國(guó)際相變智能調(diào)溫纖維發(fā)展趨勢(shì)（三）

劉樹英譯

STFT紡織品調(diào)溫性能測(cè)試與指標(biāo)

STFT紡織品是將PCMs或MEPCM與纖維和紡織品制造技術(shù)相結(jié)合的一種高技術(shù)產(chǎn)品，具有自動(dòng)吸收、存儲(chǔ)、分配和放出熱量的功能，在外部環(huán)境溫度劇烈變化時(shí)，營(yíng)造舒適的衣內(nèi)微氣候。但是PCMs或MEPCM有一定狹窄明確的溫度（相變點(diǎn)溫度）范圍，特別是在相變過(guò)程中，它以潛熱形式從周圍環(huán)境吸收或向環(huán)境釋放大量熱量，而其調(diào)溫性能的測(cè)定是STFT紡織業(yè)與服裝業(yè)必須把握的主要應(yīng)用技術(shù)之一。

（一）STFT紡織品的測(cè)試方法

關(guān)于相變智能調(diào)溫織物和服裝的溫度調(diào)節(jié)性能，至今還沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前國(guó)際紡織業(yè)與服裝業(yè)主要采用熱分析法、溫度調(diào)節(jié)因素測(cè)試法、微氣候儀測(cè)試法、步冷曲線法和暖體假人法測(cè)試。

（1）熱分析法

熱分析是在程序控溫條件下，測(cè)量物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系的一種技術(shù)。程序控溫可采用線性、對(duì)數(shù)或倒數(shù)程序。熱分析法依照所測(cè)樣品物理性質(zhì)的不同有以下幾種：差示掃描量熱法，熱重分析法，差熱分析法，熱膨脹分析及熱-力分析法等。在STFT紡織品熱性能研究中前三種技術(shù)應(yīng)用較多。

（2）TRF測(cè)試法

TRF測(cè)試法（溫度調(diào)節(jié)因素法）是Outlast纖維紗線、織物性能的非生理檢測(cè)方法。這項(xiàng)新技術(shù)測(cè)量影響溫度調(diào)節(jié)的各種因素，適用于在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)生活狀況的生理測(cè)試。該系統(tǒng)使用連續(xù)的環(huán)境溫度和能量，維持一種模擬皮膚的溫度。測(cè)量皮膚溫度隨外界能量變化的波動(dòng)狀況，這種能量正是織物和纖維調(diào)節(jié)溫度的決定因素。該程序的數(shù)字范圍是0～1代表織物有能代力適應(yīng)連續(xù)的溫度變化，1意味著調(diào)節(jié)溫度的能力很差。若該技術(shù)能夠區(qū)分有無(wú)熱能力的相似織物間的差別，將有助于織物的設(shè)計(jì)。

（3）MCI測(cè)試法

在MCI（微氣候儀）測(cè)試法中，通常織物以MCI模擬外界環(huán)境中檢測(cè)模擬皮膚與試樣間的微氣候變化及熱濕傳遞狀況，即檢測(cè)人體熱量和汗氣通過(guò)織物內(nèi)空氣層、織物及織物外空氣層與環(huán)境進(jìn)行能量交換的全過(guò)程，并用溫度和濕度梯度法測(cè)試出織物能量交換和質(zhì)量交換的狀態(tài)變化，以反映織物對(duì)能量流和質(zhì)量流的阻力。

應(yīng)用致力于解決熱濕傳遞多功能測(cè)試的MCI有：原田織物微氣候儀、Yasuda多功能織物微氣候儀、Wehner-Gibson織物微氣候儀等；利用傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)使這種測(cè)試目標(biāo)成為可能，并能簡(jiǎn)化操作程序，實(shí)現(xiàn)由穩(wěn)態(tài)測(cè)試向動(dòng)態(tài)測(cè)試的發(fā)展。

