制備參數(shù)對(duì)溫控復(fù)合織物性能的影響*

夏 鑫 周軒文

新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046

制備參數(shù)對(duì)溫控復(fù)合織物性能的影響*

夏 鑫 周軒文

新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046

為開(kāi)發(fā)一種三明治結(jié)構(gòu)的溫控復(fù)合織物，使用靜電紡絲法制備的相變納米纖維膜作為織物的中間層，使用黏膠織物及羊毛織物分別作為織物的內(nèi)外層。利用掃描電鏡(SEM)和差式掃描量熱儀(DSC)分別表征相變納米纖維膜的形貌和熱性能，考察相變材料的含量及相變納米纖維膜的厚度對(duì)溫控復(fù)合織物保溫性和透氣透濕性的影響。結(jié)果表明：相變納米纖維膜中納米纖維呈圓柱形，纖維表面不光滑并有折皺，其熔融相變溫度為28.02 ℃；相變材料的含量越多、相變納米纖維膜的厚度越大，則溫控復(fù)合織物的保溫性能越好，但其透氣透濕性能有所下降。

相變納米纖維膜，溫控復(fù)合織物，保溫性，透氣透濕性

自調(diào)溫織物是指自身含有相變材料，能夠緩沖因外界溫度變化引起身體不適感的一種織物，常采用三明治結(jié)構(gòu)，材料選擇范圍廣，可差別化設(shè)計(jì)溫控復(fù)合織物的各個(gè)層面及其所具有的性能、功能，以達(dá)到不同溫控復(fù)合織物(如保暖內(nèi)衣、防寒服、睡袋、枕芯等防寒保溫用品)的要求[1-2]。

近年，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，將納米技術(shù)與傳統(tǒng)織物相結(jié)合，再結(jié)合三明治結(jié)構(gòu)制備溫控復(fù)合織物，已成為紡織業(yè)界的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[3-4]。溫控復(fù)合織物可充分發(fā)揮納米纖維與常規(guī)纖維的優(yōu)勢(shì)。且利用納米纖維作為相變材料的支撐骨架，是拓展相變材料在織物中儲(chǔ)能功效的一種新方法[5-6]。

本文選擇羊毛織物作為外層，以充分發(fā)揮羊毛織物質(zhì)感柔軟、富有彈性且保暖性能良好的特點(diǎn)；選擇黏膠織物作為內(nèi)層，因其具有吸濕性好、不易起靜電、穿著舒適等優(yōu)點(diǎn)；中間自調(diào)溫功能層選擇脂肪酸類癸酸(CA)、棕櫚酸(PA)和硬脂酸(SA)的三元低共熔混合物作為相變材料，選擇聚丙烯腈(PAN)納米纖維作為支撐骨架。采用三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有自調(diào)溫效果的溫控復(fù)合織物，分別研究納米纖維膜的形貌和熱性能，以及相變材料的含量、相變納米纖維膜的厚度對(duì)溫控復(fù)合織物保溫及透氣透濕性能的影響，以期獲得保溫性和舒適性較好的溫控復(fù)合織物。

1 試驗(yàn)

1.1 相變納米纖維膜的制備

配置以N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PAN紡絲液。溶液中所含CA-PA-SA三元低共熔混合物的相變材料的質(zhì)量配比為79.3∶14.7∶6.0。

為研究相變材料的含量對(duì)溫控復(fù)合織物性能的影響，分別制備了相變材料與PAN質(zhì)量比為1.0∶1.0、1.2∶1.0、1.4∶1.0的溶液，再采用靜電紡絲法紡制相變納米纖維膜。本文還以相變材料與PAN質(zhì)量比為1.4∶1.0的溶液為例，研究不同相變納米纖維膜厚度對(duì)溫控復(fù)合織物性能的影響，其中纖維膜的厚度通過(guò)控制紡絲溶液量實(shí)現(xiàn)，分別為10、15、20 mL，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 溫控復(fù)合織物中相變納米纖維膜的制備參數(shù)

