相变材料在调温纺织品中的应用现状及发展前景

相变材料在调温纺织品中的应用现状及发展前景顾侠斌杨文芳

渊天津工业大学纺织学院袁天津300387冤

述曰介也摘要页介绍了相变材料的性质尧分类及研究现状曰对其在服装中的应用条件尧也绍了相变材料的应用领域曰对存在的问题进行了分析曰展望了相应用方法做了阐也关键词文献标识码页相变页材料B曰智能调变材料的发展前景遥

也温文章编号曰服装曰纺织品页1671-3389渊2014冤01-17-02

1前言

温度遥80年代中期袁美国航空航天总署渊NASA冤开

相变材料PCM渊phasechangematerials冤是一始资助具有温度调节功能的纺织品研究工作袁准种利用相变潜热来贮能和放能的材料遥随着科技备用于宇航服中的工作手套遥美国航空航天总的进步袁人们的工作环境也在不断地改变袁在以署尧美国空军渊USAF冤和美国海军(NAVY)等还委往袁传统意义上的服装只是起到保暖御寒的作托TRDC渊tri-angleresearch&development用袁但是在高温环境下人们只能尽可能地减少服com-pany冤公司将相变材料密封于微胶囊中袁研装袁而没有什么服装能让人在高温下舒适工作遥制出具有吸放热功能的微胶囊遥

而且袁传统意义上的服装其保暖机理是阻隔作

1993年袁美国TRDC公司研制出了具有可逆用袁通过阻挡人体热量的散发和外界冷空气的侵

蓄热特点的纤维并申请了专利袁这种纤维是通过袭来减缓体表的温度下降以达到保暖的效果遥相将石蜡类碳氢化合物封入直径为1.0~10.0μm的对而言袁将相变材料应用于纺织品中的智能调温微胶囊中,然后与聚合物溶液一起纺丝制得的遥服装袁利用了相变材料能在相变过程中吸收或释1997年袁Outlast公司和Frisby公司采用这一技术放大量的热量袁但同时能够使温度的上下波动保生产出了腈纶纺织品袁用于保温内衣尧毛毯尧滑雪持在相对恒定的范围内这一特点袁以保持人体与靴尧夹克和运动袜等的生产遥也有公司将蓄热微胶服装间微小气候内的温度基本恒定遥

囊添加到织物表面袁以此提高织物的保温性遥19992相变材料的研究历程

年袁美国NSF和DOA资助研究人员将水和相变材2.1国外研究历程

料胶囊化袁与植物种子一起埋入沙漠等恶劣的环在20世纪70年代初期袁Hansen.R.H在美国境下袁让种子能在这样的环境下发芽生长遥申请了专利袁通过将CO2.2国内研究状况

2之类的气体先溶解到各种溶剂中袁再填充到纤维的中空部分遥在织造前袁我国在20世纪70年代末开始对相变储能利用特殊方法将中空部分密封袁使纤维中空部分材料进行研究袁中国科技大学1978年开始进行的CO相变储热的研究袁并对相变材料的理论和应用做2等气体发生气要液渊固冤相转变袁以此达到保温的目的遥在70年代末袁Mehalick提出将相变了详细的研究工作遥20世纪90年代初开始了蓄材料微胶囊渊Micro-encapsulatedphase-change热调温纺织品的研究工作袁现在已由理论研究逐materials冤简称MEPCM引入热传递流体提高流体渐转向应用开发遥

热传递性能和蓄热性能遥80年代初期袁美国农业天津工业大学功能纤维研究所自1993年开部南方实验室的Vigo等人将带有结晶水的无机始从事蓄热调温纤维的研究开发工作袁对以聚对盐类渊硫酸钠尧氯化钙尧氯化锶等冤填充到中空纤苯二甲酸乙二酯要聚乙二醇嵌段共聚物尧脂肪族维的中空部分袁利用相变水合盐在室温下发生的聚酯尧聚乙二醇和聚丁二醇为原料进行熔融复合熔融和结晶来达到吸热和放热的目的袁从而调节