（4）SCC測(cè)試法

SCC（步冷曲線）測(cè)試法是分別將含和不含相變材料的試樣放入圓筒保溫儀中，同時(shí)升溫到一定溫度（如46℃），并穩(wěn)定一定時(shí)間（如15min）后同時(shí)移出，開動(dòng)秒表，在一定時(shí)間間隔（如10s）下記錄試樣在不同時(shí)間所對(duì)應(yīng)的溫度。以時(shí)間為橫坐標(biāo)、溫度為縱坐標(biāo)，繪制步冷曲線。從測(cè)試中可看到，在溫度下降到相變點(diǎn)之前，兩個(gè)試樣均為顯熱放熱，溫度下降趨勢(shì)大體相同。但溫度下降到相變點(diǎn)之后，相變材料變?yōu)闈摕岱艧幔瑴囟茸兓呌诰徍停瑴囟认陆档乃俣让黠@低于空白試樣。比較二者的步冷曲線可以看出，含相變材料試樣有調(diào)節(jié)溫度和延緩溫度變化的作用。

（5）WBD測(cè)試法

WBD（暖體假人）測(cè)試法是以暖體假人模擬真人群體的幾何造型，符合真人群體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值；全身分為頭、軀干、四肢等解剖段至少6段；皮膚溫度被加熱到一個(gè)恒定溫度，其溫度應(yīng)與人體平均皮膚溫度基本相近且皮膚表面安裝溫度傳感器；能維持靜止站立和動(dòng)態(tài)步行兩種姿勢(shì)，步速為每分鐘30～60步。在WBD測(cè)試法中，氣候調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)至少放置3個(gè)環(huán)境溫度傳感器、2個(gè)環(huán)境濕度傳感器、2個(gè)環(huán)境風(fēng)速傳感器，分別放置在距假人周圍0.5m的非等高間隔位置處；溫度傳感器精度優(yōu)于0.2℃；濕度傳感器精度優(yōu)于5%；風(fēng)速傳感器的精度優(yōu)于0.05m/s。

暖體假人試驗(yàn)可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)設(shè)定步速和步長(zhǎng)。暖體假人達(dá)到動(dòng)態(tài)熱平衡后，至少每分鐘檢測(cè)一次皮膚溫度、環(huán)境溫度和調(diào)控加熱功率，這種狀態(tài)必須保持30min以上。暖體假人符合人體解剖生理特點(diǎn)，能模擬人體表面溫度分布，可進(jìn)行與人體有關(guān)的熱學(xué)研究，也是進(jìn)行服裝隔熱值試驗(yàn)研究的理想測(cè)試設(shè)備，它可以接受任何試驗(yàn)條件，由于沒(méi)有生理、心理因素的影響，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，誤差較小，測(cè)量精確合理。

（二）STFT紡織品的測(cè)試指標(biāo)

STFT紡織品發(fā)展迅速，其測(cè)試指標(biāo)也在不斷更新和改進(jìn)，但是目前有許多測(cè)試指標(biāo)存在不夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確且難以操作等情況，這對(duì)于STFT紡織品的推廣是不利的。因此，STFT紡織品測(cè)試指標(biāo)的完善與提高迫在眉睫。下面介紹了相變溫度與相變焓、導(dǎo)熱系數(shù)、相變的循環(huán)性與保暖性、暖體假人熱阻與ACR值等STFT紡織品的測(cè)試指標(biāo)：

（1）相變溫度與相變焓

由STFT纖維及其紡織品的功能可知，相變發(fā)生點(diǎn)和終止點(diǎn)溫度以及整個(gè)相變過(guò)程的總焓是相變纖維的最主要性質(zhì)，起、止點(diǎn)溫度反映材料的可使用性，相變焓反映其溫度調(diào)節(jié)能力。STFT紡織品應(yīng)用PCMs或MEPCM的關(guān)鍵是有合適可控的相變激發(fā)點(diǎn)，能保證應(yīng)用時(shí)舒適與有效；較大的相變能有效持久地調(diào)控溫度。

（2）相變纖維的導(dǎo)熱系數(shù)

