智能调温纺织品用相变材料相变微胶囊
一、智能调温纺织品的发展背景
随着人们生活水平的提高以及特殊行业对纺织品要求的不同，传统纺织品简单的保温和御寒的功能已难以满足人们的要求，具有功能性和舒适性的纺织品应运而生。智能纺织品的品种越来越多，其应用的领域不断扩大。其中人们利用相变材料开发的纺织品具有智能调温的效果，可根据环境温度的不同吸收或释放热量，即具有气候调节功能，能在身体和服装等之间形成良好的小气候，使人感觉到舒适。
二、智能调温纺织品的发展历程
20世纪70年代末80年代初，美国NASA开始资助具有温度调节功能的纺织品研究工作，计划用于保护宇航员和珍贵的设备，使其免受外太空温度急剧变化的影响。美国Triangle研究开发公司和农业部南方实验室先后开展了该方面的研究工作。
20世纪90年代初，美国Outlast公司取得了Triangle公司用相变微胶囊技术制造相变调温纺织品的专利授权，于1997年开始生产销售含有蓄热调温微胶囊的纤物、织品。
日本，欧洲，新加坡等工业发达国家也有同类研究。
目前，中国的广州，上海，天津等很多研究所也在研究此课题，并取得了一定的进展。2013年SARS病毒肆虐全国，医护人员穿着的医用防护降温服，就是利用相变材料进行降温，保卫了战斗在抗击SARS一线的医护人员的身体健康。
但是目前国内的智能调温纺织品大都采用的是进口的相变微胶囊或者微胶囊溶液，国内的研究主要集中在各大高校和科研实验室，很难进行工业化生产。
自2014年，国内专门研究相变材料的一些公司在相变微胶囊上取得了重大的进展，尤其是恬蓝新材料（上海）有限公司，该公司不仅实现了相变微胶囊的批量化生产，而且在智能纺织品的研究上取得了突破。
三、智能调温纺织品的作用原理
冬天，人们会感觉到寒冷。寒冷是热量散失的感觉。当温度降低时，血压降低，皮肤表面的血液流量减少，热量损失减少；温度进一步降低时，血液变得粘稠，肌肉变硬，反应变慢，行动迟缓笨拙。
人们需要有正常的体温以保证由酶促反应实施的生理代谢的正常进行，而正常的体温是依靠人体的适量散热来实现的。人是一个散热散湿体，在30℃左右的环境温度下，处于静坐或者从事轻微脑力劳动的全裸人体散热量为58.14W/㎡（50kCal/㎡h）,由此实现33℃左右的平均皮温、38℃左右的深度血液温度，使人体感到舒适。当环境温度轻度偏离30℃，人体可以通过出汗，体表毛细血管扩展或收缩、肌肉紧张、寒颤等自动调节产热量和散热量，是人体核心温度维持在基本正常的额范围，但人体已感到不舒适。当环境温度严重偏离30℃时，人体必须依靠围护结构来控制人体与环境之间的热流量，在人体表面和围护结构之间形成温度适当的微小气候区，使人体具有适当的温度和舒适的感觉。服装、被褥、帐篷、房屋及其附属的空调设备就是典型的围护结构。显然，对户外活动人群而言，服装是唯一的围护结构。
智能调温纺织品是将相变微胶囊与纤维和纺织品制造技术相结合开发出的一种高技术产品。具有自动吸收、存储、分配和释放热量的功能。能够防止头、身体、足和手部因为剧烈温度变化而产生伤害，创造舒适的温度环境。
在外界环境温度升高时，相变材料吸收多余的热量，从固态转化为液态，降低了人体的温度，相反，当外界环境温度降低时，相变材料会放出热量，从固态转化为液态，减少了人体向周围放出的热量，以保持正常体温，为人体提供舒适的服装微气候环境，使人始终处于一种舒适的状态。
四、相变材料和相变微胶囊简介
自然界中的物质以三种状态存在：固态（相）、液态（相）和气态（相）。相变是物质从一种相转变为另一种相的过程。物质在固、液汽三相之间转化中，常伴有吸热或放热以及体积变化。单位质量物质在等温等压条件下，从一种相转变为另一相时吸收或放出的热量被称为相变潜热。相变材料PCMs(Phase change material)是一类在一定温度范围内，以潜热的形式依靠自身可逆相变从环境中吸收或释放热量的物质，在发生相变的过程中，物质的温度保持不变。
对于固-液相变相变材料而言，当温度升高时，相变材料吸热而熔化，贮存能量；反之，当温度降低时，相变材料释放热量而结晶，放出热量，如冰和水之间的相互转化，这是潜热式贮热的基本原理。与传统的显热储存方式不同的是，相变材料能够提供更高的储能密度，且能量的储存和释放是一个等温或近似等温的过程。
适用于智能调温纺织品的相变材料要具有以下的特点：
