紡織用發熱材料的性能評價及其應用

白 潔

(中國紡織工程學會,北京 100000)

隨著科學技術的進步和物質生活水平的提高,人們對保暖服裝的要求不只局限于保暖,還希望服裝盡可能輕薄。人們日常所穿著的傳統保暖服裝,如羽絨服、棉服、皮草等,大多利用高密織物結構以及蓬松絮片、絨毛等,防止外部冷空氣進入,增加服裝內部的靜止空氣含量,阻止熱量損失,以達到一種“被動”的保暖效果。這類服裝往往“暖、厚、重、腫”,即保暖、蓬松、體積大、厚重,難以滿足對服裝舒適感和美感的要求,人們希望獲得“暖、輕、薄、健”的保暖服裝。因此,能夠“積極”產熱的各種發熱纖維及其輕薄型保暖服裝逐漸進入人們視野。

發熱材料根據其發熱原理不同,大致可分為吸濕發熱材料、相變發熱材料、化學能發熱纖維、電能發熱材料、太陽能發熱材料等[1-2]。當人體穿著用發熱材料制成的紡織品時,身體因發熱材料的作用會產生微熱感。

選取了吸濕發熱材料、相變發熱材料和遠紅外發熱材料等3種目前應用在紡織服裝領域較多的發熱材料進行討論。

1 吸濕發熱材料

1.1 定義和原理

吸濕發熱紡織品是由吸濕發熱纖維與其他纖維混紡而成。吸濕發熱纖維實現發熱效果的原理主要有兩種[3]:(1)動能理論。空氣中具有較高動能的水分子,由于氫鍵等作用力被吸附到材料上成為靜止狀態,動能轉變為內能從而放出熱量。(2)相變理論。材料通過吸收空氣中或人體散發的氣態水,將其轉化成液態水,液化放熱。

1.2 實現途徑

1.2.1 吸濕發熱纖維

纖維的發熱性能與其自身的回潮率有關。吸濕發熱纖維是通過纖維本身的吸濕性或改善纖維分子結構,提高纖維的吸濕性來達到發熱效果,可以分為天然和合成兩大類。

(1)天然吸濕發熱纖維。本身具有較好吸濕性的纖維,主要有棉纖維和羊毛纖維,回潮率相對較高,吸濕性好。但是當人體大量出汗時,天然纖維雖可以吸濕發熱,但無法做到快速排出濕氣,使人體皮膚與織物黏貼,從而產生濕熱和不適感,并不具有實用性。

(2)合成吸濕發熱纖維。多通過增加纖維大分子鏈上的親水基團,來提高纖維的吸濕性能,實現吸濕發熱,如改性聚酯、改性聚丙烯腈等纖維,以及接入了高吸水基團的高度交聯聚丙烯酸酯類纖維和亞丙烯酸鹽系纖維等。也可以在紡絲過程中添加吸濕性強的單體進行共混紡絲制備,如吸濕發熱黏膠纖維。

1.2.2 吸濕發熱紗線及織物

僅通過吸濕發熱纖維,難以實現兼具輕薄、透濕及其他服用性能的吸濕發熱服裝。可將吸濕性較強的纖維與具有獨特物理性能的纖維進行混紡,如銅氨纖維與超細旦抗起球腈綸混紡等,可以兼具吸濕發熱及蓬松保暖等服用性能。

采用吸濕快干的聚酯、吸濕性好的黏膠、蓬松保暖的腈綸和彈力氨綸構成的吸濕發熱內衣面料,兼具彈性、輕柔、吸濕發熱、快干、透濕等性能,綜合服用性能極佳。

1.3 性能與評價

吸濕發熱纖維與其他種類的發熱纖維比較,其優勢是:(1)不需要外加能源,相比電能發熱纖維更加節能環保;(2)不受限于時間,相比光能發熱纖維工作時間更加靈活;(3)耐久性更好,相變發熱纖維中的微膠囊會影響耐洗滌性。

吸濕發熱纖維作為一種新型功能性纖維,升溫效果還有待提升,且大多應用于貼身內衣,價格昂貴。另外,需要注意的一點,是否選擇“吸濕發熱”類衣物還要依據自身的身體狀況,有些人在北方穿著此類內衣,開始會有些許熱感,但之后由于吸濕內衣的強烈吸濕性及北方的高干燥氣候,可能會出現皮膚迅速脫水干燥、起皮發癢等不適感。

