相变调温材料在纺织领域中的发展及应用

程浩南

(1.江西服装学院 ，江西 南昌330201；2.江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌330201)

综述与专论

相变调温材料在纺织领域中的发展及应用

程浩南1,2

(1.江西服装学院 ，江西 南昌330201；2.江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌330201)

介绍相变调温材料的国内外发展情况、分类和生产方法及在纺织领域的应用。其中相变调温材料分固－气型、液－气型、固－液型和固－固型四类，常用生产方法为纺丝法、相变材料微胶囊法、中空纤维填充法和后整理法四种。相变调温材料在消防服的设计、服装面料设计、医疗纺织品设计都有应用。相变调温纺织材料的生产将更多的应用微胶囊法，微胶囊的小型化及环保性能将是未来的发展方向之一。与此同时，在设计调温纺织品时，与其他生理保健功能的复合化也将是研究的热点。

相变调温材料；纺织领域；生产方法；微胶囊法

0 前言

当人体所处环境发生变化时，会发生热量转移，当人体正常机能无法保持热量平衡时，人体就会感觉不舒适，这时就需要服装进行调节以保证微小气候区内的热量平衡。相变调温材料因在环境温度发生变化时可以通过相变实现吸收或者释放热量的调温功能，逐渐在纺织服装领域得到应用[1]。通过多年的发展，新型相变调温材料的开发取得了一些研究成果，但是，相变材料并不能直接添加在服装材料上实现调温功能，需要借助一些特殊的方法实现相变调温材料与纺织材料的有机结合[2]。本文通过查阅有关相变材料的发展及在纺织领域的应用的参考文献，总结相变材料在纺织领域中的应用及发展趋势，为调温功能纺织品的设计开发提供一些参考。

1 相变材料研究的发展

相变材料最早是外国研究人员开发的，已开发出能够在特定环境使用的调温服装，且有些产品已投入生产[3]。上世纪70年代发生的石油危机引起了发达国家对热储能技术重视，并不断地在新能源开发和节能减排方面加以广泛应用[4]。以美国为代表的发达国家还为热储能技术研究提供了大量的政策支持，并制定了长期发展规划，以保证其在热储能技术的开发和应用方面长期处于领先地位。我国在相变材料的研究及应用方面起步较晚，但随着我国经济和科技的发展，也取得了一些研究成果。

1.1 相变材料在国外纺织领域的研究与应用

20世纪80年代初期，美国的T.L.Vigo和T.S.Bruno系统探讨了PEG与纺织纤维发生物理和化学反应，使纺织品具有了调温功能[5]。在随后的几十年间，相变材料在国外纺织领域的研究和应用取得了丰硕的成果，具体如图1所示。

图1 相变材料在国外的发展状况

1.2 国内相变材料研究的发展

相变材料的一系列研究在我国起步晚，现在处于探索研究阶段，与西方发达国家差距较大，主要体现在相变材料的研究理论与应用技术不够完善。我国研究人员大多侧重于研究相变高分子材料，已取得较大的成果，对调温纺织品的应用正在进一步研究中。直到上世纪90年代，我国有关相变材料的研究重点才转移到有机类材料方面。具体的相变材料发展如图2所示。

图2 国内相变材料发展状况

2 相变材料分类及生产方法

2.1 相变材料分类

相变材料在自然界中是以氧化物或聚合物等不同形式存在的，具有的种类多种多样。大致分为四种类型[6]：固 －气型相变材料、液 －气型相变材料、固－液型相变材料和固－固型相变材料。固-气型相变材料和液-气型相变材料因在相变过程中会伴随着大量气体产生，如果是在密闭空间内进行，设备的内壁会受到巨大压强的严重损伤，因此，这两种相变材料的应用受到了限制。固-固相变材料虽然不会产生气体，其储能密度较低、潜热也比较小，但是应用的相对比较少一些。近些年，许多研究者把研究重点放在了固 -液型相变材料。这类材料相变潜热较高，在相变过程中近似恒温，因此，固-液相变材料在纺织用调温相变材料应用较为广泛。

2.2 相变材料的生产方法

相变纺织材料常用的生产方法有4种[7]：纺丝法、相变材料微胶囊法、中空纤维填充法和后整理法。

2.2.1 纺丝法

该方法的主要目的是生产相变纺织纤维，将相变材料微胶囊添加到纺丝熔体当中，利用溶液纺丝或熔融纺丝技术生产出含有相变材料微胶囊的纤维，然后与其他纤维进行混纺。目前美国的Outlas公司[8]已研制出含有MEPCM的聚丙烯腈纤维、黏胶和聚酯短纤维，且已经应用于服用纺织品的设计过程中。

2.2.2 相变材料微胶囊法

该方法是将相变材料包裹在特制的微胶囊内，然后将微胶囊整理到面料表面，使得纺织产品具有相变智能调温功能。该技术不仅拓展了相变材料在服装材料领域的应用，还增大了面料的热传导面积，提高了相变材料的使用效率。所以，相变材料微胶囊法逐渐发展成为生产相变材料最常用的方法之一。

