聚乙二醇在调温纺织品中最佳配比的研究

田娜娜　刘艳君

西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048



聚乙二醇在调温纺织品中最佳配比的研究

田娜娜刘艳君

西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048

取两种不同聚乙二醇按不同摩尔分数比复合，再通过施罗德公式计算所得相变复合材料的相变温度，并通过理论体系组图找出最低共熔点的摩尔分数比；再根据所得摩尔分数比进行不同聚乙二醇的复合，利用DSC曲线确定不同聚乙二醇复合的最佳摩尔分数比。此法能有效缩减复合试验次数，快速找出满足人体舒适度要求的相变复合材料的最佳摩尔分数比。

聚乙二醇，复合，摩尔分数比，DSC曲线，施罗德公式

聚乙二醇(PEG)能在纺织品调温相变材料中发挥举足轻重的作用，但单一聚乙二醇因相变温度过高，在调温功能性方面存在局限性，而利用加热共熔法将两种聚乙二醇复合，制得相变复合材料，可弥补这一缺陷。制得的相变复合材料的相变温度能达到一个新的最低点，且低于其中任一种相变材料，可满足人体舒适度要求。

本文选择了四种不同的聚乙二醇(表1)，通过将PEG-800、药用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500进行两两复合，再利用DSC曲线及施罗德公式，以期快速找出相变复合材料中不同聚乙二醇的最佳摩尔分数比。 其中，药用PEG-1000还具有保健功能。

表1　聚乙二醇试剂

1　单一聚乙二醇

1.1DSC测试方法和步骤

采用差示扫描量热法对聚乙二醇相变材料的相变行为进行表征。差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry，简称DSC)是用于精确测试待测物质的热活性参数(如相变温度、相变焓)的一种仪器。DSC测试具体步骤：

(1) 利用称量精度为0.01 mg的电子天平分别称取不同的聚乙二醇，样品质量控制在5.00～10.00 mg。减少样品质量虽可以提高分辨率，但测试灵敏度会降低，峰值温度偏低；而增多样品质量虽可以提高测试灵敏度，但分辨率会降低，峰值温度偏高。故应将样品质量控制在一定范围内。

(2) 以N2作为保护气，利用DSC对这四种单一的聚乙二醇相变材料进行测试。测试时，温度从0.0 ° C 升到100.0 °C，升温速率设置为10.0 °C/min，得到的四种聚乙二醇相变材料的DSC曲线如图1所示。

(a) PEG-800

(b) 药用PEG-1000

(c) PEG-1000

(d) PEG-1500

1.2DSC测试结果分析

从图1可以看出，各DSC曲线图中都出现了明显的峰，且峰的形状、大小、位置因聚乙二醇的不同而不同。四种单一聚乙二醇相变材料的相变温度与相变焓归纳于表2。

表2　单一聚乙二醇相变材料的DSC测试结果

从表2可知，单一聚乙二醇相变材料都有各自特定的相变温度和相变焓。本文将PEG-800、药用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500按不同摩尔分数比进行两两复合，采用加热共熔法制备出新的相变复合材料，使其相变温度落在具体应用领域所要求的温度范围内。这种新形成的相变复合材料既具有单一聚乙二醇相变材料各自的优点，又能在一定程度上解决单一聚乙二醇相变材料因相变温度过高等缺点导致其使用存在局限性的问题。所得相变复合材料可通过后整理法添加到纺织品中以开发调温纺织品。

2　聚乙二醇的复合

2.1施罗德公式

将纯相变材料的复合看成理想溶液模型，复合物的熔化温度总是低于纯化合物，这样两组分体系复合便能达到一个最低的熔点，即最低共熔点。若将具有最低共熔点的溶液冷却，使其在最低共熔点全部凝固，则该最低共熔点即为相变复合材料的相变温度。且已有研究表明：不同的聚乙二醇按不同摩尔分数比复合时，利用施罗德公式计算得到的最低共熔点非常接近实际测试得到的最低共熔点[1]。本文为缩减复合试验的次数，更快找到适合人体所需的不同聚乙二醇复合的摩尔分数比，选择采用施罗德公式计算不同聚乙二醇复合所对应的相变温度，以代替大量的实际测试[2-5]。

施罗德公式:

