OutIast智能空调纺织品现状和应用yd14312

巫若子 江门职业技术学院 广东 江门 529090

收稿日期:2011-06-14

作者简介:巫若子(1981-),女,汉,浙江温州人,硕士,主要研究方向新型染整技术的研究与开发

原载:染整技术2011/11;5-11

【摘要】本文就0utlast智能空调纤维的生产原理、技术应用、国内外研究的现状进行了介绍,提出了0utlast纤维在纺织、染整加工中的注意事项以及0ut1ast智能纺织品的效果评价。

【关键词】Outlast;智能纺织品;温度调节

【中图分类号】TS193. 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(20ll)l1-00O5-07

随着市场经济的发展和人民生活水平的提高,人们对功能性和舒适性纺织服装的需求增多,传统纺织品简单的保温和御寒的功能己难以满足人们的要求。因此,具有功能性和舒适性的纺织品应运而生,其中保暖控温纺织品的研究在不断发展并走向成熟。如:Vigo将可在常温条件下结晶的聚乙二醇填充到中空纤维中,制备出具有吸热和放热功能的中空纤维;H.Shim等用微胶囊混合物加入聚氨酯泡沫中,采用涂层法制得调温纺织品,但因微胶囊处于纺织品表面,耐洗性较差,易被破坏。上述技术由于自身条件的限制还不能工业化推广。

0ut1ast相变调温纤维是一种新型“智能”纤维,由Out1ast公司于1988年开发成功,1994年首次用于商业用途,1997年在户外服装中使用[l]。在粘胶或丙烯腈系纤维中掺入Out1ast微胶囊,Out1ast能够提供以前得不到的各种各样气候调节的机会。利用相变材料(PCM)纤维吸收过剩热量的能力,它可以根据环境温度的变化吸收和释放热量,使服装具有非常好的温度缓冲和舒适性(图1、图2和图3)。

因此具有气候调节功能,在身体和服装产品之间形成良好的小气候[2]。

图1具有温度调节性能的新型Outlast粘胶纤维的截面显示	图2 0ut1ast Adaptive Comort工作示意图

图3 使用智能织物Ounast技术能减少温度变化,显著改善穿戴者的舒适性	图40ut1ast空调纤维形态

没有Outlast空调纤维的服装,其温度随外界温度的变化而变化,而含有0utlast微胶囊的服装,其温度可调节在舒适的范围内。0utlast公司实验报告中指出:如外界温度在25-39℃变化时,具有0ut1ast纤维的服装可以将温度控制在30-35℃[l],因此被誉为“智能空调纺织品”。

1 0utlast纤维技术及其应用

最初,0ut1ast PCM技术是为NASA(美国国家航空和宇航局)开发的,帮助宇航员经受宇宙空间极端的温度波动。目前,0utlast技术是美国0ut1ast公司和世界著名公司分工合作开发的,是国际合作的成果。美国Acordis公司生产空调纤维,瑞士汽巴公司生产相变微胶囊,美国杜邦公司开发0ut1ast纺织品,欧洲Fountaiset公司开发0ut1ast棉针织品,欧洲P1ouequet公司负责欧洲纺织面料染整技术,亚洲TiongLiong负责亚洲纺织面料染整技术[1]。

0utlast调温纤维的技术处理方法主要有面料涂层法和微胶囊嵌入法两种。其关键技术是将使用微胶囊包裹的热敏相变材料植入纤维内(采用将微胶囊分散在聚合物熔体或者聚合物纺丝原液中,经纺丝得到相变调温纤维)。这种热敏相变材料具有以潜能的形式吸收储存和释放热量的功能,在温度的变化中,可以固态液态相互转化,从而达到吸热、放热的效果。在0ut1ast空调纤维中微胶囊热敏相变材料为碳氢化蜡(Hydrocarbon wax),能对外界环境温度的变化在皮肤上做出相应的反应,对温度的变化有缓冲作用。热敏相变材料微胶囊直径为10-16µm,壁厚小于1µm,相变材料(直径在5µm以下)加入量为80%-85%。纺丝时微胶囊添加量为0.6% (o.m.f) [3]。

Ke1heim纤维公司是特种粘胶纤维生产的领先者,他们把重点集中于创新的产品和柔性技术,成功地把Out1ast的相变技术结合到粘胶纤维中。该公司有纤维、织物和膜,用它可以制成具有气候调节功能的产品如摩托头盔、帽子、跑鞋、滑雪靴、手套和服装。目前这类产品已经被世界上许多运动品牌公司采用,产品已投放市场,其服饰在美国、欧洲国家、日本己很流行,特别是在户外运动者和对温度变化较为敏感的老年和婴幼儿的服装中广泛应用[4]。

