國(guó)際相變智能調(diào)溫纖維發(fā)展趨勢(shì)

劉樹英

智能調(diào)溫纖維及其紡織品是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展、極富生命力的高科技產(chǎn)品。它不僅能夠提高服裝的舒適性，而且具有高附加值，能實(shí)現(xiàn)高效益。隨著高新技術(shù)不斷引入該領(lǐng)域，人們對(duì)服裝高檔化、功能性的要求提高。開發(fā)新型相變智能調(diào)溫纖維織物具有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。

相變智能調(diào)溫纖維的發(fā)展歷程

相變纖維是利用物質(zhì)相變過程中釋放或吸收潛熱、溫度保持不變的特性開發(fā)出來的一種蓄熱調(diào)溫功能纖維。

相變智能調(diào)溫纖維的研究于20世紀(jì)80年代起源于美國(guó)。最早由美國(guó)國(guó)家航空與航天局研究項(xiàng)目所開發(fā)的Outlast腈綸基智能調(diào)溫纖維，是采用包裹有相變材料石蠟烴的微膠囊加入到腈綸紡絲液中所得，當(dāng)時(shí)是美國(guó)太空總署為登月計(jì)劃而研發(fā)的，用于宇航員服裝和保護(hù)太空實(shí)驗(yàn)精密儀器等外套，于1988年開發(fā)成功，1994年首次用于商業(yè)用途。1997年美國(guó)太空總署成立了Gateway公司專門從事智能調(diào)溫纖維的開發(fā)研究，將Outlast腈綸基纖維注冊(cè)商標(biāo)為outlast，發(fā)展用于普通服裝，并從此在美國(guó)及歐洲市場(chǎng)上銷售。此后，德國(guó)Kelheim纖維公司與Outlast公司合作開發(fā)出Outlast粘膠型纖維，其實(shí)就是將相變材料微膠囊加入到粘膠纖維的紡絲液中得到的，其隔熱效果達(dá)到42.5%，并獲得專利。

目前以相變材料作為相變智能調(diào)溫纖維的開發(fā)與應(yīng)用，在國(guó)外比較成熟的主要有美國(guó)和瑞士，他們生產(chǎn)的調(diào)溫纖維主要是微膠囊紡絲工藝；歐洲和日本也有這方面的研究。德國(guó)最早研制成功硫酸鈉蓄熱微膠囊整理材料；之后，又開發(fā)了在中空纖維充入溶劑與惰性氣體的織物。日本的代表技術(shù)是大和化學(xué)工業(yè)研制的微膠囊漿料涂層。

纖維織物的調(diào)溫類型

（一）單向型調(diào)溫纖維

此類纖維具有單一的溫度調(diào)節(jié)功能，能使溫度升高或降低，一是日本東洋紡公司生產(chǎn)的發(fā)熱纖維EKS和Softwarm；二是具有降溫功能的亞麻纖維、玉石纖維等。由于只具有單向溫度調(diào)節(jié)作用，致使這些纖維存在明顯的缺點(diǎn)。所以當(dāng)環(huán)境溫度變化方向與其溫度調(diào)節(jié)方向相反時(shí)就不能很好地發(fā)揮作用，甚至造成不良后果。

（二）雙向型調(diào)溫纖維

對(duì)冷、熱環(huán)境能自主調(diào)整，具有雙向溫度調(diào)節(jié)和適應(yīng)性功能的相變材料（Phase change materials，簡(jiǎn)稱PCMs），通過生產(chǎn)加工將PCMs以某種工藝形式加入到纖維基質(zhì)中，當(dāng)?shù)竭_(dá)相變溫度時(shí)，它可主動(dòng)地通過不連續(xù)的升溫來防止服裝內(nèi)溫度波動(dòng)范圍過大，其相變過程的能量貯存于相變材料中以提高其熱容量；當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，它又會(huì)智能地釋放出其貯存的能量，并可以在溫度振蕩環(huán)境中反復(fù)循環(huán)使用，故稱為“相變智能調(diào)溫纖維（Smart thermostat fiber transformation，簡(jiǎn)稱STFT）”。

STFT的相變機(jī)制與調(diào)溫原理

STFT又叫空調(diào)纖維。STFT的相變機(jī)制是指某些物質(zhì)在一定條件下，其自身溫度基本不變而相態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其相變潛熱相對(duì)相變顯熱來說，要大得多。相變智能調(diào)溫纖維是利用物質(zhì)相變過程中釋放或吸收潛熱，保持溫度不變的新型纖維。其相變主要表現(xiàn)為液態(tài)與固態(tài)間的轉(zhuǎn)變，或固體中的晶-晶、晶-液及其分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)相的變化熱能保持溫度。

