微胶囊相变调温纤维的调温性能研究

金美菊，刘艳春，邝湘宁

(1.宁波市纤维检验所，浙江 宁波 315048； 2.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000)



微胶囊相变调温纤维的调温性能研究

金美菊1，刘艳春2，邝湘宁1

(1.宁波市纤维检验所，浙江 宁波 315048； 2.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000)

摘要：文章采用差示扫描量热法测定相变微胶囊的吸热焓及放热焓；采用温度变化曲线法测定微胶囊相变调温纤维的升温及降温过程；从而研究相变微胶囊及相变微胶囊调温纤维的调温性能。结果表明：以石蜡为芯材的相变微胶囊满足纺织用相变材料的要求；粘胶基相变微胶囊调温纤维的温度调控范围与其采用的相变微胶囊的吸热和放热温度区间一致。

关键词：相变材料；微胶囊；调温纤维；调温性能

相变材料 (Phase Chang Materials ,简称PCM)是一类在一定温度范围内，依靠自身可逆相变从环境中吸收或向环境释放热量的物质。目前人类已经发现并掌握的天然或合成相变材料约有500 种[1]，它们以各种形式存在于自然界中。将相变材料加入到纤维中或整理到织物上，可以开发出在一定范围内自由调节温度的相变纺织品。由于服用纺织品通常直接或非直接接触人体皮肤，因而要求用于纺织领域的相变材料(PCM)具备相变温度在30℃～35℃之间，相变潜热足够大、相变可逆性好、无毒、无腐蚀性等特点，大量研究表明，要得到满足所有这些条件的PCM极其困难[2]，为了取得预期效果，有时可能会采用多种相变材料混合使用。本文采用差示扫描量热法测定相变微胶囊的吸热焓及放热焓；采用温度变化曲线法测定粘胶基微胶囊相变调温纤维的升温及降温过程；从而研究两者各自的调温性能。

1　相变材料的调温机理

在一定条件下，某些物质通过相态变化来储存或释放能量，从而保持自身温度基本不变的过程，称为相变。相变是自动的、可逆的、无限次的[3]，常见的相变有固-液、液-汽、固-汽等。伴随着相态变化的过程，一定会有吸热或放热现象产生，这种热量称为相变潜热，亦称为相变焓。

含有相变材料的纺织品在环境温度升高时，相变材料吸收热量，从固态变为液态，使得纺织品本身温度升高相对不明显；在环境温度降低时，相变材料放出热量，从液态变为固态，使得纺织品本身温度下降相对较慢，形成舒适的“衣内微气候”环境。而传统的保温纺织品，则是通过提高织物内部静止空气量的方法来隔绝热传导，达到蓄热保温的目的。可见，相变纺织品与传统纺织品的蓄热调温机理不同。

相变材料的温度调节能力是有限的，这与相变材料的相变温度和环境温度的差异、相变材料质量以及相变焓等因素有关。

2　相变调温纺织品的发展

相变调温纤维是近代发展起来的一类新型纤维材料，在国内外普受关注。美国航空航天局 (NASA) 中心实验室早在20世纪60年代，就已开始研究相变材料，并应用于航天领域；尔后Outlast 技术公司成功采用微胶囊技术，制造出蓄热调温纺织品和泡沫，并于1997年开始生产和销售。我国对于相变材料的研究始于20世纪90年代，起步较晚，但发展迅速，现已在运动服、职业服、鞋袜和医疗用品等方面得到应用。

早期的调温纺织品通常是将相变材料直接整理到织物上，容易对皮肤造成伤害，且耐洗性能较差。近年来研究的热点课题是：利用胶囊技术将相变材料包裹到胶囊内部，制备成相变调温微胶囊，从而赋予相变纺织品良好的调温性能和调温持久性。

目前，相变微胶囊调温纺织品的加工方法主要有两种：一是微胶囊涂层法，即将微胶囊相变材料均匀分散于粘合剂中，涂覆于织物表面，此方法简单方便，但织物柔软性和光滑度较低[4]；二是微胶囊纺丝法，即将微胶囊添加到纺丝液中，通过纺丝工艺制成调温纤维，再经纺、织、染等过程制成相变织物，由于微胶囊的良好稳定性，使纤维及织物能保持原有的柔软性，但纤维断裂强度会受到一定的损伤。

3　相变微胶囊及相变微胶囊调温纤维的调温性能

3.1相变微胶囊的合成及调温性能

选取相变材料石蜡为芯材，甲苯-2，4二异氰酸酯(TDI)和己二胺为壁材，以合成共聚物苯乙烯-顺丁烯二酸酐的水解物(SMH)为乳化剂，采用原位聚合技术，将相变材料包覆在微胶囊内部，制成相变微胶囊。

据资料载：超声波震荡有助于反应液中大颗粒团分散成小颗粒，同时有助于极细小的颗粒聚集成稍大的颗粒团，使微胶囊的体均粒径差异减小，数均粒径分布区域相对集中。本实验分别制备了微胶囊A和微胶囊B，其中A为制备过程使用超声波震荡，B为未使用。

使用差热扫描量热仪分别测量石蜡芯材和实验制备所得微胶囊的熔融范围、吸热焓、凝固范围和放热焓。结果见表1。升温过程DSC和降温过程DSC见图1和图2。

表1芯材及微胶囊A、B的熔融范围、吸热焓、凝固范围和放热焓

熔融范围(℃)吸热焓(J/g)凝固范围(℃)放热焓(J/g)芯材16～45122.337～13125.3微胶囊A16～4595.2537～1390.01微胶囊B16～4586.0137-1382.65

