调温纺织品制备及其检测设备研究

调温纺织品制备及其检测设备研究

江创生，林俊铭，陈向标

（揭阳市质量计量监督检测所，广东省揭阳市，522000）

摘  要：本文研究了一种结构简单、操作简便、成本低，且温度的变化包括升温和降温变化过程的调温纺织品调温性能检测装置，可以更全面地反映调温纺织品的调温性能。探索一种更全面的反映纺织品调温性能的测试方法和评级标准，从而完善了对调温纺织品的检测技术和测试标准。希望可以为进一步完善调温纺织品调温性能检测提供参考。

关键词：调温纺织品；调温性能；检测设备；评价标准

一、调温纺织品的制备技术研究进展

调温纺织品是一种能够根据环境温度调节衣下微气候的纺织品，它可以在不同的温度下提供相应的降温散热或保温效果，使人们在不同环境中保持舒适温度。调温纺织品可以用于在户外运动和特殊工作环境中，从而给人体提供更好的保护和舒适性，提高人们的工作效率和生活质量。尤其是在当前全球气候变暖和极端天气频发的背景下，夏季经常出现高温酷热天气，严重影响了人们的正常生活和生产。在这种背景下，许多研究人员也对降温服、空调服展开了研究。例如西安科技大学何骞通过向石蜡中加入5%的膨胀石墨作为相变材料，设计并制作了新型冷却服，提升了降温时间，在高温环境中对人体有明显的降温效果，提高了人体舒适性[1]。此外，调温纺织品还可以应用于医疗领域，用于制作高科技医疗敷料和舒适的病患服装，提供更好的护理和治疗效果[2]。

调温纺织品的制备一般是通过在纤维或织物中加入相变微胶囊材料的方法来实现的。相变微胶囊是一种微小颗粒，内部充填有相变材料，相变材料能够在特定温度范围内吸收或释放热量，实现调温功能。当环境温度较高时，调温纺织品中的相变物质由固态变为液态并吸收人体热量，提供散热效果；而在环境温度较低时，相变物质由液态转变为固态并释放出热量，提供保暖效果。相变微胶囊的制备方法主要包括化学方法和物理方法两种，化学方法主要包括原位聚合法、界面聚合法、乳液聚合法等，物理方法包括蒸发法、喷雾干燥法等[3]。基于相变微胶囊的调温纺织品的制备技术方法主要包括纺丝法、整理法等方法。纺丝技术是将相变微胶囊均匀地分散到纺丝液中，然后通过纺丝工艺将其制成纤维。例如美国Vigo等人在上世纪80年代开展了将相变储能材料PEG（聚乙二醇）浸渍在中空纤维内部，以及在织物表面整理该相变材料的研究，研究发现含有PEG的织物具有良好的吸放热功能，后来美国Outlast公司得到了Triangle公司的专利授权，并用该微胶囊技术公司开发除了具有温度调节功能的调温纤维和调温织物，主要有Outlast腈纶和Outlast粘胶纤维两个品种，实现了微胶囊整理织物技术的商业化[4]。整理法又包括浸轧法和涂层法，其中，干法直接涂层整理工艺是将粘合剂溶于水中，添加一些其他助剂制成整理液，用涂布器直接均匀的涂在布上，然后加热烘干、焙烘，整理液在织物表面形成坚韧的薄膜。

二、调温纺织品调温性能测试方法及其不足

调温纺织品调温性能的测试通常沿用了织物保温性测试方法。国内主要采用国标GB/T11048-2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法)》进行测试，用热阻Ret来表征纺织品的保温性能。但是，用该方法测试由于固定了织物两面的温度差，不能表征纺织品在较大环境温差情况下的保温性能；也不适宜测试低温环境中的放热调温作用[5]。

暖体假人法是一种调温纺织品研究开发过程中常用的性能测试方法，可以定量地评估纺织品的保温性能。其原理是将纺织品覆盖在特制的人体模型上，模拟真实人体在不同环境温度下的保温效果。测试时模拟外界温度变化的方法是用辐射灯照射穿着调温纺织品的暖体假人使其升温；假人皮肤上布置多个温控和测量装置，再利用温度传感器测试假人表面的热量损失进而评价织物的调温性能。暖体假人法通过测量纺织品在不同环境温度下与人体模型间的热传递情况，可以得出纺织品的传热系数，进而评估其保温效果。暖体假人法可实现对纺织品调温效果的动态测试，但是这种方法需要在专门的测试仪上进行，测试仪器复杂，检测成本高，因而限制了其应用[6]。

