国际相变智能调温纤维发展趋势

智能调温纤维及其纺织品是20世纪90年代迅速发展、极富生命力的高科技产品。它不仅能够提高服装的舒适性，而且具有高附加值，能实现高效益。随着高新技术不断引入该领域，人们对服装高档化、功能性的要求提高。开发新型相变智能调温纤维织物具有良好的发展前途和广阔的应用前景。

相变智能调温纤维的发展历程

相变纤维是利用物质相变过程中释放或吸收潜热、温度保持不变的特性开发出来的一种蓄热调温功能纤维。

相变智能调温纤维的研究于20世纪80年代起源于美国。最早由美国国家航空与航天局研究项目所开发的Outlast腈]基智能调温纤维，是采用包裹有相变材料石蜡烃的微胶囊加入到腈纶纺丝液中所得，当时是美国太空总署为登月计划而研发的，用于宇航员服装和保护太空实验精密仪器等外套，于1988年开发成功，1994年首次用于商业用途。1997年美国太空总署成立了Gateway公司专门从事智能调温纤维的开发研究，将Outlast腈纶基纤维注册商标为outlast，发展用于普通服装，并从此在美国及欧洲市场上销售。此后，德国Kelheim纤维公司与Outlast公司合作开发出Outlast粘胶型纤维，其实就是将相变材料微胶囊加入到粘胶纤维的纺丝液中得到的，其隔热效果达到42.5%，并获得专利。

目前以相变材料作为相变智能调温纤维的开发与应用，在国外比较成熟的主要有美国和瑞士，他们生产的调温纤维主要是微胶囊纺丝工艺；欧洲和日本也有这方面的研究。德国最早研制成功硫酸钠蓄热微胶囊整理材料；之后，又开发了在中空纤维充入溶剂与惰性气体的织物。日本的代表技术是大和化学工业研制的微胶囊浆料涂层。

纤维织物的调温类型

（一）单向型调温纤维

此类纤维具有单一的温度调节功能，能使温度升高或降低，一是日本东洋纺公司生产的发热纤维EKS和Softwarm；二是具有降温功能的亚麻纤维、玉石纤维等。由于只具有单向温度调节作用，致使这些纤维存在明显的缺点。所以当环境温度变化方向与其温度调节方向相反时就不能很好地发挥作用，甚至造成不良后果。

（二）双向型调温纤维

对冷、热环境能自主调整，具有双向温度调节和适应的相变材料（Phase change materials，简称PCMs），通过生产加工将PCMs以某种工艺形式加入到纤维基质中，当到达相变温度时，它可主动地通过不连续的升温来防止服装内温度波动范围过大，其相变过程的能量贮存于相变材料中以提高其热容量；当环境温度下降时，它又会智能地释放出其贮存的能量，并可以在温度振荡环境中反复循环使用，故称为“相变智能调温纤维（Smart thermostat fiber transformation，简称STFT）”。

STFT的相变机制与调温原理

STFT又叫空调纤维。STFT的相变机制是指某些物质在一定条件下，其自身温度基本不变而相态发生变化时，其相变潜热相对相变显热来说，要大得多。相变智能调温纤维是利用物质相变过程中释放或吸收潜热，保持温度不变的新型纤维。其相变主要表现为液态与固态间的转变，或固体中的晶-晶、晶-液及其分子聚集态结构相的变化热能保持温度。

（一）STFT的相变机制

相变智能调温纤维织物与传统纤维织物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，而相变纤维的保温机理则对变形、水分和气压不敏感，也无过闷、厚重感觉，能为人体提供舒适的微气候环境。其原因在于PCMs是提供热调节，而不是热隔绝。这种相变机制与调温机理的实现，是在热环境中，当达到相变介质的熔融温度时，相变介质晶体发生变化，其分子链克服分子间作用力，分子间距增大，晶体熔融，纤维吸热；而纤维从热的环境进入冷环境时，当温度低于相变介质的结晶点，相变介质中分子链发生有规则排列，形成结晶，纤维放热；相变储能纤维就是这样通过对热量的吸收与释放达到调温的目的。

