科技創(chuàng)新

織物的蓄熱保溫整理

織物的蓄熱保溫整理
服裝重要的功能在于維持人體正常溫度，使人體感到舒適。服裝的熱傳遞基本上可分為兩種：顯熱傳遞，即人體溫度和外界環(huán)境存在差異可產生的熱量傳遞，它主要通過熱傳導、對流和輻射來完成；潛熱傳遞，即由于人體與外界環(huán)境之間的蒸汽濃度差而產生的濕熱傳遞，它主要通過蒸發(fā)和排汗來完成。
傳統(tǒng)服裝主要通過控制人體與外界環(huán)境之間的熱輻射、熱傳導和對流而達到保溫目的。當環(huán)境溫度較低時，可通過適當增加織物的豐厚度，使織物的靜止空氣層的空間加大以提高保暖效果；環(huán)境溫度接近或高于體溫時，人體已難以通過輻射、對流和傳導來散失熱量，此時應降低織物厚度以增大人體與環(huán)境間的熱交換，且皮膚還需大量排汗，利用汗液的蒸發(fā)帶走熱量才能維持體溫的恒定。
隨著服裝的時裝化，僅通過增加或降低織物厚度來維持人體適宜的溫度，不但麻煩而且有時也很困難，而且也不美觀。因此，上世紀90年代以來，新型保溫調溫纖維和織物的開發(fā)研制驟然興起。各種新型的保溫調溫紡織品相繼問世，例如遠紅外纖維、降溫織物、在原絲液中填加特殊的陶瓷粉末或涂層法將陶瓷粉末涂布在織物上。近，一種新的方法——微膠囊技術，應用在開發(fā)蓄熱調溫紡織品上。
1蓄熱調溫紡織品的介紹
蓄熱調溫紡織品是一種通過紡織品表面或纖維內含有的相變物質遇冷、熱后發(fā)生固-液可逆相變而吸收、放出熱量，從而具有溫度調節(jié)功能的新型高技術紡織品。這類紡織品能夠根據外界環(huán)境溫度的變化在一定的濕度范圍內可自由調節(jié)紡織品內部溫度，即當外界環(huán)境溫度升高時，可以儲存能量，使紡織品內部溫度升高相對較低；當外界環(huán)境溫度下降時，可以釋放能量，使紡織品內部溫度降低相對較少，做成服裝后比常規(guī)紡織品更具舒適性。
蓄熱調溫紡織品研制所使用的相變物質的相變溫度通常在0-50℃，利用相變物質的吸放熱特性將其加工到紡織材料上可以獲得意想不到的效果。上世紀80年代中期，各國研究人員先后采用多種工藝路線研制開發(fā)蓄熱調溫紡織品，我國自上世紀90年代初開始蓄熱調溫紡織品的研究，現已取得了很大成績。
20世紀80年代中期，美國NASA開始資助具有溫度調節(jié)功能的紡織品的研究工作，計劃用于宇航服中的工作手套，美國Triangle研究發(fā)展公司和農業(yè)部南方工作室先后開展了該方面的研究工作。20世紀90年代初美國Gateway公司(現更名為Outlast技術公司)得到了Triangle公司用微膠囊技術制造蓄熱調溫紡織品和泡沫的專利授權，該公司經過數年的研究改進，于1997年開始生產和銷售含有蓄熱調溫微膠囊的纖維、織物和泡沫產品。日本和歐洲等工業(yè)發(fā)達國家也有同類研究。
2蓄熱調溫紡織品保溫機理
蓄熱調溫紡織品與傳統(tǒng)的紡織品的區(qū)別在于保溫機理的不同。傳統(tǒng)的保溫衣物主要是通過絕熱方法來避免皮膚溫度降低過多，而絕熱效果主要取決于織物的厚度和密度。厚度越大、密度越小，絕熱效果越好，因為滯留在織物內部的靜止空氣多而空氣的熱傳導率極小，然而傳統(tǒng)織物的保溫效果受限于外界壓縮和水分的影響。而蓄熱調溫技術的保溫機理則是一種對水分和外界壓力影響不敏感的能為人體提供舒適微氣候環(huán)境的全新的保溫機理，即提供熱調節(jié)而不是提供熱隔絕。這種全新的保溫機理在于紡織品內部應用了微膠囊相變材料，相變材料在其固、液相態(tài)之間變化時從外界環(huán)境吸收或釋放熱量，且在相變的過程中溫度保持不變。含有相變材料的紡織品不論外界環(huán)境溫度升高還是降低時，它在人體與外界環(huán)境之間起一個調節(jié)器的作用，緩沖外界環(huán)境溫度的變化。
