相變微膠囊在牛仔布上的應(yīng)用

劉元軍，王雪燕，孫小芳

（西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安710048）

0 前言

蓄熱調(diào)溫微膠囊是將相變材料（Phase-Change Material,PCM)包囊在微小球體中。相變物質(zhì)隨著外界環(huán)境溫度的變化發(fā)生相變以吸收熱量和釋放熱量。將蓄熱調(diào)溫微膠囊應(yīng)用到織物表面，可主動(dòng)地、智能地控制周?chē)臏囟?，保持人體正常體溫，為人體提供舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)[1-3]。美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家曾說(shuō)過(guò)：納米技術(shù)將成為21世紀(jì)信息時(shí)代的核心。微膠囊技術(shù)也將成為本世紀(jì)的另一閃光點(diǎn)。目前，隨著人們對(duì)微膠囊認(rèn)識(shí)的不斷深入，隨著新材料、新設(shè)備的不斷出現(xiàn)，微膠囊技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用將會(huì)取得更大的發(fā)展[4]。近年來(lái)，牛仔裝因其不拘一格的穿著方式迎合了現(xiàn)代人的審美意識(shí)和崇尚自由的心理需求，再加上它同步時(shí)尚的不斷創(chuàng)新，使得人們對(duì)它“情有獨(dú)鐘”，應(yīng)用頗為廣泛[5-7]。然而隨著科技進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們對(duì)牛仔裝的舒適性和功能性要求越來(lái)越高，因此，受企業(yè)委托，為開(kāi)發(fā)牛仔系列新品種，提高產(chǎn)品檔次，我們自制了一種殼聚糖-石蠟相變微膠囊，并將其應(yīng)用在牛仔布整理加工中，開(kāi)發(fā)出智能調(diào)溫牛仔布，以適應(yīng)其發(fā)展及滿足人們的要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 主要材料、藥品和儀器

材料：牛仔布(由廣東省普寧華翔印染有限公司提供)。

藥品：無(wú)水乙醇、石油醚、石蠟（熔點(diǎn)為32.5℃）、氯化鈣、冰乙酸、司 班-80、碳酸鈣、二甲苯（為分析純，由天津市化學(xué)試劑六廠提供）；粘合劑、增稠劑（為工業(yè)品，自制）；商品微膠囊（為工業(yè)純，型號(hào)PCM28TDl85，相變溫度為28℃，相變潛熱為170J/g,由上海無(wú)極紡織科技有限公司提供）等。

儀器：HHS-24型電熱恒溫水浴鍋（上海東星建材實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、SF300電子天平（上海良平儀器儀表有限公司）、E200 Nikon型光學(xué)顯微鏡(本三豐工具公司)、JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器（常州國(guó)華電器有限公司）、101A-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干烘箱 (上海熱明熱處理設(shè)備公司)、MV505T型軋車(chē)(北京紡織機(jī)械研究所)、YG461L型數(shù)字式織物透氣量?jī)x(蘇州電子儀器有限公司)、TO 20W型土工織物恒水頭滲透儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酸水解法降解殼聚糖

將水浴鍋溫度調(diào)到100℃，準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量殼聚糖加入到三口燒瓶中，用2%的冰乙酸溶解，在一定轉(zhuǎn)速下攪拌，降解反應(yīng)9小時(shí)，既得到低分子殼聚糖溶液[8]。

1.2.2 殼聚糖-石蠟相變微膠囊的制備

本實(shí)驗(yàn)采用乳化固化法制備微膠囊，制備方法如下：

反應(yīng)在65℃的恒溫水浴中進(jìn)行。

（1）稱(chēng)取一定量的海藻酸鈉和碳酸鈣加入到100mL水中配制成溶液，再加入一定量石蠟和一定量乳化劑進(jìn)行乳化，攪拌一定時(shí)間后，制備成O1/W型初乳。

（2）把初乳分散在100mL油醚與1mL乙酸的混合物中，攪拌得到O1/W/O2型復(fù)乳，同時(shí)冰乙酸中的H+與碳酸鈣反應(yīng)釋放出Ca2+,Ca2+與海藻酸鈉上的羧基形成離子鍵而使海藻酸鈉固化，初步形成微膠囊。

