储热调温纤维的研究进展(二)

韩 娜 张 荣 张兴祥

(1.改性与功能纤维天津市重点实验室，天津工业大学功能纤维研究所，天津，300160; 2.航宇救生装备有限公司技术中心，襄樊，211102)

储热调温纤维的研究进展(二)

韩 娜1张 荣2张兴祥1

(1.改性与功能纤维天津市重点实验室，天津工业大学功能纤维研究所，天津，300160; 2.航宇救生装备有限公司技术中心，襄樊，211102)

4 储热调温纤维的性能评价

目前较为广泛的是采用差示扫描量热分析仪测试纤维在体温上下的吸放热特性，从而区分储热调温纤维与常规纤维。也可将纤维加工成织物或非织造布，通过测试储热调温纤维织物和常规织物的相变性能［6，9，10，15］、内部温度差［9］、温度调节系数［27］、动态热阻［28］等评价其性能。

4.1 相变性能

差示扫描量热分析仪(DSC)被广泛用于测试储热调温纤维的低温吸放热温度和吸放热量［6，9，10，15］。储热调温纤维中的相变材料在环境温度由低于其相变温度到高于其相变温度时发生固—液相转变，吸收热量，DSC升温扫描曲线上出现明显的吸热峰(图4［22］);反之，在环境温度由高于其相变温度到低于其相变温度时发生液—固相转变，放出热量，DSC降温扫描曲线上出现明显的放热峰。而普通纤维由于在此温度范围内没有吸放热效应，DSC扫描曲线上没有吸热或放热峰。因此，DSC和差热分析仪(DTA)被广泛用于检测和区分储热调温纤维，目前已制备出吸放热量(热焓)达45 J/g以上的储热调温纤维。

4.2 内部温差

通过测量升温和降温过程中储热调温纤维织物与常规织物内部温差的方法也可以评价储热调温纤维织物的储热性能［9，19］，该方法更适用于高单位面积质量储热调温纤维织物的性能评价。已经测得的储热调温纤维非织造布与对比试样之间的最大温差为 8 ～9 ℃(图5［9］)。

图4 储热调温腈氯纶的DSC扫描曲线

4.3 温度调节系数

2004年，美国材料与试验协会(ASTM)公布了一项评价储热调温纤维织物的标准(D7024—04)［27］，在一个脉冲式加热装置上，对储热调温(纤维)织物和对比织物施加脉冲加热信号，然后测试热板上最高温度(Tmax)、最低温度(Tmin)、最大热流qmax和最小热流qmin，经计算得到织物的温度调节系数(TRF):

式中:R——织物的静态热阻(℃·m2/W)。

TRF为0，表示织物具有无限温度调节能力;TRF为1，表示织物没有温度调节能力。

Hittle等人［27］测得的一种 MicroPCMs涂层织物的TRF约为0.52。该标准只适用于薄型织物，而且要求有同规格的对比织物，因此特别适用于MicroPCMs涂层前后织物TRF的变化情况测试。

图5 升温和降温过程中对比试样(Tc)与储热调温纤维非织造布(Ts)的温差

4.4 动态热阻

针对常规的热板法测试织物保温性能需要将试样在热板上长时间平衡，从而导致纤维中的相变材料的固—液相转变在测试开始时已经完成。Pause［28］设计了一种新型的测试装置，可用于测试织物的基础热阻和动态热阻。Pause测得的一种MicroPCMs涂层织物的基础热阻和动态热阻如表1所示。膜材料的动态热阻是其基础热阻的4～8倍，相变材料的贡献非常明显。

Rupp［29］采用该装置测试了储热调温纤维非织造布的基础热阻和动态热阻，获得了动态热阻2倍于基础热阻的效果。

4.5 热流量

储热调温纤维中含有相变材料，织物在接触时由于相变材料发生固—液相转变将比普通织物吸收更多的热量，因此通过热板传递到织物的热流量更高。Ying等［30］采用智能手感仪测试了MicroPCMs涂层织物的热流量，结果发现:随着MicroPCMs涂覆量的增加，织物的热流量明显增加。Zhang等［31］采用该仪测试了不同储热调温纤维的热流量，相变材料含量高的储热调温纤维非织造布的热流量明显大于相变材料含量低的试样。由于常温的普通织物在与35℃的热板接触时也会产生热流量，因此该方法需要与其他方法配合使用。该方法更适用于采用同种工艺制成的不同MicroPCMs含量的织物的性能评价。

表1 含MicroPCMs涂层膜材料的基础热阻和动态热阻

5 储热调温纤维的应用

5.1 军用服装

目前，储热调温纤维已用于制造飞行保暖手套，军用冷或热作战靴、潜水服、冬季服装、海军陆战队微气候冷却服装等方面［3］。此外，它还可用于红外线伪装服［32］，军事应用上的红外光波段主要分为0.75～3 μm 的近红外和3～15 μm 的热红外。近红外探测是根据目标与背景的亮度差别来发现目标，因此伪装主要是设法减少或消除目标与背景的亮度差别。红外热像仪是利用高于环境温度的物体都会向外发射红外辐射的原理而使之成像，因此防热红外探测就要通过降低目标在热红外谱段的热辐射。调温纤维及纺织品能缓冲人体散发的热，降低热红外辐射，有望在热红外伪装方面起到一定作用。