（一）STFT的相變機(jī)制

相變智能調(diào)溫纖維織物與傳統(tǒng)纖維織物的區(qū)別在于保溫機(jī)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，而相變纖維的保溫機(jī)理則對(duì)變形、水分和氣壓不敏感，也無過悶、厚重感覺，能為人體提供舒適的微氣候環(huán)境。其原因在于PCMs是提供熱調(diào)節(jié)，而不是熱隔絕。這種相變機(jī)制與調(diào)溫機(jī)理的實(shí)現(xiàn)，是在熱環(huán)境中，當(dāng)達(dá)到相變介質(zhì)的熔融溫度時(shí)，相變介質(zhì)晶體發(fā)生變化，其分子鏈克服分子間作用力，分子間距增大，晶體熔融，纖維吸熱；而纖維從熱的環(huán)境進(jìn)入冷環(huán)境時(shí)，當(dāng)溫度低于相變介質(zhì)的結(jié)晶點(diǎn)，相變介質(zhì)中分子鏈發(fā)生有規(guī)則排列，形成結(jié)晶，纖維放熱；相變儲(chǔ)能纖維就是這樣通過對(duì)熱量的吸收與釋放達(dá)到調(diào)溫的目的。

（二）STFT的調(diào)溫原理

STFT來自于纖維織物內(nèi)PCMs相變機(jī)制的吸熱和放熱過程是自動(dòng)的、可逆的、無限次的。其調(diào)溫原理的優(yōu)點(diǎn)有：氣溫控制以平衡溫度和適合于全天舒適的熱量要求；良好的抗溫性，提供涼爽效應(yīng)；吸收過剩的人體熱量，并在人體表面溫度降低時(shí)釋放出來，防止體表過冷。

所以，含有PCMs的纖維紡織品不論外界環(huán)境溫度升高還是降低時(shí)，它在人體與外界環(huán)境之間維持體溫的恒定性，從而為人體創(chuàng)造一個(gè)既不冷也不熱的“微氣候環(huán)境”。

（三）STFT調(diào)溫能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)

智能調(diào)溫纖維的溫度調(diào)節(jié)功能用“自適應(yīng)舒適定值”ACR（Adaptive Comfort Rating）值表示，用來衡量產(chǎn)品吸收、儲(chǔ)存以及在適當(dāng)時(shí)釋放能量的能力。產(chǎn)品ACR等級(jí)越高，就越舒適。傳統(tǒng)纖維的ACR值接近于零，同時(shí)它們很難儲(chǔ)存熱量。

PCMs材料的調(diào)溫選擇與種類性能

相變是指某些物質(zhì)在一定溫度下相態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。相變時(shí)所吸收或放出的能量稱為相變熱（也叫做相變潛熱），物質(zhì)溫度變化時(shí)的吸放熱量叫做顯熱，相對(duì)于顯熱來說，相變熱要大得多。所以相變材料選擇是制備智能調(diào)溫纖維及其紡織品的第一步。

（一）相變調(diào)溫材料的選擇

考慮纖維應(yīng)用及織物加工的特殊要求，能夠用于織物纖維的相變調(diào)溫材料并不多。首先，相變材料的結(jié)晶溫度（保溫溫度）要合適，適合所應(yīng)用的領(lǐng)域。以服用相變儲(chǔ)能纖維為例，目前所報(bào)道的相變儲(chǔ)能纖維多存在結(jié)晶溫度過高的缺點(diǎn)，并不能很好地應(yīng)用在服用纖維領(lǐng)域；其次，相變儲(chǔ)能纖維的可加工性，相變材料多為低聚體，相對(duì)分子質(zhì)量比較低，其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、與纖維基體復(fù)合后的可紡性等等都要考慮。

