调温纤维在纺织品中的应用

魏敬敬，刘艳君

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

1 调温纤维

1.1 调温纤维的定义

调温纤维是指对温度或温度变化有响应的智能纤维，它是一种具有双向温度调节作用的、以改善织物舒适性为主要目的的新型纤维。它主要是采用相变材料并将相变蓄热技术与纤维制造技术相结合开发出的一种高技术产品，能够自动吸收、储存、分配和放出热量，有效地调节温度，使纤维可以根据人体的需要保持在一定温度范围内，为人体创造舒适的温度环境。

1.2 发展现状[1]

智能调温纤维的研究于20世纪80年代起源于美国，主要应用于航空航天领域。Outlast腈纶基智能调温纤维是采用包裹有相变材料石蜡烃的微胶囊，加入到腈纶纺丝液中所得，最初是太空总署为登月计划而研发的，用作宇航员服装和保护太空实验精密仪器等，于1988年开发成功，1994年首次用于商业用途，1997年在户外服装中使用，现在已广泛用于时装和床上用品。此后，Outlast公司与Kelheim纤维公司合作开发出Outlast粘胶纤维，并获得专利。其实就是将相变材料微胶囊加入到粘胶纤维的纺丝液中得到的，欧洲和日本也有这方面的研究。德国最早研制成功硫酸钠蓄热微胶囊整理材料，之后，又开发了在中空纤维充入溶剂与隋性气体的织物。日本东洋纺公司开发了以塑性晶体为芯材的鞘一芯复合丝。

我国自20世纪90年代初开始蓄热调温纺织品的研究工作。天津工业大学功能纤维研究所自1993年立项，开始从事蓄热调温纤维的研究开发工作，2000年底成功完成相变物质熔融复合纺丝，研制出了相变物质含量在16%以上、单丝纤度5 dtex的蓄热调温纤维，获得了国家发明专利。另外，该研究所还发明了耐高温相变材料微胶囊和熔融纺丝储热调温纤维技术，在升温和降温过程中其内部温度较普通纺织品低或高3 ℃以上，持续时间可达30 min。2005年7月初，江苏丹盛纺织有限公司研发的奥特佳(热敏材料)腈纶基智能调温纤维棉型机织产品通过了江苏省省级鉴定，这是国内第一个开发智能调温纤维机织面料的报道。

2008年3月于中国国际纺织技术展览会上，河北吉藁化纤有限责任公司协同北京巨龙博方科学技术研究院联合发布了智能调温纤维纺织品最新研究进展，推出了微胶囊复合纺丝法生产的粘胶基智能调温纤维——丝维尔，该智能调温粘胶纤维的推出，不仅填补了我国粘胶纤维行业的一项空白，更把中国纳入国际上相同领域研究的前列。

1.3 调温纤维的调温原理

调温原理是利用含有的相变物质随外界环境温度的变化发生液——固可逆变化，即环境温度升高时，相变材料吸收热量，从固态变为液态，降低体表温度。相反，当外界环境温度降低时，相变材料放出热量，从液态变为固态，减少了人体向周围放出的热量，以保持人体正常体温，为人体提供舒适的“衣内微气候”环境，使人体始终处于一种舒适的状态。

2 调温纤维的制造方法

2.1 中空纤维填充法[2-3]

在20世纪70年代初，Hansen提出将二氧化碳气体溶解在溶剂中，然后填充到中空纤维内部，封闭端口，得到蓄热调温纤维。在常温下液体的固化比较困难，因此这种纤维可用于织造能适用气温较低的纺织品，而且在加工过程中气体难免会从纤维中逸出，使织物调温效果变差。

1985年Vigo等人将带有结晶水的硫酸盐、氯化钙等水合盐填充到人造丝和聚丙烯等中空纤维的中空部分，利用含结晶水的水合盐在室温下发生熔融和结晶而产生可逆的贮热和放热性能，从而达到调温效果。但这种纤维的调温效果耐久性较差，经过几次循环使用后调温效果会变差。后来，Vigo等人还将聚乙二醇封入中空纤维内部，当外界环境温度升高或降低时，聚乙二醇熔融或结晶。它的耐久性要比前者好，可以得到调温效果可耐150次以上升温和降温循环的纤维，但这种方法制备调温纤维时所用的中空纤维直径较大，相变物质残留在纤维表面，易于渗出和洗出，使得该调温纤维的应用受到限制。

2.2 纺丝法[2]

