简述发热保暖纤维的发热机理及开发应用

2012-04-13王喜娜

山东纺织科技 2012年5期

王喜娜

(东华大学,上海 200051)

保暖性是冬季服装最重要的性能，传统的保温是以阻止身体所发出的热逃逸为主，发热保暖纤维则是自行发热达到保暖效果的新型纤维，是一种积极产热的保暖纤维。

就目前市场和研究现状看，发热保暖纤维包括吸湿发热、光能发热、相变放热、电能发热、化学放热等，都是积极产热式保暖材料[1]。然而在诸多发热纤维的研究和探讨中，多是针对其保暖性和生产工艺的探讨，缺少对发热机理的基础性研究。文章着重对发热保暖纤维的发热机理和开发应用进行深入地探讨，同时就其发展前景进行了展望。

1 吸湿发热纤维

1.1 发热机理

有关吸湿发热纤维的发热机理目前有两种解释：

(1)利用纤维分子(吸湿发热高分子)中强亲水性的极性基团，与空气中具有较高动能的水蒸气分子通过氢键相结合，使得高动能的水蒸气被纤维分子吸附而静止，由能量守恒定理可知，物体由动态变为静态，在没有势能变化条件下，必将转化成热能[2]。

(2)气化反应——利用液体蒸发时会吸收大量热量的逆向反应原理，即吸收人体散发的汗和湿气进行物理反应发热；吸湿发热纤维通过吸收空气中或人体所散发的水蒸气，并将其转化成液态放热[3]。

常用的纺织纤维大都有吸湿发热性能，一般情况下，吸湿发热性能与纤维的回潮率有很大关系，纤维的回潮率大则吸湿发热性能强。鉴于此，提高纤维吸湿发热性能的途径主要有：①对纤维进行高亲水化处理，分子链中引入氨基或羧基等亲水基团，并进行交联处理，得到强吸湿性能的纤维；②增加纤维的比表面积，通过表面能效应吸附水分子；③将纤维素纤维与超细抗起球合成纤维组合在一起[4]。

1.2 开发应用

EKS纤维是通过将氨基、羧基等亲水化基团引入聚丙烯酸分子，并进行交联处理而得到，属于“亚烯酸盐系纤维”，不仅能够将人体皮肤蒸发出的水蒸气转换为热量，达到保暖的效果，还可以将人体多余汗气及时吸收，以达到干爽舒适的效果[1]。

Thermogear 是由铜氨纤维Cuprobemberg 和超细抗起球腈纶Cashmilonff 组合而成。该纤维的保暖原理为：利用铜氨丝的优越吸湿发热性，加上超细抗起球腈纶Cashmilonff 高效的毛细效应，能迅速将汗水扩散吸收，使衣服变得干爽，因而能够使服装持久保持温暖。

璐奈丝纤维是由疏水性的腈纶和亲水性的醋酸两种成分组成，由于纤维表面有微孔，湿气通过微孔时，被醋酸成分吸收而发出热量；腈纶则可以将生成的热量保持较长时间；同时，由于水滴不能通过纤维的微孔而被挤压返回，所以穿着时不会感到闷热潮湿[3]。

除了以上几种新型吸湿发热纤维，市场上还有Thermostock 纤维、Softwarm、“N38”、Renaiss α 纤维等，广泛用于保暖内衣和运动衣等。

2 相变放热纤维

相变，是指物质从一种相态转变为另一种相态，相变材料(PCM)是一种双向温度调节保温材料，它在环境温度较高时具有吸热功能、在环境温度较低时具有放热功能。

相变材料主要分为三种：无机相变材料、有机相变材料、微胶囊相变材料，由于相变材料在液态时易于流动散失，在服装上使用必须采用微胶囊相变材料，微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料。

2.1 发热机理

相变材料的作用机理，即当环境温度或人体皮肤温度达到或高于服装内相变材料溶点时，相变材料吸收热量从固态转化为液态，在服装层内产生短暂的致冷效果；如果相变材料服装在低于相变材料冰点温度的寒冷环境中使用，服装温度低于转换温度，液态相变材料将变回固态，释放出能量提供短暂的加热效果[5]。

含相变材料的服装有效地改善了人体与服装间的微气候，但受当前技术发展的限制，其热调节功能不是无限的。由于相转变过程比较短暂，在恒温环境中相变材料没有任何作用。因此，穿着者必须活动以引起相变材料面料的温度变化或者经常在有温差的两个环境中工作，以保证相变材料发生相变吸热或放热。

