温度调节纺织品

调温纺织品摘要本文简述了调温纤维的发展动向及产品分类，以 Outlast 为例，对智能调 温纺织品的作用机理、制备方法、测试手段、性能评价指标、用途以及发展方向 等进行了论述。1、引言21 世纪，随着科技的进步，功能性纺织品的不断发展，新型纤维的开发运 用便成了纺织行业的一大热点，国内外企业已经纷纷投入大量精力进行相关产品 的开发，而温度调节纤维的研发就成了该领域内的一大亮点。所谓的温度调节纤 维是指根据外界环境温度的变化，在一定的温度范围内自由的调节温度。当外界 环境的温度升高时，它可以储存能量，减缓温度的升高，当温度降低时，它又可 以释放能量，减缓温度的降低，创造一个环境适宜的动态温度平台，提高纤维纺 织品的舒适性，将其比作“贴身空调机”是恰如其分。它的问世可以为处于恶劣 环境下的部队边防人员、高温环境下的作业人员、进行剧烈运动后的运动员等等， 提供相应的着装保护。随着调温服装的发展，不仅仅作为特殊的行业服，已经越 来越广泛的应用于日常服装。到目前为止，美国、德国、日本、中国、韩国等都 开展了这方面的研究。温度调节纺织品技术被选为 21 世纪能改变人类生活的 21 项革新之一，是自防水透湿织物以来最重要的舒适性纺织品1。2、调温纺织品的品种调温纤维是一种双向温度调节材料，按照其调温方式可将它进行大致归类如 下2：2.1 介质相变调温织物相变是指物质从一种相态转变为另一种相态。相变材料(PCM)是指在确定温 度范围内可改变自身聚集状态的材料。在生产加工过程中，将相变材料以微胶囊 形式加入到纺织纤维基质中，当到达相变温度时，它通过不连续的升温来防止服 装内温度波动范围过大，相变过程的能量贮存于相变材料中以提高其热容量；当 环境温度下降时，它又会释放出其贮存的能量。近几年欧美市场上出现的 Outlast 纤维就是一种介质相变调温纤维，其技术 的关键就是将微胶囊包裹的特定熔点和结晶点的相变材料置于纤维内部。为覆盖 所有实际需要的温度范围，它使用了三种不同的相变材料：相变温度为18.33 29.44C的用于严寒气候；26.6737.78C的用于温暖气候；32.2243.33C的 用于热区或大运动量情况。2.2 自动调温织物美国科学家设计了几种冬暖夏凉服装的可行方案：一是在织物内插入一层具 有特效功能的胶片，只让适宜人体的15C25C的气体透过。这样，既能御寒又 能防热。二是在织物中夹一层经过特殊处理的铝箔，利用铝箔反射热量，成为衣 服上的“空调器”。三是模仿人体血液循环的原理，发明一种新的控温仿生衣。 这种仿生衣是在织物中布满管道，冬天循环热水，夏天循环冷水，以此来创造人 体所需要的温度。四是赋予织物记忆力，根据主人预先确定的指令，随时调节温 度。2.3 其他新型调温纤维(1) 介质溶解析出调温纤维将二氧化碳等气体溶解在溶剂中，然后填充到纤维的中空部分，并在织造前 将中空部分封闭。当温度降低时，调温纤维中空部分的液体固化，气体在其中的 溶解度降低，从而使纤维的有效体积增大，织物的绝热性能提高；反之，温度升 高时绝热性能降低。(2) 调温调湿纤维日本东洋纺公司对聚丙烯酸分子链进行高亲水化处理(金属盐型)，分子链中 引入氨基、梭基等亲水基团，并进行交联处理，开发出了具有调温调湿功能的纤 维“爱克苏”。由于该纤维亲水性基团含量超过了各种天然纤维，因此它有很高 的吸湿性。通过调整纤维结构，可使纤维吸湿放热和脱湿吸热过程较为平稳进行。(3) 微粒调温纤维日本小松精练公司近年推出了具有保持衣服内舒适温度功能的纤维材料Air-Techno。它主要是利用聚醋纤维等合成纤维，镀上具有调节温度功能的特殊 蛋白微粒子超薄膜。当衣服外温度上升时，特殊微粒子即吸热，抑制衣服内温度 上升；相反，当外部温度下降时，这种纤维即释放出储存的热量，防止衣服内部 温度下降。日本大和化学工业株式会社最近开发出以高级脂肪族碳化氢为主要组 分的微胶囊整理剂“PrethermoC-25”，和“PrethermoC-31”。