环保型微胶囊在服装面料上的应用

曹雨婷 陈旭 丁林静 石蕊 戴钰享

摘要：针对消费者对于服装面料绿色环保、穿着舒适的普遍需求，以海藻酸钠和相变材料为原料制备相变微胶囊，并将制备所得微胶囊涂敷在服装面料表面，制得了一种可主动调节微环境温度的服装面料。使用扫描电镜（SEM）、差示热扫描量热仪（DSC）对相变微胶囊的外貌形态和热性能进行分析。研究结果表明：将环保型微胶囊涂覆至服装面料的表面可明显改善织物的调温性能，提升人体的穿着舒适度。

关键词：服装面料;绿色环保;复合织物;相变微胶囊

微胶囊的制备技术始于20世纪30年代，在20世纪70年代中期得到了迅猛发展。如今微胶囊技术已经在医学、药物、涂料、食品、生物、化工等许多领域得到了广泛的应用。[1-4]微胶囊技术是指利用成膜材料将固体、液体或气体进行包覆，形成直径约为几十微米至上千微米微球的技术。[5]该技术克服了相变材料在单独使用时可能出现的泄露、污染环境等问题。

相变材料按照相变过程通常可分为“固-固”相变材料、“固-气”相变材料、“固-液”相变材料和“气-液”相变材料四种类型。其中，“固-液”相变材料的应用最为普遍，来源也相对广泛。“固-液”相变材料是通过固相和液相的相变而进行可逆的能量的储存和释放。[6-8]石蜡是目前应用最为广泛的一类“固-液”相变材料，具有低腐蚀性、低成本、无明显过冷结晶现象等优点。[9-10]海藻酸钠是一种具有绿色环保、廉价易得等特点的化合物，其与钙离子在室温条件下可生成海藻酸钙凝胶。[11-12]

本实验以石蜡为芯材、海藻酸钠为壁材、氯化钙为凝固剂制备环保型微胶囊，并将微胶囊整理至服装面料的表面，利用扫描电镜（SEM）、差示热扫描量热仪（DSC）等对相变微胶囊的外貌形态和热性能进行分析。

1    实验部分

1.1  实验材料和仪器

实验材料和仪器包括：石蜡;海藻酸钠;无水氯化钙;表面活性剂;纯棉面料;分析天平;傅里叶变换红外光谱分析仪;机械搅拌器;恒温水浴锅;光学显微镜;差示热扫描量热仪;台式扫描电子显微镜;真空冷冻干燥机。

1.2   环保型微胶囊的制备

称取一定质量的石蜡，放置在35 ℃的恒温环境下，加入一定量的乳化剂，用搅拌器以1 500 r /min的速度搅拌10 min，得到乳白色的石蜡乳液;称取一定质量的海藻酸钠，加入蒸馏水并在50 ℃恒温环境下进行充分搅拌，待其充分溶解后得到淡黄色的海藻酸钠溶液;之后将石蜡乳液加入至海藻酸钠溶液中进行充分的搅拌，得到预备乳液;通过注射剂将预备乳液匀速滴加至凝固浴内，使得海藻酸钠固化得到微胶囊;将微胶囊冷冻干燥处理后得到环保型微胶囊。

1.3    环保型微胶囊服装面料的制备

将包含有相变微胶囊的黏合剂、消泡剂和分散剂的混合液加入覆膜槽中，将服装面料浸在整理池中一段时间。

1.4    蓄热调温性能测试

1.4.1 外貌形态测试

采用日本日立公司的TM-1000型扫描电子显微镜来观察相变微胶囊的微观形貌，并通过粒径分析软件来统计相变微胶囊的粒径分布情况。

1.4.2 DSC性能测试

采用德国NETZSCH公司的200F3型差示热扫描量热仪，测试相变微膠囊和复合织物的相变温度、相变潜热等性能参数，测温区间为 -10 ～60 ℃，升温速率为5 ℃/min，气氛为N2（50 ml/min），参比物为A12O3。

1.4.3降温性能测试

取适量织物试样置于恒温恒湿环境（温度=35 ℃，湿度=45 %）中24 h。待温度和湿度稳定后，将织物试样置-5 ℃的低温环境中自然降温，通过红外测温仪来测定织物的表面温度;在每一样品的不同部位各测3次，结果取其平均值，并依据所得数据绘制降温曲线。

2    结果与讨论

2.1    外貌形态测试结果

可以看出，相变微胶囊呈圆球形，表面较为光滑，包覆程度较高，基本没有发生破裂。通过目镜分析可以得到，微胶囊的平均粒径为122.4 μm，集中分布在100～270 μm的范围内，并且呈现出正态分布的特征。

2.2   DSC测试结果

可以看出：相变微胶囊的相变温度为26.6 ℃，相变潜热为208.5 J/g;复合织物的相变温度为26.8 ℃，相变潜热为44.7 J/g。进一步观察得出：复合织物的相变点与相变微胶囊较为接近，这说明涂层行为对于相变微胶囊自身相变行为的影响很小，基本保持了相变微胶囊原有的储热和放热特性。由吸热峰面积计算出复合织物的上浆率为21.4%。

综上所述，复合织物具有较为理想的相变潜热，可以在外界环境温度发生明显变化时吸收/释放出热量，从而保证了人体体感舒适性。

2.3   降温曲线

在降温过程的初始阶段，由于此时相变微胶囊还没有达到相变温度，无法起到调节温度的功效，因此复合织物的降温速率较大;当织物表面温度降至30 ℃时，微胶囊中的石蜡相变材料发生相转变并释放出热量，通过曲线图可以较为明显地观察到，此时复合织物的降温速率有减小的趋势。随着织物表面温度的进一步降低，石蜡相变材料释放的热量急剧增大。随着相变过程的持续进行，石蜡的热焓量减少，织物的降温速率逐渐增大，最终达到平衡。可以看出，相变微胶囊的加入显著地降低了复合织物的降温速率。

3    结论

本研究制备了一种环保型微胶囊及其复合织物，以提升服装穿着的舒适度和保暖度。主要结论有以下几点：

（1）成功制备了环保型相变微胶囊;

（2）相变微胶囊的相变温度为26.6 ℃，相变潜热为208.5 J/g，复合织物的相变温度为26.8 ℃，相变潜热为44.7 J/g;

（3）由降温曲线可知，环保型微胶囊的加入显著地改善了织物的调温性能。

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Abstract： In response to the general demand of consumers for green and comfortable clothing fabrics， phase change microcapsules were prepared with sodium alginate and phase change materials， and the microcapsules were coated on the surface of clothing fabrics to produce a clothing fabric that can actively adjust the microenvironment temperature. The morphology and thermal properties of the microcapsules were analyzed by SEM and DSC. The results show that the environmental microcapsule coated on the surface of clothing fabric can obviously improve the temperature regulation performance of the fabric and enhance the comfort of human wearing.

Key words： clothing fabrics; green environmental protection; composite fabric; phase change microcapsules

责任编辑    盛    艳