注：靜電紡絲參數(shù)為電壓18 kV、溶液擠出速度1 mL/h、接收滾筒轉(zhuǎn)速1 200 r/h

1.2 相變納米纖維膜與織物的復(fù)合

3M氣凝膠具有質(zhì)量輕、黏性好等優(yōu)點(diǎn)，且能以水氣的方式噴出，質(zhì)地均勻，故本文選擇用其黏結(jié)復(fù)合織物。首先，采用噴有3M氣凝膠的羊毛織物作為靜電紡絲的接收材料，用于制備1#～5#試樣，完成羊毛/ 相變納米纖維膜的復(fù)合；接著，在靜電紡絲結(jié)束后，使用3M氣凝膠將羊毛/相變納米纖維膜與黏膠織物相復(fù)合，形成三層結(jié)構(gòu)的羊毛/相變納米纖維膜/黏膠溫控復(fù)合織物。

1.3 性能表征與測(cè)試

1.3.1 相變納米纖維膜的形貌與熱性能

使用Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察相變納米纖維膜的形貌，掃描前對(duì)試樣進(jìn)行鍍金處理。

使用200F3型差示掃描量熱儀(DSC)，分別測(cè)試相變納米纖維膜的熔融相變溫度(Tm)、結(jié)晶溫度(Tc)及熔融焓值(ΔHm)。DSC運(yùn)行溫度為18.00～60.00 ℃，升溫速率為5.00 ℃/min。

1.3.2 溫控復(fù)合織物的保溫性及透氣透濕性

使用101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，在線觀測(cè)并記錄溫控復(fù)合織物的調(diào)溫性能。具體操作為，在溫控復(fù)合織物中裹入TM902C便攜式數(shù)字溫度計(jì)探頭，并一起置入干燥箱中，干燥箱溫度設(shè)置為60.00 ℃，記錄溫控復(fù)合織物從25.00 ℃升至60.00 ℃的這一過(guò)程中每分鐘的溫度變化。

根據(jù)GB/T 5453—1997標(biāo)準(zhǔn)，利用YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測(cè)定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司生產(chǎn))測(cè)試溫控復(fù)合織物的透氣性能。設(shè)置測(cè)試條件為試樣壓差200 Pa,測(cè)試面積20 cm2，噴嘴型號(hào)1號(hào)。

根據(jù)GB/T 12704.1—2009標(biāo)準(zhǔn)，采用YG(B)216-H型織物透濕量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司生產(chǎn))進(jìn)行溫控復(fù)合織物的透濕性能測(cè)試。測(cè)試條件為溫度(38.00±2.00)℃、相對(duì)濕度(90±2)%。將試樣放入盛有無(wú)水氯化鈣的透濕杯中，根據(jù)測(cè)試前后透濕杯質(zhì)量的差值計(jì)算試樣的透濕率。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變納米纖維膜的形貌及熱性能

圖1為相變納米纖維膜的SEM照片，其中納米纖維的直徑分布均勻，但納米纖維的表面因相變材料的加入而顯得略有粗糙不平。

圖1 相變納米纖維膜的SEM照片

圖2為相變材料與PAN按1.4∶1.0的質(zhì)量比制成的相變納米纖維膜的DSC曲線圖。從圖2可知，該相變納米纖維膜的熔融相變溫度為28.02 ℃、熔融焓值為80.95 J/g。而原三元低共熔混合物相變材料的熔融相變溫度為25.71 ℃、熔融焓值為158.47 J/g[7]。PAN的加入雖升高了相變材料的熔融相變溫度，降低了熔融焓值，但這并不影響相變納米纖維膜的相變性能。

圖2 相變納米纖維膜DSC曲線(相變材料與PAN質(zhì)量比為1.4∶1.0)

