Outlast空調纖維性能及紡織技術研究

陳尚山

（江蘇雙山集團股份有限公司，江蘇 射陽 224300）

20世紀80年代，為了更好地保護宇航員和航天器內的高精度機械設備，使其免受外層空間溫度變化的影響，美國國家航空航天局逐漸采用相變材料進行控制。在保暖性紡織產品中，Outlast空調纖維于1988年研發設計成功，1994年在商業活動中首次應用，1997年在戶外運動服中應用，現在服裝及床上用品中得到廣泛應用。用Outlast空調纖維制作的服裝特別適用于戶外活動以及對溫度變化較為敏感的老人和嬰幼兒。

Outlast空調纖維屬于智能溫控纖維，是一種用微膠囊技術在纖維內部嵌入熱敏電阻相變材料的新型纖維，可以自行對熱量進行消化、吸收、儲存和散發，避免強溫變化傷害人體，營造宜人的 “小氣候自然環境” 。當外部環境溫度升高時，纖維中的相變物質由固態變為液態，消化吸收熱能并儲存在纖維內部；當外部環境溫度降低時，由液態變為固態的相變材料釋放儲存的熱量，保持皮膚溫度。

1 Outlast空調纖維的生產方法和功效產生的基本原理

相變材料（PCM）是一種運用相變潛能熱來存儲和開釋熱量的化學材料。從種類上看，相變儲能技術材料較多，根據原料的化學成分可分為3類，即有機相變材料、無機相變材料、復合相變材料。根據相變材料改變相態之法，可分為4種形式，即固-氣、固-液、液-氣、固-固。其中，固-固這一形式轉變的是晶體結構，熱值的轉換發生在晶體結構的轉變過程中[1]。現階段，對固-液相變材料的科學研究較多，發展較為穩定。按相變溫度可分為高、中、低溫三大類，高溫相變材料主要有熔鹽、金屬材料、合金；中溫相變材料主要是水和鹽類、有機化合物和纖維材料；低溫相變材料主要是冰和膠凝劑。根據具體要求，Outlast空調纖維在相變材料方面有3個關鍵應用：寒冷天氣的相變溫度為18.3~30.6 ℃；溫暖天氣的相變溫度為27.8~38.9 ℃；炎熱天氣或進行大量健身運動時，相變溫度在33.3~44.4 ℃。

微膠囊技術在化肥、食品、紡織制品、護膚品和生物制藥等行業具有廣闊的應用前景，是21世紀重點科研、開發和設計的高新技術。紡織工業中使用的相變微膠囊是用纖維材料、天然石材或半復合材料覆蓋在特殊溫度范圍內的相變材料上，覆蓋的材料被稱為膠囊壁，制成正常狀態下相對穩定、直徑為2~200 mm的固體顆粒。規定相變材料的性質不會受到膠囊壁的影響，也不會和膠囊壁發生反應。膠囊壁應選擇能在外界溫度大幅度變化和強大外力作用下長時間保持有效性的原料，以防止相變材料從微膠囊中外滲。隨后，在紡絲液中加入一定量的相變微膠囊，根據噴絲頭擠出纖維。微膠囊立即置于纖維內部，內部的相變物質可以順利存在纖維中。

Outlast空調纖維的關鍵技術在于微膠囊封裝的熱敏相變材料的應用。在溫度變化過程中，固體和液體可以相互轉化，達到吸熱和放熱反應的實際效果。當自然環境溫度或人體皮膚溫度接近微膠囊相變材料的熔點時，固態的相變材料就會消化吸收熱量、變成液態，達到實際降溫效果。在嚴寒環境中，相變材料由液態變為固態，釋放熱量，達到實際加熱效果。這種熱轉化可以減小皮膚溫度的變化，緩沖作用十分明顯，提高穿著者的舒適度，達到像空調一樣控制溫度的實際效果。

2 Outlast空調纖維的溫控特性

使用Diamond差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimetry，DSC）對Outlast空調纖維和一般紡織品進行熱分析，考察兩者在-10~60 ℃升溫區間和60~-10 ℃降溫區間是否有吸熱反應和放熱反應段，設定升降速率為5 ℃/min。DSC是一種熱統計分析方法，可準確測量在系統控制溫度下被測產品和參比產品的輸出功率差異與溫度之間的相關性。DSC具有較高的鑒別力和靈敏度，可以定量分析和測量各種主要熱參數（熱量、直射比熱、恒壓比熱等），被廣泛應用于材料應用研究。Outlast空調纖維和普通纖維的熱分析結果分別如圖1和圖2所示。