目前,不管是針對吸濕發熱纖維還是其織物,國際上均沒有統一測試吸濕發熱性能的方法和標準[4]。國內相關標準有GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發熱性能試驗方法》和FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》。前者只規定了紡織品吸濕發熱性能的試驗方法,后者規定了吸濕發熱內衣應滿足兩項升溫值指標,即最高升溫值不低于4℃,30 min內平均升溫值不低于3℃。

上述2個標準中測試吸濕發熱性能的試驗方法,均是將試樣烘干后放在溫度為(20±0.5)℃、相對濕度為(90±3)%的恒溫恒濕試驗箱中測試面料的發熱性能。而在實際穿著過程中,如果人體與服裝之間的微氣候相對濕度為90%,服裝的發熱性已不是關注重點了,舒適性就不能滿足了。所以,今后的研究重點應為在低相對濕度條件下來實現吸濕發熱材料的發熱效果[5]。

1.4 應用

日本在此方面的研究比較成熟,如東洋紡公司研發的N38?(高度交聯的聚丙烯酸酯類纖維)和EKS?纖維(亞丙烯酸鹽系纖維),除了具有吸濕發熱功能的同時還能將人體多余汗汽及時排走,達到干爽舒適的效果,還具有抗菌防臭等性能,在保暖內衣、滑雪衫等戶外運動服、家紡領域均有應用。東麗公司開發的Softwarm?紗線(超細腈綸與黏膠纖維復合制備)、旭化成株式會社開發的Thermogear?紗線(超細旦腈綸與銅氨絲復合制備),通過結構設計、接枝改性等方法大大提升了吸濕保暖性。

在內衣方面應用最知名的是優衣庫的Heattech?系列產品,采用聚酯、黏膠、腈綸和氨綸構成,面料輕薄、柔滑,透氣率可高達68 mm/s,透濕率高達10 024 g/(m2·d),出汗時會明顯感到發熱。但是,這款產品的吸濕發熱性能和普通棉內衣并無大的區別,其優勢在于輕柔且透氣透濕,穿上后在感受到發熱的同時,感覺舒適。

國內吸濕發熱纖維研究起步較晚,主要通過將已有的吸濕發熱纖維與其他種類的纖維進行混紡,拓展面料的新功能,例如上海正家牛奶絲科技有限公司開發的易熱寶?纖維(改性聚丙烯腈纖維)和上海潔宜康化工科技有限公司自主研發的舒熱絲?纖維(改性聚丙烯酸類纖維)等。現如今吸濕發熱材料在紡織面料中應用越來越多,吸濕發熱產品的研究和開發也會越來越深入[6]。

2 相變發熱材料

2.1 定義和原理

相變調溫紡織品是將相變材料以合理的方式與纖維織物進行結合,從而實現調溫效果。當外界環境溫度產生變化時,紡織品內的相變材料發生相變時會吸收和放出熱能,在紡織品周圍形成微氣候,從而賦予紡織品溫度調節的功能。目前,人們所認識到的相變材料有500多種。服用紡織品使用的相變材料要求相變熱高、相變轉換溫度貼近人體溫度,一般多采用有機相變材料或復合相變材料,多為體積變化較小的固-液相變材料,也包含一些含結晶水的無機水合鹽。

相變材料能夠存儲和釋放能量,但在發生形態轉變時易發生泄漏,可對相變材料進行封裝,對后續材料加工過程起有效的保護作用,可以提高材料的穩定性和耐久性[7]。目前可用的方法包括多孔材料吸附法和微膠囊法兩種,在紡織領域,相變微膠囊的應用較為廣泛,該方法是將特定溫度范圍的相變材料以物理或化學方法包封于高分子聚合物中,制成直徑小于100μm并且常態下穩定的微型單元(微膠囊)。

2.2 實現途徑

相變調溫紡織品的加工方式一般為兩種[8]:一類是先將相變材料或相變微膠囊制成相變調溫纖維,然后加工成紡織品;另一類是將相變材料或相變微膠囊通過適當的方式與織物直接復合得到相變調溫紡織品。

2.2.1 常用相變材料

固液相變材料如石蠟類、聚醚、脂肪族聚酯、聚醚酯、聚乙二醇、聚戊二酸己二酯、正十二酸、正十四醇等。

含結晶水的無機水合鹽,如Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O等,具有250～400 J/g的相變熱,但水合鹽容易出現相轉變的不可逆現象,需要改進。

