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织物的蓄热保温整理

   服装最重要的功能在于维持人体正常温度,使人体感到舒适。服装的热传递基本上可分为两种:显热传递,即人体温度和外界环境存在差异可产生的热量传递,它主要通过热传导、对流和辐射来完成;潜热传递,即由于人体与外界环境之间的蒸汽浓度差而产生的湿热传递,它主要通过蒸发和排汗来完成。
  
  传统服装主要通过控制人体与外界环境之间的热辐射、热传导和对流而达到保温目的。当环境温度较低时,可通过适当增加织物的丰厚度,使织物的静止空气层的空间加大以提高保暖效果;环境温度接近或高于体温时,人体已难以通过辐射、对流和传导来散失热量,此时应降低织物厚度以增大人体与环境间的热交换,且皮肤还需大量排汗,利用汗液的蒸发带走热量才能维持体温的恒定。
  
  随着服装的时装化,仅通过增加或降低织物厚度来维持人体适宜的温度,不但麻烦而且有时也很困难,而且也不美观。因此,上世纪90年代以来,新型保温调温纤维和织物的开发研制骤然兴起。各种新型的保温调温纺织品相继问世,例如远红外纤维、降温织物、在原丝液中填加特殊的陶瓷粉末或涂层法将陶瓷粉末涂布在织物上。最近,一种新的方法——微胶囊技术,应用在开发蓄热调温纺织品上。

1 蓄热调温纺织品的介绍
  
  蓄热调温纺织品是一种通过纺织品表面或纤维内含有的相变物质遇冷、热后发生固-液可逆相变而吸收、放出热量,从而具有温度调节功能的新型高技术纺织品。这类纺织品能够根据外界环境温度的变化在一定的湿度范围内可自由调节纺织品内部温度,即当外界环境温度升高时,可以储存能量,使纺织品内部温度升高相对较低;当外界环境温度下降时,可以释放能量,使纺织品内部温度降低相对较少,做成服装后比常规纺织品更具舒适性。
  
  蓄热调温纺织品研制所使用的相变物质的相变温度通常在0-50℃,利用相变物质的吸放热特性将其加工到纺织材料上可以获得意想不到的效果。上世纪80年代中期,各国研究人员先后采用多种工艺路线研制开发蓄热调温纺织品,我国自上世纪90年代初开始蓄热调温纺织品的研究,现已取得了很大成绩。
  
  20世纪80年代中期,美国NASA开始资助具有温度调节功能的纺织品的研究工作,计划用于宇航服中的工作手套,美国Triangle研究发展公司和农业部南方工作室先后开展了该方面的研究工作。20世纪90年代初美国Gateway公司(现更名为Outlast技术公司)得到了Triangle公司用微胶囊技术制造蓄热调温纺织品和泡沫的专利授权,该公司经过数年的研究改进,于1997年开始生产和销售含有蓄热调温微胶囊的纤维、织物和泡沫产品。日本和欧洲等工业发达国家也有同类研究。

2 蓄热调温纺织品保温机理
  
  蓄热调温纺织品与传统的纺织品的区别在于保温机理的不同。传统的保温衣物主要是通过绝热方法来避免皮肤温度降低过多,而绝热效果主要取决于织物的厚度和密度。厚度越大、密度越小,绝热效果越好,因为滞留在织物内部的静止空气多而空气的热传导率极小,然而传统织物的保温效果受限于外界压缩和水分的影响。而蓄热调温技术的保温机理则是一种对水分和外界压力影响不敏感的能为人体提供舒适微气候环境的全新的保温机理,即提供热调节而不是提供热隔绝。这种全新的保温机理在于纺织品内部应用了微胶囊相变材料,相变材料在其固、液相态之间变化时从外界环境吸收或释放热量,且在相变的过程中温度保持不变。含有相变材料的纺织品不论外界环境温度升高还是降低时,它在人体与外界环境之间起一个调节器的作用,缓冲外界环境温度的变化。
  
