国际相变智能调温纤维发展趋势(三)

STFT纺织品调温性能测试与指标

STFT纺织品是将PCMs或MEPCM与纤维和纺织品制造技术相结合的一种高技术产品，具有自动吸收、存储、分配和放出热量的功能，在外部环境温度剧烈变化时，营造舒适的衣内微气候。但是PCMs或MEPCM有一定狭窄明确的温度（相变点温度）范围，特别是在相变过程中，它以潜热形式从周围环境吸收或向环境释放大量热量，而其调温性能的测定是STFT纺织业与服装业必须把握的主要应用技术之一。

（一）STFT纺织品的测试方法

关于相变智能调温织物和服装的温度调节性能，至今还没有统一的测试方法与标准。当前国际纺织业与服装业主要采用热分析法、温度调节因素测试法、微气候仪测试法、步冷曲线法和暖体假人法测试。

（1）热分析法

热分析是在程序控温条件下，测量物质物理化学性质随温度变化的函数关系的一种技术。程序控温可采用线性、κ或倒数程序。热分析法依照所测样品物理性质的不同有以下几种：差示扫描量热法，热重分析法，差热分析法，热膨胀分析及热-力分析法等。在STFT纺织品热性能研究中前三种技术应用较多。

（2）TRF测试法

TRF测试法（温度调节因素法）是Outlast纤维纱线、织物性能的非生理检测方法。这项新技术测量影响温度调节的各种因素，适用于在实验室模拟真实生活状况的生理测试。该系统使用连续的环境温度和能量，维持一种模拟皮肤的温度。测量皮肤温度随外界能量变化的波动状况，这种能量正是织物和纤维调节温度的决定因素。该程序的数字范围是0～1代表织物有能代力适应连续的温度变化，1意味着调节温度的能力很差。若该技术能够区分有无热能力的相似织物间的差别，将有助于织物的设计。

（3）MCI测试法

在MCI（微气候仪）测试法中，通常织物以MCI模拟外界环境中检测模拟皮肤与试样间的微气候变化及热湿传递状况，即检测人体热量和汗气通过织物内空气层、织物及织物外空气层与环境进行能量交换的全过程，并用温度和湿度梯度法测试出织物能量交换和质量交换的状态变化，以反映织物对能量流和质量流的阻力。

应用致力于解决热湿传递多功能测试的MCI有：原田织物微气候仪、Yasuda多功能织物微气候仪、Wehner-Gibson织物微气候仪等；利用传感技术和计算机技术使这种测试目标成为可能，并能简化操作程序，实现由稳态测试向动态测试的发展。

（4）SCC测试法

SCC（步冷曲线）测试法是分别将含和不含相变材料的试样放入圆筒保温仪中，同时升温到一定温度（如46℃），并稳定一定时间（如15min）后同时移出，开动秒表，在一定时间间隔（如10s）下记录试样在不同时间所对应的温度。以时间为横坐标、温度为纵坐标，绘制步冷曲线。从测试中可看到，在温度下降到相变点之前，两个试样均为显热放热，温度下降趋势大体相同。但温度下降到相变点之后，相变材料变为潜热放热，温度变化趋于缓和，温度下降的速度明显低于空白试样。比较二者的步冷曲线可以看出，含相变材料试样有调节温度和延缓温度变化的作用。

（5）WBD测试法

WBD（暖体假人）测试法是以暖体假人模拟真人群体的几何造型，符合真人群体统计数据的平均值；全身分为头、躯干、四肢等解剖段至少6段；皮肤温度被加热到一个恒定温度，其温度应与人体平均皮肤温度基本相近且皮肤表面安装温度传感器；能维持静止站立和动态步行两种姿势，步速为每分钟30～60步。在WBD测试法中，气候调节仓内至少放置3个环境温度传感器、2个环境湿度传感器、2个环境风速传感器，分别放置在距假人周围0.5m的非等高间隔位置处；温度传感器精度优于0.2℃；湿度传感器精度优于5%；风速传感器的精度优于0.05m/s。

暖体假人试验可分为静态和动态试验。动态试验时设定步速和步长。暖体假人达到动态热平衡后，至少每分钟检测一次皮肤温度、环境温度和调控加热功率，这种状态必须保持30min以上。暖体假人符合人体解剖生理特点，能模拟人体表面温度分布，可进行与人体有关的热学研究，也是进行服装隔热值试验研究的理想测试设备，它可以接受任何试验条件，由于没有生理、心理因素的影响，试验结果稳定，误差较小，测量精确合理。

（二）STFT纺织品的测试指标

STFT纺织品发展迅速，其测试指标也在不断更新和改进，但是目前有许多测试指标存在不够稳定、准确且难以操作等情况，这对于STFT纺织品的推广是不利的。因此，STFT纺织品测试指标的完善与提高迫在眉睫。下面介绍了相变温度与相变焓、导热系数、相变的循环性与保暖性、暖体假人热阻与ACR值等STFT纺织品的测试指标：