2.2.3 中空纤维填充法

该方法需要借助物理或化学方法对纤维的内径进行预处理，增加纤维与变相材料的结合效果，且在相变材料中添加适量的表面活性剂，用于增强相变材料表面的浸润性能，从而使其更顺利地填充到中空纤维当中，然后需要将带有相变材料的中空纤维置于PCMs溶液当中放置一段时间，取出进行真空干燥处理后，用树脂将纤维头端进行有效封闭，这样可以防止相变材料胶囊的泄漏，可以保证材料调温功能的长时间有效性。

2.2.4 后整理法

后整理法常用浸渍法和涂层法。其中浸渍法的工艺流程：浸渍液配制→服装材料的浸、轧和烘→服装材料的皂洗工艺得到含有相变材料的面料；涂层法的工艺流程：涂层浆配制→面料涂层→焙烘。浸渍液和涂层浆除了含有相变材料微胶囊外，往往需要添加乳化剂、催化剂、交联剂和分散剂等，提高面料的后整理效果。该方法操作比较简单，但纺织品的手感有一定程度的下降，同时，后整理效果在使用过程中的耐久性也要提高。

3 相变材料在纺织品设计中的应用

在日常生活中，利用相变材料的这种相变特性，开发的高科技功能纺织品已经被广泛应用，相变材料在纺织方面主要有以下几个方面。

3.1 消防服装设计中的应用

相变材料在防护性纺织品设计中的主要作用是调节身体局部温度的热量平衡，为人体的这些特定部位提供较为舒适的环境。在防护性纺织品中主要应用在消防服的设计当中，可以有效减小热压并提高着装舒适性。朱方龙等[9]将PCM织物层设计在消防服中，并与一般多层消防服进行热防护的比较分析，结果显示：含PCM织物层在多层服装各层中的布置对服装防护人体皮肤烧伤性能影响较为显著。Bartkowiak等[10]通过将相变内衣层和相变材料大胶囊冷却背心进行有机结合设计出的调温消防服，通过试验证明可以调节消防服与人体之间的微小气候，有效地提高了消防人员在救援现场的服装舒适性。Hu等[11]通过将 “阻燃外层 +相变层 +透汽层 +隔热内层”和 “阻燃外层 +透汽层+相变层+隔热内层”进行不同的配置，并构建热传导模型进行消防服热防护性能的分析，试验结果分析得到：在消防服的设计过程中，当相变材料的厚度分别为1 mm、2 mm、5 mm及10 mm时，采用 “阻燃外层+透汽层+相变层+隔热内层”的配置设计消防服，其热防护效果较好，且防护效果随着相变材料含量的增加而不断提高。

3.2 服装面料设计中的应用

服装中相变材料会依据周围环境温度的变化而进行相变，当周围环境的温度发生过高或过低变化时，相变材料通过发生相变对温度进行主动调控，使服装与人体形成的微气候区的温度保持稳定[12]。甘芬等[13]将自制固 -固型含有聚乙二醇的相变材料涂刷到皮革表面，用于提高皮革对温度变化的适应性能。试验测试结果表明：用质量分数为4%左右的相变材料涂刷到皮革中，当温度过高时，该相变皮革面料与普通皮革相比温度低2～3℃；当温度过低时，该相变皮革面料与普通皮革相比温度高2～3℃，可以有效地调节皮革面料的穿着舒适性。叶颖等[14]采用溶胶凝胶技术将正硅酸乙酯作为前驱体，利用SiO2的三维网状结构对十四醇、溴甲酚紫和硼酸进行有效包裹制备出热敏变色储能复合材料，使复合材料通过浸轧烘的方式整理到蚕丝织物上。结果表明：经过整理后的蚕丝织物具有较好的热敏变色和相变储能的效果。张世安等[15]以14.8 tex相变黏胶纱线与14.8 tex云母纱交织开发两款新型智能调温商务休闲针织面料。并测试分析相变储能黏胶混纺面料的物理指标和功能舒适性指标。结果表明：该面料柔软、质轻、保暖，并具有良好的温度可调节性，经济效益显著，可广泛应用于商务内衣、家居服等休闲针织服装。

3.3 医疗保健纺织品设计中应用

医用手术服通过相变材料整理后可以有效地改善医生服装的穿着舒适性；病人的床单被褥面料经过相变材料整理后，可对病人的病情起到一定程度的辅助治疗作用[16]。相变调温材料应用在医疗恒温绷带或伤口敷料方面，可有效降低夏季因温度过高伤口发炎感染的概率，对于病人伤口的愈合起到了积极作用。英国的STP公司利用纳米技术将银粉纳米粒子作微胶囊外壁，然后将微胶囊同绷带面料进行结合，可以有效的起到杀菌效果[17]。英国皇家艺术院利用体温可以加热面料中的微胶囊的原理，将药物制成微胶囊，药物成分可以散发到血液，开发出可以减缓关节炎等轻慢性病的纺织产品，这些产品具有药效持续时间长，耐水洗的优点[18]。日本KOMATSU SEIREN公司将防螨介质胶囊植于涤/棉面料表面进行防螨整理，可以产生良好的防螨效果，达到保护皮肤作用，该产品在女性消费者中大受欢迎。