（3）在上述已初步形成微膠囊的反應(yīng)液中加入100mL 0.05mol/L的氯化鈣水溶液（含1%吐溫-80），此時(shí)前面固化得到的微膠囊和石油醚混合物作為油相，氯化鈣水溶液作為水相，變成O/W乳化體系，利用水相中的Ca2+進(jìn)一步與海藻酸鈉上的羧基形成離子鍵，以強(qiáng)化微膠囊膜的強(qiáng)度。一定時(shí)間后，抽慮，一定方法洗滌，最后自然晾干,得到相變微膠囊。

（4）相變微膠囊改性：準(zhǔn)確量取一定量低分子殼聚糖溶液加入三口燒瓶，再加入一定量的相變微膠囊，室溫條件下攪拌2小時(shí)，得到改性相變微膠囊，即殼聚糖-石蠟相變微膠囊。

1.2.3 浸軋法整理工藝

二浸二軋微膠囊整理液（二浸二軋，軋液率65%）→烘干（60℃烘2min）→焙烘（溫度：100℃，時(shí)間：2min）→水洗。

1.2.4 涂層法整理工藝

先稱(chēng)取微膠囊干粉，用含有潤(rùn)濕劑（JFC）的水將微膠囊粉潤(rùn)濕，進(jìn)一步調(diào)成糊狀，再在攪拌條件下把微膠囊糊慢慢加入粘合劑的水溶液中，用適當(dāng)?shù)脑龀韯┱{(diào)整至需要的稠度。用刮刀涂在牛仔布上，烘干（60℃烘 2min），焙烘（100℃烘2min），水洗

1.3 測(cè)試指標(biāo)

1.3.1 織物毛細(xì)管效應(yīng)的測(cè)定

織物毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定是將一定規(guī)格的試樣懸掛在支架上，下端浸入水中，液體即沿毛細(xì)管而上升一定高度?？梢杂迷?0min內(nèi)液體上升高度表示，單位為cm。

1.3.2 織物增重率測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)量織物整理前的質(zhì)量M1和整理后的質(zhì)量M2,采用下式計(jì)算織物的增重率：

增重率(%)=(M2-M1)/M1×100

1.3.3 織物透濕性測(cè)定

按照GB/T 12704-2009《紡織品織物透濕性試驗(yàn)方法》測(cè)試。在試樣兩面保持規(guī)定的溫濕度條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積試樣的水蒸氣質(zhì)量，以克每平方米小時(shí)[g/(m2·h)]或克每平方米24 小時(shí)[g/(m2·24h)]為單位。

1.3.4 織物透氣性測(cè)定

按照GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性試驗(yàn)方法》測(cè)定。

1.3.5 耐水洗牢度測(cè)定

將織物在自然水流下邊揉搓邊沖洗，來(lái)回洗4次，準(zhǔn)確稱(chēng)量洗滌前后的質(zhì)量M1和M2，采用下式計(jì)算織物的失重率，以表征織物的耐水洗牢度。公式為：失重率(%)=(M1-M2)/M1×100

1.3.6 溫度調(diào)節(jié)性能的測(cè)定

第一階段:體系溫度達(dá)到35℃時(shí)，開(kāi)始向容器內(nèi)放入實(shí)驗(yàn)樣品；

第二階段：溫度35℃，保持20min；

第三階段：溫度從35℃升至40℃，當(dāng)空白樣溫度到達(dá)40℃時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)樣品。

1.3.7 耐熱穩(wěn)定性的測(cè)定

分別稱(chēng)取1g石蠟（芯材）、自制殼聚糖-石蠟相變微膠囊和商品微膠囊，置于恒溫烘箱中加熱，每隔5min記錄一次質(zhì)量。觀察在一定溫度下，隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)失重率的變化。以用來(lái)進(jìn)行耐熱穩(wěn)定性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 自制微膠囊浸軋整理工藝優(yōu)選及與涂層整理的效果比較

2.1.1 自制微膠囊用量對(duì)牛仔布性能影響的比較

固定粘合劑的用量為30 g/L，改變自制微膠囊的用量，并用增稠劑調(diào)至一定的稠度，分別按1.2.3采用浸軋工藝及1.2.4涂層整理工藝整理牛仔布。其中，100℃焙烘2min。

由圖1看出：

⑴采用浸軋法整理工藝時(shí)，隨微膠囊用量增加，0 g/L～30g/L時(shí)，牛仔布的增重率增大；30 g/L時(shí)，達(dá)最大，繼續(xù)增大自制微膠囊用量，牛仔布增重率呈下降趨勢(shì)。微膠囊用量在10 g/L～30g/L時(shí)對(duì)毛效的影響程度不大，故由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可確定出自制微膠囊用量為30g/L。