（二）STFT的调温原理

STFT来自于纤维织物内PCMs相变机制的吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。其调温原理的优点有：气温控制以平衡温度和适合于全天舒适的热量要求；良好的抗温性，提供凉爽效应；吸收过剩的人体热量，并在人体表面温度降低时释放出来，防止体表过冷。

所以，含有PCMs的纤维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维持体温的恒定性，从而为人体创造一个既不冷也不热的“微气候环境”。

（三）STFT调温能力的衡量标准

智能调温纤维的温度调节功能用“自适应舒适定值”ACR（Adaptive Comfort Rating）值表示，用来衡量产品吸收、储存以及在适当时释放能量的能力。产品ACR等级越高，就越舒适。传统纤维的ACR值接近于零，同时它们很难储存热量。

PCMs材料的调温选择与种类性能

相变是指某些物质在一定温度下相态发生变化的现象。相变时所吸收或放出的能量称为相变热（也叫做相变潜热），物质温度变化时的吸放热量叫做显热，相对于显热来说，相变热要大得多。所以相变材料选择是制备智能调温纤维及其纺织品的第一步。

（一）相变调温材料的选择

考虑纤维应用及织物加工的特殊要求，能够用于织物纤维的相变调温材料并不多。首先，相变材料的结晶温度（保温温度）要合适，适合所应用的领域。以服用相变储能纤维为例，目前所报道的相变储能纤维多存在结晶温度过高的缺点，并不能很好地应用在服用纤维领域；其次，相变储能纤维的可加工性，相变材料多为低聚体，相对分子质量比较低，其化学稳定性、热稳定性、与纤维基体复合后的可纺性等等都要考虑。

适用于纺织品的相变纤维材料的筛选原则：（1）高储能密度。相变材料应具较高的单位体积，单位质量的相变潜热要高和较大的比热容。（2）相变温度。熔点应满足纺织服装的使用，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。（3）安全可靠。相变材料的化学性能和物理性质稳定，无腐蚀、无害无毒、不可燃。（4）导热性能。相变材料应具有较大的适宜的热传导系数，灵敏性高，能较快地吸收和释放热量。（5）相变过程。相变过程应完全可逆并只与温度相关。（6）体积变化。相变时，体积变化小。（7）相变压力。相变材料工作温度下对应的蒸汽压力应比较低。（8）相变稳定性。反复相变后，储热性能衰减小。（9）相变密度。相变材料两相的密度应尽量大，这样能降低容器成本。（10）相变过冷度。小过冷度和高晶体生长率。（11）经济可行。

在实际研制过程中，要找到满足这些理想条件的相变材料非常困难。因此人们往往先考虑有合适的相变温度和较大的相变热，而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

（二）相变调温材料的种类

迄今为止，已开发和应用的单一型相变调温材料（PCMs）有500多种，还有通过复合技术开发和应用的具有独特相变特性的复合类、定性类相变调温材料。目前开发和应用的相变调温材料种类有：①按材料储热温度不同分类：相变调温材料按照相变温度范围可以分为高温类、中温类和低温类三大相变材料。高温相变材料主要是指一些熔融盐和金属合金材料；中温相变材料主要是指一些结晶水合盐、有机物和高分子材料；低温相变材料主要是指冰、水凝胶等材料。②按材料相变形式不同分类：相变调温材料可分为固-固相变、固-液相变、固-气相变和液-气相变材料四大类。其中固-固相变储热材料并不是l生了相态的变化，而是相变材料的晶型发生了变化，当然在晶型变化的过程中也有热量的吸收和放出。③按材料化学成分不同分类：无机相变材料（I-PCM）、有机相变材料（O-PCM）、复合相变材料（C-PCM）和定性相变材料（Q-PCM）。

下面以化学组成分类对相变材料进行阐述：

A.无机类相变调温材料：无机类相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物。其中最典型的是结晶水合盐类，它们有较大的融解热和固定的熔点。其本质是指脱出结晶水的温度，脱出的结晶水可使盐溶解而吸热。降温时其发生逆过程，吸收结晶水而放热。其相变机制表达如下：AB・mH2OAB+mH2O+Q、AB・mH2OAB・pH2O+（m-p）H2O+Q，其中m和p为结晶水的个数，Q为融解热。