0utlast纤维实际上能与任何纤维混纺,从棉花、聚酯和聚酰胺到产业用纤维如芳族聚酰胺,从而集合多种纤维的特性,提高产品的服用性能和档次,主要应用于贴身内衣、针织品、裙子等妇女服装,甚至更加主流的产品例如衬衫、罩衫和裤子,还可用于家用纺织品如床单、毯子、被单和床垫布,增加了装饰织物的舒适性。需要注意的是,混纺纱内部纤维分布规律对织物性能有很大影响,各组分的纤维在混纺纱截面的经向所处的位置及其数量并不是呈均匀分布状态,一种纤维可能较多地分布在纱的外层,而另一种纤维则可能较多地分布在纱的内层,最终影响成品织物的性能。

2 国内外研究现状

DesignWeave公司利用0utlast纱线制造出具有持久控温的寝用品[5]。人体总会产生热量,当人们睡在床上时,Outlast纱线就会把热量从身体转移至棉、聚酯等纤维中储藏:当人的体温下降时,储藏的热量又会释放出来,使用0utlast纱线的寝用品,人们整个夜晚的睡眠都是非常舒适的。0ut1ast纱线技术最初用于席梦思垫及枕头中的,但DesignWeave公司把这种技术应用到床单中。据公司负责人介绍,0ut1ast粘胶纱线与棉纱交织在一起制造的床单,调控温度非常好。公司还开发了采用50%0ut1ast粘胶纱线与50%聚酯纤维交织床单,同样有很好的自动调温功能。

NIKKE在服装面料纤维事业本部的综合产品展上,新近推出了针对男士服装的高级面料素材“Golden MAF”[6]。与该素材同时推出的还有温度调节材料“0ut Last”的涤纶复合产品等新产品。“Go1den MAF”是直径为15.5µm的羊毛纤维素材,与普通羊毛原毛21µm的直径相比还要细很多。为了扩大该类纤维的应用范围,除了新研发的160^S双线梳毛织物以外,与小羊驼毛混纺的80^S双线梳毛织物也非常有特点。该素材主要应用于外套等服装产品。另外“Out Last”的涤纶复合纤维主要展示了使用羊毛与涤纶各占50%比例的混纺线生产的毛衫。虽然还只是备选产品,但是该产品比传统的人造丝、腈纶的同类品在显色性、面料耐用性、耐水洗性方面都有更出色的表现。

国内对于这种温度调节纤维的研究相对较少,从开始进口Outlast纤维,到有二十多家工厂正在进行试制,说明Out1ast技术正处于探索发展阶段。采用Out1ast空调纤维与棉、毛、腈纶的混纺纱制成的T恤衫、毛衫、机织衬衫布、毯子、袜子等部分产品已通过美国Out1ast公司测试,正在进一步向国内外市场推广。

浙江理工大学的陈慰来等人为研究Out1ast纤维含量对棉/丝光羊毛/Out1ast混纺纱热性能的影响,采用差示扫描量热仪对其进行测试分析[7]。结果表明,0ut1ast纤维的含量对相变调温的起止温度、峰值温度影响较小。在降温过程中终止温度和峰值温度随Out1ast纤维含量的增加逐渐降低。混纺纱降温时的相变热焓值与Out1ast纤维含量之间呈显著线性关系,升温时混纺纱的相变热焓值与Out1ast纤维含量的线性关系没有降温时显著。在Outlast纤维含量为40%时,混纺纱的热焓值和相变起止点的温度都相对较好。

寿光大地纺织有限公司汤龙世,杜俊萍等人对Outlast/Newda1纤维混纺纱的生产实践进行了研究[8],其中的Outlast空调纤维就是用Outlast技术将微胶囊(PCMS)植入腈纶纤维内。0ut1ast腈纶纤维的细度规格有2.2dtex、3.3dtex和5dtex,长度51mm、60-110mm不等;Newda1纤维是在常规粘胶纤维制造工艺的基础上,以可再生的天然植物为原料,采用变性粘胶工艺和特殊的纺丝成型工艺制造的纤维,从而提高了纤维的强力和湿模量。纤维克服了普通粘胶纤维湿强度和湿模量低、织物尺寸稳定性差和湿整理及洗烫时易变形的缺点,是制作内衣裤、儿童服装、运动装等高档时装的理想原料。采用Out1ast空调纤维和Newda1纤维纺制混纺纱,通过合理配棉,结合纤维的特性优选各工序工艺参数,完全可以生产出质量合格的纱线,能够满足织造加工要求。

