繆福昌,朱信蓂
(1.泰州市公共資源交易中心, 江蘇 泰州 225300;2.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)
智能調(diào)溫紡織品是指對(duì)溫度或溫度變化有響應(yīng)的紡織品,它超越了傳統(tǒng)紡織品的單一保溫功能,是一種具有雙向溫度調(diào)節(jié)作用的、以改善舒適性為主要目的的新型材料[1]。其調(diào)溫原理是根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化,紡織品的相變物質(zhì)會(huì)發(fā)生固-液可逆變化,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),吸收儲(chǔ)存熱量,相變物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài);當(dāng)溫度降低時(shí),放出儲(chǔ)存的熱量,其由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),從而實(shí)現(xiàn)紡織品的雙向調(diào)溫,創(chuàng)造舒適的溫度環(huán)境[2]。
單向溫度調(diào)節(jié)纖維只能進(jìn)行單向溫度調(diào)節(jié),通過纖維的蓄熱或放熱功能使溫度升高或者降低,如具有降溫功能的陶瓷纖維、亞麻纖維等。由于只具有單向溫度調(diào)節(jié)作用,致使這些調(diào)溫纖維存在明顯的不足,當(dāng)環(huán)境溫度的變化方向與其溫度調(diào)節(jié)方向相反時(shí)就不能很好地發(fā)揮作用,甚至造成不良后果。
雙向溫度調(diào)節(jié)纖維能根據(jù)外界溫度的變化進(jìn)行雙向溫度調(diào)節(jié)和適應(yīng),主動(dòng)智能地調(diào)節(jié)溫度,可以在溫度不穩(wěn)定的環(huán)境中反復(fù)調(diào)節(jié),故稱為智能調(diào)溫纖維[3]。
智能調(diào)溫纖維與傳統(tǒng)纖維相比,有著更好地根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能,它突破了傳統(tǒng)紡織材料與單向調(diào)溫紡織材料溫度調(diào)節(jié)的局限,能夠根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化通過吸收、儲(chǔ)存、釋放能量的方式來調(diào)節(jié)溫度,使人體長期處于一種舒適狀態(tài),提高了服裝的舒適性能[3]。在外界環(huán)境溫度升高時(shí),纖維中的相變材料吸收熱量,從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),將吸收熱量存儲(chǔ)于纖維之中,從而降低了人體的溫度;當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時(shí),相變材料釋放出存儲(chǔ)的熱量,從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),減少了人體向周圍放出的熱量,以保持正常體溫[4]。智能調(diào)溫纖維的吸熱放熱功能是可逆的、反復(fù)的,從而使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)。
當(dāng)穿著智能調(diào)溫服裝從溫暖的室內(nèi)到寒冷的室外時(shí),由于最外層的服裝溫度始終低于皮膚溫度,相變材料可能呈固態(tài),而最內(nèi)層接近皮膚溫度處的相變材料呈液態(tài),存在放熱的潛在趨勢(shì),但相變材料的整體溫度不會(huì)有明顯改變。對(duì)著裝者來說,當(dāng)相變材料中的一部分液體吸收并存儲(chǔ)了熱量,與其固態(tài)相混合的狀態(tài)下,相變材料就能發(fā)揮“恒溫器”的作用阻止熱量的散發(fā),在一定時(shí)間內(nèi)可以保持人體與服裝這一微小氣候內(nèi)的溫度基本恒定,對(duì)周圍環(huán)境溫度的變化起到緩沖作用,從而使人體處于一種舒適狀態(tài)。利用這一特性, 可以研制能夠改變服裝內(nèi)溫度的“智能”服裝,來調(diào)節(jié)人體特定部位的溫度,使其處于恒定的微氣候。
