Outlast空调纤维性能及纺织技术研究

陈尚山

（江苏双山集团股份有限公司，江苏 射阳 224300）

20世纪80年代，为了更好地保护宇航员和航天器内的高精度机械设备，使其免受外层空间温度变化的影响，美国国家航空航天局逐渐采用相变材料进行控制。在保暖性纺织产品中，Outlast空调纤维于1988年研发设计成功，1994年在商业活动中首次应用，1997年在户外运动服中应用，现在服装及床上用品中得到广泛应用。用Outlast空调纤维制作的服装特别适用于户外活动以及对温度变化较为敏感的老人和婴幼儿。

Outlast空调纤维属于智能温控纤维，是一种用微胶囊技术在纤维内部嵌入热敏电阻相变材料的新型纤维，可以自行对热量进行消化、吸收、储存和散发，避免强温变化伤害人体，营造宜人的“小气候自然环境”。当外部环境温度升高时，纤维中的相变物质由固态变为液态，消化吸收热能并储存在纤维内部；当外部环境温度降低时，由液态变为固态的相变材料释放储存的热量，保持皮肤温度。

1 Outlast空调纤维的生产方法和功效产生的基本原理

相变材料（PCM）是一种运用相变潜能热来存储和开释热量的化学材料。从种类上看，相变储能技术材料较多，根据原料的化学成分可分为3类，即有机相变材料、无机相变材料、复合相变材料。根据相变材料改变相态之法，可分为4种形式，即固-气、固-液、液-气、固-固。其中，固-固这一形式转变的是晶体结构，热值的转换发生在晶体结构的转变过程中[1]。现阶段，对固-液相变材料的科学研究较多，发展较为稳定。按相变温度可分为高、中、低温三大类，高温相变材料主要有熔盐、金属材料、合金；中温相变材料主要是水和盐类、有机化合物和纤维材料；低温相变材料主要是冰和胶凝剂。根据具体要求，Outlast空调纤维在相变材料方面有3个关键应用：寒冷天气的相变温度为18.3~30.6 ℃；温暖天气的相变温度为27.8~38.9 ℃；炎热天气或进行大量健身运动时，相变温度在33.3~44.4 ℃。

微胶囊技术在化肥、食品、纺织制品、护肤品和生物制药等行业具有广阔的应用前景，是21世纪重点科研、开发和设计的高新技术。纺织工业中使用的相变微胶囊是用纤维材料、天然石材或半复合材料覆盖在特殊温度范围内的相变材料上，覆盖的材料被称为胶囊壁，制成正常状态下相对稳定、直径为2~200 mm的固体颗粒。规定相变材料的性质不会受到胶囊壁的影响，也不会和胶囊壁发生反应。胶囊壁应选择能在外界温度大幅度变化和强大外力作用下长时间保持有效性的原料，以防止相变材料从微胶囊中外渗。随后，在纺丝液中加入一定量的相变微胶囊，根据喷丝头挤出纤维。微胶囊立即置于纤维内部，内部的相变物质可以顺利存在纤维中。

Outlast空调纤维的关键技术在于微胶囊封装的热敏相变材料的应用。在温度变化过程中，固体和液体可以相互转化，达到吸热和放热反应的实际效果。当自然环境温度或人体皮肤温度接近微胶囊相变材料的熔点时，固态的相变材料就会消化吸收热量、变成液态，达到实际降温效果。在严寒环境中，相变材料由液态变为固态，释放热量，达到实际加热效果。这种热转化可以减小皮肤温度的变化，缓冲作用十分明显，提高穿着者的舒适度，达到像空调一样控制温度的实际效果。

2 Outlast空调纤维的温控特性

使用Diamond差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry，DSC）对Outlast空调纤维和一般纺织品进行热分析，考察两者在-10~60 ℃升温区间和60~-10 ℃降温区间是否有吸热反应和放热反应段，设定升降速率为5 ℃/min。DSC是一种热统计分析方法，可准确测量在系统控制温度下被测产品和参比产品的输出功率差异与温度之间的相关性。DSC具有较高的鉴别力和灵敏度，可以定量分析和测量各种主要热参数（热量、直射比热、恒压比热等），被广泛应用于材料应用研究。Outlast空调纤维和普通纤维的热分析结果分别如图1和图2所示。