浙江省新型纺织品研发重点实验的赵连英等人和桐乡威图纺织有限公司合作研发,在智能调温T恤纱线的设计中[9],采用40%粘胶型0ut1ast空调纤维与60%精梳棉混纺。在保持温度调节功能的基础上,每吨原料投入从10万元下降到5.02万元,提高了产品的性价比;将0ut1ast腈纶型空调纤维40%/丝光羊毛30%/天丝30%3种纤维混纺[10],采用合适的纺纱、纱线染色、服装加工工艺,确保在每个加工工序中Out1ast腈纶型空调纤维中的具有智能调温功能的相变材料微胶囊不被破坏,开发出了具有智能温度调节功能的毛衣,毛感增加,光泽手感较好;用14.8tex Out1ast粘胶纤维/Moda1/牛奶蛋白纤维40/52/8混纺纱,降低了纱线原料成本,采用汗布结构,单根进纱,加入5%的氨纶开发成具有吸湿性好、润肤养肤的贴身内衣面料[ll],成品面料定量为180g/m²。

西安工程大学的赵雪曼、丁丽等人针对Out1ast腈纶纤维的调温性、耐酸碱性进行测试,观察了不同温度处理后纤维的表面形态,研究其混纺纱在不同温度处理后的机械性能和弹性[12]。结果表明:0ut1ast腈纶纤维的确具有调温性,在100-200℃范围内,随着温度的升高,纤维表面逐渐出现坑洞、掉渣现象,混纺纱的断裂强力、伸长率、断裂功都呈现下降趋势,120℃以后,混纺纱的定伸长弹性率和定负荷弹性率都开始下降。说明温度的升高破坏了纤维的表面结构和内部结构,Out1ast腈纶纤维及其混纺纱不具备稳定的耐高温性;Out1ast腈纶纤维对酸碱试剂的稳定性居中,纤维的力学性能受酸碱试剂的浓度、处理的时间和温度的影响。当碱的浓度和处理时间相同时,在60℃时纤维的断裂强力明显下降,伸长率下降幅度也较大;而处理时间对纤维造成的影响不是很显著,浓度的增加,使纤维的断裂强力造成明显的下降。HC1液的处理时间对纤维的力学性能影响不是很显著。H₂S0₄处理纤维时,当浓度和时间相同时,随着处理温度的增加,纤维的断裂强力和断裂伸长率都减小,但断裂强力的变化较明显。

河南工程学院的朱进忠、苏玉恒等人测试了0ut1ast空调腈纶纤维在标准大气条件下的回潮率、吸放湿曲线,建立了该纤维在标准大气条件下的吸湿回归方程、放湿回归方程、吸湿回归曲线和放湿回归曲线,推导出吸湿及放湿速率回归方程及回归曲线,分析比较了Out1ast空调腈纶纤维与普通腈纶纤维的吸湿性能[13]。结果表明:Out1ast空调腈纶纤维优于普通腈纶纤维的吸湿性:吸湿速率高于普通腈纶纤维,放湿速率也高于普通腈纶纤维;吸湿过程和放湿过程趋于平衡时间分别约在50min和10h后。

3 0utlast纤维纺织染整加工注意事项

河南工程学院的王素玲对Out1ast空调纤维/棉/氨纶混纺纱的进行了纺纱工艺的生产实践,指出纺纱工艺的关键在于防止微胶囊的破裂和静电的产生[l4]。该空调纤维属于棉型纤维,其横截面较粗,纱条蓬松;比电阻较大,且纤维在原生产厂不加抗静电剂,易产生静电;纤维为有光纤维,表面光滑,纤维间抱合力差。这些特性严重影响了纺纱加工的顺利进行,易造成梳棉成条困难,棉网破洞、烂边、飘网;粗纱飘断头;并、粗、细缠罗拉、绕胶辊等问题,所以须做好原料预处理工作。

