微膠囊相變調溫纖維的調溫性能研究

金美菊，劉艷春，鄺湘寧

(1.寧波市纖維檢驗所，浙江 寧波 315048； 2.紹興文理學院，浙江 紹興 312000)

?

微膠囊相變調溫纖維的調溫性能研究

金美菊1，劉艷春2，鄺湘寧1

(1.寧波市纖維檢驗所，浙江 寧波 315048； 2.紹興文理學院，浙江 紹興 312000)

摘要：文章采用差示掃描量熱法測定相變微膠囊的吸熱焓及放熱焓；采用溫度變化曲線法測定微膠囊相變調溫纖維的升溫及降溫過程；從而研究相變微膠囊及相變微膠囊調溫纖維的調溫性能。結果表明：以石蠟為芯材的相變微膠囊滿足紡織用相變材料的要求；粘膠基相變微膠囊調溫纖維的溫度調控范圍與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區間一致。

關鍵詞：相變材料；微膠囊；調溫纖維；調溫性能

相變材料 (Phase Chang Materials ,簡稱PCM)是一類在一定溫度范圍內，依靠自身可逆相變從環境中吸收或向環境釋放熱量的物質。目前人類已經發現并掌握的天然或合成相變材料約有500 種[1]，它們以各種形式存在于自然界中。將相變材料加入到纖維中或整理到織物上，可以開發出在一定范圍內自由調節溫度的相變紡織品。由于服用紡織品通常直接或非直接接觸人體皮膚，因而要求用于紡織領域的相變材料(PCM)具備相變溫度在30℃～35℃之間，相變潛熱足夠大、相變可逆性好、無毒、無腐蝕性等特點，大量研究表明，要得到滿足所有這些條件的PCM極其困難[2]，為了取得預期效果，有時可能會采用多種相變材料混合使用。本文采用差示掃描量熱法測定相變微膠囊的吸熱焓及放熱焓；采用溫度變化曲線法測定粘膠基微膠囊相變調溫纖維的升溫及降溫過程；從而研究兩者各自的調溫性能。

1　相變材料的調溫機理

在一定條件下，某些物質通過相態變化來儲存或釋放能量，從而保持自身溫度基本不變的過程，稱為相變。相變是自動的、可逆的、無限次的[3]，常見的相變有固-液、液-汽、固-汽等。伴隨著相態變化的過程，一定會有吸熱或放熱現象產生，這種熱量稱為相變潛熱，亦稱為相變焓。

含有相變材料的紡織品在環境溫度升高時，相變材料吸收熱量，從固態變為液態，使得紡織品本身溫度升高相對不明顯；在環境溫度降低時，相變材料放出熱量，從液態變為固態，使得紡織品本身溫度下降相對較慢，形成舒適的“衣內微氣候”環境。而傳統的保溫紡織品，則是通過提高織物內部靜止空氣量的方法來隔絕熱傳導，達到蓄熱保溫的目的。可見，相變紡織品與傳統紡織品的蓄熱調溫機理不同。

相變材料的溫度調節能力是有限的，這與相變材料的相變溫度和環境溫度的差異、相變材料質量以及相變焓等因素有關。

2　相變調溫紡織品的發展

相變調溫纖維是近代發展起來的一類新型纖維材料，在國內外普受關注。美國航空航天局 (NASA) 中心實驗室早在20世紀60年代，就已開始研究相變材料，并應用于航天領域；爾后Outlast 技術公司成功采用微膠囊技術，制造出蓄熱調溫紡織品和泡沫，并于1997年開始生產和銷售。我國對于相變材料的研究始于20世紀90年代，起步較晚，但發展迅速，現已在運動服、職業服、鞋襪和醫療用品等方面得到應用。

早期的調溫紡織品通常是將相變材料直接整理到織物上，容易對皮膚造成傷害，且耐洗性能較差。近年來研究的熱點課題是：利用膠囊技術將相變材料包裹到膠囊內部，制備成相變調溫微膠囊，從而賦予相變紡織品良好的調溫性能和調溫持久性。

