适温型纤维开发现状与发展动向（二）

刘树英

4.湿热转换类发热纤维。吸湿放热是一般材料的共性。选用吸湿放热效果明显的材料与纤维材料复合，可制造吸湿自发热纤维面料，其吸水性之强远远超过其他品种纤维，令人关注的新产品如日本东洋纺的Heat Performa纤维、Softwarm纤维Renaissa纤维等。

受羊毛吸湿放热原理的启发，日本Atofina公司开发了一种Softwarm纤维。它能够吸收人体散发出的水分并放出热量，所放出的热量是羊毛纤维的2倍。通过控制发热和放热速度，使纤维吸附水蒸气后产生的吸附热得以均匀地释放，因此缓慢地抑制了服装内的温度变化，从而使纤维发挥出保温防冷的作用。

日本东洋纤维公司开发的吸湿自发热纤维，是采用改质聚丙烯腈或改质聚烯酸制成的Softwarm、Renaissa吸湿放热纤维，以吸收人体排出的水分而发热，释放出的热量是羊毛的2倍。

Thermotron是日本旭化成株式会社开发的。它是由铜氨丝和超细抗起球腈纶 Cashmilonff组合而成。这种崭新的保温纤维拥有优越的吸湿发热性及调湿功能，令衣物穿着感觉干爽柔顺。其优异特点有：①Thermotron铜氨丝的优越吸湿发热性发挥至最大含上超细抗起球腈纶Cashmilonff能有效令纱线之间空气量增加并能够持久保持温暖。②由于超细纤维的毛细现象，能够迅速地把汗水扩散令衣服变得干爽。③Thermotron的优秀调湿功能可以驱除多余的湿气及迅速把汗水扩散并保持温暖干爽感觉。④Thermotron中使用的Cashmilonff比一般腈纶更为细及柔软。因此触及皮肤时感觉更柔顺，在洗涤后又不会影响到其柔软程度。

日本Decent公司采用碳化锆开发的Heat Performa纤维，由于该纤维以碳化锆的微小粒子来改变纱线的形态，能对人体发射出的波长在10微米左右的红外线有强烈的反射作用，使纤维表面露出纱线阻断远红外线以达到“远红外-热反射/转换”效果，因此具备良好的发热功能。还有其纤维的截面为齿形，更可以利用纤维纵向凹凸沟槽起到吸汗、排汗、速干的作用而具有保温功能。

微纳米级铁粉在吸湿方面具优越的性能，很有广阔的应用远景。最近美国格雷斯纤维公司将微纳米铁粉等混入聚合物中纺丝，利用铁粉在吸湿过程中不断氧化放热性能，研究开发出了利用化学反应放热的Ultra comfortable fever纤维。

5.太阳能光热转换类发热纤维。目前，塑胶太阳能电池和温差电池技术日新月异，而服装是人体接受太阳能的直接表面，因此将塑胶太阳能电池技术与纤维材料技术结合，能制造出太阳能电池服装。同时，服装表面和内部存在温差，给温差电池开发提供了基本前提，业界可结合织物结构和纤维材料设计，达到利用服装温差发电。

目前，日本、英国、德国等国家正在开发有机薄膜太阳能电池、有机敏化染料太阳能电池，这些新技术以及新型光电、光热转换材料与纤维材料结合，将会开发出新型的具有太阳能转换、储存功能的纺织纤维制品。而用于织物与服装和太阳能光热转换类发热纤维的主要制造方法：在纤维中附加特殊的敏化成分或光热转换化学材 料，使其在特定条件下发生化学反应而产生热量。比如：Thermotron纤维—太阳能发热保温纤维、Outlast空调纤维、Textcare纳米竹炭纤维和Ceramino发热保温纤维等。

四、智能调温类适温型纤维

智能调温类适温型纤维也称为“智能纤维”，它的研究于20世纪80年代起源于美国。最早为美国国家航空与航天局研究项目所开发的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，当时是美国太空总署为登月计划而研发的，用于宇航员服装和保护太空实验精密仪器等外套，于1988年开发成功，1994年首次用于商业用途。1997年美国太空总署成立了Gateway公司专门从事智能调温纤维的开发研究，将Outlast腈纶基纤维注册商标为outlast，发展用于普通服装，并从此在美国及欧洲市场上销售。此后，德国Kelheim纤维公司与Outlast公司合作开发出Outlast粘胶型纤维，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，其隔热效果达到42.5%，并获得专利。

目前以相变材料作为智能调温类适温型纤维的开发与应用，在国外比较成熟的主要有美国和瑞士，他们生产的调温纤维主要是微胶囊纺丝工艺；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惰性气体的织物。日本的代表技术是大和化学工业研制的微胶囊浆料涂层。