2.2.2 相變調溫纖維

(1)中空纖維填充法:將相變材料填充至中空纖維的中空部分,得到相變纖維,相變材料能夠在纖維中均勻分布,調溫性能良好。

(2)紡絲法:將相變材料或相變微膠囊添加到紡絲聚合物的熔體或紡絲液中,紡絲加工成調溫纖維。該方法的優點是相變材料能均勻分布在纖維內部和表面,既能防止相變材料泄露,又能有效提高纖維的熱響應速率。

2.2.3 相變調溫紡織品

(1)直接填充法:將相變材料或相變微膠囊直接填充到密封袋中,然后再復合到服裝中。本體相變材料、相變微膠囊和相變大膠囊都可這樣制成相變調溫紡織品。

(2)表面整理法:將相變微膠囊通過涂層整理與紡織品結合,工藝簡單,操作方便,易工業化。但添加的相變材料量較低,經整理后織物的柔軟性、透氣性、透濕性、耐洗滌性等服用性能降低。

(3)表面接枝法:將織物中的特定官能團與相變材料通過化學鍵結合,使織物具有調溫性能。工藝相對復雜,不易工業化,制備出的產品具有較好的手感和耐久性。

2.3 性能與評價

目前,國際上針對提升潛熱儲能系統的測試和分析方法缺乏統一的標準[9]。美國材料與試驗協會(ASTM)于2004年6月發布的《ASTMD7024紡織材料穩態和動態熱性能的標準試驗方法》標準中,定義了總熱傳導系數和溫度調節因素(TRF)2個指標及其測試方法,適用于紡織品、棉絮纖維及其他類似樣品。

我國相關的標準有中國紡織工程學會(CTES)于2017年12月發布的《紡織用相變調溫微膠囊及其應用功能評價》(T/CTES 1005—2017),規定了相變調溫織物性能,采用差示掃描量熱法和動態升降溫法,結合進行評價,分為優等品、一等品、合格品。相變調溫織物性能評價指標見表1。

表1 相變調溫紡織品性能評價指標

運用相變材料制備的相變調溫紡織品可以有效改善人體在高溫或寒冷環境下的身體溫度,不僅可以實現寒冷環境下的溫度調節,也可以用于炎熱環境下的溫度調節,最適用于在高溫和低溫環境下切換工作的人員。

2.4 應用

相變材料廣泛用于軍事、建筑、醫療衛生、紡織服裝、航天等行業。例如在軍事領域,相變智能溫控紡織品可用于飛行保暖手套、軍用冷熱天氣作戰靴、軍用潛水服等。在民用紡織服裝領域,相變智能溫控紡織品常用于運動服裝和襪子等,調溫紡織品能及時降低運動員劇烈運動產生的大量熱量,緩解其體溫上升過快而產生的頭暈等不適癥狀。同時,還可用作床單、被罩等床上用品或窗簾、壁紙、地毯等裝飾用品,為人們提供舒適的生活環境。

最知名的相變調溫纖維為美國開發的Outlast?,占全球市場份額80%以上。日本開發的調溫聚酯纖維Air-Techno?,已推出較成熟的相變調溫襯衫、西服及保暖內衣等產品。在中國,絲維爾?智能調溫纖維和上海三十六棉紡針織廠研制的SL調溫纖維已進入產業化及推廣階段[10]。相變調溫紡織品在人們的日常生活中,以及低溫防護領域均具有一定的市場發展潛力。

3 遠紅外發熱材料

3.1 定義和原理

在電磁波譜中,通常人們將波長2.5～1 000.0μm的紅外線稱為遠紅外,該波長范圍的遠紅外線與生物的生長發育有關,可以振動并激活生物內部的水分子,與生物產生共鳴,促進其代謝和生長[11]。

部分材料在吸收外界電磁輻射能量后,可以發射出與人體紅外線波段相符合的遠紅外線,將上述材料與纖維及織物結合,獲得蓄熱保暖、提高體感溫度的一種積極供熱式的保暖紡織品,為遠紅外紡織品,一般要求其遠紅外發射率達到0.65以上,多用于蓬松的保暖絮片及內衣。不同于其他保暖材料,遠紅外紡織品具有保暖和促進微循環兩種功能。一方面,吸收外界電磁波輻射的能量,發射出遠紅外線,并反射人體發出的遠紅外線,阻止人體熱量向外部散發,起到高效保溫作用;另一方面,其發射的4～14μm波長范圍內的遠紅外線與反射的人體紅外線,作用于人體表面細胞,因振動頻率吻合而增強分子的熱運動,促進皮下組織的微循環和新陳代謝。

