基于相變微膠囊蓄熱調溫紡織品的研究進展

全 通 吳建兵

（常熟理工學院紡織服裝與設計學院，江蘇 常熟 215500）

衣食住行中的“衣”始終是人們的第一需求，服裝也逐漸由原來的保護和遮羞功能開始向智能節能方向發展。據研究發現[1]，當人體皮膚處在相對恒定的33.4℃時，體感舒適性達到最佳。而智能調溫紡織品憑借對溫度的雙向調節，能夠在不同外界環境下滿足人體對舒適性的需求討論。

一、相變材料

相變材料是指在相變時放出或吸收大量熱，以達到加熱或降溫作用的物質。通常情況下，物質的“相”可以從一種狀態或結構轉變成另一種狀態或結構，該過程稱為“相變”。相變過程中伴隨著能量的吸收或釋放，該過程吸收或釋放的能量被稱為相變熱或相變潛熱。物質可以在液態和固態間進行轉變，也可以在非傳統狀態間進行轉變，例如從一種結晶態轉變為能量更高或更低的另一種結晶態。如今隨著生產力水平的提高，對于相變材料的研究力度也是愈來愈大。以檢索相變材料相關論文的數量為依據可以將相變材料的研究分為三個階段[2]。一是2006之前，這是初步階段；其次是2007年至2011年，這是穩步上升階段；最后是2012年至今，這是熱門研究區間。2012年之后，每年關于相變材料的研究文獻發布至少100篇。這表明，用相變材料應對能源問題得到了越來越多的學者的認同。目前相變材料主要分為三類：無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料。

表1 相變材料的分類

將這些相變材料應用于紡織服裝中，能夠賦予服裝一定的調溫能力，該服裝即為蓄熱調溫紡織品。其調溫機理主要是在達到規定的相變溫度時，當有能量散發或吸收時，蓄熱調溫紡織品能將這種能量吸收或散發，以此達到外界溫度的相對恒定。現代技術中，較為廣泛的是通過后整理手段將相變材料應用在紡織品中，然而這種方式存在相變材料粘合度低、服裝耐洗滌性和手感差的缺點。相比之下，越來越多的學者青睞于將相變材料微膠囊化與纖維混紡通過紡紗工藝混合在織物上，從而使織物達到更好的效果。

二、相變微膠囊

蓄熱調溫紡織品的制備主要有：織物表面整理法、中空纖維填充法、直接紡絲法和微膠囊整理法。織物表面整理法是通過制備水溶液或聚合劑，將其通過后整理方法應用在織物上，使織物具有一定的調溫功能，但是經過后整理處理手段的織物容易在測試過程發生、相分離等問題，從而導致循環使用次數低。中空纖維填充法和紡絲法都是將織物纖維制成智能調溫纖維，從而使紡織品擁有一定的調溫性能，但是前者主要利用纖維內部含有相變材料實現，后者依靠的是相變物質與纖維進行混紡達到效果。而這些在實際應用中存在實驗流程、步驟繁瑣，并且對于所使用的材料和設備有很高的要求。相較于上述方法，科研人員慢慢傾向于微膠囊整理法。微膠囊技術能夠把微量物質包裹在聚合物薄膜中，是一種儲存固體、液體和氣體的包裝技術。目前將相變材料微膠囊化的方法主要有：熔融紡絲法、溶液紡絲法、靜電紡絲法和纖維中空填充法。微膠囊化后的相變材料主要是由殼還有核組成。核主要是相變材料，殼主要由有機材料、無機材料或者復合材料組成。對于不同材料的選擇而制成的微膠囊，目前已經有許多研究。例如，用二氧化硅作為壁材包裹焓值較高的硬脂酸，還有用氧化鋅為壁材制成的石蠟/ZnO，可以達到改善由于相變微膠囊導致的導熱系數低的缺點，這些材料成功地改善了自身性能和優化了傳熱條件。相變材料微膠囊化相較于之前的方法不僅能夠大大減少“相分離”的現象，而且還能提高材料的導熱率，進而增強循環使用的能力。目前微膠囊所需的芯材主要分為三類：有機芯材、無機芯材和共晶芯材。使用的壁材主要分為兩類：有機壁材和無機壁材。如圖所示：

表2 壁材、芯材的分類

三、基于相變微膠囊蓄熱調溫紡織品的制備

將相變微膠囊應用在紡織品上主要是通過表面整理法和紡絲法。表面整理法分為：涂層法、印花法和浸軋法。涂層法和印花法都是將相變微膠囊加入涂層液中，然后均勻地涂抹到織物表面，待烘干后即可獲得調溫紡織材料，該方法工藝簡單且最容易實現工業化。浸軋法則是通過將織物浸泡在含有相變微膠囊的溶液中，然后利用軋機擠壓織物表面，最后烘干織物獲得蓄熱調溫紡織材料。表面整理法雖然工藝簡單，但是易影響織物手感和使用中的穩定，并且制備的織物透氣透濕性也會受到影響。張云峰、蘭志興等提出了在相變微膠囊中加入納米石墨的方法，選取以石蠟為芯材，聚砜為殼材制備出改性相變微膠囊。用掃描電鏡觀察微膠囊表面形貌，觀察得出納米石墨的最佳增加量。當納米石墨過少時，相變微膠囊表面空隙過多；納米石墨過多時，會在表面堆積成塊，對微膠囊的壁形成惡性打擊。當且僅當增加量為2%時，對于微膠囊表面連續性和粒徑增大效果達到最佳。通過增加比表面積和粗糙度，達到提升在織物表面的粘合度的效果。微膠囊紡絲法是將相變微膠囊與成纖聚合物混合為紡絲液，通過濕法紡絲或者熔融紡絲將微膠囊包覆在纖維內部制成蓄熱調溫纖維。其優點是在纖維材料的包覆下，相變微膠囊與外界環境隔絕，保證了在加工溫度下的穩定性，其調溫性能顯著，并且在穿著、洗滌過程中不會發生外逸。

四、應用領域及展望

目前基于相變微膠囊制備而成的蓄熱調溫紡織品已被廣泛使用。朱雯等在相變微膠囊涂層織物的研究中，發現經過涂層處理后的織物不但在拉伸性能方面得到了提升，而且在導熱系數和相變焓等參數方面也有了提高，提升的程度與涂層中微膠囊的含量呈正相關，這也就間接提升了織物的熱防護性能，使其能在消防中得到推廣使用；司琴等將相變微膠囊浸軋在用聚醚改性氨基硅油進行柔軟處理的棉織物上，再經過微膠囊附加整理，所得的織物具有良好的調溫性能，并且手感和透氣性都有不同程度的改善。如今對相變微膠囊的研究已經逐步成熟，未來在制備工藝和原材料等方面會進一步地優化，應該能擁有更多優秀的性能。比如目前已經有改性相變微膠囊應用在廢水中，從而起到很好的吸附重金屬、殺菌的作用，倘若能夠應用在服裝中，是否可以很好地應對如今擴散蔓延的新冠肺炎和傳染病病毒。此外還有對穿著時人體的保健、理療等作用都是不錯的研究方向。