智能调温纤维及其在纺织品中的应用

缪福昌，朱信蓂

(1.泰州市公共资源交易中心， 江苏 泰州 225300；2.江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

智能调温纺织品是指对温度或温度变化有响应的纺织品，它超越了传统纺织品的单一保温功能，是一种具有双向温度调节作用的、以改善舒适性为主要目的的新型材料[1]。其调温原理是根据外界环境温度的变化，纺织品的相变物质会发生固-液可逆变化，当环境温度升高时，吸收储存热量，相变物质由固态变为液态；当温度降低时，放出储存的热量，其由液态变为固态，从而实现纺织品的双向调温，创造舒适的温度环境[2]。

1 调温纤维

1.1 单向温度调节纤维

单向温度调节纤维只能进行单向温度调节，通过纤维的蓄热或放热功能使温度升高或者降低，如具有降温功能的陶瓷纤维、亚麻纤维等。由于只具有单向温度调节作用，致使这些调温纤维存在明显的不足，当环境温度的变化方向与其温度调节方向相反时就不能很好地发挥作用，甚至造成不良后果。

1.2 双向温度调节纤维

双向温度调节纤维能根据外界温度的变化进行双向温度调节和适应，主动智能地调节温度，可以在温度不稳定的环境中反复调节，故称为智能调温纤维[3]。

2 智能调温纤维的调温原理

智能调温纤维与传统纤维相比，有着更好地根据温度变化进行调节的功能，它突破了传统纺织材料与单向调温纺织材料温度调节的局限，能够根据周围环境温度的变化通过吸收、储存、释放能量的方式来调节温度，使人体长期处于一种舒适状态，提高了服装的舒适性能[3]。在外界环境温度升高时，纤维中的相变材料吸收热量，从固态变为液态，将吸收热量存储于纤维之中，从而降低了人体的温度；当外界环境温度降低时，相变材料释放出存储的热量，从液态变为固态，减少了人体向周围放出的热量，以保持正常体温[4]。智能调温纤维的吸热放热功能是可逆的、反复的，从而使人体始终处于一种舒适的状态。

当穿着智能调温服装从温暖的室内到寒冷的室外时，由于最外层的服装温度始终低于皮肤温度，相变材料可能呈固态，而最内层接近皮肤温度处的相变材料呈液态，存在放热的潜在趋势，但相变材料的整体温度不会有明显改变。对着装者来说，当相变材料中的一部分液体吸收并存储了热量，与其固态相混合的状态下，相变材料就能发挥“恒温器”的作用阻止热量的散发，在一定时间内可以保持人体与服装这一微小气候内的温度基本恒定，对周围环境温度的变化起到缓冲作用，从而使人体处于一种舒适状态。利用这一特性, 可以研制能够改变服装内温度的“智能”服装，来调节人体特定部位的温度，使其处于恒定的微气候。

3 智能调温纤维的调温特点

相变材料可以根据周围环境温度的变化进行吸热、放热，由于纺织纤维加工工艺的特殊要求，使得相变材料的可选范围缩小，为了达到更好的调温效果，有时需选用多种相变材料组合加工。适宜纺织品应用的相变材料应具有以下特点：储热能力强。要求材料单位质量或单位体积的相变潜热足够大；安全指数高。化学和物理性质稳定，无毒、无异味、无腐蚀，不易燃；适宜的相变温度。相变材料应满足不同气候和应用场合的要求；相变过程的可逆性强。可在忽冷忽热的动荡温度环境中始终保持人体与服装间微气候的恒定；相变材料的调温时间长。通过加大相变材料的用量或提高相变性能等方式可延长调温纺织品的调温时间；相变速度快。可根据周围的环境变化进行快速的热传递；相变材料体积变化小。在吸热或者放热过程中，相变材料的体积变化不宜过大，否则很难在纺织品中应用；重复利用率高；方便穿着。同时，相变材料应易于洗涤与整理，便于穿脱。

4 智能调温纺织品的制备

4.1 复合纺丝法制备的智能调温纤维

复合纺丝法是将相变材料溶液或熔体进行纺丝，与喷丝板挤出的含有相变材料的聚合物按照一定比例进行复合，做成并列结构和皮芯结构的复合纤维，将相变材料直接嵌入纤维内部，使其具有吸放热的功能。缺点是由于皮层聚合物的包覆，导致纤维的相变速度变慢，热传递迟缓。现阶段主要应用溶液纺丝和熔融纺丝技术，但由于相变材料化学稳定性不高，可纺性较低，因此目前研究热点是提高相变材料的耐高温性能和将溶液纺丝转变为熔融纺丝。

4.2 中空纤维填充法制备的智能调温纤维

中空纤维填充法是在织造前，对纤维内孔进行物理或化学改性，增加其对相变材料的表面浸润性能，使相变材料能够更好地填充到中空纤维的中空部分，然后用树脂将纤维包覆、密封，防止相变材料泄漏，以达到持久调温的效果。可用于中空纤维填充的相变材料有聚乙二醇、三羟甲基乙烷、无机水合盐等。

在20世纪80年代初，Vigo等人将无机水合盐填加在中空纤维内部，得到了相变调温纤维，但这种纤维的调温效果不持久，使用一段时间后调温功能会降低。此后，Vigo等将聚乙二醇填充在中空纤维中，得到了调温效果150次以上的升温和降温循环的纤维[1]。李发学等人[5]研究了将三羟甲基乙烷/新戊二醇二元体系固-固相变材料采用水溶液真空填充的方法填充到涤纶中空纤维，得到了相变材料填充率为24%的调温纤维。但用中空纤维填充法制得的调温纤维内径较大，相变物质易残留于纤维表面，易渗出和洗出，作为服用纤维还有很大局限性[6]。