（1）相变温度与相变焓

由STFT纤维及其纺织品的功能可知，相变发生点和终止点温度以及整个相变过程的总焓是相变纤维的最主要性质，起、止点温度反映材料的可使用性，相变焓反映其温度调节能力。STFT纺织品应用PCMs或MEPCM的关键是有合适可控的相变激发点，能保证应用时舒适与有效；较大的相变能有效持久地调控温度。

（2）相变纤维的导热系数

按照导热系数的傅立叶定律，服装在人体与环境之间的导热量与服装内外表面的温度差、时间及传热面积成正比，与服装的厚度成反比。因此，导热系数可理解为单位面积、单位时间内通过的热量。而热阻R=L/λ，其含义正好与导热系数相反。织物的热阻大或导热系数小，则织物的隔热性能好。因STFT纤维或织物需要灵敏地感应温度而激发相变，提供或吸收热能，同时又要低热阻的传导热量，所以它的热传导系数应偏小。

（3）相变的循环性

相变的循环性表示PCMs或MEPCM的反复可使用性和有效性，Gateway公司首席工程师维戈尔对织物表面涂层低分子量PEG（聚乙二醇）经过150次冷热交换循环后发现，织物的蓄放热性能仍很好。此性能不仅是材料温度波动响应能力的体现，也是材料反复有效使用的关键。在可控温度调节室内进行STFT服装的循环性测试，可用反复升降温方法对热焓变化的测定来确定循环性好坏。

（4）相变的保暖性

将PCMs或MEPCM纤维织物的试样覆盖在平板式织物保暖仪的试验板上，试验板、底板以及周围的保护板都用电热控制相同的温度，并通过通、断电保持恒温，使试验板的热量只能随试样的方向散发。通过测定试验板在一定时间保持恒温所需要的加热时间来计算STFT织物的保暖指标（保暖率、传热系数和克罗值）。

STFT纺织品的应用

STFT纺织品是智能服装中开发最为成功的高技术纺织品，用MEPCM制成的纤维能纯纺，也可以梭织或针织，还可与棉、毛、丝、麻等各类纤维混纺交织为STFT纺织品。它有广泛的消费群体，而且其研究及开发成本都较低。

MEPCM具有良好的贮热性能和温控性能，可广泛应用的领域很多，亦可以与各种高分子材料混合构成性能更加优越的复合高分子STFT纺织品，拓宽了传统相变纺织材料的应用领域。

近两三年在美国和欧洲市场上出现采用Outlast纤维、MEPCM纤维、PCMs生物纤维等制成的STFT纺织品，都是利用PCMs或MEPCM技术开发的新一代纤维纺织品。这些纤维纺品为人体提供了智能化舒适的“衣内微气候”环境，使人体始终处于一种舒适的状态，可大量应用于户外服装、内衣裤、毛衣、衬衣、帽子、手套和床上用品等方面，其服饰在美国、欧洲、日本已很流行。特别是户外运动者和对温度变化较为敏感的老年和婴幼儿中，更受欢迎。用PCMs或MEPCM纤维可开发以下STFT纺织产品。

（1）用于内衣服装，即STFT型内衣、贴身短内裤、运动胸衣、衬衫等。智能调温技术可以自动控制身体的热量。采用STFT纺织品制成的内衣，不仅能令穿着者在严冬也温暖如春，还能减少运动时产生过多热量，而裤子则使穿着者即使在酷暑也感到丝丝凉意。

英国Essentra纤维公司采用STFT纺织品新技术研制出了一种具有“松球原理”智能仿生调温的贴身内衣与短内裤，它能自动适应体温变化，具有散热、保暖和除湿功能。

巴西Rhodia公司推出一种新的以聚酰胺-6.6 为原料的Gao Shushi纤维，这种纤维嵌入一种正二十烷改性复合相变材料的MEPCM，用这种纤维生产的内衣，其体温调节功能提高41%，乳酸积累降低35%。因此这种服装可以改善血液微循环，减少脂肪团，皮肤弹性增高8%，大大提高穿着舒适度。

（2）用于外套服装，即STFT型套装、雨衣、透气衬里、带恒温层或不带恒温层的外套。STFT纺织品的智能调温技术是一种平衡技术。用STFT纺织品制作的外套服装，能通过调节外套内的温度变化自动控制身体热量。既不会太热，也不会太冷，舒适自在。

