智能纺织品中的微胶囊技术yd8014

展义臻，朱平，张建波，郭肖青   (青岛大学化工学院，山东青岛  266071)

收稿日期：2006-03-20

作者简介：展义臻（1981-），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为新纤维材料的制备及其功能性改性

原载：染整技术2006/8；5-9

 

    【摘要】综述了微胶囊包覆香料和抗菌驱虫剂、相变材料、温敏和热敏变色剂而制备缓释智能纺织品、相变调温智能纺织品、变色智能纺织品，并对此三种智能纺织品的作用机理、分类和制备方法进行了论述。

    【关键词】微胶囊;智能纺织品;缓释;相变调温;变色

    【中图分类号】TS190.2  文献标识码:A   文章编号:1005-9350(2006)08-0005-05

 

    智能纺织品是从纺织纤维和织物中派生出来的新一代纺织新品种，是一种具有记忆能力的纺织品，它具有对外界环境或内部的刺激如应力、应变、光、电、磁、热、湿、化学、生物化学和辐射等具有感知和反应的功能[1]，并且还保留装饰特，性智能纺织品不仅具有一般机织、针织面料所具有的性能，还至少具有一种实用功能，因此也称为功能织物[2]。

    微胶囊技术是纺织工业多功能整理的一种重要手段。微胶囊按用途主要可分为压敏型微胶囊、温敏型微胶囊、光敏型微胶囊、缓释型微胶囊和膨胀型微胶囊。微胶囊的制备方法主要有三大类：相分离法，聚合反应法和机械法[3]。

    微胶囊之所以被广泛的作为一种制备智能纤维及纺织品的手段，是由于对物质进行微胶囊化可以实现许多目的，如对活性成分进行控制释放，使药物具有靶性功能，定时释放药物、香味；通过相变材料吸热和放热调节人体衣内微气候保持舒适的感觉；变色材料发生热敏或光敏变色提供装饰或防护色彩。相应的产生缓释智能纺织品、智能调温纺织品和智能变色纺织品等。

1   缓释智能纺织品

    缓释(控制释放)体系的研究主要应用在药物和香味释放，最早的应用是进行药物包囊技术。微胶囊技术的发展为缓释功能的应用提供了很大的发展空间[4-5]，用微胶囊包覆可释材料，施于被应用的织物基材上，在外界条件下如加热或受辐射时，微胶囊体积膨胀，智能型微胶囊的壁壳上有许多微型小孔，囊壁上的微孔扩大，由封闭或半封闭体系变为开放体系，通过包裹膜孔扩散向外释放所包裹的物质；当外

界环境变回原来的条件时，微胶囊体系相应的恢复到原来的封闭状态而减慢芯材的释放，产生受控制的性能而达到自适应外部环境的智能效果[6-7]。

1·1用于织物上缓释的物质

    (1)挥发性香味物质[8]；香精为油性物质，直接上香油会产生油斑，而且香料、气体、气味等挥发性很高的物质，若将其常规添加到产品中去，会很快挥发，难以进行处理并稳定质量，从而影响织物的留香时间。当将其微胶囊化，使其在需要时重现其功能，则较易掌握其应用。由于它具有抑菌、驱虫、掩盖异味、使身心舒适等作用，因而得到了人们的普遍喜爱。

    (2)挥发性毒性物质[9]：杀虫剂、除臭剂、驱虫剂、杀菌剂等有毒物质的毒性，使用过程中的无方向性和短效性限制了其大规模使用。而将其微胶囊化成为缓释型微胶囊，不仅可使其效果长期保存，提高其使用效率，而且也可降低其对环境的污染。

    因此现布应用在织物上的智能缓释整理主要是香味整理和卫生整理。

1·2   可控释放系统

    根据微胶囊不同的控制释放机理，可将控制释放系统分为如下几类:

    (1)扩散控制系统：芯材和基质进行物理结合，释放过程由芯材在基材内的扩散速率控制。

    (2)化学控制系统：药物和基材间以化学键结合，通过聚合物侧基的水解、生物降解或腐蚀速率控制药物的释放。

    (3)溶剂活化系统：通过溶剂的渗透或溶胀速率控制药物的释放。

    (4)功能性调控系统：药物的释放由一些外加信号如pH、离子强度、温度、湿度、磁性、超声波或辐射等控制。现阶段智能控制释放系统主要应用的是根据温度、湿度、和pH进行的缓释。