式中：T——含化合物A的混合物的相变温度，K；

Tf——纯化合物A的相变温度，K；

R——气体常数，8.315 J/(K·mol) ；

xA——混合物中化合物A(主要成分)的摩尔分数；

2.2两种聚乙二醇复合的理论分析

选择将PEG-800、药用PEG-1000和PEG-1000、PEG-1500进行两两复合。

2.2.1PEG-800与PEG-1000复合

由表2可知，PEG-800的相变温度为47.7 °C(即320.85 K)，相变焓为194.8 J/g；PEG-1000的相变温度为46.3 °C(即319.45 K)，相变焓为151.9 J/g。根据施罗德公式可分别得到PEG-800摩尔分数从0.1到0.9 和PEG-1000摩尔分数从0.1到0.9时，复合物的理论相变温度(表3和表4)。

表3　PEG800不同摩尔分数时复合物的理论相变温度

表4　PEG1000不同摩尔分数时复合物的理论相变温度

由PEG-800与PEG-1000构成的理论体系组图如图2所示。

图2　PEG-800与PEG-1000构成的理论体系组图

图2中，左边为PEG-1000作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线；右边为PEG-800作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线。两条曲线在PEG-800与PEG-1000的摩尔分数比为0.5∶0.5与0.6∶0.4之间相交，交点对应的温度即为PEG-800与PEG-1000复合体系理论的最低共熔点(即相变温度)。

2.2.2PEG-800与PEG-1500复合

由表2可知，PEG-1500的相变温度为45.8 °C(即318.95 K)，相变焓为179.0 J/g。根据施罗德公式可计算得到PEG-1500摩尔分数从0.1到0.9时，复合物的理论相变温度(表5)。

表5　PEG1500不同摩尔分数时复合物的理论相变温度

由PEG-800与PEG-1500构成的理论体系组图如图3所示。

图3　PEG-800与PEG-1500构成的理论体系组图

图3中，左边为PEG-1500作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线；右边为PEG- 800作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线。两条曲线在PEG-800与PEG-1500的摩尔分数比为0.4∶0.6与0.5∶0.5之间相交，交点对应的温度即为PEG-800与PEG-1500复合体系理论的最低共熔点(即相变温度)。

2.2.3药用PEG-1000与PEG-1000复合

由表2可知，药用PEG-1000的相变温度为41.7 °C(即314.85 K)，相变焓为176.7 J/g。根据施罗德公式可计算得到药用PEG-1000摩尔分数从0.1到0.9时，复合物的理论相变温度(表6)。

表6　药用PEG1000不同摩尔分数时复合物的理论相变温度

由药用PEG-1000与PEG-1000构成的理论体系组图如图4所示。

图4　药用PEG-1000与PEG-1000构成的理论体系组图

图4中，左边为药用PEG-1000作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线，右边为PEG-1000 作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线。两条曲线在药用PEG-1000与PEG-1000的摩尔分数比为0.8∶0.2与0.7∶0.3之间相交，交点对应的温度即为药用PEG-1000与PEG-1000复合体系理论的最低共熔点(即相变温度)。

2.2.4药用PEG-1000与PEG-1500复合

由药用PEG-1000与PEG-1500构成的理论体系组图如图5所示。

图5　药用PEG-1000与PEG-1500构成的理论体系组图

图5中，左边为PEG-1500作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线，右边为药用PEG-1000 作为主要成分的相变复合材料的相变温度曲线。两条曲线在药用PEG-1000与PEG-1500的摩尔分数比为0.8∶0.2与0.9∶0.1之间相交，交点对应的温度即为药用PEG-1000与PEG-1500复合体系理论的最低共熔点(即相变温度)。

3　相变复合材料复配方案及其最佳配比的确定

有研究表明：在正常状况下，人体内部温度较恒定、均匀，腋下温度一般在36.0～37.0 °C，其他体表温度会受天气等多种因素影响而有所差异。外界温度略偏高时，人体会通过出汗、毛细血管扩张等方式加快热量散失；外界温度略偏低时，人体会通过战栗、毛细血管收缩等方式抵御外界寒冷；但当人体与外界环境温度相差较大时，则需通过服装来调节人体与环境之间的能量交换。制备相变温度接近人体皮肤温度的相变复合材料，可使人体获得舒适感[6-7]。

根据2.2节分析得到的最低共熔点处两种不同聚乙二醇的摩尔分数比制备相变复合材料，并采用DSC对制得的相变复合材料的相变温度和相变焓进行测试，测试结果见图6～图9。