  蓄热调温纺织品除具有与普通纺织品相似的静态保温(热板法测试)性能外,还具有动态保温性能,动态保温性能的产生是纺织品内部包含的相变物质在环境温度变化时的吸热或放热引起的。当环境温度或人体皮肤温度达到服装内微胶囊相变材料(MPCMs)的熔点时,MPCMs吸热从固态转化为液态,在服装层内产生短暂的制冷效果。一旦MPCMs完全液化,储能便结束。如果MPCMs服装在低于PCM结晶温度的寒冷环境中使用,液态PCM,将变回固态,释放出能量,提供短暂的加热效果。这种热转换在服装内起缓冲作用,减小皮肤温度的变化,延长穿着者的舒适感。

3 蓄热调温纺织品的制造方法
  
  蓄热调温纺织品的制造方法有以下三种:

3·1 织物表面整理法

3·1·1 相变物质直接整理法
  
  相变物质用交联剂及催化剂一起混合后制成均匀水溶液,将棉、涤棉或羊毛织物等在溶液中浸渍,轧压、烘干、皂洗后得到增重50%左右的织物,该类织物在0-50℃温度范围具有明显的吸放热效果。

3·1·2 蓄热微胶囊整理法
  
  微胶囊是由天然或合成的高分子制成的微型容器。蓄热微胶囊是将相变物质在液态时包裹在微小球体中。含有相变物质的微胶囊随着外界环境温度的变化,相应的吸收热量和释放热量。将蓄热微胶囊整理到织物表面,可以明显提高织物的保温性。

3·2 中空纤维内部填充法
  
  一般来说,调温织物的调温效果是利用纤维内部的温适载体或其含有的相变材料达到的。1971年Hansen R.H申请的美国专利将二氧化碳之类的气体先溶解到各种溶剂中,然后充填到纤维的中空部分,在织造前,利用特殊方法将中空部分密封,从而利用纤维中空部分的气-液 (固)相转变来达到保温。上世纪80年代初期,Vigo等人将带有结晶水的无机盐充填到中空纤维的中空部分,利用相变盐在室温下发生熔融和结晶而产生可逆的贮热和释热性能,从而达到调温效果。

3·3 直接纺丝法

3·3·1 相变物质直接纺丝法
  
  采用纺丝法直接将低温相变物质如石蜡纺制在纤维内部,并在纤维表面进行环氧树脂处理,防止石蜡从纤维中析出。该纤维在升降温过程中,石蜡熔融吸热、结晶放热,使纤维的热效应明显不同于普通纤维。
  
  天津工业大学的研究表明,单纯将相变物质作为一种成分用于熔融复合纺丝很困难,由于低温相变物质的熔融粘度很低,完全不具备可纺性,只有将低温相变物质与多种增粘剂混合后才能用于纺丝,采用分子量为100O的PEG纺出的纤维具有明显的温度调节功能。

3·3·2 蓄热微胶囊共混纺丝法
  
  1993年Tringle公司申请了将石蜡类碳氢化合物封人直径1-10µm的微胶囊中,然后与聚合物溶液一起纺丝,得到具有可逆蓄热特点纤维的专利。其中主要是通过将相变材料包封在直径1-10µm的微胶囊中,对织物进行涂层或将微胶囊混入纺丝液中进行纺丝。
  
  蓄热调温微胶囊就是将特定温度范围的相变材料用某些高分子化合物或无机化合物以物理或化学方法包覆起来,制成直径在1-100µm之间常态下稳定的固体微粒,这种包裹后相变材料性质不受影响的固体微粒就是蓄热调温微胶囊。蓄热调温微胶囊与其他微胶囊(缓释微胶囊、压敏微胶囊等)的不同之处在于壁材的选取和设计不同。缓释微胶囊、压敏微胶囊等类型的胶囊是希望胶囊壁材在外界条件的作用下被破坏以达到特殊效果,而蓄热调温微胶囊的壁材则需要在外力作用下能够较长时间保持其完整性,以避免芯料的渗透。

4 性能的评价方法
  
  服装的热湿舒适性的评价方法和指标与单纯的织物保暖性、透湿性的评价方法和指标有很大不同,因为前者所涉及的广度与深度远比后者多。具体来说,前者要受到人体、服装、环境三方面因素的影响,而后者从织物本身来进行研究。这些年来,纺织品的热湿舒适性在研究方法上主要集中在以下三种方法,即微候仪法,暖体假人法和实际人体穿着法。它们各有优缺点。
  