⑵采用涂層整理時(shí)，隨微膠囊用量增加，牛仔布的增重率增大，當(dāng)微膠囊用量超過(guò)一定數(shù)值后,增重率增大的趨勢(shì)有所下降；而對(duì)牛仔布毛效的影響，隨其用量的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

⑶兩種整理工藝對(duì)比而言，涂層整理對(duì)牛仔布增重率高于浸軋整理，而毛效則低于浸軋整理。另外，涂層整理僅在牛仔布里面整理，整理后對(duì)色光幾乎沒(méi)有影響，但織物手感較浸軋整理硬。

圖1 自制微膠囊用量對(duì)增重率和毛效的影響Fig.1 Effects of self-prepared phase-change microcapsules on the weight growth and hairness removal of jeans cloth

2.1.2 粘合劑用量對(duì)牛仔布性能影響的比較

固定自制微膠囊用量為30 g/L，改變粘合劑的用量，并用增稠劑調(diào)至一定的稠度，分別按1.2.3采用浸軋工藝及1.2.4涂層整理工藝整理牛仔布。其中，100℃焙烘2min。

圖2 粘合劑用量對(duì)增重率和毛效的影響Fig.2 Effects of adhesive on the weight growth and hairness removal of jeans cloth

由圖2可以看出：

⑴采用浸軋法整理工藝時(shí)，隨粘合劑用量的增加，牛仔布的增重率增大，40 g/L～50g/L時(shí)增重的程度變緩；毛效則隨其用量的增加而降低，在20 g/L～50g/L時(shí)，粘合劑用量對(duì)毛效影響不大。但考慮到粘合劑用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致牛仔布的手感下降，故確定粘合劑的用量為40g/L。

⑵采用涂層整理時(shí)，隨粘合劑用量的增加，牛仔布的增重率明顯增大，而毛效緩慢降低。由此可推斷出，為了提高織物上的微膠囊含量及其整理效果的耐久性，可適當(dāng)提高粘合劑用量。

⑶兩種整理工藝對(duì)比而言，涂層整理對(duì)牛仔布增重率高于浸軋整理，而毛效則低于浸軋整理工藝。同時(shí)，浸軋整理時(shí)牛仔布色光有所變化，而涂層整理對(duì)織物色光影響不大，但織物手感較差。

2.1.3 增稠劑用量對(duì)牛仔布性能影響的比較

固定自制微膠囊用量為30 g/L，粘合劑的用量為40g/L，改變?cè)龀韯┑挠昧浚謩e按1.2.3采用浸軋工藝及1.2.4涂層整理工藝整理牛仔布。其中，100℃焙烘2min。

圖3 增稠劑用量對(duì)增重率和毛效的影響Fig.3 Effects of thickener on the weight growth and hairness removal of jeans cloth

由圖3可以看出：

⑴采用浸軋法整理工藝時(shí)，隨增稠劑用量的增加，牛仔布的增重率先增加后減小，在15g/L時(shí)達(dá)到最高，這是由于稠度過(guò)大阻礙微膠囊向織物內(nèi)部擴(kuò)散所致；其用量在20 g/L～50g/L之間時(shí)對(duì)牛仔布毛效的影響不大。所以我們確定增稠劑的用量為15g/L。

⑵采用涂層整理時(shí)，隨增稠劑用量的增加，牛仔布的增重率雖有所提高，但提高幅度不如改變微膠囊用量和粘合劑用量的大，故在實(shí)際應(yīng)用中我們不采用增加增稠劑用量來(lái)提高微膠囊在織物上的整理量。但同樣可以看出，適當(dāng)增加增稠劑用量對(duì)牛仔布毛效影響較小，這在一定程度上增加增稠劑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

⑶兩種工藝對(duì)比而言，涂層整理對(duì)牛仔布的增重率大于浸軋整理，同時(shí)兩種工藝增重率達(dá)到最大時(shí)，涂層整理增稠劑用量為10g/L，而浸軋整理為15g/L。

2.1.4 焙烘溫度對(duì)牛仔布性能影響的比較

固定自制微膠囊的用量為30g/L，粘合劑用量為40g/L，增稠劑的用量為15g/L，改變焙烘溫度，分別按1.2.3采用浸軋工藝及1.2.4涂層整理工藝整理牛仔布。其中，焙烘2min。