蓄熱調溫紡織品除具有與普通紡織品相似的靜態(tài)保溫(熱板法測試)性能外，還具有動態(tài)保溫性能，動態(tài)保溫性能的產生是紡織品內部包含的相變物質在環(huán)境溫度變化時的吸熱或放熱引起的。當環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達到服裝內微膠囊相變材料(MPCMs)的熔點時，MPCMs吸熱從固態(tài)轉化為液態(tài)，在服裝層內產生短暫的制冷效果。一旦MPCMs完全液化，儲能便結束。如果MPCMs服裝在低于PCM結晶溫度的寒冷環(huán)境中使用，液態(tài)PCM，將變回固態(tài)，釋放出能量，提供短暫的加熱效果。這種熱轉換在服裝內起緩沖作用，減小皮膚溫度的變化，延長穿著者的舒適感。
3蓄熱調溫紡織品的制造方法
蓄熱調溫紡織品的制造方法有以下三種:
3·1織物表面整理法
3·1·1相變物質直接整理法
相變物質用交聯(lián)劑及催化劑一起混合后制成均勻水溶液，將棉、滌棉或羊毛織物等在溶液中浸漬，軋壓、烘干、皂洗后得到增重50%左右的織物，該類織物在0-50℃溫度范圍具有明顯的吸放熱效果。
3·1·2蓄熱微膠囊整理法
微膠囊是由天然或合成的高分子制成的微型容器。蓄熱微膠囊是將相變物質在液態(tài)時包裹在微小球體中。含有相變物質的微膠囊隨著外界環(huán)境溫度的變化，相應的吸收熱量和釋放熱量。將蓄熱微膠囊整理到織物表面，可以明顯提高織物的保溫性。
3·2中空纖維內部填充法
一般來說，調溫織物的調溫效果是利用纖維內部的溫適載體或其含有的相變材料達到的。1971年HansenR.H申請的美國專利將二氧化碳之類的氣體先溶解到各種溶劑中，然后充填到纖維的中空部分，在織造前，利用特殊方法將中空部分密封，從而利用纖維中空部分的氣-液(固)相轉變來達到保溫。上世紀80年代初期，Vigo等人將帶有結晶水的無機鹽充填到中空纖維的中空部分，利用相變鹽在室溫下發(fā)生熔融和結晶而產生可逆的貯熱和釋熱性能，從而達到調溫效果。
3·3直接紡絲法
3·3·1相變物質直接紡絲法
采用紡絲法直接將低溫相變物質如石蠟紡制在纖維內部，并在纖維表面進行環(huán)氧樹脂處理，防止石蠟從纖維中析出。該纖維在升降溫過程中，石蠟熔融吸熱、結晶放熱，使纖維的熱效應明顯不同于普通纖維。
天津工業(yè)大學的研究表明，單純將相變物質作為一種成分用于熔融復合紡絲很困難，由于低溫相變物質的熔融粘度很低，完全不具備可紡性，只有將低溫相變物質與多種增粘劑混合后才能用于紡絲，采用分子量為100O的PEG紡出的纖維具有明顯的溫度調節(jié)功能。
3·3·2蓄熱微膠囊共混紡絲法
1993年Tringle公司申請了將石蠟類碳氫化合物封人直徑1-10?m的微膠囊中，然后與聚合物溶液一起紡絲，得到具有可逆蓄熱特點纖維的專利。其中主要是通過將相變材料包封在直徑1-10?m的微膠囊中，對織物進行涂層或將微膠囊混入紡絲液中進行紡絲。
蓄熱調溫微膠囊就是將特定溫度范圍的相變材料用某些高分子化合物或無機化合物以物理或化學方法包覆起來，制成直徑在1-100?m之間常態(tài)下穩(wěn)定的固體微粒，這種包裹后相變材料性質不受影響的固體微粒就是蓄熱調溫微膠囊。蓄熱調溫微膠囊與其他微膠囊(緩釋微膠囊、壓敏微膠囊等)的不同之處在于壁材的選取和設計不同。緩釋微膠囊、壓敏微膠囊等類型的膠囊是希望膠囊壁材在外界條件的作用下被破壞以達到特殊效果，而蓄熱調溫微膠囊的壁材則需要在外力作用下能夠較長時間保持其完整性，以避免芯料的滲透。
4性能的評價方法
服裝的熱濕舒適性的評價方法和指標與單純的織物保暖性、透濕性的評價方法和指標有很大不同，因為前者所涉及的廣度與深度遠比后者多。具體來說，前者要受到人體、服裝、環(huán)境三方面因素的影響，而后者從織物本身來進行研究。這些年來，紡織品的熱濕舒適性在研究方法上主要集中在以下三種方法，即微候儀法，暖體假人法和實際人體穿著法。它們各有優(yōu)缺點。