1.相变温度接近人体的温度。相变材料的有效性取决于相变材料的温度变化范围及相变热。当一个人处于热平衡时，感觉舒适的平均温度是33.4℃。身体任何部位的皮肤温度与皮肤的平均温度的差别在1.5~3.0℃内，人体感觉舒适。若温度范围超过±4.5℃，人体将有冷暖感。适合纺织服装使用的相变材料要根据不同的气候及用途，选择与使用温度相一致的相变温度范围。如18.33~29.44℃，用于严寒季节；26.67~37.78℃，用于温暖季节；32.22~43.33℃，用于大运动量和炎热气候。
2.热容量较大。即不但要有较高的相变潜热，而且要求单位质量和单位体积的相变潜热都足够大。
3.相转化过程完全可逆。也就是说必须在恒定的温度下融化或固化，过冷或过热现象小。
4.物理和化学性能稳定。相变材料应无毒、无腐蚀性、无危险性、体积变化系数小，成本低，制造方便。
5.适宜的热传导系数。对热变化的响应快，能较快的吸收和释放热量。
6.耐温性能好。在智能调温纺织品的加工过程中，耐温性能差的相变微胶囊外壁会遭到破坏，影响效果。
7.无液体析出。
由此，相变材料的微胶囊化技术的进步使相变材料可以实际应用于纺织品中。
微胶囊的制备技术起源于20世纪50年代，在70年代中期得到了迅猛的发展，在此期间出现了许多微胶囊化产品和工艺。将固-液相变利用封装技术分散成球形小颗粒，再在表面封装一层性能稳定的壳材，即得到相变微胶囊。纺织服装所用的微胶囊直径一般都在1~100μm之间，潜热在100-150kj/kg之间。
相变微胶囊在智能调温纺织品的应用中具有以下优势：
1.外力的作用下能较长时间保持其完整性，避免芯材的渗漏；
2.增大相变材料的表面积，增大其导热系数；
3.提高相变材料的耐久性，增加其实用寿命。
五、智能调温纺织品的制备方法
相变材料在纺织品的应用中主要采用中空纤维填充法，纺丝法，面料后整理法，发泡等方法。
1.中空纤维填充法
早期的相变调温纤维通常是将中空纤维浸渍在相变材料溶液中，使纤维的中空部分充满相变材料溶液，经干燥后再将纤维两端封闭而制得的。相变材料用溶剂溶解，配成溶液，然后注入粘胶、丙纶等中空纤维中，经冷却固化后将纤维端口封闭从而得到调温纤维。
缺点：无机水合盐填加在中空纤维内部，得到的相变调温纤维调温效果的耐久性差，调温功能易降低；且纤维的直径较大，难以在工业化应用中推广。
2.纺丝法
将相变材料添加到纺丝聚合物的熔体或溶液中，然后进行纺丝加工。利用纺丝方法生产的调温纤维，相变材料的含量较高，调温效果明显，相变材料均匀分布在纤维内部，不易泄露，因此纤维的调温效果耐久性好，耐洗涤性和耐磨性能优良。
根据纺丝方法的不同形式，纺丝法分为湿法纺丝和熔融纺丝。湿法纺丝是工业化制备调温纤维的主要方法。目前采用湿纺生产的调温纤维主要是腈纶纤维，最大的加入量约为8%。但湿法纺丝的工业流程较长，污染较大，并且纤维中微胶囊的添加量较低。熔融纺丝法纺丝是利用相变微胶囊与成纤聚合物结合的聚合物，这种制备方法具有成本低，纺丝容易，可避免相变材料泄露等优点。由于相变微胶囊在熔融纺丝中需要承受高温和较大的压力，所以目前较常使用的是湿纺纺丝发。
3.后整理法
织物后整理法是通过整理或涂层的方式，将相变材料施加在织物上，从而获得调温纺织品的方法。涂层法通过涂层加工手段，利用胶黏剂将相变微胶囊机械的粘结在纺织品上，由于织物整理的方法是将相变高聚物附着在纤维表面，故而对织物手感及使用的稳定性都存在影响。目前涂层法主要采用的刀涂的方法。印花法也是广泛应用的一种方法，目前主要采取的是圆网印刷的方法。
4.发泡法
使用水吹法得到的泡沫材料很柔软，相变微胶囊均匀分布，很适合做服装的衬里，头盔，手套和靴子。但是泡沫的抗撕破强度很低。
六、智能调温纺织品的应用
1.服装
智能调温面料可以广泛应用于保暖内衣、贴身内衣、运动衣、衬衫、裤子 、外套等，减轻出入空调房引起的不适，减少过热和发冷，减少汗液排放，或增强保暖效果，温度调节，适应您对热量的需要，增加舒适度。
2.床上用品
智能调温床上用品，可采取喷胶棉或梳理面料的方法应用于床垫、床垫褥、棉被、枕头和毛毯，将床上的温度和湿度保持在最理想的范围内，让您安然入眠，杜绝深度睡眠后发冷，提高睡眠质量，减少过热、夜晚盗汗、踢被等现象，适应您伴侣的体温，温度调节，适应您对热量的需要，增加舒适度
智能调温纺织品作为一种舒适元素不仅可以应用于服装、床上用品，还将广泛应用于鞋袜，医疗用品，汽车装饰品等。
智能调温纺织品的开发不仅代表着纺织工业的科技进步，也给人们的生活带来了舒适和便利。恬蓝新材料科技（上海）有限公司已经在借鉴Outlast等国外先进的技术和经验同时，也自主创新，在很多的领域都取得了突破性进展。
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