發熱蓄熱保暖舒適性紡織品的制備與性能研究

張 倩,王 卓,劉 暢,王小虎,李其安,魏取福

(江南大學 紡織服裝學院,江蘇 無錫214122)

御寒保暖是衡量冬季服裝人體舒適性的重要指標,服裝的保暖方式一般分為被動式保暖和積極式保暖。被動式保暖服裝依靠靜止空氣層達到保暖效果,外形臃腫且活動不便,無法滿足現代人們對服裝美觀性和舒適性的要求。因此,通過引入外界的發熱元素,自主產生熱量保暖的積極式保暖材料成為當今開發熱點,可利用的方法主要有吸濕發熱機理、相變微膠囊以及太陽能、電能、化學能的轉化等[1]。

國內外在吸濕發熱機理和相變微膠囊兩方面的發熱蓄熱研究較多,在吸濕發熱面料方面,日本多家公司分別研發了“EKS”纖維、Thermogear纖維、Renaissu纖維等吸濕發熱纖維[2];朱藝超通過聚酯原料合成咖啡炭聚酯制備出吸濕發熱面料[3];周用民等研究出采用吸濕發熱新型原料,直接制備出吸濕發熱針織面料[4]。在相變微膠囊方面,日本有公司推出一種包覆溫度調節蛋白質粉末薄膜的溫度調節材料[5];天津工業大學功能纖維研究所研發了用于飛行服、運動服的耐高溫相變材料微膠囊[6]。但目前對于協同發揮兩者作用、更有效地發熱蓄熱的研究卻比較少,機理探究更少,本文通過將以十八烷為芯材、合成聚脲為殼材的相變微膠囊涂覆到改性腈綸吸濕發熱面料上制備了兩者的復合面料,并對其調溫性能和服用性能做了測試研究,得到了兩者協同作用所產生的效果。

1 試驗部分

1.1 主要材料與儀器

材料 改性腈綸面料(由深圳市威豐紡織有限公司提供的東洋紡腈綸紗線面料,商標名極衣,0.5 dtex超細型丙烯腈綸織制的1+1羅紋針織產品)、相變微膠囊、交聯劑(AF3200)、乳化劑(OP-10)、皂片。

儀器 AL204電子天平(瑞士梅特勒-托利多);101A-1B電熱鼓風干燥箱(上海安亭科學儀器有限公司);KH-300DB型數控超聲波清洗器(昆山禾創超聲儀器有限公司);DSC-Q200差示掃描量熱儀(沃特世科技上海有限公司);型號為Su1510的掃描電子顯微鏡SEM(日本日立公司);HWS-250恒溫恒濕培養箱;YG461E-Ⅱ型織物透氣儀;SW-24G耐洗色牢度試驗機;溫濕度測試儀;P-BO軋壓機。

1.2 微膠囊的制備

以復合石蠟、TDI、環己烷溶劑、OP-10試劑為原料制得W/O乳液,加入EDA水溶液后再加入氫氧化鈉調節p H值為9,在60～80℃恒溫水浴中攪拌反應2 h,經蒸餾水洗滌、抽濾、干燥,得到相變微膠囊[7]。

1.3 復合面料的制備

將吸濕發熱面料剪成4份35 cm×30 cm的試樣,分別以微膠囊∶交聯劑(AF3200)∶水=10∶0∶0、微膠囊∶交聯劑(AF3200)∶水=8∶2∶0、微膠囊∶交聯劑(AF3200)∶水=7∶2∶1、微膠囊∶交聯劑(AF3200)∶水=6∶2∶2四種配比,通過超聲波儀攪拌均勻,制得4種所需浸軋原液。在P-BO軋壓機上經三浸三軋工藝,將浸軋原液涂敷在吸濕發熱面料上,后放置于80℃烘箱預烘1 h,再將烘箱調制140℃烘燥2 min,獲得4種吸濕發熱面料和相變微膠囊結合的復合面料。

2 測試與表征

2.1 調溫性能

2.1.1 帶液率測試

利用天平和烘箱分別稱取整理前和整理后的織物干重,代入公式(1)進行計算。

2.1.2 差示掃描量熱法(DSC)測試

采用TAQ-200差示掃描量熱儀對復合調溫面料的熔化峰和結晶峰進行測試,分析其熔化焓值和結晶焓值,得出調溫熱學性能。溫度區間-10～60℃,升溫速率2℃/min。

2.1.3 表面形貌觀察

采用Su1510的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合調溫面料的表面形貌,因本樣品無導電性,需在掃描前進行噴金處理,降低表面放電效應,再通過導電膠粘附于樣品臺。

2.1.4 吸濕發熱性能測試

采用HWS-250恒溫恒濕培養箱和溫濕度測試儀測量復合調溫面料的吸濕發熱性能。剪取6 cm×10 cm的試樣2張,將織物正面疊合在一起,在正下方中間部分縫合一個8.5 cm×2 cm×8.5 cm的三面封閉口袋,供后續溫濕度測試儀的傳感器放入。

將試驗樣布烘干至2次測量質量差小于1%,再把烘干樣布放置在密封瓶內,置于恒溫恒濕箱平衡1～2 h,打開密封瓶將溫濕度測試儀放在樣布口袋內,每隔1 min記錄溫度、濕度數據,直至溫度不再變化。恒溫恒濕箱相對濕度為90%RH,溫度為30℃,溫濕度測試儀測量范圍為-25～85℃,間隔時間20 s。