纺丝制得具有温度调节功能的纤维进行了系列研究曰马晓光教授将相变材料聚乙二醇渊PEG冤以

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交联方式添加到织物上袁对整理后的织物的蓄热调温性能进行了研究遥1997年该校在国家野九五冶重点尧国家纺织工业局年度科研计划项目资助下对熔融复合纺丝技术进行了深入研究袁在2000年底袁研制出了相变物质含量在16%以上袁单丝线密度为5dtex的蓄热调温纤维袁而且该技术还获得了国家发明专利遥张兴祥研究组对正十八烷为囊心尧三聚氰胺-甲醛树脂为壁材的相变材料微胶囊的合成和影响因素进行了深入细致的研究遥

3应用于服装的相变材料的基本要求

3.1合适的相变温度

适合纺织服装使用的三种不同的相变温度为:18.33～29.44℃袁用于严寒气候曰26.67～37.78℃袁用于温暖气候曰32.22～43.33℃袁用于大运动量和炎热气候遥3.2热力学要求

热导率高袁热量可以方便地存入和取出曰性能稳定袁可反复使用而不发生熔析和副反应曰对潜热储存相变焓大袁相变时体积变化小曰储热能力强袁为了保证足够的热缓冲能力袁应用于纺织品的相变材料袁一方面要求其相变潜热大袁另一方面要求单位质量和单位体积材料储存的热量多遥

3.3化学和物理稳定性

纺织品是与人体密切接触的产品袁应用于纺织品的相变材料必须无毒尧无腐蚀性尧无危险性曰相转变过程完全可逆袁过冷或过热现象小袁而且正过程和逆过程的方向仅仅以温度决定遥3.4经济适用要求

原材料能就地取材或者运输方便袁相变材料制造成本低袁且容易制造遥

4相变材料的分类

相变材料在自然界中存在的形式各种各样袁迄今为止袁已有超过500种的天然和合成相变材料被人们掌握和了解遥4.1相变温度分类

按相变温度的范围袁将相变材料分为三类院高温尧中温和低温相变材料遥高温材料是指在200~1000℃范围的相变材料袁主要是一些无机盐类曰常-低温相变材料是指-20~200℃范围袁主要是一些无机盐水合物尧有机物尧高分子遥窑18窑

2014年第1期

4.2相变形态分类

按相态变化的方式袁将之分为四类院固要固相变尧固要液相变尧固要气相变尧液要气相变材料袁由于后两种相变方式在相变过程中袁伴随有大量气体存在袁使材料体积变化较大遥因此袁尽管它们相变焓较大袁但实际中很少应用遥纺织品中常用的是固要液相变材料袁固要固相变材料也有所应用遥

4.3材料属性分类

按相变材料的属性袁将之分为三类院无机水合盐相变材料尧有机相变蓄热材料尧复合相变蓄热材料遥

5相变材料在纺织品中的应用

由于相变材料的诸多优越性袁目前已在航空航天尧制冷尧电子元件的热调控材料尧太阳能存储尧建筑材料尧以及日常生活用品等很多行业应用遥

5.1纺织服装方面

制成自动调温的服装袁可根据外界环境的温度变化袁为人体提供一个舒适的微气候环境袁在人体与外界环境之间袁对人体体温起到积极的调节作用遥应用在运动性服装上袁相变材料吸收运动员剧烈运动产生的大量热量袁避免过快的体温上升出现的高温现象袁对运动员造成不良的影响遥相变材料也用于滑雪服尧滑雪靴尧手套尧袜类遥5.2医疗卫生方面

在理疗上袁利用相变材料温度调控性能袁已制成多种温度段和适合人体部位形态的热敷袋袁制成始终保持在舒适温度的被褥袁以及用于丧失体温调节机能的病人服装等袁对病人的病情起到良好的辅助治疗作用遥在医用领域袁蓄热调温织物用做医用恒温绷带袁可防止局部温度过高袁防止出汗引起伤口感染袁影响伤口愈合袁也可防止冻伤遥

6智能调温纺织品的制备方法

目前常用的相变智能调温纺织品的制造方法主要有以下四种院

6.1中空纤维浸渍填充法

早期的相变调温纤维通常是将中空纤维浸渍在相变材料中袁使纤维的中空部分充满相变材料溶液袁经干燥后将纤维两端封闭而制得遥中空纤维浸渍填充法生产相变调温纤维时袁由于所用