4.3 后整理法制备的智能调温纺织品

后整理法主要是通过涂层和整理的方式实现纺织品的智能调温功能。涂层法是指将相变材料粘结在纺织品上的加工方法，这种方法制备的纺织品缺点是由于黏胶固着的缘故，导致织物摸上去手感较硬。

整理法是通过浸轧-焙烘的方式，将相变材料或相变微胶囊用聚乙二醇和2D免烫树脂整理剂混合，在酸性催化剂作用下将其附着在棉、麻等纤维素织物上，从而获得调温纺织品的方法。由于织物整理的方法是将相变高聚物附着在织物表面，会导致其手感较差，同时存在相变材料含量较低，储热性能欠佳，在反复使用及洗涤中易破损等缺点。

马晓光等人[7]将相变材料嵌入到导热系数较高的二氧化硅三维网状结构凝胶中制成纳米级至微米级的复合相变材料，然后将复合相变材料与粘合剂混合后涂布在纺织面料的表面制得了智能调温纺织品。凝胶的网状结构可以抑制相变过程中液态相变材料的析出，从而不会对纺织品的外观造成类似油浸状的负面影响，而且复合相变材料的性能稳定且具有较高的相变焓及适宜的调温区间。

5 智能调温纤维的应用

5.1 服装

智能调温纤维在服装领域的应用较为广泛，穿着智能调温服装的人体与服装间可形成一个温度相对稳定的微气候区，同时调温纤维可感知人体各部分的温度差异，自动调节体温，使人体长期处于一种温度舒适的状态。民用纺织品如衬衫、运动装、滑雪服等，特种工作服如炼钢服、冷藏库工作服、潜水服、宇航服、野外探险服、极地工作服、飞行服等都可应用。如恬蓝新材料科技(上海)有限公司与国外公司共同研发的智能调温衬衫，其主要材料是“空调聚酯纤维”，此款智能调温衬衫具有调节体温、排汗散热、自然舒适等功能。独特的PCMS 微胶囊，能对外界温度变化起到缓冲作用，使人体体感温度始终保持在一个舒适的范围内，大大提高了人们的着装舒适性。

5.2 保护性装置

智能调温纤维在保护性装置方面的应用主要是指耐高温、耐低温的手套、头盔、护膝垫等，这些保护性装置的使用不仅可为穿戴者提供舒适的温度，还可在危险时刻保护人体部位的安全。如Bio Skin系列产品都是以Smart Skin膜材料作为中间层，成功开发了护腕、护肘、护膝和足垫等运动保护产品。

5.3 床上用品

将智能调温纤维制成床褥、枕头、被子等床上纺织品，既恒温保暖，又有利于床上微环境保持在一个舒适的范围内，使睡眠者能够安心入睡并保持良好的睡眠状态。如郑州德惠纺织科技有限公司研制出的一种自调温被子，已申请国家发明专利。其主要特征在于被子表面是粘胶纤维和含有相变材料的Outlast腈纶纤维混纺成的面料，填充物是由聚酯长丝和含有相变材料的Outlast腈纶纤维混合而成的，具有蓬松、柔软、恒温保暖、亲肤舒适的特点[8]。

6 结语

智能调温纺织品作为一种新的智能纺织品，可调节人体与外界环境间的微气候，提高人体的着装舒适度，这不仅是纺织品行业的一项技术革新，更重要的是为在极端环境温度下工作的人们提供了保障。但目前我国对智能调温纺织品的研究还处在实验阶段，智能调温纤维在加工过程中的调温稳定性以及纤维的可纺性能还有待进一步提高，同时还要考虑到成本问题，以利于市场的普及。因此对于智能调温纺织品的研究还要继续深入，通过对目前已有成果分析，可以总结出以下几点发展建议：延长智能纤维的调温时间。目前相变材料存在的最大问题就是调温时间短，可通过提高相变材料的用量等方式来延长纺织品的调温时间；提高智能调温纤维的强力和可纺性；优化智能调温纺织品的制作工艺。减少制备时相变材料的破损，节约能源，降低成本；进一步提高产品的美观性，使其不仅具有良好的调温效果，同时又能符合着装者审美与时尚的需求；绿色环保化。进一步提高智能调温纺织品的安全性，确保无毒无污染，对人体没有伤害。

[1] 赵宝艳,王瑄,吴超.智能调温纺织品的种类及应用[J].浙江纺织服装职业技术学院学报,2009,8(3)：24—27.

[2] 魏敬敬,刘艳君.调温纤维在纺织品中的应用[J].山东纺织科技,2012,53(1)：37—40.

[3] 李娜娜.智能调温纤维及其纺织品[J].上海纺织科技,2010,38(3)：15—17.

[4] 刘延辉.新型温度调节织物结构与性能的研究[D].西安：西安工程大学, 2012.

[5] 李发学，张广平，俞建勇.三羟甲基乙烷/新戊二醇二元体系填充涤纶中空纤维的研究[J].东华大学学报(自然科学版),2003,29(6)：15—17.

[6] 徐德彬，王进美.相变材料的发展现状及其在纺织上的应用[J].纺织科技进展,2011，(4)：10—12.

[7] 马晓光，李俊升，李桦，等.一种智能调温纺织品及其制备方法[P].中国专利：CN101070679，2007—11—14.

[8] 李民强，王德贵，王占霞，等.一种自调温被子[P]. 中国专利：CN105411301A，2016—03—23.