锦纶纺丝液共混制得的短纤，可以增加纱线比表面积，提高纱线性能，之后与莫代尔、棉进行混纺，得到混纺短纤。纳米陶瓷锦纶短纤的组成是：35 %锦纶、35 %莫代尔和30 %棉。其在全波段光谱照射下可实现光能向热能的转化，室内外均具有发热功能。通过将纳米陶瓷锦纶短纤与其它纱线交织改变织物原料比例，从而测试不同含量纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的吸光发热性能。

1.2 织物准备

织物的吸光发热性能主要反映了织物的吸光发热能力，主要作为低温寒冷环境中的服用面料，选择测试的织物均是双面织物，选择市场上典型的双面织物组织结构，同时选择的织物克重在300 g/m2以上，织物的厚度在1 mm左右。

本次测试织物的织物参数如下表1所示：

表1 测试织物参数表

1.3 环境准备

全光谱UVB金卤太阳灯(220V，150W)，是一种接近日光色的节能新光源，金卤灯的光谱是在连续光谱的基础上叠加了密集的线状光谱，波长范围覆盖了可见光(0.4μm～0.76μm)和红外线(0.76μm～400μm)部分，可以满足织物升温所需要的光源条件，减小自然界中太阳光线动态照射对织物性能测试结果的影响。

恒温恒湿室，温湿度条件是：温度(20±2)℃，湿度(65±4) %RH，可以在实验过程中保持相对稳定的环境，降低自然环境的温湿度变化对织物性能测试结果的影响。

1.4 织物性能测试

1.4.1 织物升温/降温测试

图1(a)所示为使用温度传感器对织物升温/降温测试的原理图。根据光吸收保温性试验方法(BQE A 036-2011)来进行设计，在同一条件下打开光源照射织物(规格：15cm×18cm)0.5h，关闭光源0.5h，并使用iButton DS1922L-F5温度传感器(记录间隔时间：30s，记录精度：0.0625℃)对织物中心点的温度进行实时测量。

1.4.2 织物保温性能测试

根据GB/T11048-1989《纺织品保温性能的试

基肥配比对花期持续天数的影响达到了极显著水平，对地径的影响达到了显著水平，对另外2个指标的影响不显著。N∶P∶K=15∶15∶15 的基肥配比对地径和花期持续天数均存在最好的促进效果。从单因素来看，营养均衡的基肥策略对复色紫薇的增益明显。

验方法》使用YG606型平板式保温仪(加热周期为3个周期，加热时间为20min，加热温度为36℃)测试织物(规格：30cm×30cm)的保温性能，每种试样测试3组数据，取其平均值。织物的保温率越大，传热系数的数值越小，克罗值越大，织物的保温性能越好[17]。

1.4.3 织物吸光发热成像捕捉

图1(b)所示为使用InfRec R500红外热像仪对织物吸光发热成像进行捕捉的实验原理图。利用光源和红外热像仪搭建一个测量系统在同一条件下照射织物(规格：15cm×18cm)0.5h，将织物升温情况每隔5min转变为图片格式，图中的颜色越深，织物的温度越高，以此来比较四块织物光源照射部分的温度最大值[18]。

图1 测试装置图

2 织物性能结果与分析

2.1 织物升温/降温规律

根据实验数据以时间段数(30s/段)为横坐标，分别以不同织物各自的温度做纵坐标，得出的变化趋势图如下页图2所示：

图2 织物升温/降温变化图

在恒温恒湿的条件下，光源照射时，织物的温度变化具有三个阶段。在A区，四款织物的温度随着光源照射时间的增加而增加，且升温速率近似相等。在B区，四款织物的温度随着光源照射时间的增加而增加，但升温速率渐渐降低，四款织物的升温速率从大到小依次为：织物2、织物1、织物3、织物4。在C区，织物4的升温趋于平缓，趋向于与周围环境达到平衡的能量交换，其他3款织物仍具有缓慢升温的效果，织物2升温效果最佳，织物1次之。

织物的热阻主要取决于织物所用的纤维。光源照射时，从原料来看，织物1纳米陶瓷锦纶短纤含量高达100 %，织物2含95 %，织物3含78 %，织物4则不含纳米陶瓷锦纶短纤，因此织物4的升温速率最小，织物3的升温速率仅高于织物4。织物紧度的增加，织物厚度的减小均会使得其热阻值降低。从紧度来看，织物2成分中氨纶，织物致密，热阻大；织物1厚度较薄，织物热阻小，易散热，因此织物1的升温速率小于织物2。当织物中纳米陶瓷锦纶短纤含量是95 %，氨纶含量是5 %时，织物的吸光发热性能最好。

吸光发热材料有良好的吸收阳光作用，但在没有阳光的情况下，温度下降很快。关闭光源后，织物没有接受光源照射，没有能量来源，织物温度均会下降。从原料来看，织物1纳米陶瓷锦纶短纤含量高达100 %，织物2含95 %，织物3含78 %，织物4则不含纳米陶瓷锦纶短纤，因此织物4的降温速率最小。而其余三款织物的降温速率基本相似。

2.2 织物保温性能

根据实验数据汇总的保温性能测试结果如表2所示：

表2 保温性测试数据

通过实验数据表2可以看出，织物4的保温率及克罗值最小，说明在相同的情况下，织物4的保温性能较差，而织物1、织物2、织物3的保温率及克罗值数值接近，说明三者的保温性能接近。反映了含有纳米陶瓷锦纶短纤的织物的保温性能优于普通织物。

2.3 织物吸光发热成像特征

利用红外热像仪捕捉到织物光照30 min升温图片如图3所示：

图3 织物升温采集图

在图3中，由于实验中采用的光源是球状，四款织物面上的温度从四款织物交界处向织物各自的中心的方向上颜色逐渐变浅，温度逐渐降低，每款织物最大值温度由高到低依次为：织物2、织物1、织物3、织物4；在30 min内，四款织物的温度升高值分别为：30.81℃、29.97℃、29.71℃、27.4℃。

利用红外热像仪捕捉织物温度变化曲线如图4所示。

图4 织物峰值温度点升温变化图

根据图4所示，该实验进一步验证了四款织物的峰值温度点的升温规律及各织物的吸光发热性能。

3 结论

本文通过对纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的吸光发热性能进行测试分析，得到以下结论：

(1)在光源照射30 min后，纳米陶瓷锦纶短纤织造的织物比一般织物温度高3.41℃，且保温性能优于普通织物，从升温和保温角度说明纳米陶瓷锦纶短纤具有吸光发热的作用；

(2)在光照条件下，纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的升温速率大于等于普通织物；无光照条件下，纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的降温速率略大于普通织物；在实验条件下，纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物的保温性能优于普通织物；

(3)当纳米陶瓷锦纶短纤在纬编织物中含量达到78 %时，织物就具有优良的吸光发热作用；当纳米陶瓷锦纶短纤含量达95 %，氨纶含量达5 %时，织物具有最佳的吸光发热性能。在实际生产中，在保证织物性能的前提下，可以对织物成分的含量进行调节，从而降低生产成本。