相变调温纺织品研究现状及评价方法

肖 尧，余 弘，李卫东，徐 红

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海200040；2.东华大学生态纺织教育部重点实验室，上海201620）

0 引言

相变智能调温纺织品是一种新型纺织品，可以有效地将穿着者身体的温度维持在某一舒适的范围或起到对外界温度的缓冲作用，而达到这一效果并非通过增加衣服厚度的方式获得，同时也不会使得穿着者显得臃肿。因此，智能调温纺织品普遍受到消费市场的欢迎。

1 相变材料

相变材料（phase change material，简称PCM）是指在某一物体的使用范围内可以发生不同相态转变的材料，材料的分子排列在有序与无序之间迅速转变，且在这个过程中存在着吸热与放热的现象[1]。由于在该温度时恰好发生相变，因而把这一温度称为相变材料的相变点[2]。利用相变材料储能和放能过程中可自行吸热与放热的特性，将相变材料添加到纺织品中可制得相变调温纺织品。

1.1 分类

相变材料的类别较多，按照不同形式划分可得到不同的结论。根据相转变过程形态的不同，可将相变储能材料分为固-固相变材料、液-气相变材料和固-液相变材料3种。其中，固-固相变材料和液-气相变材料潜热小，这一特点限制了它们的发展。在纺织领域，目前采用的储能材料主要是固-液相变材料，即通过微胶囊化处理固-液相变材料[3]。

根据相变温度范围，相变材料可分为高温型、中温型和低温型3种。顾名思义，高温型相变材料相较于中温型相变材料和低温型相变材料，具有较高的相变温度，其相变温度可达到几千摄氏度，且相变潜热大。一般来说，低温型相变材料的温度变化在0～50℃，这一温度范围也恰好为人体的舒适温度，因此纺织产业用相变材料是低温型相变材料。中温型相变材料温度范围介于低温相变材料与高温相变材料之间。

根据化学成分，相变材料又可分为有机相变材料和无机相变材料。无机相变材料导热系数大，价格便宜，易于获得，但在相变过程中存在相分离问题；有机相变材料有较高的相变潜热，并不存在相分离问题，但自身易燃。总体来看，有机相变材料的发展前景比无机相变材料好[4]。

1.2 应用

相变材料应用范围较广，被广泛用于建筑、纺织、航天等行业。建筑行业一直存在高耗能的问题，研究人员利用相变材料具有储能的特点可为建筑供暖与制冷，虽然目前还存在重复性差等问题，但相变材料的应用前景还是很大的[5]。当相变材料应用于纺织领域时，可制得智能调温纺织品，且各大纺织厂商对智能调温纺织品也有着极大的兴趣，因为将相变材料添加于纺织品中可提高服装的附加值。智能调温纺织品与普通服装相比，确有可调温的功能，这对于消费者无疑是好消息。例如：相变材料应用在运动性服装上可吸收运动过程中产生的热量，避免温度升高过快造成体温过高的现象。相变材料也可用于手套、滑雪服等[6]。目前，各大领域对相变材料的研究正趋于成熟。

1.3 相变调温纺织品的制备方法

相变调温纺织品是将相变材料添加到纺织品中，使纺织品具有智能调温作用，主要制备方式有中空纤维填充法、纺丝法、涂层法等。值得注意的是，在实际生产应用时，相变材料可直接使用的难度较大，常与其它材料复合后再使用，其主要的复合方法有浸渍法、微胶囊法、化学改性法等[7]。

1.3.1 中空纤维填充法

中空纤维填充法是将相变材料填充于纤维的中空部分，相变材料可以起到调节温度的作用，纤维也具有了智能调温的功能。为了更好地将相变材料填充到中空纤维中，可在织造前对纤维进行物理或化学改性[8]。聚乙二醇和无机水合盐类相变材料都可以填充到纤维的中空部分。Vigo等[9]采用中空纤维填充法，将聚乙二醇填充于纤维中空部分，制得的智能调温纺织品效果明显，调温次数超过150次。但这种中空纤维填充法使得相变材料易残留于纤维表面，不耐洗涤。此外，采用这种方法生产智能调温纺织品需要使用直径较大的纤维，难以在工业化生产中推广。上述这些缺点都制约了中空纤维填充法制备相变调温纺织品的发展。

