微膠囊技術在蓄熱調溫非織造布壁紙上的應用

劉美娟 劉 星

天津工業大學紡織學院， 天津 300380

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微膠囊技術在蓄熱調溫非織造布壁紙上的應用

劉美娟 劉 星

天津工業大學紡織學院， 天津 300380

采用三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂(MUF)為壁材，相變材料正十八烷為芯材，通過原位聚合法制備微膠囊。配制相變微膠囊涂層液，采取干法涂層工藝將微膠囊涂覆在非織造布上，制成蓄熱調溫功能材料。針對新型調溫壁紙研發中遇到的問題，通過掃描電子顯微鏡、測溫儀、織物透氣量儀等測試手段，探討相變微膠囊整理工藝對材料厚度、透氣性和調溫性能的影響。測試結果表明，干法涂層工藝使微膠囊均勻地附著在壁紙表面，壁紙的厚度不發生明顯變化，壁紙具有較好的透氣性和良好的蓄熱調溫功能。

非織造布， 相變材料， 微膠囊， 蓄熱調溫， 壁紙

相變材料(PCM)是一種在特定溫度范圍內自身發生物相變化，并在變化過程中吸收或放出熱能的材料。相變微膠囊是應用微膠囊技術，將固-液PCM用有機或無機材料以物理或化學方法包裹起來，制成具有一定粒徑和穩定性的復合材料。相變微膠囊能使囊芯的PCM的化學性質在儲存和使用過程中受到保護，也解決了固-液PCM在相變過程中材料的泄漏問題，提高了PCM使用的方便性。

相變微膠囊可以作為涂層劑、浸漬液、紡絲添加劑應用于纖維、機織物、針織物和非織造織物中，最終加工成具有蓄熱調溫功能的產品。用微膠囊技術制造的蓄熱調溫織物可用于保護性裝置、服用、室內裝飾、汽車工業、醫療衛生等許多領域。20世紀80年代中期，美國航空航天局、美國空軍等機構資助研究開發微膠囊PCM在熱調節防護服上的應用技術[1]。20世紀末，美國Outlast公司[2]將相變微膠囊添加在纖維中，生產出具有調溫功能的聚丙烯腈纖維，該公司采用紡絲和涂層方法生產的智能調溫紡織品已廣泛應用于生活的各個方面。英國Acodis公司根據調溫紡織品的應用環境以及在人體上應用部位的不同，采用不同的PCM及其共混物，生產出適用于不同溫度的服裝調溫纖維。美國的Willard William F制造出含智能調溫纖維的多功能針織物，用這種針織物制作的服裝具有調溫功能和導濕功能[3]。

我國自20世紀90年代初開始蓄熱調溫紡織品的研究工作，現已取得很大成績。天津工業大學功能纖維研究所自1993年起開始蓄熱調溫纖維的研究開發工作，1996年采用相變物質熔融復合紡絲方法研制出調溫纖維，該纖維經常規或非常規紡織加工成的制品具有雙向調溫功能[4]。保定雄亞紡織集團與美國安伯士國際集團合作，利用“太空技術”成功開發出相變調溫洛科絨線，并在國內首次生產出“冬暖夏涼”的相變調溫服裝[5]。2005年，江蘇丹盛紡織有限公司研制出奧特佳(熱敏材料)腈綸基智能調溫纖維棉型機織產品[6]。2007年北京雪蓮羊絨股份有限公司與山西恒天新纖維科技開發有限公司共同開發的智能調溫型牛奶蛋白復合纖維，耐壓、耐高溫性能優良，該纖維可與高級羊毛、駝絨混紡，制作出具有明顯舒適性的智能調溫高級面料[7-9]。河北吉藁化纖有限責任公司與北京巨龍博方科學技術研究院共同開發了微膠囊復合紡絲法生產的黏膠基智能調溫纖維——絲維爾TM，該纖維的推出展現了我國在智能空調纖維領域的突破性進展[10]。