空调纤维在分梳、牵伸等加工过程中可能有一部分微胶囊被挤压破裂,如果胶囊破裂较多,该纤维将丧失空调功能。微胶囊破裂后,溢出的热敏材料在常规生产环境中呈液态,具有黏性,会造成纺纱过程纤维缠压辊、绕罗拉、堵圈条盘等问题,影响纺纱加工的顺利进行。粘附蜡质的纤维难以上色,影响印染加工质量。因此在纺纱过程中要特别关注微胶囊的破裂问题。

0ut1ast空调纤维密度小、蓬松、有弹性,单位质量体积较大,成纱难度大,纺纱细度有很大的局限性,尤其是细特品种纺纱难度特别大,织物规格设计有局限性,所以各工序半成品定量要偏轻设计,定长偏小掌握,粗纱、细纱卷绕螺距和经向密度偏小掌握。

浙江纺织服装科技有限公司的赵连英等人对0ut1ast粘胶型空调纤维开发智能调温T恤的实践中发现[15],粘胶型空调纤维是再生纤维素纤维,棉纤维是天然纤维素纤维,由于都是纤维素类纤维,可以采用活性染料一浴法对面料进行染色,Out1ast粘胶型空调纤维具有多孔道性,吸湿速度快,在染色时如不注意染料选择和工艺制定,同样也会出现深浅不一的情况。在染料选择和染色工艺的确定中,要采用合适的表面活性剂,提高两种材料的上色统一性,控制Out1ast粘胶纤维的上染速率,采用非离子型表面活性剂,减缓上染速度。在固色剂的选用上也要考虑选用固色效果好的固色剂,固色温度要高些,要注意染料的提升力、亲和力,在染色工艺的确定中要注意不同助剂加入的先后顺序。

扬州职业大学的陈亮等人和扬州市产品质量监督检验所合作通过分段升温染色法、恒温染色法、控制升温染色法等3种方法分别对Out1ast空调腈纶纤维染色测色进行了初探,发现不同的染色工艺对其染色浓度、鲜艳度、色偏等都有一定程度的影响。可以利用测色数据,对色光进行调整。也可以尝试利用温度的变化调节,调整色泽的微量偏差。也可以预先增加或减少其中某类染料用量,得到相一致的色光[l6]。

对于腈纶纤维来说,温度是影响阳离子染料上染的关键参数,而Out1ast空调纤维由于添加了微胶囊包裹的热敏相变材料,从染色角度来说,相当于添加了其他类型的杂质,纤维中形成比常规纤维更大的空隙或毛细孔,从而有利于染料的上染。另一方面,由于添加了杂质,必然会引起染座的减少,但这种影响在小于饱和值的条件下,不会导致染色性能的变化。因此,应该降低0ut1ast空调纤维的始染温度。随着染色温度的升高,当温度上升到玻璃化温度后,纤维中大分子链运动加快,纤维内的空隙突然增大增多,染料向纤维内的扩散速率突然增大,而且这个增速现象,随温度的升高而迅速加剧。这种扩散的突然增速现象必然造成上染速率的突变,造成染色不匀。为了解决染色不匀必须严格控制升温速率。最终染料平衡吸附量决定于纤维中第三单体的总量,其染料平衡吸附量有所下降。

德州学院的窦海萍等人和德棉股份有限公司在Out1ast新型智能腈纶纤维面料的染整工艺方面,为防止色差和色花的产生,前处理选用双氧水漂白[17]。我们都知道,对于棉织物来说,pH值高有利于漂白,但对腈纶来说,过高的pH会对白度起反作用。漂白时两种纤维采用不同的pH值。

利用国外先进的Thies型筒子染色机,选用亨斯迈公司生产的阳离子染料和活性染料,采用“一浴两步”法染色。先染Out1ast腈纶纤维,pH值控制在4-4.5,升温过程缓慢控制即可,防止腈纶纤维上染速率过快,造成染色不匀,又可得到合适的着色量;后染棉纤维,pH值控制在10-11,温度控制在6O℃。水洗过程:60℃温水→80℃热水加净洗剂→6O℃温水→冷水洗。

0ut1ast智能纤维混纺织物经以上步骤加工后进行测试,织物色泽靓丽、滑糯、柔软、染色均匀。色牢度为:耐洗3级,干摩4级,湿摩4级。

浙江纺织服装职业技术学院的陈国芬对out1ast纤维针织童外套面料进行了开发与生产研究,总体看来,0ut1ast纤维混纺织物的染色效果较好,但该产品原则上不适宜在高温和强碱条件下进行精练和漂白,同时要避免进行丝光处理[18]。