2.2 不同質(zhì)量比的相變納米纖維膜對(duì)溫控復(fù)合織物的性能影響

2.2.1 保溫性

圖3為升溫法測(cè)得的溫控復(fù)合織物的溫度 - 時(shí)間變化曲線圖(測(cè)試溫度為18.00～60.00 ℃)。當(dāng)外界溫度處于相變材料的熔融相變溫度時(shí)，相變材料可通過(guò)熔融吸熱起到緩沖保溫的作用。從圖3可以看出：

圖3 0#和1#～3#試樣的溫度 - 時(shí)間變化曲線

(1) 在溫度從18.00 ℃升至60.00 ℃的這一過(guò)程中，0#試樣(即為不含相變納米纖維膜的羊毛/黏膠復(fù)合織物)的升溫速度先快后趨于平緩，而1#～3#試樣在2～4 min內(nèi)從18.00 ℃升至26.00 ℃，升溫至30.00 ℃用時(shí)4～5 min，且升溫過(guò)程呈階梯式變化。其中，1#～3#這3種溫控復(fù)合織物在熔融溫度(28.02 ℃)附近表現(xiàn)出一定的保溫作用。

(2) 相變材料與PAN的質(zhì)量比越大，即相變材料的加入量越多，溫控復(fù)合織物的保溫效果越明顯。3#試樣為相變材料與PAN質(zhì)量比為1.4∶1.0的溫控復(fù)合織物，其保溫時(shí)間最長(zhǎng)(約為5 min)。

2.2.2 透氣透濕性

透氣性是指氣體分子通過(guò)織物的一種性能，是溫控復(fù)合織物通透性中最基本的一項(xiàng)，其主要影響溫控復(fù)合織物的穿著舒適性(如隔熱、保暖、通透、涼快)及使用性能等[8-9]。影響溫控復(fù)合織物透氣性的因素主要有溫控復(fù)合織物中三層織物各自的透氣性，特別是中間層——相變納米纖維膜的透氣性，其由納米纖維間孔隙的分布及膜的聯(lián)通性等所決定，具體包括納米纖維的形貌、分布及排列情況，納米纖維膜的厚度等，此外還與測(cè)試的外界環(huán)境如溫度、濕度、氣壓差等有關(guān)。

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，1#、2#和3#試樣的透氣率分別為39.49、 38.18和37.86 mm/s。相變材料與PAN的質(zhì)量比越大，溫控復(fù)合織物的透氣性能越低。這可能是因?yàn)橄嘧儾牧系募尤肓吭蕉?，則納米纖維的排列越錯(cuò)綜復(fù)雜，孔隙越少，納米纖維表面更粗糙，納米纖維膜的聯(lián)通性降低，故在瞬時(shí)加壓的過(guò)程中氣體通過(guò)率變小，溫控復(fù)合織物的透氣性下降。

透濕性是指濕氣透過(guò)織物的一種性能，又稱透水氣性。透濕性反映了溫控復(fù)合織物在人體發(fā)汗散熱時(shí)維持熱量平衡的能力。影響透濕性的因素主要與水氣通過(guò)溫控復(fù)合織物的途徑有關(guān)，具體體現(xiàn)在羊毛、相變納米纖維膜和黏膠纖維自身的吸濕性，水氣通過(guò)溫控復(fù)合織物中納米纖維膜孔隙的擴(kuò)散作用，以及羊毛、黏膠織物的毛細(xì)管作用[9-10]。

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，0#、1#、2#和3#試樣的透濕量分別為4 647.35、 3 833.22、 3 493.99和2 951.24 g/(m2·h)，溫控復(fù)合織物的透濕量隨相變材料加入量的增加而減少。盡管所用羊毛織物具有良好的吸濕性，但隨著相變材料加入量的增大，相變納米纖維膜中的納米纖維的形貌有所改變，使能透過(guò)的水分子減少，因此1#、 2#和3#溫控復(fù)合織物的透濕性能較0#試樣差。