最近在德国法兰克福Avantex高科技服装面料和时装工程的国际论坛上，Acortex公司展示了一种新型相变智能调温纤维即Permanent纤维。该纤维具有调温和贮热保温功能，可使人体皮肤处在外界温度和体温之间的舒适温度范围之内。目前，Permanent纤维已广泛用于外套服装、运动服、军事或工业用防护服、防寒用品等。

不久前美国Cyanamid公司运用MEPCM技术研制出一种智能调温的化纤军服。这种军服对周围的温度特别敏感，会随温度的变化而变化，从而提高了军服的保暖能力。最近美国Outlast公司新开发出的Thermal air conditioning纤维，是使用微胶囊包裹的热敏碳化氢腊变性材料，这种材料具有潜热形式的吸收储存和释放的功能，能对外界环境温度的变化在皮肤上做出相应的反应，并对温度变化有缓冲作用。其在温度变化中可以固态/液态互相转化，从中达到吸热、放热的调节效果，其自动调温范围为1℃～20℃。因而该纤维用于运动服装除有调节温度功能外，还能保持纺织产品的舒适、透气性。

（3）用于床上用品，即STFT型床垫、床垫褥、棉被、枕头和毛毯。STFT床上用品采用的吸吸湿与调温型PCMs，可储存和释放能量，将床上的温度和湿度保持在最理想的范围内，让使用者安然入眠。使用者再也不会因为过热或者夜晚出汗而踢开被子，使使用者能轻松进入甜美梦乡。

日本东丽公司采用多元化合物复合类PCMs技术推出的Energy induction智能调温纤维，用其织成的纺织品具有优越的吸湿与调温功能，称之为“能量感应”纺织品。Energy induction可以吸收人体排出的水汽，并将之转化为热能；而且比传统衣物保暖2℃～5℃，而衣物内的湿度相对下降。Energy induction纤维目前主要用于睡衣和床上用品，如被、褥等。

（4）用于保护类织物。在头盔、护膝等保护性织物织造中采用STFT纺织品，可适当控制这些部位的汗液产生与排放。

美国Triangle公司引进美国太空署所开发的复合定性MEPCM纤维技术，将HDPE类MEPCM添加到纺丝液中，再纺成纤维用于保护类织物，生产出可定性调控温度的手套、军鞋、头盔、护膝等特殊产品。

（5）用于鞋类产品。脚是身体流汗最多的地方。由于过热而导致的汗水积存会使双脚起泡，有异味，还会发冷。利用具有智能调温功能的PCMs或MEPCM纤维生产STFT型鞋子、靴子和鞋垫等产品，能减少44%的流汗量，令穿着者的双脚倍感舒适。

德国特雷维拉公司采用复合树脂包裹不同碳原子数的石蜡烃MEPCM新工艺，并通过干法涂层的方式将MEPCM整理到皮革表面，推出系列“Foot comfort”STFT皮革。这种STFT皮革具有以下优点：穿着STFT皮革制成的鞋子或靴类，随着皮革纤维吸湿和干燥时的温度变化而自动调节冷暖，可消除脚部出汗时的闷热而保持舒适，而且多次水洗后仍能保持原有性能。

（6）用于服装配饰。手套、袜子和帽子。人的头部、双手和双脚对寒冷非常敏感。智能调温的STFT衬里和织物能令穿戴者倍感舒适，而且不易伸缩。

（7）用于医疗卫生用品。将智能调温的PCMs或MEPCM纤维通过混纺或交织加入到手术服、医用床品及医疗服中，可得到良性护理的辅助治疗效果。

最近日本东洋纺公司推出一种Cold and hot respiration纤维产品，它采用聚丙烯腈类MEPCM嵌入中空纤维。其中MEPCM囊壁材料所应用的丙烯酸具有很强的吸水能力，因小分子水的内摩擦从而产热，其产品内部的温度较普通产品高5℃～9℃，用于手术服、医用床品具有良性护理效果。

（8）用于汽车内装置。对汽车内部诸如地板、车顶、车座应用PCMs或MEPCM纤维，通过其吸热或放热可保持车内温度恒定，具有明显的智能调温效果。

美国陶氏化学公司最近研制推出一种智能调温型车座外套，这种车座外套采用STFT织物制成；当车内温度超过21℃时，它将吸收余热，低于21℃时又会将热量释放出来。其外层美观大方，上面有无数的孔，并印有装饰图案，品种多样任意搭配。

日本帝人有限公司把石墨烯嵌入到MEPCM纤维结构，通过捻线织成的汽车装饰布可支持2.5V ～4.0V 安全电压，并可根据情况通过APP 控制升温速度及温度。这种汽车装饰布除了发热速度快之外，其在发热均匀度、发热效率方面比碳纤维和电阻丝要优秀一些。而作为石墨烯纺织物的柔软、不怕折叠、可水洗的特性就更胜一筹，也提升了安全性及舒适度。