由圖4可以看出:

⑴采用浸軋法整理工藝時(shí)，焙烘溫度對(duì)牛仔布毛效影響程度很小，隨焙烘溫度的升高，增重率的總趨勢(shì)下降，但考慮到粘合劑在高溫時(shí)與織物反應(yīng)程度完全，對(duì)提高水洗牢度有利，則綜合考慮確定焙烘溫度為100℃。

⑵采用涂層整理時(shí)，雖然牛仔布增重率大于浸軋整理，但隨溫度的升高增重率也有一定的下降趨勢(shì)，尤其溫度高于110℃，下降趨勢(shì)顯著，原因可能是由于高溫條件下相變微膠囊芯材有一定程度熔出所致，這樣熔出的石蠟?zāi)淘谂Ｗ胁急砻妫沟妹陆?，手感發(fā)硬。所以相變微膠囊在織物上整理時(shí)焙烘溫度不能過(guò)高。

圖4 焙烘溫度對(duì)增重率和毛效的影響Fig.4 Effects of heating temprature on the weight growth and hairness removal of jeans cloth

2.1.5 焙烘時(shí)間對(duì)牛仔布性能影響的比較

固定自制微膠囊的用量為30g/L，粘合劑用量為40g/L，增稠劑的用量為15g/L，改變焙烘時(shí)間，焙烘溫度100℃。分別按1.2.3采用浸軋工藝及1.2.4涂層整理工藝整理牛仔布。

從圖5可以看出：時(shí)間因素對(duì)兩種整理工藝的影響均較小，但同時(shí)也可看出不能過(guò)多地延長(zhǎng)焙烘時(shí)間，否則也會(huì)引起增重率和毛效的嚴(yán)重下降。這是由于高溫加熱易造成芯材熔出，而熔出的芯材部分粘結(jié)在織物表面，封閉了纖維上的親水基團(tuán)，使得織物吸水性下降，毛效降低。因此實(shí)驗(yàn)確定焙烘時(shí)間為2min。

圖5 焙烘時(shí)間對(duì)增重率和毛效的影響Fig.5 Effects of heating time on the weight growth and hairness removal of jeans cloth

⑴本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出自制微膠囊在牛仔布上整理的最佳浸軋工藝條件為：自制微膠囊用量30g/L，粘合劑用量40g/L，增稠劑用量15g/L，焙烘溫度100℃，焙烘時(shí)間2min。

⑵若要提高整理織物上相變微膠囊含量，可首選涂層整理工藝，同時(shí)通過(guò)增加微膠囊和粘合劑用量達(dá)到預(yù)期效果，但織物毛效有所降低，手感變硬。

2.2 殼聚糖-石蠟相變微膠囊整理牛仔布的效果評(píng)定

2.2.1 織物透濕性能效果

按1.3.3工藝對(duì)不同牛仔布樣進(jìn)行透濕性能測(cè)試。表1給出了不同布樣透濕性能測(cè)試結(jié)果。

由表1可知，用不同的方法將微膠囊整理在牛仔布上后，該織物的透濕性均稍微降低。其中，自制微膠囊整理織物的透濕性低于商品微膠囊整理織物；采用涂層方式整理布樣的透濕性均低于同等條件下浸軋方式整理的布樣。這可能與微膠囊粒徑大小及在布樣上的增重大小有關(guān)。

2.2.2 織物透氣性效果

按照GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性試驗(yàn)方法》測(cè)定。表2給出了不同布樣透氣性能測(cè)試結(jié)果

由表2可知,浸軋方式整理的布樣透氣性較好，涂層法整理的布樣透氣性差，自制微膠囊整理樣的透氣性低于商品微膠囊的整理樣。這表明我們自制的微膠囊的制備工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.3 耐水洗牢度效果

按1.3.5工藝進(jìn)行耐水洗效果測(cè)試。兩種微膠囊不同工藝整理后各布樣的失重率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3看出：兩種整理工藝耐水洗性能相比：涂層整理工藝優(yōu)于浸軋整理工藝；兩種微膠囊整理布樣的耐水洗性能相比：商品微膠囊耐水洗性能更好。但相差不大，說(shuō)明自制相變微膠囊基本達(dá)到商品相變微膠囊的效果。