1 相變微膠囊織物的調溫機理

在織物中加入相變微膠囊可以使其成為蓄熱調溫材料，得到智能化的控溫性能。微膠囊蓄熱調溫織物的功能機理如圖1所示。當外界環境的溫度上升至相變溫度以上時，PCM會吸收并儲存大量熱量，從而降低環境溫度，使織物內部溫度升高相對較小，這時PCM處于熔化過程，材料由固態轉變為液態。當外界環境溫度下降時，材料就會在一定溫度范圍內自主地釋放儲存的熱量，從而提高外界環境的溫度，使織物內部溫度降低相對較小，這時PCM進行由液態到固態的逆相變。PCM的物理狀態發生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個較寬的溫度平臺。雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。

圖1 相變微膠囊織物的調溫機理

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試劑與儀器

正十八烷(純度99.0%)，三聚氰胺(純度99.5%)，甲醛，尿素，表面活性劑；DF-101S型恒溫水浴鍋，DW-3-50型機械攪拌器，BA2000型光學顯微鏡，TM-1000型掃描電子顯微鏡，DSC 200 F3型差示掃描量熱儀，STA409PC型電子數控烘箱，YG141LA型數字式織物厚度儀，YG461型織物中壓透氣量儀，CX-WDJ200C型數顯溫度計等。

2.2 試驗方法

采用三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂(MUF)為壁材，正十八烷為芯材，通過原位聚合法制備包覆良好的相變微膠囊。通過涂層法將制備的微膠囊添加到SMS(紡黏-熔噴-紡黏)非織造布上，制成蓄熱調溫非織造布。測試該蓄熱調溫非織造布作為房屋壁紙的調溫效果，探討該壁紙在實際生活中應用的可行性。

2.2.1 微膠囊的制備

稱取一定量的三聚氰胺(M)，37%質量分數的甲醛(F)水溶液；用量筒量取蒸餾水加入石英燒杯中，在燒杯中放入磁力轉子后用保鮮膜封住燒杯口，再將燒杯放入70 ℃的水浴鍋中進行磁力攪拌，直至燒杯中液體變為無色澄清狀態(大約需要20 min)；然后將燒杯取出，用流動的冷水沖淋燒杯外壁，使液體溫度降至室溫，即得MF預聚體溶液。設置機械攪拌裝置，并將水浴鍋溫度調至40 ℃。將尿素、表面活性劑和蒸餾水加入到裝有MF預聚體的燒杯中，將攪拌器的轉速設置為500 r/min，再用試管將液態正十八烷緩慢勻速地加入到燒杯中；待20 min后，水浴鍋加熱至75 ℃，繼續反應3 h；靜置1 h，將反應物洗滌、抽濾、真空干燥后，即得到相變微膠囊。

2.2.2 蓄熱調溫非織造布壁紙及房屋模型的制備

2.2.2.1 織物涂層

將水性聚氨酯與蒸餾水按一定的比例加入到燒杯中，攪拌均勻后加入表面活性劑和PCM微膠囊(質量分數分別為0%、 10%、 20%、 30%)。制備過程中保持勻速攪拌，使涂層液均勻混合。采用干法涂層工藝，將相變微膠囊整理液涂覆在SMS非織造布上，在80 ℃ 的環境中烘焙20 min，形成SMS調溫非織造布。

2.2.2.2 模型制備

用4個規格相同的房屋模型分別作為測試組(3組)和對照組(1組)。用經過微膠囊涂層整理的SMS非織造布作為壁紙包覆測試組房屋模型(微膠囊質量分數分別為10%、 20%、 30%)，用不含相變微膠囊的SMS非織造布作為壁紙包覆對照組房屋模型。包覆過程中預留數顯溫度計探頭的入口。