这两种功能整 理剂能使纺织面料通过连续吸热和放热，控制面料温度，赋予纺织面料调温功能。（4）自动调温材料日本生产出一种包含尼龙及聚醋纤维的天气状况记忆聚合物制成的新衣料， 其聚合物分为晶体和非晶体两部分。当温度上升至25C以上时，非晶体部分的 分子间距离增大，便于汗水排出；当气温降至25C以下时，分子则会收缩，纤 维间的距离缩短，从而起到保暖作用。美国也在研制由自动调温的化学纤维制成的军服。这种军服对周围的温度特 别敏感，会随温度的变化而变化，从而使服装内形成一个微气候环境。酷暑季节， 调温纤维自行收缩，使编织物的孔眼张开而通风透气，从而大大地提高军服的散 热能力；寒冬腊月，调温纤维又可自行膨胀，使编织物的孔眼闭合而阻止空气流 通，从而提高了军服的保暖能力。我国自行研制了一种可以降低太阳热辐射的防暑服装，它由多层带孔单面或 双面喷铝的涤纶薄膜和普通布料制作而成。根据需要可制成上衣、裤子及多种款 式的防暑降温服装，且可靠性高、成本低。3.Outlast 纤维空调纤维Outlast 纤维是较为成熟也是目前市场应用最广泛的调温纤维， 20 世纪 90 年代初美国 Gateway 公司（现更名为 Outlast 技术公司）得到了 Triangle 公 司用微胶囊技术制造储热调温纺织品和泡沫的专利授权，该公司经过数年的研究 改进，于 1997 年开始生产和销售含有储热调温微胶囊的纤维、织物和泡沫产品。 美国 Outlast 技术公司随后又将 2mm 以上的储热调温泡沫生产技术授权于美 国 Frisby 技术公司。日本和欧洲等工业发达国家也有同类研究。我国自 20 世 纪 90 年代初开始储热调温纺织品的研究工作，现已取得了很大的成绩3-。43.1 Outlast 相变调温纺织品的特点及调温原理相变调温纺织纤维及其纺织产品是将相变蓄热技术与纺织品制造技术相结 合制造出的一种高科技纤维及纺织品。调温纺织品的功能基于传统纺织品，但有 着较好的自适应的温度调节性能，它突破了传统纺织材料与单向调温纺织材料的 温度调节的局限，它是通过吸收、储存、释放能量的方式来调节外界环境的温度 （如图 3-1 Outlast 纤维调温原理）。当调温纺织品的外界温度升高时，调温材料会吸收能量，以潜热的形式储存在分子结构当中，缓解当前温度的升高。相反， 当温度降低时，调温材料会主动地释放能量，减缓温度的降低，这样就达到了调 节体表温度的作用，在人体周围形成一种舒适的“衣内微气候”，在皮肤与外界 环境之间创造一个动态温度平衡，延长了人体的舒适状态。温度调节区OUTLAST纤建囁收减少过棉图 3-1 Outlast 纤维调温原理由图中可以看出，当人体产生的热量过剩时，过剩热量会被 Outlast 空调纤 维所吸收，从而达到降低人体微环境温度的目的，而当外界温度过低时，Out last 空调纤维内的热敏相变材料可以将吸收储存起来的热量释放出来，从而提高人体 微环境的温度。因此，Outlast空调纤维可以通过吸收储存释放热量使穿着者始 终处于较为舒适的状态。3.2 智能调温纺织品的制备方法智能调温纺织品的加工方法可分为纺丝法、涂层法、泡沫方法、浸扎法和中 空纤维内部填充法等，其中较为成熟的主要有纺丝法和织物涂层法，也是目前应 用最多的方法6。3.2.1中空纤维浸渍填充法早期的相变调温纤维通常是将中空纤维浸渍在相变材料溶液中5，使纤维的 中空部分充满相变材料溶液，经干燥后再将纤维两端封闭而制得的。采用中空纤 维浸渍填充法生产调温纤维时， 由于所用纤维的直径较大，这种调温纤维难以 在工业化应用中推广。3.2.2 纺丝法利用纺丝法制备调温纤维时6，通过将相变材料添加到纺丝聚合物的熔体或 溶液中，然后经行纺丝加工，从而得到含有相变材料的调温纤维。根据纺丝方法 的不同又可分为湿法纺丝和熔融纺丝两种。（1）湿法纺丝法。将相变材料与纺丝液混合后进行纺丝，是目前工业化制备调温纤维的主要方 法。湿法纺丝所用的相变材料主要是微胶囊形式的相变材料， 通过微胶囊壁和 纤维的包裹作用，使相变材料不已泄露，纤维调温功能的耐久性好。