相變材料可以根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化進(jìn)行吸熱、放熱,由于紡織纖維加工工藝的特殊要求,使得相變材料的可選范圍縮小,為了達(dá)到更好的調(diào)溫效果,有時(shí)需選用多種相變材料組合加工。適宜紡織品應(yīng)用的相變材料應(yīng)具有以下特點(diǎn):儲(chǔ)熱能力強(qiáng)。要求材料單位質(zhì)量或單位體積的相變潛熱足夠大;安全指數(shù)高。化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定,無毒、無異味、無腐蝕,不易燃;適宜的相變溫度。相變材料應(yīng)滿足不同氣候和應(yīng)用場(chǎng)合的要求;相變過程的可逆性強(qiáng)??稍诤隼浜鰺岬膭?dòng)蕩溫度環(huán)境中始終保持人體與服裝間微氣候的恒定;相變材料的調(diào)溫時(shí)間長。通過加大相變材料的用量或提高相變性能等方式可延長調(diào)溫紡織品的調(diào)溫時(shí)間;相變速度快??筛鶕?jù)周圍的環(huán)境變化進(jìn)行快速的熱傳遞;相變材料體積變化小。在吸熱或者放熱過程中,相變材料的體積變化不宜過大,否則很難在紡織品中應(yīng)用;重復(fù)利用率高;方便穿著。同時(shí),相變材料應(yīng)易于洗滌與整理,便于穿脫。
復(fù)合紡絲法是將相變材料溶液或熔體進(jìn)行紡絲,與噴絲板擠出的含有相變材料的聚合物按照一定比例進(jìn)行復(fù)合,做成并列結(jié)構(gòu)和皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維,將相變材料直接嵌入纖維內(nèi)部,使其具有吸放熱的功能。缺點(diǎn)是由于皮層聚合物的包覆,導(dǎo)致纖維的相變速度變慢,熱傳遞遲緩?,F(xiàn)階段主要應(yīng)用溶液紡絲和熔融紡絲技術(shù),但由于相變材料化學(xué)穩(wěn)定性不高,可紡性較低,因此目前研究熱點(diǎn)是提高相變材料的耐高溫性能和將溶液紡絲轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴诩徑z。
中空纖維填充法是在織造前,對(duì)纖維內(nèi)孔進(jìn)行物理或化學(xué)改性,增加其對(duì)相變材料的表面浸潤性能,使相變材料能夠更好地填充到中空纖維的中空部分,然后用樹脂將纖維包覆、密封,防止相變材料泄漏,以達(dá)到持久調(diào)溫的效果。可用于中空纖維填充的相變材料有聚乙二醇、三羥甲基乙烷、無機(jī)水合鹽等。
在20世紀(jì)80年代初,Vigo等人將無機(jī)水合鹽填加在中空纖維內(nèi)部,得到了相變調(diào)溫纖維,但這種纖維的調(diào)溫效果不持久,使用一段時(shí)間后調(diào)溫功能會(huì)降低。此后,Vigo等將聚乙二醇填充在中空纖維中,得到了調(diào)溫效果150次以上的升溫和降溫循環(huán)的纖維[1]。李發(fā)學(xué)等人[5]研究了將三羥甲基乙烷/新戊二醇二元體系固-固相變材料采用水溶液真空填充的方法填充到滌綸中空纖維,得到了相變材料填充率為24%的調(diào)溫纖維。但用中空纖維填充法制得的調(diào)溫纖維內(nèi)徑較大,相變物質(zhì)易殘留于纖維表面,易滲出和洗出,作為服用纖維還有很大局限性[6]。
后整理法主要是通過涂層和整理的方式實(shí)現(xiàn)紡織品的智能調(diào)溫功能。涂層法是指將相變材料粘結(jié)在紡織品上的加工方法,這種方法制備的紡織品缺點(diǎn)是由于黏膠固著的緣故,導(dǎo)致織物摸上去手感較硬。
整理法是通過浸軋-焙烘的方式,將相變材料或相變微膠囊用聚乙二醇和2D免燙樹脂整理劑混合,在酸性催化劑作用下將其附著在棉、麻等纖維素織物上,從而獲得調(diào)溫紡織品的方法。由于織物整理的方法是將相變高聚物附著在織物表面,會(huì)導(dǎo)致其手感較差,同時(shí)存在相變材料含量較低,儲(chǔ)熱性能欠佳,在反復(fù)使用及洗滌中易破損等缺點(diǎn)。
馬曉光等人[7]將相變材料嵌入到導(dǎo)熱系數(shù)較高的二氧化硅三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠中制成納米級(jí)至微米級(jí)的復(fù)合相變材料,然后將復(fù)合相變材料與粘合劑混合后涂布在紡織面料的表面制得了智能調(diào)溫紡織品。凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以抑制相變過程中液態(tài)相變材料的析出,從而不會(huì)對(duì)紡織品的外觀造成類似油浸狀的負(fù)面影響,而且復(fù)合相變材料的性能穩(wěn)定且具有較高的相變焓及適宜的調(diào)溫區(qū)間。