2.2 开发应用

Outlast 纤维技术关键是使用微胶囊包裹的热敏相变材料，这种材料为碳氢化腊，能以潜热的形式吸收、储存和释放热量。其在温度变化中，可以固态液态相互转化，从而达到吸热、放热的效果[6]，为覆盖所有实际需要的温度范围，它使用三种不同的相变材料。

由蓄热调温纤维和Thinsulate纤维组成的干式保温潜水服，外层采用防水透湿织物，可以使潜水员在3 h内保持温暖，而普通潜水服只能在lh内保持温暖[5]。

相变发热纤维织物表现出了静态和动态两重保温性能，在降温过程中其总体保温性能高于普通纺织品；而在升温过程中，其总体保温性能低于普通纺织品。该材料可广泛应用于制冷业、长期室外作业人员，以及特种行业，如坦克兵、航天员的服装使用材料。

3 光能发热纤维

3.1 发热机理

光能发热纤维是一种可吸收太阳辐射中的可见光与近红外线，且可反射人体热辐射, 具有保温功能的材料。以添加IV族过渡金属碳化物为主，例如ZrC 、TiC 、HfC，碳化物能吸收阳光中的0.6eV 高能波长段( < 2 μm) ，而反射低能波长段( > 2 μm) ，阳光中波长0.3～2 μm 的能量占其总能量的95%以上，而人体散发的热辐射波长为10 μm，几乎100%被反射，因此具有极好的蓄热保温功能[6]。

远红外线纤维也属于光能发热纤维的一种，它通过吸收人体发射出的热量, 向人体辐射一定波长范围的远红外线(其中包括最易被人体吸收的7～14 μm 波长段), 可使人体局部产生温热效应, 促进血液循环；由于能反射返还部分人体辐射的红外线, 减少了人体热量损失,使得此类纤维织物的保温性能较好[7]。

3.2 开发应用

近红外线吸收纤维Thermocatch是将氧化锡与氧化锑的复合物微粉添加在腈纶纺丝原液中。这种纤维织制的织物即使在阴天也能够显著提高内部温度达2～10℃。

Ceramino储热保温聚酯纤维，采用在后加工过程中将远红外吸收物质均匀地渗透到纤维分子内部结构(无定形区)的技术，以提高对阳光等外界红外线的吸收率。

Thermotron蓄热保温纤维的每根“Thermotron”单纤维芯部均溶有碳化锆的微小粒子，可以吸收阳光中的可见光，并把吸收的光能转换成为热能，并反射出波长较长的远红外线，使服装内部变暖。“Heat Performa”产品用碳化锆的微小粒子来改变纱线的形态，使纤维表面露出纱线阻断远红外线以达到保温效果，由于纤维的截面为齿形，还可以利用纤维纵向凹凸沟槽起到吸汗、排汗、速干的功能。

含碳化锆( ZrC )可吸收太阳能的蓄热保暖纤维“Solar-a”，是一种皮芯复合纤维，芯层为含碳化锆的聚酰胺或聚酯, 皮层为普通成纤高聚物, 由双螺杆挤出机熔融纺丝而成。这种纤维加工成服装后, 阳光照射下服内温度可较普通服装高2～8℃, 保温效果有明显提高；但阴天时其保温功能有所下降, 服内温度仅比普通服装高0～2℃[9]。

Textcare(纳米竹炭纤维)是根据竹炭的远红外线效应，达到蓄热保温及促进血液循环的新型保暖纤维，具有优良保温效果、超强除臭力和释放健康负离子的能力，可以安定人体精神，促进循环。

4 其他发热保暖纤维

化学放热纤维一般是在纤维中加入化学物质，将化学能转化成热能保暖，如将铁粉混入聚合物中纺丝，利用铁粉在空气中氧化放热达到保暖目的。暖贴里装有还原铁粉和活性炭，通过非织造布的微孔透氧技术，铁粉氧化发热，发热速度和温度由微孔大小决定，这种暖贴冬天放在内衣里既方便又安全，但是铁粉氧化不可逆，所以暖贴只是一次性用品。

还有利用添加分散导电性填料(如碳纤维) 的树脂涂层于衣料用聚醋纤维上[9]，通电后纤维发热，改善服装的保暖效果。