3 性能測試

將干燥的微膠囊分散在蒸餾水中，均勻涂覆在載玻片上，用光學顯微鏡(OM)觀察微膠囊表面；將制得的聚合物微膠囊樣品均勻地黏附于導電膠上，并在樣品表面噴金，用TM-1000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微膠囊的形貌特征；用軟件Nano Measurer 1.2對微膠囊的SEM圖片進行粒徑分析，測定微膠囊的粒徑及其分布；用DSC 200 F3型差示掃描量熱儀測試微膠囊的熱性能，DSC升溫測試的溫度區間為-20～150 ℃，升溫速度為10 ℃/min。

分別對用不同微膠囊質量分數的涂層液進行涂層整理的SMS非織造布進行性能測試。用YG141LA型數字式織物厚度儀測試非織造布的厚度變化，用YG461型織物中壓透氣量儀測試非織造布的透氣性能變化。

將對照組和測試組房屋模型放入實驗通風櫥中，再將數顯溫度計探頭放入房屋模型中，在室溫條件下平衡30 min，待數顯溫度計讀數穩定后開始測試。用加熱器對房屋模型進行加熱，測試房屋模型內部溫度隨時間的變化。加熱和降溫過程均為10 min。

4 結果與討論

4.1 微膠囊形貌及性能分析

4.1.1 微膠囊的形貌分析

研究表明, 微膠囊的壽命與壁材的致密性 (如滲透性和強度)有關[11]。為了保證微膠囊的穩定性和耐久性，要求壁材具有較好的致密性，而且耐熱性能和力學性能也要滿足使用環境的要求。單獨以三聚氰胺樹脂為壁材，由于其結構中存在大量三氮雜環致使壁材剛性很大，因此，在三聚氰胺樹脂壁材中添加具有線性結構的尿素可以提高壁材的韌性，從而增加微膠囊壁抵抗外力破壞的能力。本試驗制得的相變微膠囊的OM和SEM觀察圖如圖2和圖3所示。從圖中可以觀察到，微膠囊的外觀近似于球形，少部分存在凹陷現象，膠囊與膠囊之間有少量的黏連，大部分微膠囊結構完整，壁材對芯材的包覆效果良好，有極少一部分的微膠囊壁出現破損現象。微膠囊的粒徑分布統計直方圖如圖4所示。從圖中可以看出，粒徑為130.0～170.0 μm的微膠囊較多，平均值約為142.6 μm，粒徑分布范圍較窄，基本呈正態分布，小于100.0 μm的微膠囊所占比例較小，說明制得的微膠囊粒徑比較均勻。

圖2 光學顯微鏡下相變微膠囊的形貌

圖3 掃描電鏡下相變微膠囊的形貌

圖4 微膠囊的粒徑分布

4.1.2 微膠囊的熱性能分析

相變微膠囊的DSC測試結果如圖5所示，正十八烷和相變微膠囊的熱重分析(TG)測試結果如圖6所示。由圖5可知，正十八烷微膠囊的相變潛熱為245.7 J/g，在升溫過程中，微膠囊在30.1 ℃開始發生相變，相變最高點為36.8 ℃，在46.7 ℃相變結束，表明該相變微膠囊的相變溫度接近人體舒適溫度范圍，適用于蓄熱調溫織物的研制。由圖6可知，正十八烷經微膠囊化后，熱分解速率減小，經包覆后正十八烷完全分解溫度從225.3 ℃提高到274.5 ℃，熱穩定性得到提高，表明微膠囊化有利于提高PCM的穩定性和耐久性。

圖5 相變微膠囊的DSC曲線

圖6 正十八烷和相變微膠囊的TG曲線

4.2 非織造布性能分析

4.2.1 涂層非織造布的形貌

微膠囊在非織造布中的形態及分布如圖7所示。由圖可見：經涂層整理后，非織造布中的纖維形態完整，沒有發生腐蝕現象，纖維間的纏結、抱合情況良好；分散在非織造布中的微膠囊形態基本保持完整，有部分微膠囊發生破裂。而以聚氨酯為涂層整理后會使微膠囊出現黏結。