目前主要采 用湿法纺丝法生产的调温纤维主要是腈纶纤维。目前调温腈纶纤维中相变材料的 最大加入量约为8。（2）熔融纺丝法。在熔融纺丝法过程中，可将微胶囊形式的稳定相变材料分散在聚合物的熔融 液中，然后进行纺丝，制备调温纤维；也可将相变材料、抗氧化剂、热稳定剂添 加在聚合物融液中， 然后纺丝，制备调温纤维。在纺丝过程中，相变材料、抗 氧化剂和热稳定剂可以同时加入。3.2.3 织物整理法6织物整理法是通过整理或涂层的方式，将相变材料施加在织物上，从而获得 调温纺织品的方法。这种制备调温纺织品的方法简单，但施加在纺织品上的相变 材料量较低，经整理后织物的手感变差，产品的调温功能及整理效果的耐磨性和 耐洗涤性较差。（1） 涂层方法9在加工时，涂层浆中含有相变材料微胶囊、涂层剂及其他助剂，如交联剂、 增稠剂、分散剂、消泡剂等，其中相变材料微胶囊的直径应该在1060“m。涂 层浆的黏度和流变性能应满足涂层加工要求，其黏度至少在0. 5Pas以上。（2）织物整理方法将含相变材料的整理剂施加在纺织品上，从而得到调温纺织品。日本大好化 学工业株式会开发了含有相变材料微胶囊的舒适调温剂Pre thermo C系列，其 相变材料以高级脂肪族烃为主要成份，微胶囊的壁材采用蜜胺树脂。 PrethermoC 25 中的微胶囊直径小于纤维直径，而且通过胶黏剂将其固着在纤维之间，因 此整理效果的耐洗涤性较好。4.智能调温纺织品性能评价4.1 评价方法4.1.1 热分析法相变材料测试主要采用差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析 法(TGA)7(1) 差示扫描量热法(DSC)DSC通常用来测定储热能力及植入到织物结构中的PCM微胶囊的相变温度范 围。现阶段相变特征和行为的表征与测试主要采用DSC，与DTA相比，它在测定 过程中，样品和参比物之间始终保持相同的温度。在程序升温过程中，记录样品 温度和向样品输入的热流量与向参考样品输入的热流量的差值ODSC可以得到相 变温度、相变热。通过温度变化对空白样品和含相变物质的试样进行比较，当样 品发生相变时，就会有热效应发生，并促使样品与参比物在升温或降温过程中温 度变化速率发生变化，反应在 DSC 谱图上就会有一个脉冲出现，根据图谱就可 得到相变的有关信息，从而分析相变过程。(3) 热重分析法(TGA)TGA 用于测量微胶囊中相变材料的热应力，也是熔融纺丝必须的测试方法之 一。常见的质量损失有2种：(1)100 C时水分蒸发损失；(2)280310 C时微 胶囊壁破裂释放出碳氢化合物。如果在 2 种温度下微胶囊的质量没有明显差异， 就说明了微胶囊壁的完整性。4.1.2温度调节因素(TRF)测试法温度调节因素法(TRF)是Outlast纤维纱线、织物性能的非生理检测方法。 这项新技术测量影响温度调节的各种因素，适用于在试验室模拟真实生活状况的 生理测试。该系统使用连续的环境温度和能量，维持一种模拟皮肤的温度。测量 皮肤温度随外界能量变化的波动状况，这种能量正是织物和纤维调节温度的决定 因素。该程序的数字范围是 0-10代表织物有能力适应连续的温度变化1 意味着调节温度的能力很差。若该技术能够区分有无热能力的相似织物间的差别 将有助于织物的设计。4.1.3 暖体假人法暖体假人模拟真人群体的几何造型，符合真人群体统计数据的平均值;全身分为 头、躯干、四肢等解剖段，至少 6 段皮肤温度被加热到一恒定温度，其温度应 与人体平均皮肤温度基本相近且皮肤表面安装温度传感器;能维持静止站立和动 态步行2种姿势，步速为3060步/min。在暖体假人法中，气候调节仓内至少放置 3 只环境温度传感器、2 只环境湿度 传感器、2 只环境风速传感器，分别放置在距假人周围 0.5 m 的非等高间隔位 置处；温度传感器精度优于0.2 C;湿度传感器精度优于5%；风速传感器的精度 优于 0.05 m/s。暖体假人试验可分为静态和动态试验. 动态试验时设定步速和步长。