2.2.4 相變微膠囊調(diào)溫性能

按1.3.6測(cè)試方法對(duì)自制殼聚糖-石蠟相變微膠囊和商品微膠囊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)記錄如下所述：

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在緩慢升溫至40℃時(shí)，自制殼聚糖-石蠟相變微膠囊和商品微膠囊均與空白樣溫度有一定的差別，其中自制微膠囊與空白樣相差1℃，商品微膠囊與空白樣相差0.5℃。結(jié)果表明，兩種微膠囊均降低了體系溫度升高速率（加入相變微膠囊的體系升溫速率較慢，說(shuō)明相變微膠囊有一定調(diào)溫性能），體現(xiàn)了相變微膠囊中相變材料發(fā)生了相變調(diào)溫作用，同時(shí)也說(shuō)明自制相變微膠囊的調(diào)溫性能優(yōu)于商品相變微膠囊。

2.2.5 相變微膠囊的耐熱性能

相變微膠囊是由囊膜和芯材組成，用于紡織服裝的相變微膠囊，要求囊膜為封閉型，且耐熱性好。本實(shí)驗(yàn)研制的殼聚糖-石蠟相變微膠囊耐熱性及與商品相變微膠囊耐熱性能如圖6、圖7和圖8所示。

表1 不同牛仔布樣的透濕性Tab.1 Water absorption ability of different jeans cloth samples

表2 不同牛仔布樣的透氣性Tab.2 Air permeability of different jeans cloth samples

表3 不同整理工藝處理的牛仔布樣失重率變化Tab.3 The weight loss rate under different processings

⑴由圖6可知，在110℃熱處理?xiàng)l件下，兩種相變微膠囊在0～10min內(nèi)，失重率增大程度快，質(zhì)量損失多，這可能是由熔出的石蠟和相變微膠囊自身水份蒸發(fā)引起的；在10～30min內(nèi)，兩種微膠囊的失重率緩慢增加，最終趨于平穩(wěn)，這時(shí)的質(zhì)量損失可能主要源于芯材在高溫下從壁材中熔出后蒸發(fā)所致。同時(shí)，也可看出自制相變微膠囊失重率高于商品微膠囊。但均低于芯材直接受熱的失重率，可見(jiàn)制成微膠囊后，耐熱性能有很大提高。

⑵由圖7可知，隨溫度的升高，商品微膠囊失重率增大，且在20～30min區(qū)間逐漸趨于定值。結(jié)果表明，商品相變微膠囊的耐熱性，隨溫度升高而下降。從圖3-4知，自制殼聚糖-石蠟相變微膠囊隨溫度升高，失重率雖有增大，但沒(méi)有一定規(guī)律性變化。

⑶對(duì)比圖7和圖8知，自制殼聚糖-石蠟相變微膠囊的耐熱性不如商品微膠囊，可能是自制微膠囊成膜強(qiáng)度及密封性不夠，有待改進(jìn)。

圖6 110℃相變微膠囊隨時(shí)間變化的失重率曲線Fig.6 Curves of weight loss of jeans cloth processed with different microcapsules under 110℃and different time

圖7 商品微膠囊的失重圖Fig.7 Diagram of weight loss of jeans cloth processed with commercialized microcapsules

圖8 自制微膠囊的失重圖Fig.8 Diagram of weight loss of jeans cloth processed with self-prepared phase-change microcapsules

3 結(jié)論

（1）自制相變微膠囊在牛仔布上的應(yīng)用研究：①優(yōu)化出自制微膠囊在牛仔布上整理的最佳浸軋工藝條件為：自制微膠囊用量30g/L，粘合劑用量40g/L，增稠劑用量15g/L，焙烘溫度100℃，焙烘時(shí)間2min。②若要提高整理織物上微膠囊含量，可首選涂層整理工藝，同時(shí)通過(guò)增加微膠囊和粘合劑用量達(dá)到預(yù)期效果，然而需要考慮對(duì)織物透氣性和手感不利的影響。

（2）涂層整理工藝與浸軋整理工藝對(duì)整理織物性能的影響：同等條件下涂層整理織物的透濕性和透氣性均低于浸軋整理織物，但耐水洗性能涂層整理工藝優(yōu)于浸軋整理工藝。

（3）將研究合成的相變微膠囊用于牛仔布的智能調(diào)溫功能整理，其效果與商品相變微膠囊性能基本相近，本課題為提升牛仔系列產(chǎn)品檔次有一定意義。

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