圖7 微膠囊在非織造布中的形態及分布

4.2.2 涂層非織造布的厚度

非織造布厚度的變化如圖8所示。由圖可知，隨著微膠囊質量分數的提高，涂層非織造布的厚度增加值呈上升趨勢。本課題所制備的微膠囊質量分數最高(30%)的SMS非織造布與不含微膠囊的對照組SMS非織造布的厚度增加平均值相差不到2.0 mm，若將微膠囊復合壁紙運用到建筑物墻體上，不會造成墻體的明顯增厚從而導致房屋實用面積的減小。

圖8 微膠囊質量分數對非織造布厚度的影響

4.2.3 涂層非織造布的透氣性

作為壁紙使用的蓄熱調溫非織造布除了要滿足蓄熱調溫的要求外，其透氣性能對壁紙的環保性也有著直接的影響。透氣性能好的壁紙使用壽命長，且有益于人體健康。由圖9可以看出：在涂層液中加入微膠囊后，非織造布的透氣性能下降明顯，從微膠囊加入前的331.50 L/(m2·s)下降到201.22 L/(m2·s)(10%)；隨著微膠囊質量分數的增加，非織造布的透氣性降幅減小。這是因為非織造布經相變微膠囊涂層液整理后，微膠囊顆粒和涂層液固著在非織造布表面，使得非織造布中的孔洞和縫隙減小，同時黏合劑在非織造布表面也會形成一層聚合物膜，從而造成非織造布的透氣性能下降。

圖9 微膠囊質量分數對非織造布透氣性的影響

4.3 房屋壁紙的蓄熱調溫性能分析

試驗過程如圖10所示。運用數據處理軟件，將在壁紙蓄熱調溫試驗中記錄的升溫和降溫數據進行繪圖處理，見圖11。從圖11中可以看出：試驗起始溫度為26.0 ℃，測試組(微膠囊質量分數分別為10%、20%、30%)與對照組(0%)溫度上升的初始速度基本相同；但當溫度上升到相變微膠囊的轉變溫度(約30 ℃)時，測試組房屋模型的升溫速度發生變化，這是由于芯材開始吸收、儲存熱量，由固態逐漸向液態轉變，所以測試組的升溫速度相對于對照組均有放慢的趨勢，而且隨著微膠囊質量分數的增加，放慢的趨勢明顯；停止加熱后，對照組房屋模型的溫度上升至43.1 ℃，測試組分別上升至38.0 ℃(10%)、35.7 ℃(20%)和33.9 ℃(30%)，相變微膠囊壁紙使房屋模型的最高溫度分別降低了5.1 ℃(10%)、7.4 ℃(20%)和9.2 ℃(30%)；在降溫過程中，對照組房屋模型溫度的下降速度大于測試組，這是由于相變微膠囊在溫度下降的過程中發生相變，釋放大量的熱量，減緩了溫度的下降速度；當環境溫度降至微膠囊相變轉變溫度范圍時，對照組和測試組房屋模型的降溫速度又趨于一致。試驗結果表明，相變微膠囊對外界的溫度波動具有減弱的作用，即這種非織造布壁紙具有蓄熱調溫的功能，對房屋起到了雙向控溫作用。

圖10 非織造布壁紙的調溫機理測試過程

圖11 調溫機理測試溫度-時間曲線

基于以下假設，可計算相變微膠囊壁紙的節能效率：①房屋模型規格、用材完全相同，忽略模型支架與壁紙間未完全密封而造成的溫度影響；②本試驗測試壁紙的蓄熱保溫效果時沒有設置絕熱層，簡化了可能造成熱量變化的試驗參數。

以26℃的對照組房屋模型為基準，按式(1)計算相變微膠囊壁紙的節能效率η：

(1)

式中：Qt——測試組房屋模型的熱量變化，kJ；

Qr——對照組房屋模型的熱量變化，kJ；

Qo——對照組房屋模型在室內溫度為26℃時的熱量變化，kJ。

由于房屋模型規格及材料相同，而熱量變化為溫度的函數，故可轉化為溫差的計算，則式(1)可寫為

(2)