2.3 相變納米纖維膜厚度對(duì)溫控復(fù)合織物的性能影響

2.3.1 保溫性

圖4為升溫法測(cè)試溫控復(fù)合織物所得溫度 - 時(shí)間變化曲線圖。從圖4可以看出：

(1) 溫控復(fù)合織物在溫度由18.00 ℃升至60.00 ℃的過(guò)程中，升溫速率先增長(zhǎng)快速后趨于平緩。0#、 3#、 4#和5#試樣在2 min內(nèi)均升至25.00 ℃；但溫度升至30.00 ℃的過(guò)程中，0#試樣用時(shí)3 min，3#、 4#和5#試樣升溫呈階梯式變化，特別是5#試樣升溫最緩慢，用時(shí)7 min。

(2) 經(jīng)計(jì)算，3#、 4#和5#試樣的保溫性能較0#試樣依次提升了4%、 6%、 8%,表明隨著相變納米纖維膜厚度的增加，溫控復(fù)合織物的保溫效果越明顯。

圖4 0#和3#～5#試樣的溫度 - 時(shí)間變化曲線

2.3.2 透氣透濕性

經(jīng)測(cè)試得到，3#、4#和5#試樣的透氣率分別為37.86、32.94和29.44 mm/s，可見(jiàn)相變納米纖維膜的厚度越厚，溫控復(fù)合織物的透氣性越差。這主要是因?yàn)榧{米纖維的排列是無(wú)序的，相變納米纖維膜越厚則越會(huì)延長(zhǎng)氣體通過(guò)相變納米纖維膜的路徑；同時(shí)，由于透氣性測(cè)試是一個(gè)瞬時(shí)加壓的過(guò)程，測(cè)試結(jié)果只反映某個(gè)瞬間氣體分子透過(guò)的量，所以在其他織物參數(shù)不變的情況下，含相變納米纖維膜最薄的3#試樣透氣性最好。

測(cè)得0#、3#、4#和5#試樣的透濕率分別為4 647.35、 2 951.24、 1 915.90和1 373.14 g/(m2·h)，可以看出，隨著溫控復(fù)合織物中相變納米纖維膜厚度的增加，溫控復(fù)合織物的透濕性能變差，主要原因與水分子通過(guò)相變納米纖維膜的途徑有關(guān)。相變納米纖維膜的厚度越大，其層疊使得纖維之間的孔隙變小，但水分子是大分子，孔隙太小會(huì)導(dǎo)致水分子透不過(guò)，故而導(dǎo)致溫控復(fù)合織物的透濕性能降低。

3 結(jié)論

將相變納米纖維膜與織物復(fù)合，制備三明治結(jié)構(gòu)的溫控復(fù)合織物，是開(kāi)發(fā)新型紡織面料的一種途徑，其將成為日后紡織與服裝產(chǎn)業(yè)研究發(fā)展的新方向。

本文成功制備了三明治結(jié)構(gòu)的羊毛/相變納米纖維膜/黏膠溫控復(fù)合織物，通過(guò)改變相變納米纖維膜中相變材料與PAN的質(zhì)量比，以及相變納米纖維膜的厚度，考察了溫控復(fù)合織物的保溫性及透氣透濕性，可歸結(jié)：

(1) 加入CA-PA-SA三元低共熔混合相變材料后，納米纖維的形貌有所改變，其表面較原先變得粗糙；相變材料與PAN的混合沒(méi)有改變相變材料的相變性能，只是使熔融相變溫度由25.71 ℃升至28.02 ℃，熔融焓值從158.47 J/g降至80.95 J/g，但這并不影響相變納米纖維膜的相變性能。

(2) 通過(guò)改變相變材料與PAN的質(zhì)量比發(fā)現(xiàn)，相變材料的加入量越大，溫控復(fù)合織物的保溫性能越好，透氣透濕性下降。且綜合分析測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，1#試樣(相變材料與PAN的質(zhì)量比為1.0∶1.0)的測(cè)試結(jié)果最佳，其具有良好的透氣透濕性，只是在保溫性能方面稍有不足。