暖体假人达 到动态热平衡后，至少每分钟检测一次皮肤温度、环境温度和调控加热功率，这 种状态必须保持 30 min 以上.暖体假人符合人体解剖生理特点，能模拟人体表 面温度分布，可进行与人体有关的热学研究，也是进行服装隔热值试验研究的理 想测试设备，它可以接受任何试验条件，由于没有生理、心理因素的影响，试验 结果稳定，误差较小，测量精确合理。4.1.4 微气候仪法 通常织物微气候仪模拟外界环境中检测模拟皮肤与试样间的微气候变化及热湿 传递状况，即检测人体热量和汗气通过织物内空气层、织物及织物外空气层与环 境进行能量、质量交换的全过程，并用温度和湿度梯度法测试出织物能量交换和 质量交换的状态变化，反应织物对能量流和质量流的阻力。4.2 评价指标4.2.1导热系数九导热系数九是指单位面积、单位时间内通过的热量(如式1)。式中：九导热系 数；Q服装导热量；S服装面积；T 时间；a t服装内外表面温度差;QLST At(1)L服装厚度。4.2.2 保温性(1) CLO 值。CLO 值既能反映服装材料的传热特性，又能反映人体热平衡调节的生理状态CLO 值越大，织物保暖性越好，是目前国际上最常用的表征服装保暖性能的指标，定义为：室温21C，相对湿度50%以下，气流为10 cm /s条件下，试穿者静止不 动或从事轻度脑力劳动，基础代谢为58. 15W /m2h感觉舒适并保持其体表温 度在33e时所穿服装的保暖量(隔热值)为1 CLO。(2) 保暖率Q保暖率W是指无试样时的散热量Q和有试样时的散热量Q之差与无试样时的散01热量Q之比(如式2),该值越大，试样的保暖性越好。0Q - Q/C、Q 二 Tq 1 (2)0(3) 传热系数U传热系数U为纺织品表面温差为1 C时，通过单位面积的热流量(如式3)。 U为试样的传热系数,W/m2C； U0为无试样时试验板的传热系数,W/m2C;U1 为有试样时试验板的传热系数,W/m2 C.传热系数越小，保暖性越好。(3)UgU04U - U014.2.3 暖体假人热阻应用暖体假人测试服装热阻的基本原理是在模拟人体 - 服装- 环境之间热交 换的过程中，从暖体假人皮肤表面温度与环境温度之间的温差、体表单位面积的非蒸发散热率等物理参数之间的关系，导出服装热阻的量值。I = (T -T )/O.155HSaI为热阻，CLO； Ts为假人皮肤温度C； Ta为环境温度C； H为单位体表面 积的非蒸发散热率W/m2； 0.155为热阻单位换算系数。4.2.4 ACR 值智能调温纤维的温度调节功能用自适应舒适定值” ACR (Adaptive ComfortRat ing)值表示，用来衡量产品吸收、储存以及在适当时释放能量的能力。产品ACR等级越高，就越舒适。传统纤维的ACR值接近于零，同时很难储存热量。ACR 的计算方法(按Outlast公司的专家解释)“：在试验室内，每单位ACR按2.5 J 对其舒适度的测量”(如式5)。C 为Ou tlast材料的比热，即Out las t材料Outlast的吸热能力,J/m2； SOutlast为Out last材料的面积,m2；久为材料的接近系数。ACR =C x S xXOutlast Outlast2.55智能调温纺织品的应用（1）服装穿着智能调温纺织品的人体与外界环境之间的热量流动减少或者被中断，从 而在人体与外界环境之间建立一种相对的动态热平衡，对人体起到积极的温度调 节作用。不仅能令您在严冬感到温暖如春，在酷暑也能感到丝丝凉意。据报道，英国玛莎推出了温度可调服装8。英国玛莎（Marks & Spencer）公 司为改进男士服装舒适性，在其新的温度可调节系列内衣中应用了 Outlast 公 司PCM （相变）技术；日本钟纺公司开发出能够使服装内温度保持在舒适范围的 聚酰胺纤维“Thermo Support”，该纤维是一种芯层为温度可调节聚合物、皮层 为尼龙6 的皮芯型复合纤维； Mid6 技术公司开发了一种新型的智能潜水服 SmartSkin,其外层是闭孔氯丁橡胶泡沫材料，中间夹层是温敏性水凝胶与开孔 的聚氨酯泡沫材料的复合物；香港福田实业集团与美国杜邦公司合作，采用 Outlast 相变材料微胶囊技术，生产出具有温度调节功能的针织面料，制成的 “Fountian”牌温度响应型智能服装，已开始投放国内外高档服装专卖店；杭州 求兴科技有限公司与浙江大学、浙江理工大学合作研发出多种新型智能调温纤维 （纱线），有棉、腈纶、锦纶、涤纶等品种。