制备参数对温控复合织物性能的影响*

夏 鑫 周轩文

新疆大学纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830046

制备参数对温控复合织物性能的影响*

夏 鑫 周轩文

新疆大学纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830046

为开发一种三明治结构的温控复合织物，使用静电纺丝法制备的相变纳米纤维膜作为织物的中间层，使用黏胶织物及羊毛织物分别作为织物的内外层。利用扫描电镜(SEM)和差式扫描量热仪(DSC)分别表征相变纳米纤维膜的形貌和热性能，考察相变材料的含量及相变纳米纤维膜的厚度对温控复合织物保温性和透气透湿性的影响。结果表明：相变纳米纤维膜中纳米纤维呈圆柱形，纤维表面不光滑并有折皱，其熔融相变温度为28.02 ℃；相变材料的含量越多、相变纳米纤维膜的厚度越大，则温控复合织物的保温性能越好，但其透气透湿性能有所下降。

相变纳米纤维膜，温控复合织物，保温性，透气透湿性

自调温织物是指自身含有相变材料，能够缓冲因外界温度变化引起身体不适感的一种织物，常采用三明治结构，材料选择范围广，可差别化设计温控复合织物的各个层面及其所具有的性能、功能，以达到不同温控复合织物(如保暖内衣、防寒服、睡袋、枕芯等防寒保温用品)的要求[1-2]。

近年，随着纳米技术的迅速发展，将纳米技术与传统织物相结合，再结合三明治结构制备温控复合织物，已成为纺织业界的一个新的研究热点[3-4]。温控复合织物可充分发挥纳米纤维与常规纤维的优势。且利用纳米纤维作为相变材料的支撑骨架，是拓展相变材料在织物中储能功效的一种新方法[5-6]。

本文选择羊毛织物作为外层，以充分发挥羊毛织物质感柔软、富有弹性且保暖性能良好的特点；选择黏胶织物作为内层，因其具有吸湿性好、不易起静电、穿着舒适等优点；中间自调温功能层选择脂肪酸类癸酸(CA)、棕榈酸(PA)和硬脂酸(SA)的三元低共熔混合物作为相变材料，选择聚丙烯腈(PAN)纳米纤维作为支撑骨架。采用三明治结构构建具有自调温效果的温控复合织物，分别研究纳米纤维膜的形貌和热性能，以及相变材料的含量、相变纳米纤维膜的厚度对温控复合织物保温及透气透湿性能的影响，以期获得保温性和舒适性较好的温控复合织物。

1 试验

1.1 相变纳米纤维膜的制备

配置以N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，质量分数为10%的PAN纺丝液。溶液中所含CA-PA-SA三元低共熔混合物的相变材料的质量配比为79.3∶14.7∶6.0。

为研究相变材料的含量对温控复合织物性能的影响，分别制备了相变材料与PAN质量比为1.0∶1.0、1.2∶1.0、1.4∶1.0的溶液，再采用静电纺丝法纺制相变纳米纤维膜。本文还以相变材料与PAN质量比为1.4∶1.0的溶液为例，研究不同相变纳米纤维膜厚度对温控复合织物性能的影响，其中纤维膜的厚度通过控制纺丝溶液量实现，分别为10、15、20 mL，具体参数见表1。

表1 温控复合织物中相变纳米纤维膜的制备参数

注：静电纺丝参数为电压18 kV、溶液挤出速度1 mL/h、接收滚筒转速1 200 r/h

1.2 相变纳米纤维膜与织物的复合

3M气凝胶具有质量轻、黏性好等优点，且能以水气的方式喷出，质地均匀，故本文选择用其黏结复合织物。首先，采用喷有3M气凝胶的羊毛织物作为静电纺丝的接收材料，用于制备1#～5#试样，完成羊毛/ 相变纳米纤维膜的复合；接着，在静电纺丝结束后，使用3M气凝胶将羊毛/相变纳米纤维膜与黏胶织物相复合，形成三层结构的羊毛/相变纳米纤维膜/黏胶温控复合织物。