1·3  应用

1·3·1 芳香纺织品

    在织物中加入微胶囊包覆香精制出有香味的织物，不仅使人在视觉上获得美的享受，而且在嗅觉上得到愉快的满足。越是热闹场合，香味服装越显其奥妙，当人们在穿脱这种衣服或人多拥挤处时，衣料上的香味便会弥漫开来，香飘四逸，令人心旷神怡。由于深受消费者欢迎，逐渐发展到在服装、

床单、手帕、袜子、围巾等多种纺织品上使用[10]。日前，主要采用香味印花技术，而且香味印花的概念已扩大为"有气息的印花"，它不单产生香味的效果，也包含着产生各种大自然的气息，如森林气息、松脂气息、各种鲜花的气息，这些气息的特点是与大自然气息相似，使人身心愉快，产生回归大自然的感觉。

1·3·2   智能卫生纤维

    人体皮肤表面生长有各种各样的细菌，皮肤表面细菌过多或完全没有细菌，都会引起各种各样的问题，如过敏、产生臭味或生病等。在织物卫生除臭整理时使用微胶囊是利用微胶囊的保护作用和缓释作用使整理剂的作用得到更好的发挥。目前各种含抗菌剂、杀虫剂、防蛀剂的酵母细胞微胶囊在国外已在棉织物和毛织物上使用[11-12]。当把驱虫剂(驱

蚊剂、驱蟑螂剂)的有机油性药物做成微胶囊后用于驱虫印花，则可以实现延长药物释放时间，提高在织物上的粘着性及水洗牢度等目的。

1·3·3   智能医疗纺织品[13]

    许多皮肤病患者往往需要用外敷药物治疗，但频繁换药给病人的生活带来了不便。可以在微胶囊中加入外敷药物成分制成智能内衣，织物与人体接触后，在汗液或体温的作用下药物的有效成分就被"激活"，这些有效成分通过内衣与皮肤的接触渗入人体，达到与药物外敷同样的疗效。

1·4   制备技术

    制备技术主要是印花、后整理和纺丝技术。

1·4·1印花技术

    将微胶囊加入到涂料印花色浆中一起使用，使微胶囊直接渗透到织物内部，加上粘合剂的作用，可以使微胶囊固着在纤维表面，提高其耐久性。

1·4·2后整理技术

    后整理的技术主要采用中空纤维填充和涂层的方法以减少释放组分的挥发损失，使香味和药效更持久。

1·4·3    纺丝技术

    运用复合纺丝技术将微胶囊作为芯或岛组分制备皮芯或复合结构的复合纤维，挥发性芯组分在外界环境的影响下通过纤维的截面和纤维内层慢慢释放出来，这样就可长期维持释放效果。如日木三菱公司[14]生产过一种含有香精胶囊的聚酯纤维，制成的织物有较持久的释香能力，有草莓、凤梨等水果香精或有针叶树芳香油气味等不同品种。由于香精微胶囊保存在纤维内部，织物经多次洗涤仍可保持香味。这种微胶囊纤维不仅可做衣物，也可用于填塞床垫，枕头和动物形状的布玩具等。

2    智能调温纺织品

    调温纺织品，也称为适温纺织品、含相变材料，相变材料微胶囊纤维、相变纤维以及温度调节织物等。自动调温纤维，纺织品是将相变蓄热材料技术与纤维和纺织品制造技术相结合开发出的一种高技术产品。

    近二三年在美国和欧洲市场上出现的outlast[15]纤维是一种利用相变材料微胶囊技术开发的新型纤维。含有相变材料的纺织品在外界环境温度升高时，相变材料吸收热量，从固态变为液态，降低了体表温度。相反，当外界环境温度降低时，相变材料放出热量，从液态变为固态，减少了人体向周围放出的热量，以保持人体正常体温，为人体提供舒适的"衣内微气候"环境，使人体始终处于一种舒适的状态。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[16]。自动调温纤维和纺织品可用于普通服装、运动服装、职业服装、室内装饰、床上用品、鞋袜以及医疗用品。

2·1相变材料分类

2·1·1无机类l。'1

    无机类固-液相变储能材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等。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。相变机制表达如下:

    AB·mH2O+AB+mH2O+Q

    AB·mH2O+AB·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、碳酸盐等盐类的水合物，具有代表性的有:Na2S04·1OH2O、Mg(NO3)2·6H2O、MgCl 2·6H2O、CaCl2·6H2O、CaBr2·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、NH4(S04) 2·l2H2O、Na2S2O3·5H2O、NiNO3·3H2O、KF·6H2O、Na2HPO4·12H2O、CH3COONa·3H2O等等。