1.智能调温机理。智能调温类适温型纤维又叫空调纤维，是将相变材料（简称PCM） 技术与纤维制造技术相结合开发出的一类新型功能性产品，具有双向温度调节作用。当外界环境温度升高时，纤维中包含的相变材料发生相变，从固态变为液态，吸收热量储存于纤维内部；当外界环境温度降低时，相变材料从液态变为固态，释放出储存的热量，保持体表温度，使人体处于一种舒适的状态。智能调温纤维的这种吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。

智能调温纺织品的调温机理与传统保温衣物有明显不同：传统衣物主要是利用空气热传导率极小的特点，采用提高织物内部静止空气的方法来避免热量散失的，其绝热 效果主要取决于织物的厚度和密度，且其保温效果受外界压缩和水分的影响；智能调温纺织品利用其内部的相变材料来调节热量而不是隔绝热，是一种对水分和外界压力影响不敏感的，能为人体提供舒适微气候环境的全新保温纤维。

2.相变材料选择。相变是指某些物质在一定温度下相态发生变化的现象。相变时所吸收或放出的能量称为相变热（也叫做相变潜热），物质温度变化时的吸放热量叫做显热，相对于显热来说，相变热要大得多。所以相变材料选择是制备智能调温纤维及其纺织品的第一步。

适用于纺织品的相变纤维材料应具有的性质：①相变潜热要高；②适合纺织服装使用的相变材料，要根据不同的气候及用途，选择与使用温度相一致的相变温度范围；③相变材料安全可靠，化学和物理性质稳定；④相变材料应具有适宜的热传导系数，灵敏性高，能较快地吸收和释放热量；⑤相转变过程完全可逆；⑥相变体积变化小；⑦经济可行。endprint

3.相变材料种类。相变材料分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。迄今为止，已开发和应用的单一型相变材料有500多种，还有通过复合技术开发和应用的具有独特相变特性的复合相变材料，但是能完全符合上述要求的材料很少。

通常用于纺织品的相变材料有：①无机相变材料，如MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O等，相变温度小于35℃，相变热为100J/g～300J/g。②有机相变材料，如有机酸酯类、多元醇类、高级烷烃类和有机酯类等，应用较多的相变材料直链烷烃的相变热可达200J/g～300J/g、相变温度为18℃～40℃。③复合相变材料，是一些可用于纺织品的相变材料的物理性质，通过合理复配能够得到在一定温度范围内具有调温作用的复合相变材料，如一些烷烃的物理性质：十六烷的熔点18.5℃、结晶温度16.2℃、热焓237J/g；十七烷的熔点22.5℃、结晶温度21.5℃、热焓213J/g；壬烷的熔点32.1℃、结晶温度26.4℃、热焓222J/g。

4.生产加工方法。目前，生产智能调温类适温型纤维的加工方法有以下几种：

（1）中空纤维浸渍法。该法是将中空纤维浸渍于相变材料溶液中，使中空部分充满相变材料，再将纤维两端封闭。用于浸渍与充填的相变材料有聚乙二醇、CaCl2·6H2O、SrC12·6H2O、三羟甲基乙烷/新戊二醇等。缺点是用中空纤维填充法制得的调温纤维内径较大，相变物质残留于纤维表面，故易于渗出和洗出，而且浸渍法存在封端困难，作为服用纤维使用还有很大局限性。

（2）熔融复合纺丝法。将石蜡烃类相变材料混合一定的二氧化硅粉末，与聚烯烃进行熔融纺丝，可以得到相变温度为15℃～65℃的调温纤维。国外有人以聚丙烯（PP）和分子质量为1000～20000的聚乙二醇（PEG）及增稠剂为主要原料，采用熔融复合纺丝法研制出智能调温纤维。

（3）涂层法。是把相变物质固定到织物上的简便易行的方法，即将聚乙二醇用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；或采用二异氰酸酯、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；抑或用聚乙二醇和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；也可将正硅酸乙酯、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。

（4）微胶囊纺丝法。将平均直径1μm～5μm的含有相变物质的微胶囊与成纤聚合物溶液混合后纺丝，其他工艺与复合纺丝相同。该方法已经成功地应用于聚丙烯腈系列纤维的溶液纺丝中，得到了PCM分布均匀、蓄热能力显著的相变纤维。通常微胶囊中的相变材料质量分数不超过80%（大多数在50%～60%），微胶囊连同其中的相变材料的热焓多在100J/g～200J/g，在使用时有很大的优越性。