从图1看，热焓吸收主要发生在20℃～38℃之间，而从图2看，热焓放量大部分集中在18℃～37℃之间。可见，实验制得的相变微胶囊吸热和放热温度区间(即调温范围)在18℃～38℃之间，适合应用于人体温度的调节，满足纺织用相变材料的要求。

图1　芯材和微胶囊A、B升温过程DSC

图2　芯材和微胶囊A、B降温过程DSC

3.2相变微胶囊调温纤维的加工及调温性能

选用优质棉、木浆粕等纤维素浆粕为原料，采用粘胶纤维纺丝工艺，经浸渍、压榨、老成、黄化，制得纤维素黄酸脂，然后加入相变调温微胶囊，混合搅拌、过滤、熟成，制得调温微胶囊有效含量10%的纺丝胶，经喷头喷入温度为48℃的凝固浴中成型，经过牵伸、精练、烘干等后处理制得粘胶基微胶囊调温纤维。本实验分别采用上述微胶囊A、B制备得到粘胶基微胶囊调温纤维A、B。

相变调温纤维的调温效果测定方法，目前主要有三种：一是差示扫描量热法，即DSC法，用于测定纤维储热能力及植入到纤维结构中的相变微胶囊的相变温度范围；二是动态热转换法，用于测定动态保暖效果，可以有效区分纤维本身与相变材料提供的保暖性能；三是温度变化曲线法，借助温度测试仪来测定纤维温度变化范围和热量吸收程度[5]。

微胶囊调温纤维本质上是通过微胶囊的调温性能来实现，那么微胶囊经纺丝工艺后调温效果是否有改变？我们采用温度变化曲线法测定粘胶基微胶囊调温纤维的升温及降温性能。

实验样品：(1)粘胶基微胶囊调温纤维A、B；

(2)普通粘胶纤维。

升温测试：将三种实验样品纤维，同时放在国标GB/T 6529—2008《纺织品 调湿和试验用标准大气》[6]规定的标准大气条件下调湿24h，然后分别放在温度40℃的保温板上，采用红外测温仪每隔3s测定一次纤维表面温度，记录并绘制升温曲线，见图3。

图3　粘胶纤维及粘胶基微胶囊调温纤维的升温曲线

降温测试：将三种实验样品纤维，同时放置于42℃恒温烘箱中加热保温2h，取出，置于标准大气条件下自然冷却至环境温度(20±2)℃，用红外测温仪每隔3s，测定一次纤维表面温度，记录并绘制降温曲线，见图4。

图4　粘胶纤维及粘胶基微胶囊调温纤维的降温曲线

从图3可以看出：在30℃时，微胶囊调温纤维开始吸收热量，自身升温速率逐渐减慢，35℃时达到最小值，最后缓缓到达37℃；从图4可以看出：在34℃时，微胶囊调温纤维开始释放自身热量，自身降温速率下降，30℃时达到最小值，最后到达20℃。而普通粘胶纤维，无论是升温速度还是降温速度，均比调温纤维相对较快。

该实验表明：粘胶基微胶囊相变调温纤维的温控范围约在20℃～37℃之间，与其采用的相变微胶囊的吸热和放热温度区间基本一致。

4　结语

4.1以石蜡为芯材，甲苯-2，4二异氰酸酯(TDI)和己二胺为壁材，苯乙烯-顺丁烯二酸酐的水解物(SMH)为乳化剂，制成的相变微胶囊热焓吸收区间20℃～38℃，热焓放量区间18℃～37℃，适合应用于人体温度的调节，满足纺织用相变材料的要求。

4.2以上述相变微胶囊为相变材料，采用纺丝法制得的粘胶基微胶囊相变调温纤维，温控范围约在20℃～37℃之间，与其采用的相变微胶囊的吸热和放热温度区间基本一致。

4.3相变调温纺织品的调温性能取决于其采用的相变材料，与纺织品形态及环境湿度无关。随着相变材料新品种的不断出现及相变微胶囊纺丝技术的不断完善，相变调温微胶囊纤维的开发与应用领域将不断扩展。

参考文献：

[1]武松梅,田 丽.相变材料在纺织上的应用与研究[J].轻纺工业与技术,2012，41(2):68—69.

[2]王 全,王清成,蔡建军.蓄热调温纤维制备方法研究进展[J].棉纺织技术,2013，42(11):65—68.

[3]周立群,孟家光.蓄热调温纺织品的研究与发展[J].现代纺织技术,2010，(6):56—58.

[4]苏德保.智能调温纤维的研究新进展[J].国际纺织导报, 2013，(8):10—14.

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

[6]GB/T 6529—2008.中华人民共和国国家标准.纺织品 调湿和试验用标准大气[S].

收稿日期：2015-10-14 2015-12-15

基金项目：2014年国家质检总局科技项目(2014QK205)

作者简介：金美菊(1966—)，女，浙江温岭人，高级工程师。

中图分类号：TS102.52+8

文献标识码：A

文章编号：1009-3028(2016)01-0001-04

Study on the Thermal Performance of Microcapsules Phase Change Fiber

Jin Meiju1, Liu Yanchun2, Kuang Xiangning1

(1.Ningbo Fibre Inspection Institute, Ningbo 315048,China;2.Shaoxing University, Shaoxing 312000,China)

Abstract：The article studied the thermal performance of phase change micro capsule and microcapsules phase change fiber, by using differential scanning calorimeter method for phase change micro capsule of endothermic enthalpy and exothermic enthalpy; by using temperature change curve method for determination the temperature change of microcapsule phase change fiber in heating and cooling process.The results show that: The phase change micro capsules with paraffin as core material was suitable for textiles; The temperature regulation range of viscose base phase change microcapsule fiber, was the same as the temperature scope of micro capsule endothermic and exothermic .

Key words：phase change material; microcapsule; thermostat fiber; thermal performance