1.3 性能表征与测试

1.3.1 相变纳米纤维膜的形貌与热性能

使用Quanta200型扫描电子显微镜(SEM)，观察相变纳米纤维膜的形貌，扫描前对试样进行镀金处理。

使用200F3型差示扫描量热仪(DSC)，分别测试相变纳米纤维膜的熔融相变温度(Tm)、结晶温度(Tc)及熔融焓值(ΔHm)。DSC运行温度为18.00～60.00 ℃，升温速率为5.00 ℃/min。

1.3.2 温控复合织物的保温性及透气透湿性

使用101型电热鼓风干燥箱，在线观测并记录温控复合织物的调温性能。具体操作为，在温控复合织物中裹入TM902C便携式数字温度计探头，并一起置入干燥箱中，干燥箱温度设置为60.00 ℃，记录温控复合织物从25.00 ℃升至60.00 ℃的这一过程中每分钟的温度变化。

根据GB/T 5453—1997标准，利用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪(温州大荣纺织仪器有限公司生产)测试温控复合织物的透气性能。设置测试条件为试样压差200 Pa,测试面积20 cm2，喷嘴型号1号。

根据GB/T 12704.1—2009标准，采用YG(B)216-H型织物透湿量仪(温州大荣纺织仪器有限公司生产)进行温控复合织物的透湿性能测试。测试条件为温度(38.00±2.00)℃、相对湿度(90±2)%。将试样放入盛有无水氯化钙的透湿杯中，根据测试前后透湿杯质量的差值计算试样的透湿率。

2 结果与讨论

2.1 相变纳米纤维膜的形貌及热性能

图1为相变纳米纤维膜的SEM照片，其中纳米纤维的直径分布均匀，但纳米纤维的表面因相变材料的加入而显得略有粗糙不平。

图1 相变纳米纤维膜的SEM照片

图2为相变材料与PAN按1.4∶1.0的质量比制成的相变纳米纤维膜的DSC曲线图。从图2可知，该相变纳米纤维膜的熔融相变温度为28.02 ℃、熔融焓值为80.95 J/g。而原三元低共熔混合物相变材料的熔融相变温度为25.71 ℃、熔融焓值为158.47 J/g[7]。PAN的加入虽升高了相变材料的熔融相变温度，降低了熔融焓值，但这并不影响相变纳米纤维膜的相变性能。

图2 相变纳米纤维膜DSC曲线(相变材料与PAN质量比为1.4∶1.0)

2.2 不同质量比的相变纳米纤维膜对温控复合织物的性能影响

2.2.1 保温性

图3为升温法测得的温控复合织物的温度 - 时间变化曲线图(测试温度为18.00～60.00 ℃)。当外界温度处于相变材料的熔融相变温度时，相变材料可通过熔融吸热起到缓冲保温的作用。从图3可以看出：

图3 0#和1#～3#试样的温度 - 时间变化曲线

(1) 在温度从18.00 ℃升至60.00 ℃的这一过程中，0#试样(即为不含相变纳米纤维膜的羊毛/黏胶复合织物)的升温速度先快后趋于平缓，而1#～3#试样在2～4 min内从18.00 ℃升至26.00 ℃，升温至30.00 ℃用时4～5 min，且升温过程呈阶梯式变化。其中，1#～3#这3种温控复合织物在熔融温度(28.02 ℃)附近表现出一定的保温作用。

(2) 相变材料与PAN的质量比越大，即相变材料的加入量越多，温控复合织物的保温效果越明显。3#试样为相变材料与PAN质量比为1.4∶1.0的温控复合织物，其保温时间最长(约为5 min)。