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纤维的直径较大袁使得这种方法生产的纤维难以

应用到调温纺织品中的相变材料除主要考在工业化应用中得以推广遥虑其相变温度和相变焓两个因素外袁还有其他多6.2织物整理法

方面的性能要求袁故在实际应用过程中袁要找到织物整理法是通过整理或涂层的方式袁将相满足所有这些条件的相变材料很困难袁需要经过变材料施加在织物上袁从而获得具有储能调温功大量的配伍试验袁花费大量的人力和物力遥能的纺织品遥这种加工方法简单袁但存在相变材7.3产品中的问题

料含量低尧加工后产品手感和服用性能变差的缺加入相变材料的纺织品袁因为相变材料的原点袁织物耐洗涤性较差遥因袁导致了产品耐久性尧耐洗涤性差袁同时纺织品6.3纺丝法

的手感也变差遥纺丝法是指将相变材料添加到纺丝聚合物的熔体或者溶液之中进行纺丝加工遥通过将相变8相变材料的未来

物质如石蜡纺制在纤维内部袁从而得到含有相变随着科技的进步和各个领域的交叉互补袁纺物质的相变调温纤维的方法遥织服装领域也进入了一个全新的高速的发展阶6.4微胶囊处理法

段袁由传统意义上的纺织服装业向着多功能性尧所谓的微胶囊是指由天然或合成高分子材高附加值的新领域进军遥而加入了相变材料制成料制成的微型容器遥微胶囊处理法是指将相变物的智能调温服装正是其中的代表袁是重要的研究质包裹在微胶囊内遥微胶囊从技术上克服了相变领域之一遥

物质应用的局限性袁提高了相变材料使用的效也许不久的将来袁人们就可以在冬天穿着像率袁拓宽了相变材料应用领域遥将相变材料进行夏天一样轻便的衣服而感觉到温暖袁因为加入了微胶囊化袁不仅可以有效地增大热传导面积袁减相变材料的智能调温服装自动帮我们调节了体少相变材料与外界环境的反应袁而且可以在相变

表的温度曰而在夏天袁不需空调不需电扇袁穿着的发生时控制材料体积的变化遥

智能调温服装就自然调节体表温度让人们在炎7相变材料在实际应用中存在的问题

炎夏日感到清凉舒适曰在炼钢厂等需要在特殊高温环境工作的工人也可以穿上合身的衣服袁通过含相变材料的服装虽然能较为有效地改善

衣服的智能调温而舒适地工作等等遥这就是加入人体与服装间的微气候袁但受当前技术发展的限了相变材料制成的智能调温服装所能带给人们制袁还存在一些问题遥的一系列便利中的几点遥因此袁我相信相变材料7.1调温时间短

以及将相变材料加入纺织品制成智能调温服装用于调温纤维和微胶囊中的相变材料一般具有极大的发展潜力和广阔的市场前景遥用量较少袁贮热容量相应也少袁制成的调温纺织品调温时间较短袁仅为15~30min袁如果需要延长参考文献

调温纺织品的调温时间,就要求提高相变材料的1.张冬霞袁郭凤芝.相变材料在调温服装中的性能或是加大相变材料的用量遥所以产品所能调应用[J].北京:中国纺织出版社袁2007

节的时间以及温度还有待加强遥2.李祎袁于航袁刘淑娟.相变材料微胶囊的国7.2试验比较繁琐

内外研究现状[J].能源技术袁2007渊1冤

渊上接第50页冤结合目前教学现状袁只有将正参考文献

确的教学内容袁合理的教学方法袁充沛的教学资1.张康夫.服装色彩学多媒体互动及网络教源与恰当的考核方式相结合袁才能取得良好的教学模式研究(J).大舞台袁2009渊4冤

学效果遥从而培养出符合市场需求袁满足行业要1.胡叶娟.高职服装色彩课程项目式教学研求袁具有发展潜力的服装专业人才遥

究(J).辽宁丝绸袁2012渊2冤

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