利用纺丝法制备调温纤维时，通过将相变材料添加到纺丝聚合物的熔体或溶液中，然后进行纺丝加工，从而得到含有相变材料的调温纤维。根据纺丝方法的不同形式，纺丝法分为湿法纺丝和熔融纺丝。

2.2.1湿法纺丝法

湿法纺丝是将聚合物制成浓溶液，再用泵将纺丝液输送到喷丝头，从喷丝头小孔挤压出的纺丝液以细流状进入凝固浴，聚合物经凝固成形后形成纤维。湿法纺丝法是目前工业化制备调温纤维的主要方法，湿法纺丝所用的相变材料主要是微胶囊形式的相变材料，通过微胶囊壁和纤维的包裹作用，使相变材料不易泄漏，纤维调温功能的耐久性好。但湿法纺丝工艺流程较长，污染较大，并且纤维中微胶囊的添加量较低。

目前采用湿法纺丝法生产的调温纤维主要是腈纶纤维。1987年Triangle公司通过将相变材料或塑晶包裹在微胶囊内，制成用于纺丝加工的相变材料微胶囊。通过将相变材料微胶囊与聚合物溶液混合，然后进行纺丝，可制备具有储热和调温功能的纤维。1997年Outlast公司和Fridy公司采用这一技术，将相变材料微胶囊填加到聚丙烯腈溶液中。通过湿法纺丝，制备出了具有温度调节功能的腈纶纤维。

2.2.2熔融纺丝法

熔融纺丝法是将聚合物加热熔融然后将熔体从喷丝头挤出，形成的熔体细流经冷却后凝固成纤维。采用熔融纺丝法生产调温纤维时，对相变材料的要求较高，应具有良好的热稳定性和化学稳定性，所采用的相变材料主要是低分子相变材料的微胶囊以及高分子相变材料。

1993年日本酯公司以脂肪族聚酯为芯组分，以普通聚合物为皮层组分；或以脂肪族聚酯为岛组分，以普通聚合物为海组分，采用熔融复合纺丝方法，制备出调温复合纤维。1994年日本东洋纺公司以聚乙二醇为芯组分，以普通聚合物为皮层组分；或以聚乙二醇为岛组分，以普通聚合物为海组分，通过熔融复合纺丝方法，制备出调温复合纤维。

中国天津工业大学张兴祥等以石蜡烃、聚醚、脂肪族聚酯、聚酯醚等聚合物作为纤维的芯或岛组分的主要成分，以成纤聚合物作为皮或海组分，采用熔融复合纺丝方法，制备出调温功能纤维。

利用相变材料与成纤聚合物结合后的聚合物，采用熔融纺丝法纺丝，这种制备调温纤维的方法具有成本低、纺丝容易，可避免相变材料的泄漏等优点。与其他的方法制备的调温纤维相比，这种调温纤维具有更广泛的应用范围。

2.3 涂层法[1]

涂层法是把相变物质固定到织物上的简便易行的方法。将聚乙二醇用2D树脂(DMDHEU)在氯化镁及对甲基苯磺酸催化下，将其固着在纤维上，经处理的织物最高的热焓达26.75 J/g，缺点是经过整理的织物因树脂固着而手感变硬。采用二异氰酸酯、乙二醇与聚乙二醇聚合得到具有防水透湿性的调温涂料可以涂覆在纺织品表面获得调温功能。用聚乙二醇和2D免烫树脂整理剂混合整理棉、麻等纤维素织物，在酸性催化剂作用下，经浸轧一焙烘工艺得到具有一定调温功能的面料。天津工业大学将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水常温水解聚合成二氧化硅网状结构凝胶，然后加入醇类相变材料而制成复合相变材料，最后将复合相变材料与粘合剂混合后涂覆在纺织面料的表面而制成智能调温纺织品，并获得了国家专利。

3 调温纤维在纺织上的应用

3.1 服装领域

穿着智能调温纺织品的人体与外界环境之间的热量流动减少或者被中断，从而在人体与外界环境之间建立一种相对的动态热平衡，对人体起到积极的温度调节作用。不仅能令您在严冬感到温暖如春，在酷暑也能感到丝丝凉意。

调温纤维在服装上的应用很广，如服装面料、里料等，已经市场化的产品有茄克、体育运动服和滑雪衫等。用于高级西服、消防服、炼钢服、潜水服、宇航服、飞行服、野战服、极地探险服、冷库工作服、鞋衬等。耐高温或低温手套也在研究中[4]。