(a) 摩尔分数比为0.5 ∶0.5

(b) 摩尔分数比为0.6 ∶0.4图6　PEG-800与PEG-1000复合

(a) 摩尔分数比为0.4 ∶0.6

(b) 摩尔分数比为0.5 ∶0.5图7　PEG-800与 PEG-1500复合

(a) 摩尔分数比为0.8 ∶0.2

(b) 摩尔分数比为0.7 ∶0.3图8　药用PEG-1000 与PEG-1000复合

(a) 摩尔分数比为0.8 ∶0.2

(b) 摩尔分数比为0.9 ∶0.1图9　药用PEG-1000与PEG-1500复合

由图6可以看出：当PEG-800和PEG-1000的摩尔分数比为0.5∶0.5时，所得相变复合材料的相变温度为47.3 °C，调温区间为47.3～55.9 °C，相变焓为167.8 J/g；当两者的摩尔分数比为0.6∶0.4时，所得相变复合材料的相变温度为47.4 °C，调温区间为47.4～ 53.6 °C，相变焓为168.0 J/g。

由图7可以看出：当PEG-800和PEG-1500的摩尔分数比为0.4∶0.6时，所得相变复合材料的相变温度为48.1 °C，调温区间为48.1～54.0 °C，相变焓为136.6 J/g；当两者的摩尔分数比为0.5∶0.5时，所得相变复合材料的相变温度为38.2 °C，调温区间为38.2～ 51.9 °C，相变焓为155.6 J/g。

由图8可以看出：当药用PEG-1000和PEG-1000 的摩尔分数比为0.8∶0.2时，所得相变复合材料的相变温度为27.6 °C，调温区间为27.6～42.4 °C， 相变焓为136.1 J/g；当两者的摩尔分数比为0.7∶0.3时，所得相变复合材料的相变温度为23.3 °C， 调温区间为23.3～48.9 °C，相变焓为173.5 J/g。

由图9可以看出：药用PEG-1000和PEG-1500 在摩尔分数比为0.8∶0.2时制备的相变复合材料的相变温度为30.9 °C，调温区间为30.9～47.4 °C，相变焓为163.4 J/g；当两者的摩尔分数比为0.9∶0.1时制备的相变复合材料的相变温度为32.6 °C，调温区间为32.6～ 45.0 °C，相变焓为150.4 J/g。

从相变温度的角度考虑，PEG-800与PEG-1500 的摩尔分数比为0.5∶0.5，药用PEG-1000与PEG-1500的摩尔分数比为0.8∶0.2和0.9∶0.1，所得相变复合材料的相变均满足人体舒适度要求，其中药用PEG-1000与PEG-1500的摩尔分数比为0.8∶0.2 时所得相变复合材料的相变焓稍微偏大。加之药用PEG-1000还具有保健功能。故综合考虑最终确定选择摩尔分数比为0.8∶0.2的药用PEG-1000与PEG-1500制备相变复合材料。

4　结论

先通过对四种单一相变材料进行DSC测试，得到不同规格聚乙二醇的相变温度和相变焓；再利用施罗德公式计算出两两复合的聚乙二醇相变复合材料的理论最低共熔点及对应的摩尔分数比；最后结合试验及DSC测试结果，确定使用摩尔分数比为0.8 ∶0.2 的药用PEG-1000与PEG-1500 制备相变复合材料，符合开发满足人体舒适度要求的智能调温、保健面料的需要。

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[2] 吉冈甲子狼，获野一善.物理化学计算[M].张勤堂.郑州：河南科学技术出版社，1982：1-60.

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[6] 朱平.功能纤维及功能纺织品[M].北京：中国纺织出版社,2006:19-21.

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Study on optimum ratio of polyethylene glycol used in thermo-regulation textiles

TianNa’na,LiuYanjun

Textile and Materials College，Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048，China

Two kinds of different polyethylene glycols (PEGs) were selected and recombined according to different molar ratio. And then transition temperatures of phase-change compound materials were calculated with Schroeder formula, and molar ratios at the lowest eutectic point were obtained with theoretical system diagram. Finally, different PEGs were recombined with the molar ratios obtained, and the best molar ratios for different PEGs’ recombination could be determined with DSC curve.This method could effectively reduce the number of compound experiments, and quickly find out the optimum molar ratio of phase change compound materials to meet the requirements of human body’s comfort.

PEG, composite, molar ratio，DSC curve， Schroeder formula

2015-08-27

2015-09-15

田娜娜，女，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为相变材料在调温针织面料中的应用

TS184.8

A

1004-7093(2016)07-0022-06