智能調(diào)溫紡織品的應(yīng)用

李 揚

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

隨著人們生活水平的提高以及特殊行業(yè)對紡織品要求的不同，傳統(tǒng)紡織品簡單的保溫和御寒的功能已難以滿足人們的要求，具有功能性和舒適性的紡織品應(yīng)運而生，智能型紡織品的品種越來越多，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。其中人們利用相變材料開發(fā)的紡織品具有智能調(diào)溫的效果，可根據(jù)環(huán)境溫度的不同吸收或釋放熱量，即具有氣候調(diào)節(jié)功能，能在身體和服裝 等之間形成良好的小氣候，使人感覺到舒適[1]。

相變調(diào)溫紡織品是將相變材料與纖維和紡織品制造技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出的一種高技術(shù)產(chǎn)品。具有自動吸收、存儲、分配和放出熱量的功能。能夠防止頭、身體、足和手部位的因劇烈溫度變化而產(chǎn)生傷害，創(chuàng)造舒適的溫度環(huán)境。

冬天，人們會感覺到寒冷。寒冷是對熱量散失的感覺。當(dāng)溫度降低時，血壓降低，皮膚表面的血液流量減少，熱量損失減少；溫度進一步降低時，血液變得粘稠，肌肉變硬，反應(yīng)變慢，行動遲緩笨拙。人體需要有正常的體溫以保證由酶促反應(yīng)實施的生理代謝的正常進行，而正常的體溫是依靠人體的食 糧散熱來實現(xiàn)的。人是一個散熱散濕體，在30℃左右的環(huán)境溫度下，處于靜坐或從事輕度腦力勞動的全裸人體的散熱量為58.14W／m2，由此實現(xiàn)33℃左右的平均皮溫、38℃左右的深度血液溫度，使人體感到舒適。當(dāng)環(huán)境溫度輕度偏離30℃，人體可以通過出汗、體表毛細血管擴展或收縮、肌肉緊張、寒顫等自身調(diào)節(jié)行為調(diào)節(jié)產(chǎn)熱量和散熱量，使人體核心溫度維持在基本正常的范圍，但人體已感到不舒適。在環(huán)境溫度嚴重偏離30℃時，人體必須依靠圍護結(jié)構(gòu)來控制人體與環(huán)境之間的熱流量，在人體表面和圍護結(jié)構(gòu)之間形成溫度適當(dāng)?shù)奈⑿夂騾^(qū)，使人體具有適當(dāng)?shù)捏w溫和舒適的感覺。服裝、被褥、帳篷、房屋及其附屬的空調(diào)設(shè)備就是典型的圍護結(jié)構(gòu)。顯然，對戶外活動人群而言，服裝是唯一的圍護結(jié)構(gòu)。

1 相變調(diào)溫紡織品的特點及調(diào)溫原理

1.1 調(diào)溫原理

根據(jù)人體過熱與發(fā)冷的情況，依據(jù)相變材料可以吸收存儲和重新釋放身體的熱量，使人體始終保持較舒適的狀態(tài)的特性。在外界環(huán)境溫度升高時，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，降低了人體的溫度。相反，當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時，相變材料放出熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，減少了人體向周圍放出的熱量，以保持正常體溫，為人體提供舒適的“服裝微氣候”環(huán)境，使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)。當(dāng)穿著含有這種相變材料的服裝從溫暖的室內(nèi)進入到較冷的室外環(huán)境中時，并不是所有的相變材料發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)熱量從皮膚表面散發(fā)到冷環(huán)境中時，存在一個溫度變化梯度，不管產(chǎn)生多少運動熱量，靠近最外層的服裝是不會達到皮膚溫度的，相變材料可能呈固態(tài)；而最內(nèi)層接近皮膚的溫度，相變材料處于液態(tài)，有一放熱的潛在趨勢，但是相變材料的溫度沒有明顯改變。由于液體部分吸收并儲存了熱量，在這種固液混合狀態(tài)下，相變材料就像一個“恒溫器”有助于阻止熱量通過皮膚散發(fā)，對穿著者來說，達到了調(diào)節(jié)人體溫度的作用。這種相變材料在皮膚和外界環(huán)境之間創(chuàng)造一種動力學(xué)平衡，對外界環(huán)境溫度的變化起到了緩沖作用。因此研制能夠改變服裝內(nèi)溫度的“智能”服裝，來調(diào)節(jié)人體特定部位的溫度，保證人體特定的部位處于恒定的微氣候。美國的Hansen R H 將二氧化碳之類的氣體先溶解到不同溶劑中，然后將其填充到纖維的中空部分。在織造前，利用一些特殊的方法將中空部分密封，使纖維中的二氧化碳等氣體發(fā)生氣、液(固)之間的相變，使其達到保溫的目的[2]。

美國農(nóng)業(yè)部南方實驗室的 Vigo 等，將SrC12·6H2O、CaCI2·6H2O 等帶有結(jié)晶水的液相變材料充填到聚丙烯和人造絲等一些中空纖維中。其中的原理是利用相變水合鹽在室溫下發(fā)生的熔融和結(jié)晶，以此來達到放出熱量和吸收熱量的目的，從而調(diào)節(jié)溫度。但是經(jīng)過反復(fù)升降溫后，無機鹽便失去結(jié)晶水從纖維中析出，不再具有實用價值。