2·1·2   有机类

    这类相变材料常用的有：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、聚酰胺类以及其它的一些高分子。

    现阶段纺织品上主要应用微胶囊包覆石蜡类相变材料(见表1)，通常称为Micro-PCM[18-20]。

表l  石蜡系相变材料[21]

化合物

碳原子数

相变温度/℃

(正)廿一烷(n-Heneicosane)

21

40.5

(正)二十烷(n-Eicosane)

20

36.8

(正)十九烷(n-Nonadecane)

19

32.1

(正)十八烷(n-Octadecane)

18

28.2

(正)十七烷(n-Heptadecane)

17

22.0

(正)十六烷(n-Hcxadecane)

l6

18.2

(正)十五烷(n-Pentadecane)

l5

10.0

    Micro-PCM具有如下特性:

    (1)提高了传统PCM的稳定性。如传统PCM稳定性差，易发生过冷和相分离现象。形成微胶囊后，这些不足会随着胶囊微粒的变小而得到改善。

    (2)强化了传统PCM的传热性能。Micro-PCM颗粒微小且壁薄(0.2-lµm)，提高了PCM的热传递和使用效率。

    (3)改善了传统PCM的加工性能。Micro-PCM颗粒微小，粒径均匀，易于与各种高分子材料混合构成性能更加优越的复合高分子相变材料。

2·2   相变智能纤维的制备

2·2·1  后整理法[22]

    采用浸→轧→烘→皂洗工艺得到相变材料的织物，浸渍液中含Micro-PCM、交联剂、催化剂等。这种方法是将相变高聚物附着在纤维表面，故对织物手感以及使用中的稳定性都存在问题，而且相变材料进行交联后调温性能可能发生改变。

2·2·2    中空纤维填充法

    在织造前，利用特殊方法将中空部分密封，将Micro-PCM充填到中空纤维的中空部分，利用相变材料而产生可逆蓄热和防热性能，然后用树脂将纤维进行包覆，防止相变胶囊外泄从而达到持久调温效果。

2·2·3    纺丝法

    将Micro-PCM直接分散在纺丝熔体或溶液内进行纺丝，或将含有Micro-PCM的纺丝组分作为岛或芯组分，聚酯、丙纶等作为皮组分制备耐久效果更好的相变纤维，现阶段主要应用的为溶液纺丝和熔融纺丝技术。最早应用的为溶液纺丝技术纺造相变腈纶纤维，目前研究的热点为采用熔融纺丝工艺，所以制备耐高温的微胶囊成为开发的难点。

2·2·4   泡沫法[23]

    使用水吹法得到的泡沫材料很柔软，其中蓄热调温微胶囊均匀分布，增重约35%-48%，但撕破强力很低，通常适合做服装衬里。Outlast曾授权Lendell制造公司生产这种软泡沫材料，美国Frisby公司将蓄热调温微胶囊嵌入轻型的泡沫材料中，已用于头盔、手套和靴子等防护用品中。

3  智能变色纺织品

    智能变色纺织品是一种具有特殊组成或结构，在受到光、热、水分或辐射等外界刺激后能做出响应，即可逆地改变颜色的纺织品。变色材料进行微胶囊包覆，通过树脂均匀涂在基布上，在特定的温度下它的颜色会发生改变，根据环境温度的变化就能使基布显色或退色[24]。由于其颜色随外界环境的变化而发生可逆变化，既能满足现代消费者希望服装的色彩富于变化的消费心态，还可以制作成有安全警戒作用的纺织品。

    现阶段应用最多的主要为温敏变色和光敏变色二种智能纺织品。

3·1温敏变色纺织品

    颜色可随温度而发生可逆性变化的纺织品称为温敏纺织品或热敏纺织品。随温度变化的物质可以分为有机和无机两类。热变色性又可以分为可逆和不可逆两类，用于纺织品的热变色染料或颜料一般应属于可逆性的。

    可逆热变色材料的变色机理主要有晶型转变机理、结构变化机理、结晶水"得失"机理、pH变化机理、电子得失机理、熔融机理等[25-26]。

    近年为改善耐洗涤性及耐光性，开始趋向于采用聚合物添加温致变色显色剂的方法[27]。温致变色显色剂是由酸显色染料(给电子显色)、酸性物质(受电子化合物及有机溶剂反应介质)所组成，其变色原理是酸显色染料与酸性物质之间的电子受反应温度的影响。此外，主要的是溶剂对该两种物质的溶解度也随温度变化，温度高时溶解度大，使显色染料与酸性物结合，失电子而显色。用于温敏变色纤维的染料变色温度范围为40-80℃。