4 结束语

（1）微胶囊法在相变调温纺织材料的应用中将占据重要位置，随着微胶囊生产技术的不断发展，减小微胶囊的外壳厚度可以促使封装在其内部的相变材料更直接有效发挥调温作用，同时，微胶囊相变材料安全性和环保性需要得到保障。所以微胶囊的小型化及安全环保性能将是未来的发展方向之一。

（2）随着消费者生活品质的不断提高，调温纺织品在设计过程中，其调温功能与其它生理保健功能的复合化也将是研究的热点之一。

（3）随着相变调温材料在纺织领域的应用和发展，有关相变调温材料性能测试和评价的相关标准需要不断地完善，以保障企业和消费者的权益。

[1] 徐凤，徐红.相变材料在智能调温纺织品上的应用 [J].江苏丝绸，2012，23（2）:44-45.

[2] 张艳芳.相变材料在世界各国服装中的应用 [J].中国纤检，2014，34（2）:60.

[3] Li Y F，Zhang Y，Li M G，et al.Testing method of phase change temperature and heat ofinorganic high temperature phase change materials[J ].Experimental Thermal&Fluid Science， 2013， 44（44） :697-707.

[4] 张仁元.相变材料与相变储能技术 [M].北京：科学出版社，2009：3-10.

[5] SeebothA，Klukowska A.The imochiomic polymer materials[J].Chinese Journal of Polymer Science，2007， 25 （2） :123-135.

[6] 田娜娜.相变材料在调温面料开发中的应用研究[D].西安：西安工程大学，2016.

[7] 阎若思，王瑞，刘星.相变材料微胶囊在蓄热调温智能纺织品中的应用 [J]. 纺织学报，2014，35(4):157-163.

[8] Outlasttechnology[2013-06-26].http://www.outlast.com/en/applications/fiber．

[9] 朱方龙.附加相变材料层的热防护服装传热数值模拟 [J].应用基础与工程科学学报，2011，19（4） :635-643．

[10]BARTKOWIAKG， DABROWSKAA， MARSZALEKA.Analysisof thermoregulation properties of PCM gar men ts on the basis of ergonomic tests[J].Textile Research Journal， 2013， 83 （2） :148-159.

[11]HU Y， HUANG D M， et al．Modeling thermalinsulation of firefighter protective clothing embedded with phase change material[J].Heat and Mass Transfer，2013，49:567-573.

[12]丁恩勇.调温纤维的开发与应用 [J].纺织商业周刊，2008(16):76.

[13]甘芬， 俞从正，马兴元，等.相变材料在皮革中的应用及其热性能的研究 [J].2009，26（2）:7-10.

[14]叶颖，冯沈萍，易世雄，等.热敏变色相变复合材料的制备及其在蚕丝织物中的应用 [J].蚕学通讯， 2014，34 （1） :7-11.

[15]张世安，王显其，关燕，等.智能调温商务休闲针织面料的研发 [J].针织工业，2016， 44（1）:1-6.

[16]秦益民，李可昌，邓云龙，等.先进技术在医用纺织材料中的应用 [J].产业用纺织品，2015，33（5） :1-6.

[17]叶金兴.纺织物整理技术的新发展 (中) [J].现代纺织技术，2008，24（5）:54-56.

[18]刘娜.智能材料在服装中的应用 [J].上海纺织科技，2011，39(7):5-7.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF PHASE CHANGE THERMOSTAT IN TEXTILE FIELD

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China.2.Jiangxi Provincial Modern Research Center of Clothing Engineering Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China)

Introduced the development，classification and production methods of phase change materials at home and abroad.The phase change materials are divided into four types:solid-gas， liquid– gas， solid-liquid and solid-solid.The common methods for production are as follows:spinning method，phase change material microcapsule method， hollow fiber filling method and post-finishing method， four kinds.Phase change materials have been used in the design of fire fighting clothing，fabric design and medical textiles.The production of phase change temperature control textile materials will be more application of microencapsulation method，miniaturization and environmental protection performance of microcapsules will be one of the future development direction.At the same time， in the design of textile， compounding with other physiological health functions will also be the focus of future research.

phase change thermostat material， textile field， production method， microcapsule method

TS102.9

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.04.009

1672-500X(2017)04-0036-05

2017-07-20

程浩南 （1986-），男，河南周口人，硕士，助教，研究方向为纺织材料改性及测试技术的改进。