適用于紡織品的相變纖維材料的篩選原則：（1）高儲(chǔ)能密度。相變材料應(yīng)具較高的單位體積，單位質(zhì)量的相變潛熱要高和較大的比熱容。（2）相變溫度。熔點(diǎn)應(yīng)滿足紡織服裝的使用，要根據(jù)不同的氣候及用途，選擇與使用溫度相一致的相變溫度范圍。（3）安全可靠。相變材料的化學(xué)性能和物理性質(zhì)穩(wěn)定，無腐蝕、無害無毒、不可燃。（4）導(dǎo)熱性能。相變材料應(yīng)具有較大的適宜的熱傳導(dǎo)系數(shù)，靈敏性高，能較快地吸收和釋放熱量。（5）相變過程。相變過程應(yīng)完全可逆并只與溫度相關(guān)。（6）體積變化。相變時(shí)，體積變化小。（7）相變壓力。相變材料工作溫度下對(duì)應(yīng)的蒸汽壓力應(yīng)比較低。（8）相變穩(wěn)定性。反復(fù)相變后，儲(chǔ)熱性能衰減小。（9）相變密度。相變材料兩相的密度應(yīng)盡量大，這樣能降低容器成本。（10）相變過冷度。小過冷度和高晶體生長(zhǎng)率。（11）經(jīng)濟(jì)可行。

在實(shí)際研制過程中，要找到滿足這些理想條件的相變材料非常困難。因此人們往往先考慮有合適的相變溫度和較大的相變熱，而后再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。

（二）相變調(diào)溫材料的種類

迄今為止，已開發(fā)和應(yīng)用的單一型相變調(diào)溫材料（PCMs）有500多種，還有通過復(fù)合技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的具有獨(dú)特相變特性的復(fù)合類、定性類相變調(diào)溫材料。目前開發(fā)和應(yīng)用的相變調(diào)溫材料種類有：①按材料儲(chǔ)熱溫度不同分類：相變調(diào)溫材料按照相變溫度范圍可以分為高溫類、中溫類和低溫類三大相變材料。高溫相變材料主要是指一些熔融鹽和金屬合金材料；中溫相變材料主要是指一些結(jié)晶水合鹽、有機(jī)物和高分子材料；低溫相變材料主要是指冰、水凝膠等材料。②按材料相變形式不同分類：相變調(diào)溫材料可分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變材料四大類。其中固-固相變儲(chǔ)熱材料并不是發(fā)生了相態(tài)的變化，而是相變材料的晶型發(fā)生了變化，當(dāng)然在晶型變化的過程中也有熱量的吸收和放出。③按材料化學(xué)成分不同分類：無機(jī)相變材料（I-PCM）、有機(jī)相變材料（O-PCM）、復(fù)合相變材料（C-PCM）和定性相變材料（Q-PCM）。

下面以化學(xué)組成分類對(duì)相變材料進(jìn)行闡述：

A.無機(jī)類相變調(diào)溫材料：無機(jī)類相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等無機(jī)物。其中最典型的是結(jié)晶水合鹽類，它們有較大的融解熱和固定的熔點(diǎn)。其本質(zhì)是指脫出結(jié)晶水的溫度，脫出的結(jié)晶水可使鹽溶解而吸熱。降溫時(shí)其發(fā)生逆過程，吸收結(jié)晶水而放熱。其相變機(jī)制表達(dá)如下：AB·mH2O→AB+mH2O+Q、AB·mH2O→AB·pH2O+（m-p）H2O+Q，其中m和p為結(jié)晶水的個(gè)數(shù)，Q為融解熱。

這類物質(zhì)用得較多的是堿金屬和堿土金屬的鹵化鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽和碳酸鹽等鹽類的水合物，具有代表性的有：Na2SO4·10H2O、Mg（NO3）2·6H2O、MgCl2+6H2O、CaCl2·6H2O、CaBr2·6H2O、Zn（NO3）2·6H2O、NH4Al（SO4）2·12H2O、Na2S2O3·5H2O等等。

B.有機(jī)類相變調(diào)溫材料

這類相變材料常用的有：石蠟、羧酸、高級(jí)脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類和多羥基碳酸類等；另外高分子類有：聚烯烴類、聚多元醇類、聚烯醇類、聚烯酸類、聚酰胺類以及其他一些高分子。

C.復(fù)合類相變調(diào)溫材料

復(fù)合類相變調(diào)溫材料，主要指性質(zhì)相似的二元或多元化合物的一般混合體系或低共熔體系、形狀穩(wěn)定的固-液相變材料、無機(jī)與有機(jī)復(fù)合相變材料等。復(fù)合類相變材料一般有兩種形式：一種是兩種相變材料混合；另一種是定型相變材料。兩種相變材料混合雖制造簡(jiǎn)單，但具有一般相變材料的缺點(diǎn)，如需要封裝，容易發(fā)生泄漏，使用不安全等。