天津工业大学功能纤维研究所自 1993 年开始从事储热调温纤维的研究开发工作， 2000 年底完成的研究项目中通过对 相变物质进行熔融复合纺丝，研制出了相变物质含量在 16%以上，单丝纤度 5dtex 的储热调温纤维，而且该技术路线获得了国家发明专利。天津泰达股份有限公司和总后勤部军需装备研究所联合研制开发的“超微细 丙纶熔喷纤维保暖材料”，即“新型泰达生态棉”已被中国人民解放军新式冬服 采用，成为我军正式指定的新型保暖填充材料。以这种材料为保暖层的新一代冬 服，具有轻、薄、软、暖、透气和透湿等优良特性，穿着柔软舒适，成功解决了 冬服配套保暖量外大内小的难题。与不同服装搭配，可以满足多种场合的保暖需 要，使整套冬服在保证保暖量需求的前提下，重量减轻 2kg。 2005 年前新一代冬 服已经正式装备到了西藏军区2。（2）床上用品床垫、褥子、棉被、枕头和毛毯等床上用品采用智能调温纤维，可将床上的 温度和湿度保持在理想的范围内，能让使用者保持良好的睡眠状态8，达到调温的效果。(3) 医疗卫生用品智能调温纺织品被应用于诸如手术服、病人床上物品时，不仅可以改善医生 或患者的穿着舒适度，而且对病人的心里起到良好的安抚作用。智能调温纺织品 用作医用恒温绷带，可防止局部温度过高，防止出汗引起伤口感染，影响伤口愈 合，也可防止冻伤。(4) 保护性装置智能调温纺织品应用于头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等防护性装备中，可以适 当地控制这些部位汗液的产生与排放。以减少湿热的产生，从而为人体的这些部 位提供适当的冷却度。(5 )产业领域用做建筑屋顶、汽车内衬、电池隔板或其他材料。在汽车内部采用智能调温 纺织品作为内衬，同样可以为乘客提供温度调节效果，来保持车内温度的相对恒 定。如浙江有一家企业开发生产了一种能给汽车降热保温的防尘罩。6.结论与展望 6温度调节纺织品是21世纪最具有发展潜力的产品之一，以Out last为代表 的介质相变调温织物的应用较为成熟和广泛，多应用于服装，家纺，医疗保健， 户外防护和产业领域。受当前技术发展的限制，还存在以下一些问题需解决。(1) 相变材料的用量问题。相变材料用量较少，制成的调温纺织品调温时间较短。 应通过加大相变材料用量、改变应用方式或提高相变材料的性能发挥相变材料的 作用。(2) 相变材料间的匹配问题。将可用的相变材料系列化，即根据不同的条件选择 不同的相变材料。(3) 需考虑方便穿着，易于洗涤和进行各种整理的问题。(4) 应降低成本，完善工艺，扩大应用领域。(5) 性能测试手段的提高和测试标准的规范化。参考文献1 刘延辉 新型温度调节织物结构与性能的研究 西安工程大学 2012 D2 柯宝珠 智能温控纺织品的种类及应用 中国个体防护装备 2005(4)3 张兴祥，王学晨等 PP/PEG 蓄热调温复合纤维的纺纱与性能 J 天津纺丝工学院学报1999，(1):14 石海峰，张兴祥等微胶囊技术在蓄热调温纺织品中的应用J产业用纺织品2001.19(12):1-55 廖选亭马小强相变材料在调温纺织品中的研究现状科技创业 2011.76 李娜娜 上海纺织科技 智能调温纤维及其纺织品 2010. 3(3)7 展义臻，朱平，张建波等 相变调温纺织品的热性能测试方法与指标 印染助剂 2006.23 (10)8 赵宝艳, 王瑄 ,吴超 智能调温纺织品的种类及应用 浙江纺织服装职业技术学院学报2009.99 Y. 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