图1 Outlast空调纤维差示扫描量热分析

图2 普通纺织纤维差示扫描量热分析

3 Outlast空调纤维纺织问题

Outlast空调纤维可以纯纺，也可以与多种纤维（如棉、毛、丝、麻等混纺面料）交织，机织和针织都行，纺织难度较大。

3.1 静电感应问题比较严重

Outlast空调纤维是光亮纤维，产生大静电感应，虽然表面光滑，但纤维间的结合力较小。另外，纤维的原厂家没有使用抗静电剂，增大了纺织空调纤维的难度系数。在生产加工过程中，常出现梳棉困难、烂孔、烂边、浮网、浮纱、并条、粗细纱缠绕罗拉等问题。

3.2 PCMS微胶囊易开裂

10% PCMS微胶囊包含在Outlast空调纤维中，纤维基于微胶囊中的热敏电阻材料发生吸热、放热反应，完成温度调节。在梳理、分纱、纺纱等空调纤维的生产过程中，部分微胶囊容易被挤压、破裂。如果微胶囊出现较多的分裂，纤维的空调效果就会消失。破裂微胶囊溢出的热敏材料在基本工作环境中呈液态、黏稠状，容易导致纤维缠绕辊、缠绕罗拉、使线圈堵塞等问题；微胶囊内的蜡在纤维上粘附，易产生着色困难。

3.3 纺织品规格和型号设计的局限

Outlast空调纤维的相对密度、蓬松度和延展性较低，净重和体积都较大，成纱难度系数大，纺织号数限制较大，特别是在高支纱纺织时。强度低，配比小，成品纱的断裂伸长率远小于纯棉纱，纺织难度较大。另外，纤维体量大，无法设计高密针织纺织品。

4 Outlast空调纤维纺织技术措施

将Outlast空调纤维与精梳棉混纺面料按65∶35的比例产出单纱18.4 tex和29.4 tex，将Outlast纤维混纺精梳棉、氨纶纤维按61∶32的比例产出弹力纱29.4 tex。生产的纺织品种类有弹力平布180 cm 18.4/29.4（40 D）342/220和弹力直贡180 cm 29.4/29.4（40 D）382/236。

4.1 原料准备

为了更好地避免静电感应问题造成的负面影响，织造工厂在生产前应适当打开Outlast空调纤维包，缩小纤维块或纤维束尺寸，然后将空调纤维混合于较少的长绒棉铺层中，同时喷洒0.20%~0.40%抗静电脱脂剂，放置24 h备用。添加抗静电脱脂剂的作用是抑制织造过程中的静电感应，提高空调纤维的可纺性。

4.2 避免微胶囊开裂

为了更好地防止微胶囊开裂，在清棉过程中选择了步骤少、多梳理少打浆、慢速、多抓勤抓、多混合的加工工艺标准；梳棉选择轻量化分析、慢速、小张力、中隔距、轻压力的加工技术标准；并条工艺流程保证分纱条件一切正常，前、中、后罗拉胶辊压力和罗拉压力降到最低，粗细纱上罗拉装上更轻的齿轮。在纺织生产过程中，为了保证棉纱安全通过的平整度和光滑度，将不合格的综丝和停经片全部清除更换，用润滑液润滑综丝和停经片，保湿，防止损坏Outlast空调纤维表面的微胶囊组织[2]。

4.3 优化纺织品规格模型

对于相对密度低、强力小、纱线断裂伸长率低、纺织难度系数大的Outlast空调纤维，各工序半成品加工定量应过轻设计，掌握定长为过小，粗细纱卷绕线距和经向的相对密度按小控制。另外，纺织面料的经纬密度不宜大。有的织造厂将342/220设计为弹力平布的经纬密度、弹力直布的经纬密度设计为382/236。

5 成纱质量

Outlast空调纤维微胶囊有独特的结构，生产难度较大。在多次试验中，制造出多种类型的Outlast空调纤维纺织品。以Outlast空调纤维混纺棉纱为例，细纱成纱质量如表1所示。

表1 细纱成纱质量

采用上述棉纱纺织弹力直贡，纺机效率为89.00%，以0.8根/台时纱台断头时，一等品入库率超过94.00%。