1.3.2 纺丝法

最初，纺丝法制备相变调温纺织品是在纺丝聚合物的熔体或溶液中加入相变材料[9]，经过纺丝后制得有调温性能的纤维。由于相变材料的熔融黏度低，因而在纺丝时需添加增塑剂[10]。随着相变材料的研究与开发，现在无需添加增塑剂也可制得具有调温作用的纺织品。

纺丝法主要有湿法纺丝和熔融纺丝两种。湿法纺丝是将相变材料与纺丝液混合进行纺丝[9]，且在工业生产中占主导地位。最早使用这种方法生产的纤维是调温腈纶。苗晓光[11]使用湿法纺丝工艺将相变材料添加到聚丙烯腈纺丝液中，制得具有智能调温作用的腈纶。熔融纺丝法是先将微胶囊相变材料分散在聚合物的熔体中，然后进行纺丝，制得调温纤维。将微胶囊相变材料嵌入聚合物熔体中，可使微胶囊中的相变材料稳定地存在纤维中，因而制得的纤维调温效果也较好。

上述两种纺丝方法各有优劣，但由于目前相变材料的化学稳定性不高，耐高温性能也有待提高，而熔融纺丝法对相变材料的化学稳定性及耐高温性能均有一定的要求，因此湿法纺丝是制备调温纤维的主要方法。

1.3.3 涂层法

涂层法是通过涂层手段，利用胶黏剂将相变材料固着在纺织品表面。这种方法操作简单，但使用的胶黏剂会影响纺织品的柔软性，使得纺织品的手感变硬[12]。马晓光等[13]使用相变材料A和B进行复合，利用丙烯酸酯类低温黏合剂，涂层量约为60 g/m2，将复合相变材料涂于纺织面料表面制得智能调温纺织品。

2 调温纺织品研究现状及评价方法

2.1 调温纺织品研究现状

2.1.1 国外研究现状

Outlast空调纤维是人们比较熟知的一款调温纤维。美国太空总署为了实施登月计划，研发出Outlast空调纤维，即Outlast空调纤维最初是应用于宇航员服装上的。鉴于这项技术实用性较大，后来逐渐开始民用化，开发了一系列民用服装，特别是户外服装（冲锋衣、毛衣等）。目前，Outlast系列纤维主要有Outlast腈纶、Outlast聚酯纤维和Outlast黏胶纤维3个品种[14]。美国Outlast公司最初是利用相变调温微胶囊与聚丙烯腈，通过湿法纺丝法制得Outlast腈纶。随着科学技术的不断发展，Outlast公司又与泰国丙烯腈纤维公司共同研制出不封装的相变腈纶，在染色性能和舒适性方面均有所提升[15]。

日本大和化学工业以高级脂肪族碳化氢为主要原料，制得Prethermo C微胶囊调温剂，并将调温剂以浸轧方式添加到织物上，也可制得调温纺织品。

各大公司一直致力于智能调温纺织品的研究。Outlast公司生产的Outlast纤维应用较为广泛，由最初航空的应用扩展到普通服装。法国Rhodia公司以聚酰胺66为原料，加工出一种“智能”纱，再用这种“智能”纱制作成调温纺织品[9]。在全球化的今天，各国开始合作开发调温纺织品，如Outlast纤维由美国杜邦开发，欧洲Fountain Set开发Outlast棉针织品[16]，欧洲Plouequet公司负责欧洲Outlast纺织面料后整理技术[9]。

2.1.2 国内研究现状

与国外相比，我国对相变调温纺织品的研究稍晚，还存在一定的差距。但是近年来对相变调温纺织品的研究却越来越多，甚至有些已经产业化。

国内对相变调温的研究可追溯到20世纪90年代。张兴祥等[17]使用熔融纺丝法，以聚丙烯和聚乙二醇（相对分子质量为1 000～20 000）及增稠剂为原料，制得蓄热调温纤维。这种调温纤维与同类普通织物相比，调温效果明显，当环境温度为35.5℃时，这种调温纤维的内部温度比纯聚丙烯纤维低3.3℃。同年，天津纺织工学院功能纤维所将相变微胶囊涂层整理到纯棉织物上，制得的调温织物热焓值可达30 J/g。但涂层整理后调温纺织品的手感较硬，且其力学性能有所下降，因此，从穿着舒适度来看，这种相变调温纺织品还有待改善。此外，张寅平等[18]使用相变材料研究开发出医用降温服，相变材料的应用领域进一步扩大。