2001年美国海军成功研制出由微胶囊相变材料掺和而成的储热调温纤维和3M公司Thinsulate纤维组成的干式潜水服，这种潜水服可使潜水员在3 h内保持温暖，而普通潜水服只能在1h内保持温暖。

英国玛莎(Marks& Spencer)公司为改进男士服装舒适性，在其新的温度可调节系列内衣中应用了Outlast公司PCM 技术，推出了温度可调服装；香港福田实业集团与美国杜邦公司合作，采用Outlast 相变材料微胶囊技术，生产出具有温度调节功能的针织面料，制成的“Fountian”牌温度响应型智能服装，已开始投放国内外高档服装专卖店。

保定雄亚纺织集团与美国安伯士国际集团合作，利用 太空技术”成功开发生产出相变调温洛科绒线，并首次在国内生产出相变调温服装。该集团开发生产的“安伯士”牌太空调温洛科绒2950型号绒线，是采用引进美国太空署开发并用于太空宇航服的高科技太空相变调温纤维，与进口高级洛科绒合制而成。

3.2 装饰领域

可用于窗帘、床上用品或保温絮片等方面。床垫、褥子、棉被、枕头和毛毯等床上用品采用智能调温纤维，可将床上的温度和湿度保持在理想的范围内，能让使用者保持良好的睡眠状态。如金华新佳家纺有限公司2007年9月研制出了自动调温被芯，产品名为“天芙棉”，已申请国家发明专利。它主要用物理方法改变棉纤维的空间结构，使弹性、强度、收缩性等性能得到改善。在常温下“天芙棉”处于休眠状态，人体体温传过去后，天芙棉体积开始膨胀，纤维间的体积增大，透气性增强，排出多余的湿气和热量，达到调温的效果[5]。

3.3 医疗领域

用于手术服、医用恒温绷带，还可用于病员服装。当用于手术服、病人床上物品时，不仅可以改善医生或患者的穿着舒适度，而且对病人的心里起到良好的安抚作用[6]。

3.4 产业领域

用做建筑屋顶、汽车内织物、电池隔板或其他材料。在汽车内部采用智能空调纤维纺织品作为内衬，同样可以为乘客提供温度调节效果，来保持车内温度的相对恒定。在汽车内部采用调温纺织品作为内衬同样可以为乘客提供温度调节效果，并且通过相变材料的吸热或放热来保持车内温度的恒定。B．PAUSE对汽车内部诸如地板、车顶、座椅及仪表盘等物品应用调温纺织品做了实验，研究结果表明在车顶和座椅部位应用蓄热调温纺织品具有明显的调温效果。应用于座椅的调温纺织品不仅可以通过相变材料的变化吸收乘客身体多余的热量，而且也减少了乘客身体湿气的产生。

4 发展前景

随着对有关调温纺织品的研究和开发，调温纺织品的品种不断增加，性能不断得到完善，应用领域不断扩大。今后调温纺织品的一个重要发展方向是将调温功能和其他功能结合起来，在赋予纺织品舒适性的同时，赋予多种其它功能，提高纺织品的应用价值，扩大应用领域。同时随着相变材料新品种的不断开发，相变材料微胶囊技术的进一步完善以及调温纺织品加工技术的进步，调温纺织品的性能也将不断的改进和完善。由于人类对服装的要求将越来越高，传统的服装已经不能满足人们的需求，特别是航空、航海、野战、生化、消防等需要与外界恶劣的环境接触的职业。相变材料的开发为纺织工业的发展，特别是为制造高功能的智能服装提供了新的途径。自调温相变服装的研发对上述恶劣环境下工作的人员来说不仅能避免意外伤害，还可以改善穿着舒适性，提高工作效率。调温纤维的市场前景会非常广阔。

参考文献：

[1]张琳琳,王跃强.智雒调温纤维综述[J].印染助剂,2011，28,(1):9—13.

[2]黄雪梅.蓄热调温纺织品的发展概况[J].济南纺织化纤科技,2009,(1):56—58.

[3]陈绍芳,孟家光. 新型智能纤维—调温纤维[J].山西纺织,2008,(2):49,36.

[4]李娜娜.智能调温纤维及其纺织品[J].上海纺织科技.2010,38(3):15—17.

[5]赵宝艳,王瑄,吴超.智能调温纺织品的种类及应用[J].浙江纺织服装职业技术学院学报, 2009,(3)：24.

[6]张云逸.智能纤维的生产及其发展前景[J].山东纺织科技，2010，51(2)：44—46.