(3) 改變相變納米纖維膜的厚度， 分析溫控復(fù)

合織物的保溫性及透氣透濕性能發(fā)現(xiàn)，3#試樣的保溫性能雖不及4#和5#試樣，但其透氣透濕性均較好。

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功能面料區(qū)再現(xiàn)2016中國(guó)國(guó)際紡織面料及輔料(秋冬)博覽會(huì)

受全球健康及運(yùn)動(dòng)理念盛行的推動(dòng)，功能服飾現(xiàn)在已是全球紡織業(yè)發(fā)展速度最快的領(lǐng)域之一。摩根士丹利研究機(jī)構(gòu)近期發(fā)布的一份報(bào)告指出，功能性運(yùn)動(dòng)服飾市場(chǎng)的銷售額有望在2020年加添830億美元的進(jìn)賬，或達(dá)30%以上的增長(zhǎng)；與此同時(shí)，亞洲預(yù)計(jì)將成為這一增長(zhǎng)的最大助力，而中國(guó)運(yùn)動(dòng)服飾市場(chǎng)的潛力尤其驚人。上海市體育局的數(shù)據(jù)表明，與2014年相比，47%的中國(guó)人在2015年進(jìn)行了更多的鍛煉。報(bào)告還稱，運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)的總市值在2025年將達(dá)到5萬(wàn)億人民幣(約合7 490億美元)，其中運(yùn)動(dòng)服飾將占極大的份額。

為抓住這個(gè)潛力市場(chǎng)的無(wú)限商機(jī)，功能面料區(qū)于2016年10月11—13日再次現(xiàn)身2016中國(guó)國(guó)際紡織面料及輔料(秋冬)博覽會(huì)。其時(shí)，在5.2館的專區(qū)有再度歸來(lái)的英威達(dá)展團(tuán)、首次亮相的中國(guó)臺(tái)灣展團(tuán)，以及來(lái)自中國(guó)大陸、中國(guó)香港、以色列、日本和韓國(guó)的多家參展商，如Unifi、龍慶(龍時(shí))服裝輔料、屹立、日本東洋紡等業(yè)內(nèi)頂級(jí)企業(yè)，展示各式各樣具備多種功能(包括溫度調(diào)節(jié)、吸濕排汗、更加經(jīng)久耐用、高彈性、防風(fēng)等)的創(chuàng)新面料。除了國(guó)際參展商，買家也可以在4.2館采購(gòu)來(lái)自中國(guó)大陸的功能服裝和運(yùn)動(dòng)裝面料。

Effects of preparation parameters on properties of temperature control composite fabrics

XiaXin,ZhouXuanwen

Department of Textils and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China

In order to obtain a kind of temperature control composite fabrics with sandwich structure, the phase change nanofiber membrane which was prepared with electrospinning method was used as fabric’s middle layer, and the viscose fabric and the wool fabric were respectively used as the bottom and top layers. By using scanning electron microscope (SEM) and differential scanning calorimeter (DSC), the morphology and thermal properties of the phase change nanofiber membrane were characterized, and how the phase change materials’ content and the phase change nanofiber membrane’s thickness affected heat preserved property as well as air and moisture permeability of the temperature control composite fabrics was discussed. The results showed that nanofibers in the phase change nanofiber membrane were cylindrical, and their surface was not smooth and wrinkled, and the melting phase change temperature was at 28.02 ℃. And the more the content of the phase change materials and the larger the thickness of phase change nanofiber membrane, the better the heat preserved property of the temperature control composite fabrics, but their’s air and moisture permeability was slightly decreased.

phase change nanofiber membrane, temperature control composite fabric, heat preserved property, air and moisture permeability

*新疆自治區(qū)自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(2015211C287)

2015-08-05

夏鑫，女，1980年生，副教授，研究方向?yàn)楣δ苄约徔棽牧系拈_(kāi)發(fā)與應(yīng)用

TQ342+.94

A

1004-7093(2016)09-0008-05