按照導(dǎo)熱系數(shù)的傅立葉定律，服裝在人體與環(huán)境之間的導(dǎo)熱量與服裝內(nèi)外表面的溫度差、時(shí)間及傳熱面積成正比，與服裝的厚度成反比。因此，導(dǎo)熱系數(shù)可理解為單位面積、單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的熱量。而熱阻R=L/λ，其含義正好與導(dǎo)熱系數(shù)相反。織物的熱阻大或?qū)嵯禂?shù)小，則織物的隔熱性能好。因STFT纖維或織物需要靈敏地感應(yīng)溫度而激發(fā)相變，提供或吸收熱能，同時(shí)又要低熱阻的傳導(dǎo)熱量，所以它的熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)偏小。

（3）相變的循環(huán)性

相變的循環(huán)性表示PCMs或MEPCM的反復(fù)可使用性和有效性，Gateway公司首席工程師維戈?duì)枌?duì)織物表面涂層低分子量PEG（聚乙二醇）經(jīng)過(guò)150次冷熱交換循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，織物的蓄放熱性能仍很好。此性能不僅是材料溫度波動(dòng)響應(yīng)能力的體現(xiàn)，也是材料反復(fù)有效使用的關(guān)鍵。在可控溫度調(diào)節(jié)室內(nèi)進(jìn)行STFT服裝的循環(huán)性測(cè)試，可用反復(fù)升降溫方法對(duì)熱焓變化的測(cè)定來(lái)確定循環(huán)性好壞。

（4）相變的保暖性

將PCMs或MEPCM纖維織物的試樣覆蓋在平板式織物保暖儀的試驗(yàn)板上，試驗(yàn)板、底板以及周圍的保護(hù)板都用電熱控制相同的溫度，并通過(guò)通、斷電保持恒溫，使試驗(yàn)板的熱量只能隨試樣的方向散發(fā)。通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)板在一定時(shí)間保持恒溫所需要的加熱時(shí)間來(lái)計(jì)算STFT織物的保暖指標(biāo)（保暖率、傳熱系數(shù)和克羅值）。

STFT紡織品的應(yīng)用

STFT紡織品是智能服裝中開發(fā)最為成功的高技術(shù)紡織品，用MEPCM制成的纖維能純紡，也可以梭織或針織，還可與棉、毛、絲、麻等各類纖維混紡交織為STFT紡織品。它有廣泛的消費(fèi)群體，而且其研究及開發(fā)成本都較低。

MEPCM具有良好的貯熱性能和溫控性能，可廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域很多，亦可以與各種高分子材料混合構(gòu)成性能更加優(yōu)越的復(fù)合高分子STFT紡織品，拓寬了傳統(tǒng)相變紡織材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

近兩三年在美國(guó)和歐洲市場(chǎng)上出現(xiàn)采用Outlast纖維、MEPCM纖維、PCMs生物纖維等制成的STFT紡織品，都是利用PCMs或MEPCM技術(shù)開發(fā)的新一代纖維紡織品。這些纖維紡織品為人體提供了智能化舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)，可大量應(yīng)用于戶外服裝、內(nèi)衣褲、毛衣、襯衣、帽子、手套和床上用品等方面，其服飾在美國(guó)、歐洲、日本已很流行。特別是戶外運(yùn)動(dòng)者和對(duì)溫度變化較為敏感的老年和嬰幼兒中，更受歡迎。用PCMs或MEPCM纖維可開發(fā)以下STFT紡織產(chǎn)品。

（1）用于內(nèi)衣服裝，即STFT型內(nèi)衣、貼身短內(nèi)褲、運(yùn)動(dòng)胸衣、襯衫等。智能調(diào)溫技術(shù)可以自動(dòng)控制身體的熱量。采用STFT紡織品制成的內(nèi)衣，不僅能令穿著者在嚴(yán)冬也溫暖如春，還能減少運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)多熱量，而褲子則使穿著者即使在酷暑也感到絲絲涼意。