目前，纺织品调温性能的测试方法和评价指标尚未统一，存在一定的局限性和差异性。此外现有的测试标准更侧重于测试纺织品的保温性能，缺乏测试低温环境中的放热调温作用，无法全面评估其调温性能。为了解决这些问题，未来的研究可以从以下几个方面展开：（1）建立纺织品调温性能的统一测试标准；（2）研究不同类型纺织品的调温性能特点；（3）探索新的测试方法和评价指标[7][8]。

基于此，本项目主要研究一种结构简单、操作简便、成本低，且温度的变化包括升温和降温变化过程的智能调温纺织品调温性能检测装置，得到的结果更加能确切的反映智能调温纺织品的调温性能。探索一种更加能确切的反映纺织品调温性能的测试方法和评级标准，从而完善了对调温纺织品的检测技术和测试标准。

三、调温纺织品

的制备

（一）相变微胶囊材料的制备

以正十八烷和正十六烷的混合物（质量比8:2）为芯材，以二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI-50）和聚乙二醇（PEG-4000)为壁材，以二氯甲烷为溶剂，试验出最佳芯壁比为1:1，并在最优工艺条件下通过界面聚合法制得一种新的相变微胶囊材料。通过扫描电镜观察，所制备的相变微胶囊材料包覆效果较好，无油相析出，微胶囊颗粒近似圆球，粒径较为均匀。通过红外光谱（FR-IR）测试，该微胶囊材料具有正十六烷和正十八烷的特征峰，以及聚氨酯的特征峰，证明所制备微胶囊是由壁材聚氨酯包覆正十六烷和正十八烷的相变微胶囊。通过热性能DSC测试该微胶囊具有较大的储能作用，适用于制备调温服装。

（二）调温纺织品的制备

采用干法涂层的工艺，用聚丙烯酸酯作为涂层粘合剂，将质量分数30%相变微胶囊粉和适量的聚丙烯酸酯、蒸馏水进行混合，并加入适量的分散剂和稳定剂，搅拌均匀制备相变微胶囊整理液，然后将其涂覆至纯棉针织物上，织物厚度1mm。将涂层后织物放入焙烘机培烘后制成调温织物。

四、调温纺织品调温性能测试仪的研制

该调温性能检测装备外部是一个隔热罩箱体里面形成一个封闭的内部环境，里面一部分模拟环境，一部分模拟人体；模拟环境部分在箱体左右两边上部分别安装有加热装置和制冷装置，它们分别可以给箱体内的环境进行加热升温和制冷降温；同时还安装了环境温度监控仪器，它可以用来控制和读取箱体内的环境温度；箱体下方是一个恒温水浴锅，水温恒定在36.5℃，水浴锅上方是一个圆柱形中空橡胶柱，水浴锅内的水保持在橡胶柱内流动使柱子外表面温度保持在36.5℃，用于模拟人体皮肤表面；测试时候将织物样品圈在橡胶柱上，并且将温度传感器包覆于样品中间，传感器通过数据线连接于外面的电脑，传感器的数据通过计算机上的温度数据处理软件就能读出织物内温度的变化情况。

图1.调温纺织品调温性能测试仪

调温纺织品调温性能测试具体操作步骤如下：

步骤1.取前面制备的调温织物样品剪成20cm×10cm的长方形2个，未经调温整理的织物对比样剪成20cm×10cm的长方形1个，先将待测样品在橡胶圆柱上紧密圈2圈并用2根橡皮筋固定在橡胶圆柱上，将温度传感器包裹在两层织物之间；

步骤2.打开恒温水浴锅开关，将温度设为36.5℃，先让其预加热10min，水保持在橡胶圆柱内流动模拟人体表面温度，将温度传感器连接到电脑上；

步骤3.设置好环境温度变化范围，开启电脑上的温度测试软件，开始测试；

3.1箱体内环境温度变化范围设置为5-40℃，环境温度监控仪会通过降温装置降低将环境温度降至5℃，通过加热装置使温度升高到40℃，再通过降温装置降低到5℃为一个测试温度循环，升温速率和降温速率为5℃/min；