2.2.2 透气透湿性

透气性是指气体分子通过织物的一种性能，是温控复合织物通透性中最基本的一项，其主要影响温控复合织物的穿着舒适性(如隔热、保暖、通透、凉快)及使用性能等[8-9]。影响温控复合织物透气性的因素主要有温控复合织物中三层织物各自的透气性，特别是中间层——相变纳米纤维膜的透气性，其由纳米纤维间孔隙的分布及膜的联通性等所决定，具体包括纳米纤维的形貌、分布及排列情况，纳米纤维膜的厚度等，此外还与测试的外界环境如温度、湿度、气压差等有关。

经测试发现，1#、2#和3#试样的透气率分别为39.49、 38.18和37.86 mm/s。相变材料与PAN的质量比越大，温控复合织物的透气性能越低。这可能是因为相变材料的加入量越多，则纳米纤维的排列越错综复杂，孔隙越少，纳米纤维表面更粗糙，纳米纤维膜的联通性降低，故在瞬时加压的过程中气体通过率变小，温控复合织物的透气性下降。

透湿性是指湿气透过织物的一种性能，又称透水气性。透湿性反映了温控复合织物在人体发汗散热时维持热量平衡的能力。影响透湿性的因素主要与水气通过温控复合织物的途径有关，具体体现在羊毛、相变纳米纤维膜和黏胶纤维自身的吸湿性，水气通过温控复合织物中纳米纤维膜孔隙的扩散作用，以及羊毛、黏胶织物的毛细管作用[9-10]。

经测试发现，0#、1#、2#和3#试样的透湿量分别为4 647.35、 3 833.22、 3 493.99和2 951.24 g/(m2·h)，温控复合织物的透湿量随相变材料加入量的增加而减少。尽管所用羊毛织物具有良好的吸湿性，但随着相变材料加入量的增大，相变纳米纤维膜中的纳米纤维的形貌有所改变，使能透过的水分子减少，因此1#、 2#和3#温控复合织物的透湿性能较0#试样差。

2.3 相变纳米纤维膜厚度对温控复合织物的性能影响

2.3.1 保温性

图4为升温法测试温控复合织物所得温度 - 时间变化曲线图。从图4可以看出：

(1) 温控复合织物在温度由18.00 ℃升至60.00 ℃的过程中，升温速率先增长快速后趋于平缓。0#、 3#、 4#和5#试样在2 min内均升至25.00 ℃；但温度升至30.00 ℃的过程中，0#试样用时3 min，3#、 4#和5#试样升温呈阶梯式变化，特别是5#试样升温最缓慢，用时7 min。

(2) 经计算，3#、 4#和5#试样的保温性能较0#试样依次提升了4%、 6%、 8%,表明随着相变纳米纤维膜厚度的增加，温控复合织物的保温效果越明显。

图4 0#和3#～5#试样的温度 - 时间变化曲线

2.3.2 透气透湿性

经测试得到，3#、4#和5#试样的透气率分别为37.86、32.94和29.44 mm/s，可见相变纳米纤维膜的厚度越厚，温控复合织物的透气性越差。这主要是因为纳米纤维的排列是无序的，相变纳米纤维膜越厚则越会延长气体通过相变纳米纤维膜的路径；同时，由于透气性测试是一个瞬时加压的过程，测试结果只反映某个瞬间气体分子透过的量，所以在其他织物参数不变的情况下，含相变纳米纤维膜最薄的3#试样透气性最好。

测得0#、3#、4#和5#试样的透湿率分别为4 647.35、 2 951.24、 1 915.90和1 373.14 g/(m2·h)，可以看出，随着温控复合织物中相变纳米纤维膜厚度的增加，温控复合织物的透湿性能变差，主要原因与水分子通过相变纳米纤维膜的途径有关。相变纳米纤维膜的厚度越大，其层叠使得纤维之间的孔隙变小，但水分子是大分子，孔隙太小会导致水分子透不过，故而导致温控复合织物的透湿性能降低。