在上述4种生产智能调温类适温型纤维的方法中，中空纤维浸渍法存在封端困难；复合熔融纺丝法需要加入大量增塑剂才能用于纺丝；涂层织物虽然热焓值很高，但普遍存在手感较差的缺点。所以，微胶囊复合纺丝法生产智能调温纤维是目前最实用的先进的加工方法。

5.调温性能评价。为了测定智能调温类适温型纤维在织物上的效果，目前主要有3种方法能够表征其调温性能：①差示扫描量热法（DSC）是一种热分析方法，可以测定智能调温纤维织物的热焓和相转变温度；②动态热转换测试法可以测定织物静态绝热效果和蓄热微胶囊的动态绝热效果；③温度变化测试法可以测定相变材料吸热时温度变化程度和相变影响的持久性。三种方法各有侧重，可以根据需要合理选择。

6.新型纤维开发动向。最近美国Outlast公司新开发出的Air conditioning Thermal 纤维，为Outlast空调纤维又增加了一个新的品种。该纤维技术关键是使用微胶囊包裹的热敏碳氢改性材料，这种材料具有潜热形式的吸收储存和释放的功能，能对外界环境温度的变化在皮肤上做出相应的反应，并对温度变化有缓冲作用。其在温度变化中可以固态/液态互相转化，从中达到吸热、放热的调节效果，其自动调温范围为1℃～20℃。因而该纤维用于服装除有调节温度功能外，还保持了纺织产品的舒适、透气性。

巴西Rhodia 公司推出一种新的以聚酰胺6.6 为原料的Gao Shushi纤维，这种纤维嵌入一种专利正二十烷改性的复合相变材料，用这种纤维生产的运动服装或者内衣具备体温调节功能，还可以改善血液微循环。公司实验室Kosmoscience做的试验证明，与其他产品相比，用Gao Shushi纤维生产的运动服装，其体温调节功能提高41%，乳酸积累降低35%，乳酸累积导致肌肉疲劳。同样的研究还显示，这种服装可以提高舒适度，减少脂肪团，皮肤弹性提高8%，而且多次洗涤之后，智能纱的特点不会下降，这主要受益于聚酰胺的特性，如手感柔软、易于打理、防电、有弹性。

瑞士schoeller公司最近推出可弹性调整温度的创新智能型调温纤维。其创新的关键是采用具有热致型SMP “形态记忆导电功能”的相变聚合物纳米材料制成PS-change仿生学调温纤维。其仿生学调温记忆功能主要来源于相变材料内部存在不完全相容的两相，即保持成型制品形状的固定相和随温度变化会发生软化与硬化可逆变化的可逆相。用PS-change仿生学调温纤维制成的纺织品与服装，能根据天气变化自动调节穿衣的温度，而且可弹性调节水气渗透力，迅速排出湿气，具有高度防水及防风功能。

德国特雷维拉公司新开发出一种可控型自动调节温度的LCAT纤维，它的创新技术是在腈纶型Outlast智能纤维的基础上采用十六烷和2-乙烯基丙烯系纳米相变材料的微胶囊纺丝法制成。用这种纤维制成的服装，其自动调节温度的能力跟面料单位面积内微胶囊含有相变材料的比例有关系，其相变材料所占比例越大，所调控温度范围也就越大。如做一件含有百分之百“LCAT纳米相变材料”的服装，那么它对温度的调节能力就最高，反之则降低。目前该公司制作的这种服装，根据特殊需要其微量调节皮肤表面环境温度的种类有1℃～5℃类、5℃～10℃类和10℃～15℃类。

德国科莱恩公司新研发的牛奶蛋白调温纤维Milk protein，是在牛奶蛋白喷丝液中加入有机复合PCM相变材料制成，然后用Milk protein纤维与羊绒进行混纺成面料，这种面料相变焓高达28J/g以上，且耐压、耐高温性能优良。即使产品经高温染色和汽蒸、高压定型整理和皂洗工艺后，其相变焓仍达24J/g以上。这种面料做成的羊绒调温衫服，是含有天然牛奶蛋白的营养材料，亲肤性极好。在人们的概念中，和有机硅调温纤维、粘胶调温纤维相比，能够自动调温的Milk protein纤维显然具有更多的卖点。

该公司的最新研究还表明，应用这项新技术可以制造由奶酪蛋白、有机毛蛋白、麦乳蛋白或玉米蛋白等蛋白质改性合成的高储热量温度舒适性智能调温纤维，其在人体适宜温度范围内的相变焓都可达20J/g～26J/g的效果。

译据美国佛瑞斯特研究院的院刊《佛瑞斯特经济》杂志2015年9月号～10月号

原文作者：佛瑞斯特研究院产业首席研究员约翰·格雷斯博士endprint