5.2 民用服装

因为储热调温纤维中的相变材料能吸收运动员剧烈运动产生的大量热量，使穿着者避免因体温过快上升而产生的高温现象。高温会使运动员产生头晕、乏力等不良反应，因此储热调温纤维适宜做运动服装，如滑雪服等。人体的足部温度低于体温，日常生活中脚处于运动和静止的交替状态，因此用调温纺织品做袜子及鞋衬材料能缓冲足部的温度差异。手套也是调温纺织品的重要用途之一，北美手套制造商(Wells Lamont)的测试结果表明，如果测试者穿戴含微胶囊相变材料防水手套浸入水中时，测试者的手部温度维持在26.7℃以上可长达15 min;而穿戴普通绝缘材料手套浸入水中时，在5 min内手部温度下降至10℃。

5.3 家用装饰、床上用品

采用储热调温纤维制成的家用装饰、床罩、睡毯和被褥等床上用品具有自动调节温度的性能，当环境温度变化时，储热调温纤维可以通过吸收或释放一定量的潜热维持环境温度的平衡，从而使人们处于舒适的生活环境中。

5.4 汽车内织物

在汽车内部采用储热调温纺织品作为内衬可为乘客提供温度调节效果，并通过相变材料的吸放热来保持车内温度的恒定。Pause对汽车内部诸如地板、车顶、座椅及仪表盘等部位应用储热调温纺织品做了试验，结果表明:在车顶和座椅部位应用储热调温纺织品具有明显的调温效果。如对于面积为1.5 m2的车顶来说，车顶衬层中的相变材料能吸收约150 J的热量;应用于座椅的储热调温纺织品不仅可通过相变材料的变化吸收乘客身体多余的热量，而且还减少了乘客身体湿气的产生。

5.5 保护性装置

在头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等保护性装置中，应用储热调温纤维可适当控制这些部位汗液的产生与排放［33］。通过储热调温纤维中相变微胶囊的相变热可调节身体局部温度的平衡，以减少湿热的产生，从而为人体的这些部位提供适当的冷却。

5.6 医疗卫生用品

采用储热调温纤维制备医疗卫生材料的前景非常看好，已经进行的颈套、枕芯、绷带等方面的试验证实，这种材料可以使患者的手术部位保持更适宜的温度和湿度，加速伤口愈合，减少感染。

6 展望

虽然大部分相变材料，如石蜡、聚乙二醇等并不是有害物质，但从纤维中泄漏出来将会大大降低纤维的功用，并污染环境。采用相变材料微胶囊取代相变材料制备储热调温纤维，较好地解决了含有相变材料微胶囊的纤维中相变材料的泄漏问题。然而，目前储热调温纤维的制备工艺采用传统的溶液法纺丝工艺，带来了一定的资源浪费和环境污染;采用熔纺法制备工艺，纳米或微米级胶囊容易出现团聚以及在熔融挤出过程中出现破裂等现象，降低了纤维的热效率。因此研发出一种适用于熔融纺丝工艺的耐热相变材料微胶囊成为未来科研的热点，解决胶囊团聚现象，开发一种可以压缩或拉伸的“柔软”微胶囊制备储热调温纤维，取代现有的塑性相变材料微胶囊是一种更好的解决方法。

聚烯烃的性质与石蜡相似，相变材料的泄漏是不可避免的，因此聚烯烃并不是基体材料的首选。采用聚乙烯醇、淀粉、纤维素纤维等亲水性聚合物取代憎水性聚合物，作为基体材料纺制储热调温纤维是一条新路。

［27］HITTLE D C，ANDRE T L.A new test instrument and procedure for evaluation of fabrics containing phasechange material［J］.ASHRAE Transaction，2002，108(1):175-182.

［28］PAUSE B.Development of heat and cold insulating membranes structures with PCM［J］.Journal of Coated Fabrics，1995，25(7):59-68.

［29］RUPP J.Interactive textiles regulate body temperature［J］.International Textile Bulletin，1999，45(1):58-59.

［30］YING Boan，KWOK Yilian，LI Yi，et al.Assessing the performance of textiles incorporating phase change materials［J］.Polymer Testing，2004，23(5):541-549.

［31］ZHANG Xingxiang，TAO Xiaoming，YICK Kitlun，et al.Composition and properties of thermo-regulated nonwoven fabrics［J］.Journal of Donghua University，2005，22(4):13-18.

［32］李发学，张广平，吴丽莉，等.相变材料在新型红外伪装服中的应用［J］.纺织学报，2003，24(2):79-81.

［33］COX R.Outlast热量调节纤维［J］.徐鹏，译.国外纺织技术，2001(1):4-6.

Research and development trends of thermo-regulated fibers

Han Na1，Zhang Rong2，Zhang Xingxiang1
(1.Tianjin Municipal Key Lab of Modification and Functional Fibers，Institute of Functional Fibers，Tianjin Polytechnic University; 2.Center of Technology，Hangyu Aerospace Life-Support Industries，Ltd.)

The fiber is fabricated by impregnating phase change materials or microencapsulated phase change materials(MicroPCMs)into the fiber.The fiber absorbs heat energy when its temperature is lower than the ambient temperature，and releases heat energy when its temperature is higher than the ambient temperature by the phase change of PCM.Therefore，it can regulate the inner temperature of the clothes automatically.The enthalpy of the fabricated thermo-regulated fiber at the body temperature is 45 ～60 J/g.And its mechanical properties can meet the needs of weaving and clothing.The preparation technology，research and development trends and production methods of this fiber are reviewed in this paper by comparing the merits and faults of the various production methods.The development orientation of the thermo-regulated fiber is pointed out in the paper.

thermo-regulated，fiber，phase change material，temperature regulation

TQ342

A

1004－7093(2011)06－0009－03