相变材料.docx

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相变材料

新型功能纤维

何丽云学号：

12082100179研一4班

新型纤维之所以称新型纤维，主要是纤维的形状、性能或其他方面区别于原来的传统纤维，且为了适应生产、生活的需要，在某些方面得到改善的纤维。

新型纤维可以分为新型天然纤维、新型纤维素纤维、大豆蛋白纤维、水溶性纤维、功能性纤维、差别化纤维、高性能纤维以及高感性纤维等。

新型纤维是传统纤维不再满足于人们在某些方面的需求，解决传统纤维的一些缺陷的条件下应运而生的，它反映的是人们对纺织材料要求的提高。

同时，新型纤维的开发，反映了纤维材料在今后的发展趋势和方向。

故研究现行新型纤维开发现状、种类对今后新型纤维的进一步发展和开发具有重要的意义。

本文涉及到新型功能纤维包括相变调温纤维和吸湿排汗纤维。

1、相变调温纤维

1、概述

相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）是一类在外界环境温度变化情况下，依靠自身可逆相变，以潜热的形式从环境周围吸收或释放热量的一种新型的环保型材料。

当环境温度升高时，能够从周围吸收热量；当温度降低时，能释放热量。

这类纤维材料可主动地、智能地控制周围的温度，故又称为智能纤维。

20世纪30年代以来，特别是受20世纪70年代世界行能源危机的影响，相变储热的基本原理和应用技术研究在美国、德国、日本、加拿大等发达国家迅速崛起并不断发展。

20世纪80年代中期它最初是由美国航天局（NASA）在研制和发明，计划用于宇航服中的工作手套。

我国自20世纪90年代开始对蓄热保温纺织品的研究，现在已取得较大的成绩。

现已在运动服、职业服、室内装饰、鞋袜、医疗用品等方面应用。

2、相变材料的分类

目前常用的相变材料主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等无机物相变材料；以及高级脂肪烃、脂肪酸及其酯类；醇类、芳香烃类及高分子聚合物等有机物相变材料。

按相变温度范围，可分为：

高、中、低温三类。

按材料组成分：

有机和无机类。

按相变方式主要有固一液、固一固两种。

其中固液相变材料用的较多。

相变材料通常是由多组份构成的，包括储热剂、相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进剂等组分阴。

3、相变纤维的制法

3.1浸渍法

早期的相变纤维制作一般通过两个步骤：

先制成中空纤维，然后将其浸渍于PCM（如无机盐）溶液中，使纤维中空部分充满PCM；经干燥再利用特殊技术将纤维两端封闭。

Vigo等人自20世纪80年代中期开始研究将中空纤维浸渍于低分子量PEG或塑料材料的溶液或液体中，使PEG或塑晶进入纤维内部，得到了在-40—60℃温度范围内具有相变特性的纤维。

但进一步研究发现，低分子量的PEG溶于水，而塑晶材料在反复升降温后，会失去结晶水而从纤维中析出，因此这种方法不具有实用价值。

后来，他们又将分子量为500—8000的聚乙二醇和二羟甲基二羟基乙二脲（DMDHEU）等交联剂及催化剂一起加入传统的后整理工艺中，使PEG与纤维发生交联而不溶于水，使纤维的蓄热性更持久。

3.2复合纺丝法

将聚合物和相变材料熔体或溶液按一定比例采用复合纺丝技术直接纺制成皮芯型相变纤维。

但是由于相变材料的可纺性一般较差，同时相变材料在加工过程中的化学稳定性对该工艺路线的实施也有影响，一般通过添加第三组分的方法可以提高相变材料的可纺性。

张兴祥等人以聚丙烯（PP）和分子量为1000-20000的聚乙二醇（PEG）及增稠剂为主要原料，采用熔融复合纺丝的方法研制出了皮芯复合相变纤维，该纤维加工成490g/㎡的非织造布，在35.5℃左右时其内部温度较纯丙纶非织造布低3.3℃，在26.9℃左右其内部温度较纯丙纶非织造布高6.1℃。

20世纪90年代初，日本公司采用纺丝法直接将低温相变物质（以石蜡为例）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。

3.3微胶囊法

微胶囊法是目前加工相变纤维最先进的方法之一。

微胶囊法是指通过将相变材料包封在一载体系统（直径为1.0～10.0µm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。