但就具體測試方法而言，又分為單純熱濕性能測試和綜合熱濕性能測試，一般主要采用微氣候儀法并結合實際人體穿著法進行研究，以期取長補短，優(yōu)勢互補。
為了模擬人體出汗時衣內微氣候的變化行為，許多學者研制了各種不同的微氣候儀，并建立了大量的評價指標。國外有許多科學家先后研制了不同種類的微氣候儀，具體有Hardy、Behrmann、Meheels、Woodcode、尾崎、諸風、川端、丹羽、松本、若野等人，國內有李毅、施楣梧等人研制的微氣候儀I型和Ⅱ型、林秀壁等人研制出的簡單出汗筒體、崔慧杰等人模仿德國Umbach博士的儀器研制了織物動態(tài)熱濕舒適性能汽相緩沖作用測試儀以及總后軍需研究所根據衣內微氣候理論研制的衣內微氣候測試儀。
5蓄熱調溫紡織品的應用
5·1服裝與鞋帽
在外界環(huán)境溫度達到相變物質的熔融點或結晶點后，相變物質開始吸收或釋放熱量，使穿衣人的人體與外界環(huán)境之間的熱量流動減少或者被中斷，從而在人體與外界環(huán)境之間建立一種相對的動態(tài)熱平衡，對人體起到積極的溫度調節(jié)作用。
由于纖維或織物中含有的相變物質可以吸收、儲存和重新釋放身體的熱量，因此當腳或頭產生過量的熱量時，它可以吸收熱量；而當腳或頭感覺發(fā)冷時，儲存的熱量又可以重新釋放到身體比較冷的部位。
5·2醫(yī)療衛(wèi)生用品
通過含相變物質微膠囊對諸如手術服、床上材料和精心護理所用的材料等醫(yī)療衛(wèi)生用品的功能整理，不僅可以改善醫(yī)生的舒適度，而且對病人的病情起到良好的輔助治療作用。
5·3保護性裝置
在頭盔、膝蓋護墊、肘部襯墊等等保護性裝置中應用微膠囊相變材料，可以適當地控制這些部位汗液的產生與排放。通過微膠囊內的相變材料的相變可以調節(jié)身體局部溫度的平衡，以減少濕熱的產生，從而為人體的這些部位提供適當的冷卻度。
5·4汽車內織物
在汽車內部采用蓄熱調溫紡織品作為內襯，同樣可以為乘客提供溫度調節(jié)效果，并且通過相變材料的吸熱或放熱來保持車內溫度的恒定。B.PAUSE對汽車內部諸如地板、車頂、座椅及儀表盤等物品應用蓄熱調溫紡織品具有明顯的調溫效果。
5·5軍事用途
由于調溫纖維及紡織品一開始就是NASA及美國軍方資助的項目。因此，受到他們的關注就不足為奇了。目前，已經用于制造飛行保暖手套，軍用冷或熱作戰(zhàn)靴、潛水服、冬季服裝、海軍陸戰(zhàn)隊微氣候冷卻服裝等方面。除此之外，它還能用于紅外線偽裝服，軍事應用上的紅外光波段主要分為0.75-3?m的近紅外和3-15?m的熱紅外。近紅外探測是根據目標與背景的亮度差別來發(fā)現目標。因此，偽裝主要是設法減少或消除目標與背景的亮度差別。紅外熱象儀則是利用高于環(huán)境溫度的物體都會向外發(fā)射紅外輻射而使之成像。因此，防熱紅外探測就要通過降低目標在熱紅外譜段的熱輻射。調溫纖維及紡織品能緩沖人體散發(fā)的熱，降低熱紅外輻射。有望在熱紅外偽裝方面起些作用。為了滿足近紅外和熱紅外偽裝的要求，將紅外偽裝材料進行復合加工。20世紀90年代美國陸軍設計出三色紅外偽裝服。它由三層具不同熱紅外發(fā)射率的偽裝材料復合而成，每層材料呈現不同的顏色，能較好地模擬背景的光學特征，具有較強的紅外偽裝效果。美國TeledyneIndustrieslnc也設計一種多層涂層織物復合加工成的偽裝服，每層織物具有不同的紅外發(fā)射率。它們相互搭配，從而盡可能的模擬背景的紅外發(fā)射情況，防偽效果較好。
6結束語
目前，紡織材料的研究開發(fā)已經步入了一個新領域，向著高功能、高附加值發(fā)展。隨著蓄熱調溫紡織品技術的不斷深人，及其范圍的不斷擴大，它所帶給人們的效果是不同凡響的，會使我們的生活更舒適。7qrPWGkEi