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蓬勃发展的纺织智能纤维(五):智能调温纤维

发表时间:2016/7/11

智能调温类适温型纤维的研究起源于20世纪80年代,最早为美国国家航空与航天局研究项目所开发的Outlast腈纶基智能调温纤维,是采用包裹有相变材料石蜡烃的微胶囊加入到腈纶纺丝液中所得,当时是美国太空总署为登月计划而研发的,用于宇航员服装和保护太空实验精密仪器等外套,于1988年开发成功,1994年首次用于商业用途。

1997年美国太空总署成立了Gateway公司专门从事智能调温纤维的开发研究,将Outlast腈纶基纤维注册商标为outlast,发展用于普通服装,并从此在美国及欧洲市场上销售。此后,德国Kelheim纤维公司与Outlast公司合作开发出Outlast粘胶型纤维,其实就是将相变材料微胶囊加入到粘胶纤维的纺丝液中得到的,其隔热效果达到42.5%,并获得专利。

腈纶基、黏胶基Outlast智能调温纤维形态

目前以相变材料作为智能调温纤维的开发与应用,在国外比较成熟的主要有美国和瑞士,他们生产的调温纤维主要是微胶囊纺丝工艺;欧洲和日本也有这方面的研究。德国最早研制成功硫酸钠蓄热微胶囊整理材料;之后,又开发了在中空纤维充入溶剂与惰性气体的织物。日本的代表技术是大和化学工业研制的微胶囊浆料涂层。

1.智能调温机理

智能调温纤维又叫空调纤维,是将相变材料(简称PCM)技术与纤维制造技术相结合开发出的一类新型功能性产品,具有双向温度调节作用。当外界环境温度升高时,纤维中包含的相变材料发生相变,从固态变为液态,吸收热量储存于纤维内部;当外界环境温度降低时,相变材料从液态变为固态,释放出储存的热量,保持体表温度,使人体处于一种舒适的状态。智能调温纤维的这种吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。

智能调温纺织品的调温机理与传统保温衣物有明显不同:传统衣物主要是利用空气热传导率极小的特点,采用提高织物内部静止空气的方法来避免热量散失的,其绝热效果主要取决于织物的厚度和密度,且其保温效果受外界压缩和水分的影响;智能调温纺织品利用其内部的相变材料来调节热量而不是隔绝热,是一种对水分和外界压力影响不敏感的,能为人体提供舒适微气候环境的全新保温纤维。

2.相变材料选择

相变是指某些物质在一定温度下相态发生变化的现象。相变时所吸收或放出的能量称为相变热(也叫做相变潜热),物质温度变化时的吸放热量叫做显热,相对于显热来说,相变热要大得多。所以相变材料选择是制备智能调温纤维及其纺织品的第一步。

适用于纺织品的相变纤维材料应具有:相变潜热高;安全可靠,化学和物理性质稳定;具有适宜的相变温度范围;具有适宜的热传导系数,灵敏性高,能较快地吸收和释放热量;相转变过程完全可逆;相变体积变化小;经济可行;等特点。

3.相变材料种类

通常用于纺织品的相变材料有:无机相变材料,如MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O等,相变温度小于35℃,相变热为100J/g~300J/g。有机相变材料,如有机酸酯类、多元醇类、高级烷烃类和有机酯类等,应用较多的相变材料直链烷烃的相变热可达200J/g~300J/g、相变温度为18℃~40℃。复合相变材料,是一些可用于纺织品的相变材料的物理性质,通过合理复配能够得到在一定温度范围内具有调温作用的复合相变材料,如一些烷烃的物理性质:十六烷的熔点18.5℃、结晶温度16.2℃、热焓237J/g;十七烷的熔点22.5℃、结晶温度21.5℃、热焓213J/g;壬烷的熔点32.1℃、结晶温度26.4℃、热焓222J/g。

4.生产加工方法

目前,生产智能调温纤维的加工方法有以下几种:

(1)中空纤维浸渍法。该法是将中空纤维浸渍于相变材料溶液中,使中空部分充满相变材料,再将纤维两端封闭。缺点是用中空纤维填充法制得的调温纤维内径较大,相变物质残留于纤维表面,故易于渗出和洗出,而且浸渍法存在封端困难,作为服用纤维使用还有很大局限性。

(2)熔融复合纺丝法。将石蜡烃类相变材料混合一定的二氧化硅粉末,与聚烯烃进行熔融纺丝,可以得到相变温度为15℃~65℃的调温纤维。

(3)涂层法。是把相变物质固定到织物上的简便易行的方法,即将相变物质与树脂通过催化固着在纤维上,或采用具有防水透湿性的调温涂料涂覆在纺织品表面,抑或用相变物质与免烫树脂整理剂混合整理到织物,也可将复合相变材料与粘合剂混合后涂覆在纺织面料的表面而制成智能调温纺织品。

(4)微胶囊纺丝法。将平均直径1~5μm的含有相变物质的微胶囊与成纤聚合物溶液混合后纺丝,其他工艺与复合纺丝相同。该方法已经成功地应用于聚丙烯腈系列纤维的溶液纺丝中,得到了PCM分布均匀、蓄热能力显著的相变纤维。

在上述4种生产智能调温类适温型纤维的方法中,中空纤维浸渍法存在封端困难;复合熔融纺丝法需要加入大量增塑剂才能用于纺丝;涂层织物虽然热焓值很高,但普遍存在手感较差的缺点。所以,微胶囊复合纺丝法生产智能调温纤维是目前最实用的先进的加工方法。

5.新型纤维开发动向

最近美国Outlast公司新开发出的Air conditioning Thermal纤维,为Outlast空调纤维又增加了一个新的品种。该纤维技术关键是使用微胶囊包裹的热敏碳氢改性材料,具有潜热形式的吸收储存和释放的功能,自动调温范围为1℃~20℃;巴西Rhodia 公司推出一种新的以聚酰胺6.6为原料的GaoShushi纤维,这种纤维嵌入一种专利正二十烷改性的复合相变材料,用这种纤维生产的运动服装或者内衣具备体温调节功能,还可以改善血液微循环。

瑞士schoeller公司最近推出可弹性调整温度的创新智能型调温纤维,其创新的关键是采用具有热致型SMP“形态记忆导电功能”的相变聚合物纳米材料制成PS-change仿生学调温纤维,能根据天气变化自动调节穿衣的温度,而且可弹性调节水气渗透力,迅速排出湿气,具有高度防水及防风功能。

德国特雷维拉公司新开发出一种可控型自动调节温度的LCAT纤维,在腈纶型Outlast智能纤维的基础上采用十六烷和2-乙烯基丙烯系纳米相变材料的微胶囊纺丝法制成,相变材料所占比例越大,所调控温度范围也就越大。

德国科莱恩公司新研发的牛奶蛋白调温纤维Milkprotein,在牛奶蛋白喷丝液中加入有机复合PCM相变材料制成。该公司的最新研究还表明,应用这项新技术可以制造由奶酪蛋白、有机毛蛋白、麦乳蛋白或玉米蛋白等蛋白质改性合成的高储热量温度舒适性智能调温纤维。