该方法制成的相变纤维具有材料分散均匀，调温性能显著，穿着、洗涤、熨烫等过程中不会外逸等特点。

1992年，Triangle公司将正二十一烷和正十八烷双组分相变材料包封于微胶囊中，制成相变材料微胶囊，用于宇航设备的降温处理。

美国Outlast公司于1997年将Triangle公司的微胶囊整理织物技术实现了商业化。

由这些纤维或织物制成的服装能够使身体损失的热量降到最低，从而使人的身体处于一种舒适的状态中。

美国Kansas州立大学的Shim等用电脑控制的人体模型与相邻两测试室（冷、暖室）对人体模型从较暖环境到较冷环境中的热效应进行测试，得知人体模型穿着含有相变材料微胶囊的服装，与未含相变的服装相对比，其热阻值比未含相变材料的服装要高。

相反，当人体模型从冷到热环境中时，含相变材料的服装产生平均6.5W的凉效应。

3.1共聚法

主要指一些高分子交联树脂：

如交联聚烯烃类、交联聚缩醛类和一些接枝共聚物：

如纤维素共聚物、聚酯类接枝共聚物、聚苯乙烯接枝共聚物、硅烷接枝共聚物等等。

嵌段共聚与接枝共聚改性机理不同，分别得到的是主链型和侧链型的固态相变材料。

嵌段共聚是将聚乙二醇分子链作为软段，另一种化学结构不同的高分子作为硬段，通过共缩聚反应合成以末端相连的链段所组成的大分子聚合物。

在嵌段共聚物中，软链端和硬链段组成具有网络能力的序列结构，即使处于熔体状态，仍能在一定程度上保持原样，从而使共聚物表现为良好的固–固相变特征。

例如，东华大学的周光宇等以不同相对分子质量的聚乙二醇为原料，用酯交换法与聚对苯二甲酸乙材料的优点是PEG嵌段长度可调，具有智能相变功能。

接枝共聚法能够制备固–固复合相变材料，例如利用接枝共聚方法制备以PEG为工作物质，高分子为骨架材料的复合相变材料系列研究主要有：

聚乙二醇与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）聚乙二醇与纤维素（CELL）、聚乙二醇与聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇与氯化聚丙烯等。

姜勇等人把聚乙二醇的端羟基可以和二乙酸纤维素（CDA）上的侧羟基反应而接枝在CDA主链上，形成梳状或交联网状结构。

通过改变PEG的含量和分子量，可以得到不同相变焓和不同相变温度的一系列固–固相变材料。

4.1相变纤维的用途

相变纤维除做太空服外，还应用于运动性服装上，制成滑雪服、滑雪靴、手套、袜类。

它根据人体头部或脚部过热与过冷的情况，吸收环境或运动员剧烈运动产生的大量热量，使人体避免了过快的体温上升而出现的高热现象。

应用在医疗上，制成多种温度段和适合人体部位形态的热敷袋、被褥、服装等，相变材料可以根据环境及人体温度的变化，吸收存储的和重新释放热量，对病人的病情起到良好的辅助治疗作用。

相变纤维还用于对温度变化要求高的仪器、调温设备等。

目前，相变材料的开发研究进入一个新的领域，具有调温功能的新型纺织品不仅能够提高服装的舒适感，而且具有高附加值和高效益。

随着高新技术不断引入该领域，保温调温纤维还会继续发展并完善。

随着人们对服装高档化要求的日益增强和对功能性整理织物要求的提高，在要求保温性能的同时，还需要具有抗菌，防紫外线，除臭等功能，开发多功能型保温调温织物将有良好的发展前途和广阔的应用前景。

二、吸湿排汗纤维

1、概述

随着人们日益对服装面料的舒适性、健康性、安全性和环保性等要求越来越高，开发吸湿排汗类功能服装已经成为一大主要发展趋势。

吸湿排汗纤维是指一些不亲水的纤维经过改性形成的同时具有吸水性和快干性的新型纤维。

纤维的吸湿排汗性能取决于其化学组成和物理结构。

吸湿排汗纤维使水分发生迁移的过程主要由两部分组成，其一是气态水分首先被纤维材料吸收，然后经由纤维表面放湿，这主要与纤维大分子的化学组成有关；其二是皮肤表面的液态水分由纤维内部的孔洞（毛细孔、微孔、沟槽）以及纤维之间的空隙所产生的毛细效应使水分在材料间表面的吸附、扩散和蒸发，这主要与纤维的物理结构形态有关。