D.定性類相變調(diào)溫材料

這類相變調(diào)溫材料是由相變材料和高分子組成的混合調(diào)溫材料，相變材料一般為石蠟有機(jī)酸等，高分子材料一般為HDPE（高密度聚乙烯，具有較高的熔點(diǎn)，作為支撐物），后者作為支撐和密封材料將相變材料包容在其組成的一個(gè)個(gè)微空間中，因此在相變材料發(fā)生相變時(shí)，定性相變調(diào)溫材料能保持一定的形狀，且不會(huì)有相變材料發(fā)生泄漏。

與普通相變材料相比，定性類相變調(diào)溫不需封裝器具，減少了封裝成本和封裝難度，避免了材料泄漏的危險(xiǎn)，增加了材料使用的安全性，減少了容器的傳熱熱阻，有利于相變材料與傳熱流體間的換熱。

（三）用于織物纖維的相變調(diào)溫材料

由于本文主體闡述PCMs纖維織物主要解決人體穿著舒適的相變溫度和能量，故可應(yīng)用的相變材料（PCMs）十分有限。目前國(guó)際主要開發(fā)的PCMs按種類、組成和性能來分如下：

①無機(jī)類相變材料（I-PCM）

組成：如水合鹽Na2HPO4·12H2O，CaCl2·6H2O，Na2SO4·10H2O等。其性能：溫度35℃以下；能量120J/g～300J/g；循環(huán)性標(biāo)識(shí)+；響應(yīng)性標(biāo)識(shí)++；特點(diǎn)是價(jià)格便宜，蓄熱密度大，導(dǎo)熱系數(shù)大；問題是能量集中、過冷度大、易析出分離，蓄熱性能差。

②有機(jī)類相變材料（O-PCM）

A.組成：石蠟烴、有機(jī)脂CnH2n+2，CnH2nO2等。其性能：溫度18℃～40℃；能量200J/g～300J/g；循環(huán)性標(biāo)識(shí)+++；響應(yīng)性標(biāo)識(shí)++；特點(diǎn)是融解熱大，不過冷，不析出；問題是導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小。

B.組成：多元醇類：PG、NPG、PEG等。其性能：溫度24℃～40℃；能量100J/g～300J/g；循環(huán)性標(biāo)識(shí)++++；響應(yīng)性標(biāo)識(shí)++；特點(diǎn)是形變和過冷度小，熱效率高，壽命長(zhǎng)；問題是高溫為塑性晶體，易揮發(fā)損失。

③復(fù)合類相變材料（C-PCM）

組成：無機(jī)、有機(jī)復(fù)合，儲(chǔ)能復(fù)合材料（CESM）等。其性能：溫度-140℃～670℃；能量100J/g～500J/g；循環(huán)性標(biāo)識(shí)++++；響應(yīng)性標(biāo)識(shí)++++；特點(diǎn)是儲(chǔ)能密度大、傳熱迅速、穩(wěn)定、易加工。

（四）相變材料調(diào)溫穩(wěn)定性的檢測(cè)方法

調(diào)溫穩(wěn)定性是相變材料用于纖維紡織品首要前提，特別是復(fù)合相變材料（C-PCM）和定性相變材料（Q-PCM）的調(diào)溫穩(wěn)定性尤其重要，下面介紹一種相變調(diào)溫復(fù)合材料穩(wěn)定性的檢測(cè)方法，其程序包含如下：

①制取試樣：將標(biāo)準(zhǔn)重量的相變調(diào)溫復(fù)合材料均勻分散在標(biāo)準(zhǔn)濾紙中央的相變調(diào)溫復(fù)合材料測(cè)試區(qū)域內(nèi)，制得待檢測(cè)試樣；

②烘烤試樣：將待檢測(cè)試樣移到烘箱中，在40℃～50℃下恒溫烘烤5～12小時(shí)后，取出檢測(cè)試樣；

③觀測(cè)試樣：觀察濾紙上相變調(diào)溫復(fù)合材料測(cè)試區(qū)域外相變調(diào)溫工質(zhì)組分的滲出情況，并測(cè)量其滲出測(cè)試區(qū)域外所形成的滲出圈的最大直徑和最小直徑，再通過滲出圈的最大直徑和最小直徑計(jì)算出滲出圈的平均直徑；

④判定穩(wěn)定性：根據(jù)計(jì)算結(jié)果和設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，判定所檢測(cè)相變調(diào)溫復(fù)合材料的穩(wěn)定性。