2.1.5 升溫與降溫測試

采用溫濕度測試儀、水浴鍋和烘箱對復合調溫面料在20～50℃溫度區間內的升降溫速度變化進行測試。

將所制試樣放入20℃的恒溫水浴鍋中,插入溫度傳感器,待其溫度保持恒定后開始測試。設置烘箱穩定50℃的恒溫,當烘箱升溫至50℃后,將水浴鍋中的試樣快速轉移到烘箱中,每隔20 s記錄一個數據直至數據不再發生變化。高溫測試結束后,不拿出測試樣中的傳感器,直接將測試樣從50℃的烘箱中快速轉移到20℃的水浴鍋環境中,每隔20 s記錄一個數據直至數據不再發生變化。

2.2 服用性能

2.2.1 透氣性測試

采用YG461E-Ⅱ型織物透氣儀對復合調溫面料的透氣性進行測試,測試壓差為100 Pa,測試面積為20 cm2。

2.2.2 耐水洗測試

采用SW-24G耐洗色牢度試驗機,將烘干后的試樣與皂片重量比為10∶1投入水洗杯中,測試溫度為40℃,每次水洗時間為15 min,將所得數據代入公式(2)計算。

3 結果與討論

3.1 調溫性能分析

3.1.1 帶液率測試

4塊試驗樣布的帶液率見表1。

表1 試驗樣布的帶液率

由表1數據可知微膠囊所占比例越大,帶液率越高,粘附程度越高。

3.1.2 差示掃描量熱法(DSC)測試

圖1 樣布DSC曲線圖

調溫織物的DSC曲線圖(圖1)出現了明顯的熔化峰和結晶峰,據此可判斷試樣織物在-10～60℃區間內,能隨外界溫度變化主動與外界交換能量[8]。由圖1可知,相變調溫織物的熔化峰溫度在33.67℃左右,結晶峰溫度在24.35℃左右。通過織物試樣的對比可以看出,樣布1#的熔化焓值和結晶焓值高出其他3種織物試樣,分別為2.871 J/g和4.351 J/g,因此其調溫效應優于其他3種織物試樣。普通織物并無明顯的吸放熱峰,因而不作調溫效應比較。綜上,相變微膠囊整理劑濃度越高,相變調溫織物的調溫效果越高,但調溫效果提高的效果逐漸變緩。

3.1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)測試

經掃描電子顯微鏡放大5 000倍的織物試樣表面如圖2所示。

圖2 樣布SEM圖

圖2 (a)所示為100%濃度的微膠囊處理后的織物樣布1#,可以看出纖維表面較光滑,且微膠囊大部分存在于纖維縫隙中,而粘附于纖維表面的較少;圖2(b)為20%濃度的微膠囊和20%濃度的交聯劑處理后的織物樣布2#,其中有較多的微膠囊粘附于纖維表面;圖2(c)所示為70%濃度的微膠囊,20%濃度的交聯劑和10%濃度的水處理后的織物樣布3#,微膠囊的粘附程度略差于樣品2#;圖2(d)為60%濃度的微膠囊,20%濃度的交聯劑和20%濃度的水處理后的織物樣布4#,微膠囊的粘附程度最差。這些現象說明經過相變微膠囊與交聯劑共同作用整理后,微膠囊能夠更有效地附著在織物上使得織物具有調溫效果,且在微膠囊濃度相同的情況下,交聯劑的濃度越高,保溫性能越好。

3.1.4 吸濕發熱性能測試

圖3 時間與升高溫度關系

分析吸濕發熱試驗數據(圖3)可得結論:

(1)隨時間增加,樣布升高溫度越來越小,升溫速度也逐漸緩慢。

(2)加入交聯劑后,樣布溫度升高更為明顯,升溫時間和升溫速度也有所增加。

(3)相變微膠囊含量為80%時,樣布溫度升高最為顯著,樣布溫度升高時間最長,隨外界溫度變化作用效果最好,一定程度上實現了溫度可調節。

(4)原布隨溫度上升,濕度不斷降低;加入相變微膠囊后,隨溫度不斷升高,樣布濕度先降低再升高,直到與外界濕度值一致,溫度濕度基本停止變化。

3.1.5 升溫、降溫測試

圖4 升溫變化曲線

由圖4可得,微膠囊濃度較大時,織物溫度上升的速率較慢,達到溫度最高值用時較長,峰值較低,且均比原布最終溫度低;由圖5可得,微膠囊濃度較大時,織物溫度下降的速率較慢,到達最低值的時間也較長,且均比原布所用時間長。

3.3 服用性能分析

3.3.1 透氣性測試

圖5 降溫變化曲線

表2 試驗樣布的透氣性

分析試驗數據(表2)可知隨著樣布中微膠囊比例的減小,透氣性逐漸增加,但當比例減小到一定程度,涂覆溶劑濃度過小時透氣性會減小。

3.3.2 耐水洗測試

表3 試驗樣布的耐水洗性

通過表3試驗數據分析可得,每塊復合調溫面料的耐水洗率均在95%以上,符合服用要求。

4 結語

吸濕發熱面料和相變調溫微膠囊皆為調溫織物,推測其機理為:吸濕發熱面料通過吸收不斷運動的水分子發出熱量,若溫度過高,多余的量被微膠囊吸收使溫度保持在一個恒定的范圍內,溫度不足,微膠囊可放出熱量維持溫度穩定。

通過試驗可知,隨著在吸濕發熱面料上涂覆微膠囊濃度的增高,粘附程度越高,相變調溫織物的調溫效果越高,保溫性能越好,但面料的透氣性會受到一定影響。但本試驗也存在一些不足之處,如在吸濕發熱性能測試中樣布剪裁縫合時由于技術水平有限,縫合尺寸存在較大誤差,不利于溫濕度傳感器進行測試;樣布干燥后直接拿出,在放入密封瓶之前與室內空氣接觸,造成樣布重新回潮;恒溫恒濕箱由于多次打開操作(需要將溫濕度傳感器放入樣布縫合口內),其溫濕度變化較大,短時間內平衡狀態被打破。