3 结论

将相变纳米纤维膜与织物复合，制备三明治结构的温控复合织物，是开发新型纺织面料的一种途径，其将成为日后纺织与服装产业研究发展的新方向。

本文成功制备了三明治结构的羊毛/相变纳米纤维膜/黏胶温控复合织物，通过改变相变纳米纤维膜中相变材料与PAN的质量比，以及相变纳米纤维膜的厚度，考察了温控复合织物的保温性及透气透湿性，可归结：

(1) 加入CA-PA-SA三元低共熔混合相变材料后，纳米纤维的形貌有所改变，其表面较原先变得粗糙；相变材料与PAN的混合没有改变相变材料的相变性能，只是使熔融相变温度由25.71 ℃升至28.02 ℃，熔融焓值从158.47 J/g降至80.95 J/g，但这并不影响相变纳米纤维膜的相变性能。

(2) 通过改变相变材料与PAN的质量比发现，相变材料的加入量越大，温控复合织物的保温性能越好，透气透湿性下降。且综合分析测试数据显示，1#试样(相变材料与PAN的质量比为1.0∶1.0)的测试结果最佳，其具有良好的透气透湿性，只是在保温性能方面稍有不足。

(3) 改变相变纳米纤维膜的厚度， 分析温控复

合织物的保温性及透气透湿性能发现，3#试样的保温性能虽不及4#和5#试样，但其透气透湿性均较好。

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功能面料区再现2016中国国际纺织面料及辅料(秋冬)博览会

受全球健康及运动理念盛行的推动，功能服饰现在已是全球纺织业发展速度最快的领域之一。摩根士丹利研究机构近期发布的一份报告指出，功能性运动服饰市场的销售额有望在2020年加添830亿美元的进账，或达30%以上的增长；与此同时，亚洲预计将成为这一增长的最大助力，而中国运动服饰市场的潜力尤其惊人。上海市体育局的数据表明，与2014年相比，47%的中国人在2015年进行了更多的锻炼。报告还称，运动市场的总市值在2025年将达到5万亿人民币(约合7 490亿美元)，其中运动服饰将占极大的份额。

为抓住这个潜力市场的无限商机，功能面料区于2016年10月11—13日再次现身2016中国国际纺织面料及辅料(秋冬)博览会。其时，在5.2馆的专区有再度归来的英威达展团、首次亮相的中国台湾展团，以及来自中国大陆、中国香港、以色列、日本和韩国的多家参展商，如Unifi、龙庆(龙时)服装辅料、屹立、日本东洋纺等业内顶级企业，展示各式各样具备多种功能(包括温度调节、吸湿排汗、更加经久耐用、高弹性、防风等)的创新面料。除了国际参展商，买家也可以在4.2馆采购来自中国大陆的功能服装和运动装面料。

Effects of preparation parameters on properties of temperature control composite fabrics

XiaXin,ZhouXuanwen

Department of Textils and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China

In order to obtain a kind of temperature control composite fabrics with sandwich structure, the phase change nanofiber membrane which was prepared with electrospinning method was used as fabric’s middle layer, and the viscose fabric and the wool fabric were respectively used as the bottom and top layers. By using scanning electron microscope (SEM) and differential scanning calorimeter (DSC), the morphology and thermal properties of the phase change nanofiber membrane were characterized, and how the phase change materials’ content and the phase change nanofiber membrane’s thickness affected heat preserved property as well as air and moisture permeability of the temperature control composite fabrics was discussed. The results showed that nanofibers in the phase change nanofiber membrane were cylindrical, and their surface was not smooth and wrinkled, and the melting phase change temperature was at 28.02 ℃. And the more the content of the phase change materials and the larger the thickness of phase change nanofiber membrane, the better the heat preserved property of the temperature control composite fabrics, but their’s air and moisture permeability was slightly decreased.

phase change nanofiber membrane, temperature control composite fabric, heat preserved property, air and moisture permeability

*新疆自治区自然科学青年基金项目(2015211C287)

2015-08-05

夏鑫，女，1980年生，副教授，研究方向为功能性纺织材料的开发与应用

TQ342+.94

A

1004-7093(2016)09-0008-05