    常用的显色染料有：酞类、氧杂蒽类、噻嗪类等。常用的酸性物质有：氮茂、酚类、酸性磷酸酯等。有机溶剂则为醇类、脂肪酸、酯类、酮类和醚类等[28]。

3·2   光敏变色纺织品

    许多有机化合物和无机化合物，当用某一波长的光照射时，能发生颜色的变化，当用另一种波长照射或加热时，X能恢复到原来状态，这类材料称为光致变色材料，也称"光变色性"或"光敏变色性"。在光的作用下织物的颜色发生可逆性变化的纤维称为光致变色纤维[29]。光致变色纤维已在日本等发达国家取得较大的进展，日本制成的光敏纤维在无阳光的条件下不显色，在阳光或紫外光照射下显深绿色，在军事中应用广泛。

3·2·1光致变色机理

    有机变色材料的光致变色机理可分为异裂分解成离子、均裂分解成自由基、顺反异构现象、互变异构现象(H转移)、氧化还原体系等[30-31]。

3·2·2   光致变色物质分类

    目前约有40多个类型的有机化合物呈现光致变色现象。光致变色物质主要有以下几类[32]；①偶氮苯类化合物，②螺吡喃类化合物，③二芳基乙烯类化合物，④俘精酸肝类化合物。

3·3   变色纤维或纺织品制备方法[33-36]

    制备变色纤维或纺织品的方法一般有5种:染色、印花、共混纺丝、复合纺丝和后整理。

3·3·1染色

    用具有变色性能的染料对纤维进行染色。变色染料的品种多样，但只有具有一定牢度的染料才能用于纺织品的染色。光敏变色染料染色一般不需改变常规的染色工艺及染色设备，关键在于变色染料的选择，从而得到满意的染色效果和变色效果。

3·3·2   印花

    将变色材料与织物结合，最早和最简便的方法是印花技术。如变色材料对纤维无亲和力，需防止外界因素的影响等，只有封闭在微胶囊中才能维持变色的条件产生变色效应或加工成微胶囊后靠粘合剂固着在纤维上。涂料印花法将变色染料粉末混合于树脂液等粘合剂中，再使用此色浆对织物进行印花处理，获得变色织物。印花工艺可采用常用的筛网、辊筒印花设备操作，也可采用喷墨和转移印花，且基本过程为:织物前处理→印花→烘干→焙烘。耍选用合适的粘合剂、交联剂、柔软剂和微胶囊。

3·3·3   共混纺丝

    将变色体或包覆变色体的微胶囊分散在纺丝熔体或溶液内进行纺丝。主要应用的为溶液纺丝和熔融纺丝技术。溶液纺丝法是将变色化合物和防止其转移的试剂直接添加到纺丝液中进行纺丝。熔融纺丝法是将变色基团接枝到聚合物中，再将聚合物纺成纤维，如将变色聚合物与聚酯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物熔融共混纺丝；或把变色化合物分散在能和抽丝高聚物混融的树脂载体中制成色母粒，再混入聚酯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物中熔融纺丝。

3·3·4   复合纺丝

    用染色和印花法加工成的纺织品存在不耐洗和不耐穿的缺点，随着穿着时间和洗涤次数的增加，变色效应减弱。而皮芯复合纺丝法可以提高纤维的耐久性，它以含有变色剂的微胶囊组分为芯，以普通纤维为皮组分，共熔纺丝得到变色皮芯复合纤维。

3·3·5   后整理法

采用后整理聚合技术也可使纤维具有变色性能。将纤维或织物用含变色剂的单体浸渍，单体一般为苯乙烯或醋酸乙烯，单体在纤维内进行聚合，使纤维具有光致变色性。

4  结语

    近年来，世界上纺织品的应用发生了巨大的变化，日本、欧美社会占据了纺织品高技术链端，慢慢进入智能纺织品时代。微胶囊技术作为一种纺织领域的整理新方法在智能领域得到了越来越广泛的应用。正确地将微胶囊技术用于智能纺织品能提高纺织品附加值、高档化和多样性。我国是纺织服装工业的生产大国，微胶囊技术的深入研究及其与纺织品的结合必然在智能纺织品领域显示广阔的前景。

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