式中：Tt——測試組房屋模型的溫度，℃；

Tr——對照組房屋模型的溫度，℃；

To——基準溫度26 ℃。

由式(2)及試驗數據計算可得出節能效率η分別為29.8%(10%)、 43.3%(20%)和53.8%(30%)。由此可知，相對于普通房屋壁紙，相變微膠囊壁紙具有較好的節能效果。

5 結論

(1) OM、 SEM結果表明，本試驗制備的微膠囊形態良好，可被較好地整理到非織造布表面，且不影響非織造布的結構和內部纖維形態。

(2) 微膠囊的DSC和TG測試結果表明，MUF提高了正十八烷的熱穩定性，且具有較高的相變潛熱，為研制蓄熱調溫壁紙及相關產品提供了良好的基礎。

(3) 非織造布厚度及透氣性能測試結果表明，隨著微膠囊質量分數的增加，非織造布的厚度增加，而透氣性能下降。透氣性能的下降在一定程度上限制了蓄熱調溫壁紙的應用范圍，因此，尋求滿足蓄熱調溫效果和透氣性能要求的最佳微膠囊質量分數對蓄熱調溫非織造布的發展具有重要意義。

(4) 房屋模型壁紙蓄熱調溫性能試驗結果表明，微膠囊通過涂層的方式賦予了非織造布優異的雙向控溫功能。隨著微膠囊質量分數的增加，壁紙的蓄熱調溫性能提高。試驗中對照組和測試組的溫度差最高可達9.2℃，節能效率可達53.8%，這一試驗結果對實際應用的研究具有良好的借鑒作用。

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中國國際產業用紡織品及非織造布展覽會將迎眾多參展商

由法蘭克福展覽(香港)有限公司、中國國際貿易促進委員會紡織行業分會及中國產業用紡織品行業協會(CNITA)共同舉辦的中國國際產業用紡織品及非織造布展覽會將于2016年10月12—14日在上海新國際博覽中心舉行，包括奧地利、比利時、中國大陸、法國、德國、中國香港、印度、印度尼西亞、意大利、韓國、荷蘭、新西蘭、新加坡、瑞士、英國及美國的多家公司確認參展，展品種類包括機械設備及配件、梭織及針織面料、非織造布、涂層織物、復合材料、表面及黏合技術、纖維及紗線等。

首次參展的美國Johns Manville公司將展出一系列非織造布，包括聚酯紡黏非織造布、玻璃纖維濕法氈和玻璃微纖維空氣過濾針織物。同樣，首次亮相的美國Coats公司將展出電線電纜/光纖、導電絲、阻燃防護服、汽車用產品(包括安全氣囊、安全帶、輪胎簾子線)，以及裝飾物、茶包線、女性衛生用品。參加過10年展會的澳地利ANDRITZ公司將再次參展，荷蘭Stahl旗下的中國分公司Stahl Coatings和Fine Chemicals (Suzhou)也將再次參展。

Application of microencapsulation technology to thermo-regulated nonwoven wallpaper

LiuMeijuan，LiuXing

School of Textiles， Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300380, China

Phase change material N-octadecane microcapsules, with melamine, urea and formaldehyde (MUF) as shell material, were manufactured by in-situ polymerization. Microcapsule coating solutions were prepared and coated on the SMS nonwoven fabric by dry coating process to get heat-storage and thermo-regulated functional material. The preblems in research and development taken into consideration, the effect of the coating process of microcapsules on the thickness, air permeability and temperature control of products were analyzed and discussed by SEM, temperature gauge and air permeability measuring instrument respectively. The result showed that dry coating process made microcapsules adhere uniformly to the surface, the thickness of wallpaper didn’t change obviously, and the wallpaper possessed better air permeability and thermo-regulated function.

nonwoven， phase change material， microcapsule， thermal regulation, wallpaper

2015-02-18

劉美娟，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為相變微膠囊在非織造布中的應用

TS176；TB34

A

1004-7093(2016)02-0008-06