3.2开启电脑温度测试软件对温度传感器的数据进行监测、记录和保存，采集温度数据的时间间隔设置为10s测一次，采集数据量共采集100个点；

3.3.按照3.2步骤测试第2个试样和对比样；

步骤4.关闭测试仪器，导出所记录的数据；

步骤5.评价与报告

①调温曲线：X轴是测试时间记录点，为每10s取点一次，Y轴是每个取点时间传感器记录的温度，待测样品的平均温度曲线（实线）和对比样品（虚线）绘成了两条对比温度曲线；

图2.微胶囊含量30%整理液整理后织物调温性能曲线

②试样调温性能按以下公式进行计算：

（1）

（2）

上述公式中：T1n表示待测样品中测得的温度，T0n表示对比样品中测得的温度；n表示测试采集点数，n=100；△Tn表示某个测试点待测样品和对比样品的温度差；△Ts表示测试时间内待测样品与对比样品的温度差绝对值的和，单位是（℃·m-2·min-1）；s表示织物样品面积20×10cm2，t表示测试时间100 ×10s。最后计算2个待测样品T1n与对比样T0n温度差绝对值和△Ts的平均值。

4.3评级标准的制定

参照市面上调温性能较好的美国Outlast调温纺织品用该方法测试结果为1080.5（℃·m-2·min-1），本实验用聚丙烯酸粘合剂、相变微胶囊含量30%涂层整理制备的织物调温性能测试结果为785.4（℃·m-2·min-1），相变微胶囊含量10%、20%、40%涂层整理制备的织物调温性能测试结果为分别为270.1（℃·m-2·min-1）、523.9（℃·m-2·min-1）、1026.6（℃·m-2·min-1），普通织物调温性能为0。

图3.不同微胶囊含量整理液整理后织物调温性能

因此，本研究制定了用该测试方法的评级标准：

若△Ts满足300（℃·m-2·min-1）>△Ts≧50（℃·m-2·min-1），则待测样品调温性能较差；

若△Ts满足600（℃·m-2·min-1）>△Ts≥300（℃·m-2·min-1），则待测样品调温性能一般；

若△Ts满足900（℃·m-2·min-1）>△Ts≥600（℃·m-2·min-1），则待测样品调温性能良好；

若△Ts满足△Ts≥900（℃·m-2·min-1），则待测样品调温性能优秀。

五、结论

本研究以正十八烷和正十六烷的混合物（质量比8:2）为芯材，以二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI-50）和聚乙二醇（PEG-4000)为壁材，以二氯甲烷为溶剂，在最优工艺条件下通过界面聚合法制得一种新的相变微胶囊材料。采用干法涂层法将相变微胶囊材料涂覆到织物上制备出智能调温纺织品。并研究了一种结构简单、操作简便、成本低，且温度的变化包括升温和降温变化过程的调温纺织品调温性能检测装置，得到的结果更加能更全面地反映调温纺织品的调温性能。并制定了调温纺织品调温性能检测的操作规程和评级标准。希望可以为进一步完善调温纺织品调温性能检测提供参考。

参考文献:

[1]何骞.基于相变材料的个体冷却服及其降温性能研究[D].西安：西安科技大学,2018.

[2]赵宝艳，王瑄，吴超.智能调温纺织品的种类及应用[J].浙江纺织服装职业技术学院学报,2009(3):24-27.

[3]柳思.服装用相变材料微胶囊的制备与应用[D].广州：华南理工大学,2013.

[4]董家瑞.Outlast空调纤维的性能及其应[J].针织工业,2007(3):32-34.

[5]张鹏，余弘，李卫东等.新型保温调温纺织品及其检测方法[J].纺织检测与标准,2018(1):6-9.

[6]展义臻，朱平，张建波等.相变调温纺织品的热性能测试方法与指标[J].印染助剂,2006,23(10):43-46.

[7]李程远 .调温纺织品的制备和调温性能测试方法建立[D].上海：东华大学,2015.

[8]肖俐，刘晓霞，翟云祁.智能纺织品评价体系待完善[J].中国纺织学术论文集,2015(1):30-31.

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