目前，相變微膠囊調溫紡織品的加工方法主要有兩種：一是微膠囊涂層法，即將微膠囊相變材料均勻分散于粘合劑中，涂覆于織物表面，此方法簡單方便，但織物柔軟性和光滑度較低[4]；二是微膠囊紡絲法，即將微膠囊添加到紡絲液中，通過紡絲工藝制成調溫纖維，再經紡、織、染等過程制成相變織物，由于微膠囊的良好穩定性，使纖維及織物能保持原有的柔軟性，但纖維斷裂強度會受到一定的損傷。

3　相變微膠囊及相變微膠囊調溫纖維的調溫性能

3.1相變微膠囊的合成及調溫性能

選取相變材料石蠟為芯材，甲苯-2，4二異氰酸酯(TDI)和己二胺為壁材，以合成共聚物苯乙烯-順丁烯二酸酐的水解物(SMH)為乳化劑，采用原位聚合技術，將相變材料包覆在微膠囊內部，制成相變微膠囊。

據資料載：超聲波震蕩有助于反應液中大顆粒團分散成小顆粒，同時有助于極細小的顆粒聚集成稍大的顆粒團，使微膠囊的體均粒徑差異減小，數均粒徑分布區域相對集中。本實驗分別制備了微膠囊A和微膠囊B，其中A為制備過程使用超聲波震蕩，B為未使用。

使用差熱掃描量熱儀分別測量石蠟芯材和實驗制備所得微膠囊的熔融范圍、吸熱焓、凝固范圍和放熱焓。結果見表1。升溫過程DSC和降溫過程DSC見圖1和圖2。

表1芯材及微膠囊A、B的熔融范圍、吸熱焓、凝固范圍和放熱焓

熔融范圍(℃)吸熱焓(J/g)凝固范圍(℃)放熱焓(J/g)芯材16～45122.337～13125.3微膠囊A16～4595.2537～1390.01微膠囊B16～4586.0137-1382.65

從圖1看，熱焓吸收主要發生在20℃～38℃之間，而從圖2看，熱焓放量大部分集中在18℃～37℃之間。可見，實驗制得的相變微膠囊吸熱和放熱溫度區間(即調溫范圍)在18℃～38℃之間，適合應用于人體溫度的調節，滿足紡織用相變材料的要求。

圖1　芯材和微膠囊A、B升溫過程DSC

圖2　芯材和微膠囊A、B降溫過程DSC

3.2相變微膠囊調溫纖維的加工及調溫性能

選用優質棉、木漿粕等纖維素漿粕為原料，采用粘膠纖維紡絲工藝，經浸漬、壓榨、老成、黃化，制得纖維素黃酸脂，然后加入相變調溫微膠囊，混合攪拌、過濾、熟成，制得調溫微膠囊有效含量10%的紡絲膠，經噴頭噴入溫度為48℃的凝固浴中成型，經過牽伸、精練、烘干等后處理制得粘膠基微膠囊調溫纖維。本實驗分別采用上述微膠囊A、B制備得到粘膠基微膠囊調溫纖維A、B。

相變調溫纖維的調溫效果測定方法，目前主要有三種：一是差示掃描量熱法，即DSC法，用于測定纖維儲熱能力及植入到纖維結構中的相變微膠囊的相變溫度范圍；二是動態熱轉換法，用于測定動態保暖效果，可以有效區分纖維本身與相變材料提供的保暖性能；三是溫度變化曲線法，借助溫度測試儀來測定纖維溫度變化范圍和熱量吸收程度[5]。

微膠囊調溫纖維本質上是通過微膠囊的調溫性能來實現，那么微膠囊經紡絲工藝后調溫效果是否有改變？我們采用溫度變化曲線法測定粘膠基微膠囊調溫纖維的升溫及降溫性能。

實驗樣品：(1)粘膠基微膠囊調溫纖維A、B；

(2)普通粘膠纖維。

升溫測試：將三種實驗樣品纖維，同時放在國標GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》[6]規定的標準大氣條件下調濕24h，然后分別放在溫度40℃的保溫板上，采用紅外測溫儀每隔3s測定一次纖維表面溫度，記錄并繪制升溫曲線，見圖3。