智能調(diào)溫纖維在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛,穿著智能調(diào)溫服裝的人體與服裝間可形成一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn)定的微氣候區(qū),同時(shí)調(diào)溫纖維可感知人體各部分的溫度差異,自動(dòng)調(diào)節(jié)體溫,使人體長期處于一種溫度舒適的狀態(tài)。民用紡織品如襯衫、運(yùn)動(dòng)裝、滑雪服等,特種工作服如煉鋼服、冷藏庫工作服、潛水服、宇航服、野外探險(xiǎn)服、極地工作服、飛行服等都可應(yīng)用。如恬藍(lán)新材料科技(上海)有限公司與國外公司共同研發(fā)的智能調(diào)溫襯衫,其主要材料是“空調(diào)聚酯纖維”,此款智能調(diào)溫襯衫具有調(diào)節(jié)體溫、排汗散熱、自然舒適等功能。獨(dú)特的PCMS 微膠囊,能對(duì)外界溫度變化起到緩沖作用,使人體體感溫度始終保持在一個(gè)舒適的范圍內(nèi),大大提高了人們的著裝舒適性。
智能調(diào)溫纖維在保護(hù)性裝置方面的應(yīng)用主要是指耐高溫、耐低溫的手套、頭盔、護(hù)膝墊等,這些保護(hù)性裝置的使用不僅可為穿戴者提供舒適的溫度,還可在危險(xiǎn)時(shí)刻保護(hù)人體部位的安全。如Bio Skin系列產(chǎn)品都是以Smart Skin膜材料作為中間層,成功開發(fā)了護(hù)腕、護(hù)肘、護(hù)膝和足墊等運(yùn)動(dòng)保護(hù)產(chǎn)品。
將智能調(diào)溫纖維制成床褥、枕頭、被子等床上紡織品,既恒溫保暖,又有利于床上微環(huán)境保持在一個(gè)舒適的范圍內(nèi),使睡眠者能夠安心入睡并保持良好的睡眠狀態(tài)。如鄭州德惠紡織科技有限公司研制出的一種自調(diào)溫被子,已申請(qǐng)國家發(fā)明專利。其主要特征在于被子表面是粘膠纖維和含有相變材料的Outlast腈綸纖維混紡成的面料,填充物是由聚酯長絲和含有相變材料的Outlast腈綸纖維混合而成的,具有蓬松、柔軟、恒溫保暖、親膚舒適的特點(diǎn)[8]。
智能調(diào)溫紡織品作為一種新的智能紡織品,可調(diào)節(jié)人體與外界環(huán)境間的微氣候,提高人體的著裝舒適度,這不僅是紡織品行業(yè)的一項(xiàng)技術(shù)革新,更重要的是為在極端環(huán)境溫度下工作的人們提供了保障。但目前我國對(duì)智能調(diào)溫紡織品的研究還處在實(shí)驗(yàn)階段,智能調(diào)溫纖維在加工過程中的調(diào)溫穩(wěn)定性以及纖維的可紡性能還有待進(jìn)一步提高,同時(shí)還要考慮到成本問題,以利于市場(chǎng)的普及。因此對(duì)于智能調(diào)溫紡織品的研究還要繼續(xù)深入,通過對(duì)目前已有成果分析,可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議:延長智能纖維的調(diào)溫時(shí)間。目前相變材料存在的最大問題就是調(diào)溫時(shí)間短,可通過提高相變材料的用量等方式來延長紡織品的調(diào)溫時(shí)間;提高智能調(diào)溫纖維的強(qiáng)力和可紡性;優(yōu)化智能調(diào)溫紡織品的制作工藝。減少制備時(shí)相變材料的破損,節(jié)約能源,降低成本;進(jìn)一步提高產(chǎn)品的美觀性,使其不僅具有良好的調(diào)溫效果,同時(shí)又能符合著裝者審美與時(shí)尚的需求;綠色環(huán)?;?。進(jìn)一步提高智能調(diào)溫紡織品的安全性,確保無毒無污染,對(duì)人體沒有傷害。
[1] 趙寶艷,王瑄,吳超.智能調(diào)溫紡織品的種類及應(yīng)用[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,8(3):24—27.
[2] 魏敬敬,劉艷君.調(diào)溫纖維在紡織品中的應(yīng)用[J].山東紡織科技,2012,53(1):37—40.
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[4] 劉延輝.新型溫度調(diào)節(jié)織物結(jié)構(gòu)與性能的研究[D].西安:西安工程大學(xué), 2012.
[5] 李發(fā)學(xué),張廣平,俞建勇.三羥甲基乙烷/新戊二醇二元體系填充滌綸中空纖維的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,29(6):15—17.
[6] 徐德彬,王進(jìn)美.相變材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其在紡織上的應(yīng)用[J].紡織科技進(jìn)展,2011,(4):10—12.
[7] 馬曉光,李俊升,李樺,等.一種智能調(diào)溫紡織品及其制備方法[P].中國專利:CN101070679,2007—11—14.
[8] 李民強(qiáng),王德貴,王占霞,等.一種自調(diào)溫被子[P]. 中國專利:CN105411301A,2016—03—23.