英國(guó)Essentra纖維公司采用STFT紡織品新技術(shù)研制出了一種具有“松球原理”智能仿生調(diào)溫的貼身內(nèi)衣與短內(nèi)褲，它能自動(dòng)適應(yīng)體溫變化，具有散熱、保暖和除濕功能。

巴西Rhodia公司推出一種新的以聚酰胺-6.6 為原料的Gao Shushi纖維，這種纖維嵌入一種正二十烷改性復(fù)合相變材料的MEPCM，用這種纖維生產(chǎn)的內(nèi)衣，其體溫調(diào)節(jié)功能提高41%，乳酸積累降低35%。因此這種服裝可以改善血液微循環(huán)，減少脂肪團(tuán)，皮膚彈性增高8%，大大提高穿著舒適度。

（2）用于外套服裝，即STFT型套裝、雨衣、透氣襯里、帶恒溫層或不帶恒溫層的外套。STFT紡織品的智能調(diào)溫技術(shù)是一種平衡技術(shù)。用STFT紡織品制作的外套服裝，能通過(guò)調(diào)節(jié)外套內(nèi)的溫度變化自動(dòng)控制身體熱量。既不會(huì)太熱，也不會(huì)太冷，舒適自在。

最近在德國(guó)法蘭克福Avantex高科技服裝面料和時(shí)裝工程的國(guó)際論壇上，Acortex公司展示了一種新型相變智能調(diào)溫纖維即Permanent纖維。該纖維具有調(diào)溫和貯熱保溫功能，可使人體皮膚處在外界溫度和體溫之間的舒適溫度范圍之內(nèi)。目前，Permanent纖維已廣泛用于外套服裝、運(yùn)動(dòng)服、軍事或工業(yè)用防護(hù)服、防寒用品等。

不久前美國(guó)Cyanamid公司運(yùn)用MEPCM技術(shù)研制出一種智能調(diào)溫的化纖軍服。這種軍服對(duì)周圍的溫度特別敏感，會(huì)隨溫度的變化而變化，從而提高了軍服的保暖能力。最近美國(guó)Outlast公司新開發(fā)出的Thermal air conditioning纖維，是使用微膠囊包裹的熱敏碳化氫臘變性材料，這種材料具有潛熱形式的吸收儲(chǔ)存和釋放的功能，能對(duì)外界環(huán)境溫度的變化在皮膚上做出相應(yīng)的反應(yīng)，并對(duì)溫度變化有緩沖作用。其在溫度變化中可以固態(tài)/液態(tài)互相轉(zhuǎn)化，從中達(dá)到吸熱、放熱的調(diào)節(jié)效果，其自動(dòng)調(diào)溫范圍為1℃～20℃。因而該纖維用于運(yùn)動(dòng)服裝除有調(diào)節(jié)溫度功能外，還能保持紡織產(chǎn)品的舒適、透氣性。

（3）用于床上用品，即STFT型床墊、床墊褥、棉被、枕頭和毛毯。STFT床上用品采用的吸吸濕與調(diào)溫型PCMs，可儲(chǔ)存和釋放能量，將床上的溫度和濕度保持在最理想的范圍內(nèi)，讓使用者安然入眠。使用者再也不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱或者夜晚出汗而踢開被子，使使用者能輕松進(jìn)入甜美夢(mèng)鄉(xiāng)。

日本東麗公司采用多元化合物復(fù)合類PCMs技術(shù)推出的Energy induction智能調(diào)溫纖維，用其織成的紡織品具有優(yōu)越的吸濕與調(diào)溫功能，稱之為“能量感應(yīng)”紡織品。Energy induction可以吸收人體排出的水汽，并將之轉(zhuǎn)化為熱能；而且比傳統(tǒng)衣物保暖2℃～5℃，而衣物內(nèi)的濕度相對(duì)下降。Energy induction纖維目前主要用于睡衣和床上用品，如被、褥等。