圖3　粘膠纖維及粘膠基微膠囊調溫纖維的升溫曲線

降溫測試：將三種實驗樣品纖維，同時放置于42℃恒溫烘箱中加熱保溫2h，取出，置于標準大氣條件下自然冷卻至環境溫度(20±2)℃，用紅外測溫儀每隔3s，測定一次纖維表面溫度，記錄并繪制降溫曲線，見圖4。

圖4　粘膠纖維及粘膠基微膠囊調溫纖維的降溫曲線

從圖3可以看出：在30℃時，微膠囊調溫纖維開始吸收熱量，自身升溫速率逐漸減慢，35℃時達到最小值，最后緩緩到達37℃；從圖4可以看出：在34℃時，微膠囊調溫纖維開始釋放自身熱量，自身降溫速率下降，30℃時達到最小值，最后到達20℃。而普通粘膠纖維，無論是升溫速度還是降溫速度，均比調溫纖維相對較快。

該實驗表明：粘膠基微膠囊相變調溫纖維的溫控范圍約在20℃～37℃之間，與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區間基本一致。

4　結語

4.1以石蠟為芯材，甲苯-2，4二異氰酸酯(TDI)和己二胺為壁材，苯乙烯-順丁烯二酸酐的水解物(SMH)為乳化劑，制成的相變微膠囊熱焓吸收區間20℃～38℃，熱焓放量區間18℃～37℃，適合應用于人體溫度的調節，滿足紡織用相變材料的要求。

4.2以上述相變微膠囊為相變材料，采用紡絲法制得的粘膠基微膠囊相變調溫纖維，溫控范圍約在20℃～37℃之間，與其采用的相變微膠囊的吸熱和放熱溫度區間基本一致。

4.3相變調溫紡織品的調溫性能取決于其采用的相變材料，與紡織品形態及環境濕度無關。隨著相變材料新品種的不斷出現及相變微膠囊紡絲技術的不斷完善，相變調溫微膠囊纖維的開發與應用領域將不斷擴展。

參考文獻：

[1]武松梅,田 麗.相變材料在紡織上的應用與研究[J].輕紡工業與技術,2012，41(2):68—69.

[2]王 全,王清成,蔡建軍.蓄熱調溫纖維制備方法研究進展[J].棉紡織技術,2013，42(11):65—68.

[3]周立群,孟家光.蓄熱調溫紡織品的研究與發展[J].現代紡織技術,2010，(6):56—58.

[4]蘇德保.智能調溫纖維的研究新進展[J].國際紡織導報, 2013，(8):10—14.

[5]李娜娜.智能調溫纖維及其紡織品[J].上海紡織科技,2010，(3):15—17.

[6]GB/T 6529—2008.中華人民共和國國家標準.紡織品 調濕和試驗用標準大氣[S].

收稿日期：2015-10-14 2015-12-15

基金項目：2014年國家質檢總局科技項目(2014QK205)

作者簡介：金美菊(1966—)，女，浙江溫嶺人，高級工程師。

中圖分類號：TS102.52+8

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3028(2016)01-0001-04

Study on the Thermal Performance of Microcapsules Phase Change Fiber

Jin Meiju1, Liu Yanchun2, Kuang Xiangning1

(1.Ningbo Fibre Inspection Institute, Ningbo 315048,China;2.Shaoxing University, Shaoxing 312000,China)

Abstract：The article studied the thermal performance of phase change micro capsule and microcapsules phase change fiber, by using differential scanning calorimeter method for phase change micro capsule of endothermic enthalpy and exothermic enthalpy; by using temperature change curve method for determination the temperature change of microcapsule phase change fiber in heating and cooling process.The results show that: The phase change micro capsules with paraffin as core material was suitable for textiles; The temperature regulation range of viscose base phase change microcapsule fiber, was the same as the temperature scope of micro capsule endothermic and exothermic .

Key words：phase change material; microcapsule; thermostat fiber; thermal performance