圖1 Outlast空調纖維差示掃描量熱分析

圖2 普通紡織纖維差示掃描量熱分析

3 Outlast空調纖維紡織問題

Outlast空調纖維可以純紡，也可以與多種纖維（如棉、毛、絲、麻等混紡面料）交織，機織和針織都行，紡織難度較大。

3.1 靜電感應問題比較嚴重

Outlast空調纖維是光亮纖維，產生大靜電感應，雖然表面光滑，但纖維間的結合力較小。另外，纖維的原廠家沒有使用抗靜電劑，增大了紡織空調纖維的難度系數。在生產加工過程中，常出現梳棉困難、爛孔、爛邊、浮網、浮紗、并條、粗細紗纏繞羅拉等問題。

3.2 PCMS微膠囊易開裂

10% PCMS微膠囊包含在Outlast空調纖維中，纖維基于微膠囊中的熱敏電阻材料發生吸熱、放熱反應，完成溫度調節。在梳理、分紗、紡紗等空調纖維的生產過程中，部分微膠囊容易被擠壓、破裂。如果微膠囊出現較多的分裂，纖維的空調效果就會消失。破裂微膠囊溢出的熱敏材料在基本工作環境中呈液態、黏稠狀，容易導致纖維纏繞輥、纏繞羅拉、使線圈堵塞等問題；微膠囊內的蠟在纖維上粘附，易產生著色困難。

3.3 紡織品規格和型號設計的局限

Outlast空調纖維的相對密度、蓬松度和延展性較低，凈重和體積都較大，成紗難度系數大，紡織號數限制較大，特別是在高支紗紡織時。強度低，配比小，成品紗的斷裂伸長率遠小于純棉紗，紡織難度較大。另外，纖維體量大，無法設計高密針織紡織品。

4 Outlast空調纖維紡織技術措施

將Outlast空調纖維與精梳棉混紡面料按65∶35的比例產出單紗18.4 tex和29.4 tex，將Outlast纖維混紡精梳棉、氨綸纖維按61∶32的比例產出彈力紗29.4 tex。生產的紡織品種類有彈力平布180 cm 18.4/29.4（40 D）342/220和彈力直貢180 cm 29.4/29.4（40 D）382/236。

4.1 原料準備

為了更好地避免靜電感應問題造成的負面影響，織造工廠在生產前應適當打開Outlast空調纖維包，縮小纖維塊或纖維束尺寸，然后將空調纖維混合于較少的長絨棉鋪層中，同時噴灑0.20%~0.40%抗靜電脫脂劑，放置24 h備用。添加抗靜電脫脂劑的作用是抑制織造過程中的靜電感應，提高空調纖維的可紡性。

4.2 避免微膠囊開裂

為了更好地防止微膠囊開裂，在清棉過程中選擇了步驟少、多梳理少打漿、慢速、多抓勤抓、多混合的加工工藝標準；梳棉選擇輕量化分析、慢速、小張力、中隔距、輕壓力的加工技術標準；并條工藝流程保證分紗條件一切正常，前、中、后羅拉膠輥壓力和羅拉壓力降到最低，粗細紗上羅拉裝上更輕的齒輪。在紡織生產過程中，為了保證棉紗安全通過的平整度和光滑度，將不合格的綜絲和停經片全部清除更換，用潤滑液潤滑綜絲和停經片，保濕，防止損壞Outlast空調纖維表面的微膠囊組織[2]。

4.3 優化紡織品規格模型

對于相對密度低、強力小、紗線斷裂伸長率低、紡織難度系數大的Outlast空調纖維，各工序半成品加工定量應過輕設計，掌握定長為過小，粗細紗卷繞線距和經向的相對密度按小控制。另外，紡織面料的經緯密度不宜大。有的織造廠將342/220設計為彈力平布的經緯密度、彈力直布的經緯密度設計為382/236。

5 成紗質量

Outlast空調纖維微膠囊有獨特的結構，生產難度較大。在多次試驗中，制造出多種類型的Outlast空調纖維紡織品。以Outlast空調纖維混紡棉紗為例，細紗成紗質量如表1所示。

表1 細紗成紗質量

采用上述棉紗紡織彈力直貢，紡機效率為89.00%，以0.8根/臺時紗臺斷頭時，一等品入庫率超過94.00%。