这类物质用得较多的是碱金属和碱土金属的卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐和碳酸盐等盐类的水合物，具有代表性的有：Na2SO4・10H2O、Mg（NO3）2・6H2O、MgCl2+6H2O、CaCl2・6H2O、CaBr2・6H2O、Zn（NO3）2・6H2O、NH4Al（SO4）2・12H2O、Na2S2O3・5H2O等等。

B.有机类相变调温材料

这类相变材料常用的有：石蜡、羧酸、高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等；另外高分子类有：聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类以及其他一些高分子。

C.复合类相变调温材料

复合类相变调温材料，主要指性质相似的二元或多元化合物的一般混合体系或低共熔体系、形状稳定的固-液相变材料、无机与有机复合相变材料等。复合类相变材料一般有两种形式：一种是两种相变材料混合；另一种是定型相变材料。两种相变材料混合虽制造简单，但具有一般相变材料的缺点，如需要封装，容易发生泄漏，使用不安全等。

D.定性类相变调温材料

这类相变调温材料是由相变材料和高分子组成的混合调温材料，相变材料一般为石蜡有机酸等，高分子材料一般为HDPE（高密度聚乙烯，具有较高的熔点，作为支撑物），后者作为支撑和密封材料将相变材料包容在其组成的一个个微空间中，因此在相变材料发生相变时，定性相变调温材料能保持一定的形状，且不会有相变材料发生泄漏。

与普通相变材料相比，定性类相变调温不需封装器具，减少了封装成本和封装难度，避免了材料泄漏的危险，增加了材料使用的安全性，减少了容器的传热热阻，有利于相变材料与传热流体间的换热。

（三）用于织物纤维的相变调温材料

由于本文主体阐述PCMs纤维织物主要解决人体穿着舒适的相变温度和能量，故可应用的相变材料（PCMs）十分有限。目前国际主要开发的PCMs按种类、组成和性能来分如下：

①无机类相变材料（I-PCM）

组成：如水合盐Na2HPO4・12H2O，CaCl2・6H2O，Na2SO4・10H2O等。其性能：温度35℃以下；能量120J/g～300J/g；循环性标识+；响应性标识++；特点是价格便宜，蓄热密度大，导热系数大；问题是能量集中、过冷度大、易析出分离，蓄热性能差。

②有机类相变材料（O-PCM）

A.组成：石蜡烃、有机脂CnH2n+2，CnH2nO2等。其性能：温度18℃～40℃；能量200J/g～300J/g；循环性标识+++；响应性标识++；特点是融解热大，不过冷，不析出；问题是导热系数小、密度小。

B.组成：多元醇类：PG、NPG、PEG等。其性能：温度24℃～40℃；能量100J/g～300J/g；循环性标识++++；响应性标识++；特点是形变和过冷度小，热效率高，寿命长；问题是高温为塑性晶体，易挥发损失。

③复合类相变材料（C-PCM）

组成：无机、有机复合，储能复合材料（CESM）等。其性能：温度-140℃～670℃；能量100J/g～500J/g；循环性标识++++；响应性标识++++；特点是储能密度大、传热迅速、稳定、易加工。

（四）相变材料调温稳定性的检测方法

调温稳定性是相变材料用于纤维纺织品首要前提，特别是复合相变材料（C-PCM）和定性相变材料（Q-PCM）的调温稳定性尤其重要，下面介绍一种相变调温复合材料稳定性的检测方法，其程序包含如下：

①制取试样：将标准重量的相变调温复合材料均匀分散在标准滤纸中央的相变调温复合材料测试区域内，制得待检测试样；

②烘烤试样：将待检测试样移到烘箱中，在40℃～50℃下恒温烘烤5～12小时后，取出检测试样；

③观测试样：观察滤纸上相变调温复合材料测试区域外相变调温工质组分的渗出情况，并测量其渗出测试区域外所形成的渗出圈的最大直径和最小直径，再通过渗出圈的最大直径和最小直径计算出渗出圈的平均直径；

④判定稳定性：根据计算结果和设定标准，判定所检测相变调温复合材料的稳定性。