基于相变微胶囊蓄热调温纺织品的研究进展

全 通 吴建兵

（常熟理工学院纺织服装与设计学院，江苏 常熟 215500）

衣食住行中的“衣”始终是人们的第一需求，服装也逐渐由原来的保护和遮羞功能开始向智能节能方向发展。据研究发现[1]，当人体皮肤处在相对恒定的33.4℃时，体感舒适性达到最佳。而智能调温纺织品凭借对温度的双向调节，能够在不同外界环境下满足人体对舒适性的需求讨论。

一、相变材料

相变材料是指在相变时放出或吸收大量热，以达到加热或降温作用的物质。通常情况下，物质的“相”可以从一种状态或结构转变成另一种状态或结构，该过程称为“相变”。相变过程中伴随着能量的吸收或释放，该过程吸收或释放的能量被称为相变热或相变潜热。物质可以在液态和固态间进行转变，也可以在非传统状态间进行转变，例如从一种结晶态转变为能量更高或更低的另一种结晶态。如今随着生产力水平的提高，对于相变材料的研究力度也是愈来愈大。以检索相变材料相关论文的数量为依据可以将相变材料的研究分为三个阶段[2]。一是2006之前，这是初步阶段；其次是2007年至2011年，这是稳步上升阶段；最后是2012年至今，这是热门研究区间。2012年之后，每年关于相变材料的研究文献发布至少100篇。这表明，用相变材料应对能源问题得到了越来越多的学者的认同。目前相变材料主要分为三类：无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。

表1 相变材料的分类

将这些相变材料应用于纺织服装中，能够赋予服装一定的调温能力，该服装即为蓄热调温纺织品。其调温机理主要是在达到规定的相变温度时，当有能量散发或吸收时，蓄热调温纺织品能将这种能量吸收或散发，以此达到外界温度的相对恒定。现代技术中，较为广泛的是通过后整理手段将相变材料应用在纺织品中，然而这种方式存在相变材料粘合度低、服装耐洗涤性和手感差的缺点。相比之下，越来越多的学者青睐于将相变材料微胶囊化与纤维混纺通过纺纱工艺混合在织物上，从而使织物达到更好的效果。

二、相变微胶囊

蓄热调温纺织品的制备主要有：织物表面整理法、中空纤维填充法、直接纺丝法和微胶囊整理法。织物表面整理法是通过制备水溶液或聚合剂，将其通过后整理方法应用在织物上，使织物具有一定的调温功能，但是经过后整理处理手段的织物容易在测试过程发生、相分离等问题，从而导致循环使用次数低。中空纤维填充法和纺丝法都是将织物纤维制成智能调温纤维，从而使纺织品拥有一定的调温性能，但是前者主要利用纤维内部含有相变材料实现，后者依靠的是相变物质与纤维进行混纺达到效果。而这些在实际应用中存在实验流程、步骤繁琐，并且对于所使用的材料和设备有很高的要求。相较于上述方法，科研人员慢慢倾向于微胶囊整理法。微胶囊技术能够把微量物质包裹在聚合物薄膜中，是一种储存固体、液体和气体的包装技术。目前将相变材料微胶囊化的方法主要有：熔融纺丝法、溶液纺丝法、静电纺丝法和纤维中空填充法。微胶囊化后的相变材料主要是由壳还有核组成。核主要是相变材料，壳主要由有机材料、无机材料或者复合材料组成。对于不同材料的选择而制成的微胶囊，目前已经有许多研究。例如，用二氧化硅作为壁材包裹焓值较高的硬脂酸，还有用氧化锌为壁材制成的石蜡/ZnO，可以达到改善由于相变微胶囊导致的导热系数低的缺点，这些材料成功地改善了自身性能和优化了传热条件。相变材料微胶囊化相较于之前的方法不仅能够大大减少“相分离”的现象，而且还能提高材料的导热率，进而增强循环使用的能力。目前微胶囊所需的芯材主要分为三类：有机芯材、无机芯材和共晶芯材。使用的壁材主要分为两类：有机壁材和无机壁材。如图所示：

表2 壁材、芯材的分类

三、基于相变微胶囊蓄热调温纺织品的制备

将相变微胶囊应用在纺织品上主要是通过表面整理法和纺丝法。表面整理法分为：涂层法、印花法和浸轧法。涂层法和印花法都是将相变微胶囊加入涂层液中，然后均匀地涂抹到织物表面，待烘干后即可获得调温纺织材料，该方法工艺简单且最容易实现工业化。浸轧法则是通过将织物浸泡在含有相变微胶囊的溶液中，然后利用轧机挤压织物表面，最后烘干织物获得蓄热调温纺织材料。表面整理法虽然工艺简单，但是易影响织物手感和使用中的稳定，并且制备的织物透气透湿性也会受到影响。张云峰、兰志兴等提出了在相变微胶囊中加入纳米石墨的方法，选取以石蜡为芯材，聚砜为壳材制备出改性相变微胶囊。用扫描电镜观察微胶囊表面形貌，观察得出纳米石墨的最佳增加量。当纳米石墨过少时，相变微胶囊表面空隙过多；纳米石墨过多时，会在表面堆积成块，对微胶囊的壁形成恶性打击。当且仅当增加量为2%时，对于微胶囊表面连续性和粒径增大效果达到最佳。通过增加比表面积和粗糙度，达到提升在织物表面的粘合度的效果。微胶囊纺丝法是将相变微胶囊与成纤聚合物混合为纺丝液，通过湿法纺丝或者熔融纺丝将微胶囊包覆在纤维内部制成蓄热调温纤维。其优点是在纤维材料的包覆下，相变微胶囊与外界环境隔绝，保证了在加工温度下的稳定性，其调温性能显著，并且在穿着、洗涤过程中不会发生外逸。

四、应用领域及展望

目前基于相变微胶囊制备而成的蓄热调温纺织品已被广泛使用。朱雯等在相变微胶囊涂层织物的研究中，发现经过涂层处理后的织物不但在拉伸性能方面得到了提升，而且在导热系数和相变焓等参数方面也有了提高，提升的程度与涂层中微胶囊的含量呈正相关，这也就间接提升了织物的热防护性能，使其能在消防中得到推广使用；司琴等将相变微胶囊浸轧在用聚醚改性氨基硅油进行柔软处理的棉织物上，再经过微胶囊附加整理，所得的织物具有良好的调温性能，并且手感和透气性都有不同程度的改善。如今对相变微胶囊的研究已经逐步成熟，未来在制备工艺和原材料等方面会进一步地优化，应该能拥有更多优秀的性能。比如目前已经有改性相变微胶囊应用在废水中，从而起到很好的吸附重金属、杀菌的作用，倘若能够应用在服装中，是否可以很好地应对如今扩散蔓延的新冠肺炎和传染病病毒。此外还有对穿着时人体的保健、理疗等作用都是不错的研究方向。