Frost、Vigo、Bruno 等開展了將聚乙二醇浸漬在中空纖維內(nèi)部或整理在織物表面等的一系列的研究工作。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，這些含有聚乙二醇的織物經(jīng)過150 次冷卻和加熱循環(huán)后，仍具有吸放熱功能。但由于中空纖維的直徑較粗，很難避免纖維表面沾有聚乙二醇，所以工業(yè)化的推廣價值也很小。

20 世紀80年代中期，Vigo 等將分子量為500～8000 的二羥甲基二羥基乙二烯脲和聚乙二醇等交聯(lián)劑以及催化劑一起混合后制成了均勻的水溶液，再將羊毛織物、棉和滌棉等織物在溶液中浸漬，經(jīng)過后處理后，得到了增重大于50%的織物，該類織物在0～50 ℃范圍內(nèi)都具有明顯的吸放熱的效果。美國Triangle 公司合成了直徑15μm～40μm的微膠囊。這種微膠囊具有吸放熱的作用，將其整理在織物表面，就使織物具有了溫度調(diào)節(jié)的功能。Triangle 公司申請了一種具有可逆蓄熱特點纖維的專利，這種纖維是在直徑為1.0μm～10.0μm 的微膠囊中封入石蠟類碳氫化合物，然后經(jīng)過和聚合物溶液一起紡絲從而制得的。

1.2 調(diào)溫特點

相變材料能隨環(huán)境溫度的變化而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，但并不是能發(fā)生相轉(zhuǎn)變的物質(zhì)就可作為相變材料。作為適宜工業(yè)化應(yīng)用的相變材料應(yīng)具有以下特點：

（1）合適的相變溫度。相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域、具體的應(yīng)用場合不同，所要求的相變溫度不同，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇具有適宜相變溫度的相變材料。

（2）儲熱能力強。一方面要求材料的相變潛熱(相變焓)大，另一方面要求單位質(zhì)量和單位體積材料儲存的熱量多(即儲熱密度大)。

（3）在相變過程中的體積變化小。在相變過程中，相變材料的體積變化越小越好，相變時體積變化大的相變材料難以在實際中應(yīng)用。

（4）相變過程的可逆性好。

（5）導(dǎo)熱快，即相變材料具有較高的傳熱能力，吸熱和放熱的速度快。

（6）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，無腐蝕性，不易燃。

（7）結(jié)晶速度快，過冷程度低。

（8）密度大。許多應(yīng)用場合要求相變材料具有較大的密度，以減小體積。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

目前，相變材料在飛行保暖手套，軍用冷或熱氣候作戰(zhàn)靴，軍用、民用潛水服、冬服，海軍陸戰(zhàn)隊微氣候冷卻服裝、寢具，賽車服、頭盔，服飾(滑雪服、滑雪靴、手套、襪類等)[2]，汽車內(nèi)飾織物等均有應(yīng)用。在理療上，利用相變材料溫度的調(diào)控性能對病人的病情會起到良好的輔助治療作用。對于在高寒區(qū)工作的軍警等特殊群體而言，采用積極式智能保溫材料PCM，可在不同溫度環(huán)境下、在一定時間范圍內(nèi)維持人體微氣候區(qū)的溫度基本恒定，可降低服裝體系的重量，緩解服裝重量和服裝保暖量的矛盾，減少單兵負荷、提高單兵的戰(zhàn)斗力。此外，冷庫工作人員等反復(fù)交替出入冷熱環(huán)境的人群，也適合與使用PCM 材料。

3 智能調(diào)溫紡織品的用途

關(guān)于蓄熱調(diào)溫紡織品的用途，目前仍在開發(fā)中，其用途有很多方面。

（1）服裝領(lǐng)域。具有服用紡織品的基本性能，因而可用做民用紡織品，如服裝面料、里料等，已經(jīng)市場化的產(chǎn)品有茄克、體育運動服和滑雪衫等。用于高級西服、消防服、煉鋼服、潛水服、宇航服、飛行服、野戰(zhàn)服、極地探險服、冷庫工作服、鞋襯等[3]。

（2）裝飾領(lǐng)域。用做窗簾、床單、被面或保溫絮片，其用于睡袋的保溫絮片已市場化。

（3）醫(yī)療領(lǐng)域。用于手術(shù)服、醫(yī)用恒溫繃帶，還可用于病員服裝。

（4）產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。用做建筑屋頂、汽車內(nèi)襯、電池隔板或其材料。

[1]顧振亞，陳莉. 智能紡織品設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：29-30.

[2]朱良久，崔玉桐. 新兵凍傷情況調(diào)查分析[J]. 解放軍醫(yī)學(xué)雜志，2005(1)：61-62.

[3]石海峰，張興祥. 微膠囊技術(shù)在蓄熱調(diào)溫紡織品中的應(yīng)用[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008(12).