3.2 實現途徑

遠紅外紡織品功能實現的核心是具有遠紅外發射功能的添加劑,一般都是在常溫下具有遠紅外輻射功能的陶瓷微粉,粒徑通常在0.5μm以下,多為金屬氧化物或金屬碳化物,如氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化硅、氧化錫、碳化鋯等。制備遠紅外保暖紡織品主要有兩種方法:

(1)涂層法:將具有遠紅外發射功能的納米級粉體、黏合劑和助劑按一定比例制成后整理劑,再通過浸軋、涂層、噴霧等方法,使其均勻涂覆在織物表面,最后對織物進行干燥、熱處理等。工藝簡便,成本較低,對遠紅外發射功能粉體要求不高,但是制得纖維的紡織品手感及耐洗滌性能較差。(2)紡絲法:將具有遠紅外功能的材料混合在紡絲液中制得含遠紅外材料的合成纖維,再用遠紅外纖維加工成紡織品。根據生產工藝的不同,紡絲法分為母粒法、注射法、全造粒法和復合紡絲法,母粒法是制備遠紅外纖維最普遍的一種方法,此法得到的遠紅外產品耐久性較好,但成本較高。另外,紡絲法需要調控遠紅外粉體的添加量,要在保證紡絲和纖維的各項基礎性能的前提下,盡量提高遠紅外發射率,達到遠紅外保暖的功能性,一般遠紅外材料添加量在5%～20%。目前在滌綸、丙綸、腈綸、黏膠等纖維中采用這種方法。

3.3 性能與評價

目前,國內現行的有關遠紅外紡織品的標準為GB/T 30127—2013《紡織品 遠紅外性能的檢測和評價》。此標準規定了采用5～14μm波段的遠紅外輻射測量系統測量樣品的遠紅外發射率,采用遠紅外輻射源以150 W輻射功率輻照試樣30 s后表面溫度升高,并給出了遠紅外性能的評價標準:對于一般樣品,若試樣的遠紅外發射率不低于0.88,且遠紅外輻射溫升不低于1.4℃時,則樣品具有遠紅外性能;對于絮片類、非織造類、起毛絨類等疏松樣品,遠紅外發射率不低于0.83,且遠紅外輻射溫升不低于1.7℃,樣品具有遠紅外性能。

遠紅外紡織品要想達到發熱目的,一是需要吸收外界電磁輻射能量,作為外衣比較合適,但遠紅外線穿透普通紡織品能力有限,如要起到促進身體微循環的效果,又需要直接接觸皮膚,作為內衣較合適,但作為內層衣物,又難以吸收外界能量,只能反射人體本身散發的紅外線,能量十分有限。

3.4 應用

遠紅外纖維開發始于20世紀80年代,開發了碳化鋯保溫纖維。日本旭化成、東麗、鐘紡、可樂麗、東洋紡等都開發了多品種規模化生產的遠紅外纖維。我國開始于90年代,也實現了批量化生產。目前,可制成針織或梭織的具有遠紅外功能的滑雪衫、運動服、風衣等,也可通過非織造技術制成具有遠紅外功能的保暖絮片,從而用作床單、睡袋、被子、防寒服等的填充料。遠紅外除了保暖作用外,其保健功能也深受人們的喜愛,近幾年各種遠紅外保健產品大量涌現,如具有保健功能的連褲襪、貼身衣、鞋墊、枕頭、保健被等。

4 結束語

近年來,發熱材料發展較好,其在服裝、家紡等領域均有較多應用。但同時也存在一些問題,比如配套標準體系不夠完善,市場上沒有全面、統一、規范的測試方法和標準來檢測發熱材料制成的紡織品是否達到發熱效果。另外,經過發熱處理的紡織品,其他服用性能,比如透濕性、耐洗滌性等能否不受影響也是未來的研究重點。

另一方面,在國家“雙碳”目標導向下,發熱材料在其生產和使用中要注意采用環保工藝,減少廢水和廢氣的排放,以及材料的可回收再利用等。同時,為滿足人們需求的多元化,還需要開發具有抗靜電、防紫外線等多重功能的發熱面料。