2、吸湿排汗产品的开发途径

目前，吸湿排汗织物可以通过下述的五种方法来实现吸湿排汗的特性纤维截面的异形化：

如Y、+、w字形截面，增加表面积，使纤维表面有更多的凹槽可以提高传递水气的效果；

（2）中空或微多孔纤维：

利用毛细管作用和增加表面积的原理将汗液迅速扩散出去；（3）纤维表面化学改性：

增加纤维表面的亲水性基团（接枝、交联），达到迅速吸湿的目的；（4）亲水剂整理：

利用亲水性助剂在印染过程中赋予织物或者纱线亲水性能；（5）采用多层织物结构：

利用亲水性纤维作为织物内层结构，将人体产生的汗液迅速吸收，再经外层织物空隙传导散发至外部，从而达到舒适凉爽的性能。

2．1纤维截面的异形化

几乎所有的天然纤维都属于非标准圆形截面。

在化学纤维生产中，采用改变喷丝板孔形及纺丝工艺条件等方法制造各种非圆形截面形状的纤维，统称异形纤维。

由于纤维的截面形状与纤维的特性密切相关，借助于纤维截面形状的改变可获得人们所需要的各种特性。

由于异形孔喷丝板加工技术不断发展和完善，喷丝板的种类不断增加，据不完全统计到目前为止已有近百种，用于工业生产的主要有三角形、四叶形、三叶形、多叶形、菱形、中空形和异形中空型。

由于纤维截面异性化之后，吸湿导湿性有所增加，韩国、日本、美国和中国等一直致力于研究开发具有吸湿排汗等功能的异性截面涤纶纤维。

日本恒川昭夫等在1987年的两份专利中称具有Ⅱ形截面的涤纶纤维具有吸湿性和抗起球性，吸水高度分别为63cm和102cm，而相对应普通圆形截面涤纶纤维吸水高度分别为11cm和25cm，。

Aerocool@是韩国晓星公司开发的具有良好吸湿排汗功能的新型聚酯纤维。

参照“苜蓿草”的四叶子形吸湿排汗程序，利用纤维表面的细微沟槽和孔洞，将肌肤表层排出的湿气与汗水经由芯吸、扩散、传输的作用，迅速排出体外，使肌肤保持干燥与清凉。

韩国东国贸易株式会社利用纤维表面异型截面的毛细管现象以及比表面积大的特点，研发出I-COOL系列吸湿排汗纤维。

该原丝表面的水分可以很快被吸收和干燥，从而使织物具有吸湿排汗的功能，让肌肤保持干爽和舒适感。

日本旭化成报道利用形状为伴有6个矩形突出裂口的弧形喷丝板孔制成截面为六叶且有一个开口的中空部分涤纶纤维，其机织物具有干燥手感和良好吸湿性能，该公司还报道利用具有凹形截面即在具有中心角小于1800圆弧截面上有两条线截的涤纶纤维所织成的布具有干爽柔软的手感、吸水性和快干性。

美国杜邦公司于1988年推出商品名为Coolmax@的异性截面涤纶新品，不仅具有四管状截面，又是中空纤维，而且纤维的管壁还可以透气。

这种纤维的独特物理结构使得它具有吸湿、排汗和透气等特性，其制成的面料有很好的毛细效应：

可随时将皮肤上的汗湿抽离皮肤，传输到面料表面从而迅速蒸发，使皮肤保持干爽和舒适。

通过Coolmax@功能性纤维面料与其它面料干燥率进行比较发现，无论在短时间或较长时间内，Coolmax@功能性纤维面料的干燥速率都明显好于其它面料。

将Coolmax@功能性纤维面料应用于牛仔织物上，其较强的透气性和良好的吸湿控制，将使穿着者的皮肤保持干燥，减少体能消耗，使出汗不再成为一个扰人的问题。

该产品的纤维外表有四道沟槽，可以随时将皮肤上的汗湿排出体外新：

快速蒸发，使皮肤随时随地和衣服之间保持清新、干爽的舒适接触。

台湾也在吸湿排汗纤维方面进行了大量的投入开发。

这其中包括：

南亚公司推出异性截面Delight，新光推出十字形截面Bamboo．1ion，远东推出H形截面Eastlence，力鹏企业股份有限公司推出SecoTcc纤维，中兴开发的十字型截面沟槽纤维CoolpluS@等。

国内方面，仪征化纤公司推出的C00lbst@系列异形涤纶纤维，广东顺德金纺集团与东华大学合作开发了导湿干爽型具有独特的四沟槽十字型截面纤维。

2．2中空或微多孔纤维中空、微多孔纤维通常是指芯部有中孔，皮层有微多孔的差别化纤维，其中有部分微多孔成为从表面到中空部分的贯穿孔。

当涤纶织物与汗水接触时，在毛细效应作用下