（4）用于保護(hù)類織物。在頭盔、護(hù)膝等保護(hù)性織物織造中采用STFT紡織品，可適當(dāng)控制這些部位的汗液產(chǎn)生與排放。

美國(guó)Triangle公司引進(jìn)美國(guó)太空署所開發(fā)的復(fù)合定性MEPCM纖維技術(shù)，將HDPE類MEPCM添加到紡絲液中，再紡成纖維用于保護(hù)類織物，生產(chǎn)出可定性調(diào)控溫度的手套、軍鞋、頭盔、護(hù)膝等特殊產(chǎn)品。

（5）用于鞋類產(chǎn)品。腳是身體流汗最多的地方。由于過(guò)熱而導(dǎo)致的汗水積存會(huì)使雙腳起泡，有異味，還會(huì)發(fā)冷。利用具有智能調(diào)溫功能的PCMs或MEPCM纖維生產(chǎn)STFT型鞋子、靴子和鞋墊等產(chǎn)品，能減少44%的流汗量，令穿著者的雙腳倍感舒適。

德國(guó)特雷維拉公司采用復(fù)合樹脂包裹不同碳原子數(shù)的石蠟烴MEPCM新工藝，并通過(guò)干法涂層的方式將MEPCM整理到皮革表面，推出系列“Foot comfort”STFT皮革。這種STFT皮革具有以下優(yōu)點(diǎn)：穿著STFT皮革制成的鞋子或靴類，隨著皮革纖維吸濕和干燥時(shí)的溫度變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)冷暖，可消除腳部出汗時(shí)的悶熱而保持舒適，而且多次水洗后仍能保持原有性能。

（6）用于服裝配飾。手套、襪子和帽子。人的頭部、雙手和雙腳對(duì)寒冷非常敏感。智能調(diào)溫的STFT襯里和織物能令穿戴者倍感舒適，而且不易伸縮。

（7）用于醫(yī)療衛(wèi)生用品。將智能調(diào)溫的PCMs或MEPCM纖維通過(guò)混紡或交織加入到手術(shù)服、醫(yī)用床品及醫(yī)療服中，可得到良性護(hù)理的輔助治療效果。

最近日本東洋紡公司推出一種Cold and hot respiration纖維產(chǎn)品，它采用聚丙烯腈類MEPCM嵌入中空纖維。其中MEPCM囊壁材料所應(yīng)用的丙烯酸具有很強(qiáng)的吸水能力，因小分子水的內(nèi)摩擦從而產(chǎn)熱，其產(chǎn)品內(nèi)部的溫度較普通產(chǎn)品高5℃～9℃，用于手術(shù)服、醫(yī)用床品具有良性護(hù)理效果。

（8）用于汽車內(nèi)裝置。對(duì)汽車內(nèi)部諸如地板、車頂、車座應(yīng)用PCMs或MEPCM纖維，通過(guò)其吸熱或放熱可保持車內(nèi)溫度恒定，具有明顯的智能調(diào)溫效果。

美國(guó)陶氏化學(xué)公司最近研制推出一種智能調(diào)溫型車座外套，這種車座外套采用STFT織物制成；當(dāng)車內(nèi)溫度超過(guò)21℃時(shí)，它將吸收余熱，低于21℃時(shí)又會(huì)將熱量釋放出來(lái)。其外層美觀大方，上面有無(wú)數(shù)的孔，并印有裝飾圖案，品種多樣任意搭配。

日本帝人有限公司把石墨烯嵌入到MEPCM纖維結(jié)構(gòu)，通過(guò)捻線織成的汽車裝飾布可支持2.5V ～4.0V 安全電壓，并可根據(jù)情況通過(guò)APP 控制升溫速度及溫度。這種汽車裝飾布除了發(fā)熱速度快之外，其在發(fā)熱均勻度、發(fā)熱效率方面比碳纖維和電阻絲要優(yōu)秀一些。而作為石墨烯紡織物的柔軟、不怕折疊、可水洗的特性就更勝一籌，也提升了安全性及舒適度。