2003年，保定雄亚纺织集团与美国安伯士国际集团共同研制出调温织物，并首次实现调温服装的产业化，对纺织行业产生较大的影响。香港福田实业集团与美国杜邦公司共同研制出Outlast空调纤维调温服，投放到市场上也得到较好的评价。近年来，北京探路者户外用品股份有限公司也在开发智能调温服，在ISPO BEIJING展会中，公司向外界公开的调温服装（产品为TIEF SKIIN），具有智能调温、防晒等性能，并且透气性很好[14]。

2.2 相变调温纺织品评价方法

智能调温纺织品质量的重要指标是温度调节能力，但目前来看，我国对于其温度的表征并无统一的方法标准，若参照保温性和传热性的测试标准，与实际应用情况相差较大，因此并不适用[19]。目前，国内外相关研究人员采用的检测方法主要有扫描电镜法、DSC热分析法、热平板法以及暖体假人法[20]等。

2.2.1 扫描电镜法（SEM）

赵蒙蒙[21]先将相变材料微胶囊均匀地分散在表面处理剂中，再将相变材料整理剂与聚氨酯黏合剂按照一定比例混合均匀后涂于棉织物上，利用扫描电镜表征织物上的相变材料。表征结果显示：当相变材料的质量分数为28.2%时，观测到棉织物的表面仍有纵横交错的纱线；当相变材料质量分数达到35.1%时，相变材料微胶囊覆盖了整个棉织物表面，观测不到棉织物表面的纱线。由此可知，使用扫描电镜观测织物的表面形貌，可用于区别添加相变材料的织物与普通织物。虽然该方法操作简单，但并不能评价含相变材料的智能调温纺织品的调温能力，只能证明相变材料的存在。

2.2.2 热分析法

差示扫描量热法（DSC）是使用程序控制温度，并限定温度在一定的变化范围，然后测量待测物与参照物之间的功率差和设定温度的关系[22]。使用差示扫描量热仪可以测定相变材料的相变焓、相变温度、储热性能等参数。季宋文[10]使用差示扫描量热仪测试升降温过程中Outlast纤维与普通纤维的焓值，且由DSC可以发现：Outlast纤维具有明显的波峰，从而可以知道相变材料在升降温时的相转变温度；普通纤维不会出现波峰，即不存在相转变温度。根据DSC的测试结果，研究人员可以初步了解相变材料的基本性质。虽然热分析法操作简单，但差示扫描量热仪的测试条件与纺织品使用的基本条件不同，即使稳态条件下的结果也会与实际穿着存在较大的差异。

2.2.3 热平板法

热平板法是使用热阻测试仪测试热阻和传热系数。热阻测试仪由测试板、底板和保护板3部分组成[21]。测试时，先将涂层织物置于热阻测试仪上，使涂相变微胶囊的一面朝外，未涂相变微胶囊的一面贴着测试板，然后调节测试板温度。为了模拟人体舒适的温度，一般将测试板温度设置为35℃[21]，测试环境温度为20℃，最终结果取3次测量的平均值。热平板法操作简单，在实验室中比较常见。

2.2.4 暖体假人法

暖体假人法是与人体感受最为接近的，假人模拟的是真人造型，温度与真人的平均温度也大致相符。测试时，使用辐射灯对穿着智能调温纺织品的暖体假人升温，模拟外界温度变化情况；辐射一定时间后，将最初假人温度与升温辐射后的温度进行对比，评价纺织品的调温性能。赵蒙蒙[21]通过暖体假人法测试穿着调温服与未穿调温服的假人温度。结果显示，穿着调温服装的假人明显比未穿着调温服装的假人温度低。暖体假人评价方法比较准确，接近真人穿着时的感受，但该方法所用设备比较复杂，检测成本高，这也阻碍了暖体假人法的推广。

除了上述测试方法外，相关研究人员还做过一些其它尝试。李程远[9]设计出一套检测调温纺织品的试验方案，即通过模拟外界环境与人体环境，并利用温度传感器记录数据，最终得到的数据也比较接近，误差较小，是一种较为创新的评价手段。彭微微[23]使用红外测温技术检测相变调温织物在升降温过程的调温能力，利用红外线测定温度，操作方便。

3 结论

随着人们生活水平的改进以及发达国家对功能性纺织品的重视，我国也开始重视功能性纺织品的研究，并制得很多智能可穿戴纺织品。虽然人们对于智能调温纺织品的研究日益深入，但对智能调温纺织品的评价还无统一标准。因此，相关部门需要及时对调温纺织品的评价方法做进一步研究，制订出相应的评价方法，从而满足人们的需求，也更有利于智能调温纺织品的发展。