  但就具体测试方法而言,又分为单纯热湿性能测试和综合热湿性能测试,一般主要采用微气候仪法并结合实际人体穿着法进行研究,以期取长补短,优势互补。
  
   为了模拟人体出汗时衣内微气候的变化行为,许多学者研制了各种不同的微气候仪,并建立了大量的评价指标。国外有许多科学家先后研制了不同种类的微气候仪,具体有Hardy、Behrmann、Meheels、Woodcode、尾崎、诸风、川端、丹羽、松本、若野等人,国内有李毅、施楣梧等人研制的微气候仪I型和Ⅱ型、林秀壁等人研制出的简单出汗筒体、崔慧杰等人模仿德国Umbach博士的仪器研制了织物动态热湿舒适性能汽相缓冲作用测试仪以及总后军需研究所根据衣内微气候理论研制的衣内微气候测试仪。

5 蓄热调温纺织品的应用

5·1 服装与鞋帽
  
  在外界环境温度达到相变物质的熔融点或结晶点后,相变物质开始吸收或释放热量,使穿衣人的人体与外界环境之间的热量流动减少或者被中断,从而在人体与外界环境之间建立一种相对的动态热平衡,对人体起到积极的温度调节作用。
  
   由于纤维或织物中含有的相变物质可以吸收、储存和重新释放身体的热量,因此当脚或头产生过量的热量时,它可以吸收热量;而当脚或头感觉发冷时,储存的热量又可以重新释放到身体比较冷的部位。

5·2 医疗卫生用品
  
  通过含相变物质微胶囊对诸如手术服、床上材料和精心护理所用的材料等医疗卫生用品的功能整理,不仅可以改善医生的舒适度,而且对病人的病情起到良好的辅助治疗作用。

5·3 保护性装置
  
  在头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等等保护性装置中应用微胶囊相变材料,可以适当地控制这些部位汗液的产生与排放。通过微胶囊内的相变材料的相变可以调节身体局部温度的平衡,以减少湿热的产生,从而为人体的这些部位提供适当的冷却度。

5·4 汽车内织物
  
  在汽车内部采用蓄热调温纺织品作为内衬,同样可以为乘客提供温度调节效果,并且通过相变材料的吸热或放热来保持车内温度的恒定。B.PAUSE对汽车内部诸如地板、车顶、座椅及仪表盘等物品应用蓄热调温纺织品具有明显的调温效果。

5·5军事用途
  
  由于调温纤维及纺织品一开始就是NASA及美国军方资助的项目。因此,受到他们的关注就不足为奇了。目前,已经用于制造飞行保暖手套,军用冷或热作战靴、潜水服、冬季服装、海军陆战队微气候冷却服装等方面。除此之外,它还能用于红外线伪装服,军事应用上的红外光波段主要分为0.75-3µm的近红外和3-15µm的热红外。近红外探测是根据目标与背景的亮度差别来发现目标。因此,伪装主要是设法减少或消除目标与背景的亮度差别。红外热象仪则是利用高于环境温度的物体都会向外发射红外辐射而使之成像。因此,防热红外探测就要通过降低目标在热红外谱段的热辐射。调温纤维及纺织品能缓冲人体散发的热,降低热红外辐射。有望在热红外伪装方面起些作用。为了满足近红外和热红外伪装的要求,将红外伪装材料进行复合加工。20世纪90年代美国陆军设计出三色红外伪装服。它由三层具不同热红外发射率的伪装材料复合而成,每层材料呈现不同的颜色,能较好地模拟背景的光学特征,具有较强的红外伪装效果。美国Teledyne Industries lnc也设计一种多层涂层织物复合加工成的伪装服,每层织物具有不同的红外发射率。它们相互搭配,从而尽可能的模拟背景的红外发射情况,防伪效果较好。

6 结束语
  
  目前,纺织材料的研究开发已经步入了一个新领域,向着高功能、高附加值发展。随着蓄热调温纺织品技术的不断深人,及其范围的不断扩大,它所带给人们的效果是不同凡响的,会使我们的生活更舒适。
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分类:面料知识和资讯| 发布:clsrich| 查看: | 发表时间:2019-09-15
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