徐州纺织控股(集团)有限责任公司的周燕对空调纤维天鹅绒的生产工艺给了较为详尽的介绍[19],以下是空调纤维天鹅绒的生产工艺流程图:

在设计染色工艺路线时,既要考虑染色技术的可行性和产品质量,又要兼顾操作简便和尽可能降低成本。

图7 空调纤维、棉、天丝染色工艺曲线图

在染色过程中,加入合适的助剂参与染色将有利于稳定染色质量,例如:高分子界面活性为主要组分的匀染剂,具有优越的分散及匀染效果,同时还具有防止钙、镁等金属盐与染料发生二次凝聚。在布面上形成染料污点的功效,用量4%-5%:不含甲醛且产生废水易降解的无醛固色剂,其主要组分是含反应性基团的多聚胺化合物,用量0.5%-30%;以高级脂肪酸衍生物和有机硅类复合物为主要组分的复合型柔软剂,用量4%。

后整理为了避免因高温定形而破坏产品的自动调节温度效果,选用降低温度、减慢车速、快速冷却的定形工艺,既保证了产品的功能效果,又避免了因高温定形造成的面料手感僵硬的外观风格质量问题。为尽量避免过大的拉伸张力,在定形整理时采取负张力定形,以保证织物的水洗尺寸变化率符合技术标准要求。

值得一提的是,染色后对纤维空调性能影响尚需进一步研究探讨。

4 0utlast智能纺织品的效果评价

传统的导热材料的性能可通过示踪空气检测,然而非生理测试程序对于0utlast纤维对外界温度的缓冲作用(动态系统)则不能量化。

最好的检测方法是人的生理测试,但是这种测试总是非常耗时且成本昂贵,所以从来不被用于质量控制检测。现在从微胶囊、纤维到成品的生产过程中采用了许多检测技术。

一种技术为差示扫描量热法(DSC),用于测量微胶囊的热焓和纤维所含的微胶囊个数,测量相变材料吸热和放热的熔点、结晶点和温度变化范围。另一种技术为热重分析法(TGA),用于测量微胶囊中相变材料的热应力。无论普通纤维还是含有微胶囊的纤维在从纱线到织物的生产过程中都要经过加热。在生产过程中温度如果高于用于相变材料的碳氢化合物的熔点,在微胶囊中产生的蒸气压将增加。

还有―种技术是通过测量微胶囊重量的损失来判断温度的升高。常见的有两种重量损失,一种是100℃时,由于水分蒸发损失。另一种是280℃-310℃时,由于微胶囊壁破裂释放出碳氢化合物。在两种不同的温度如果微胶囊的重量没有明显的不同,就说明了微胶囊壁的完整性,这一点是

表1 各类产品须达到的Outlast含量及要求

产品类别		0ut1ast含量要求	其他要求
针、机织服装及面料	针织物及套衫、服装	0ut1ast纤维含量40%以上	整件衣服均要用Out1ast针织面料
	用于衬衫、袜子、套装的机织物	Out1ast纤维含量40%以上	整件衣服均要用Out1ast机织面料
袜子、套 装、运动 夹克衫	用涂层面料做的袜子、衬衫、套 装、运动夹克衫	己获批准的Out1ast涂层或衬里料,用于袜子和运动夹克衫	夹克、衣服和袖子必须含有内衬,整条袜子必须有涂层织物
	用Out1ast机织面料做的袜子、 衬衫和运动夹克衫	至少含有5O%Out1ast	外衣必须由Out1ast机织布做成,推荐最好用Out1ast涂层面料
床上用品	床褥或床褥套及附加件	0ut1ast腈纶纤维含量至少40Og/m^2	可做成Out1ast面料或内胎
	机织、针织、毛毯	0ut1ast腈纶纤维含量至少50%	洗涤或使用后必须有良好的外观
袜类	功能袜或每天用袜	0ut1ast含量占袜子总重量的40%以上或每双袜子中0ut1ast纤维含量至少有42g以上	袜子的结构要适应正常消费者的穿着要求
	便袜、礼袜、水手袜	0ut1ast含量占袜子总重量的40% 以上或每双袜子中Out1ast纤维含量至少有30g以上
高尔夫衫	滑雪高尔夫、礼服式或休闲式高尔夫衫	要用0ut1ast涂层衬里	略
	针织高尔夫衫	out1ast纱线至少50%,建议用羊毛混纺	整体高尔夫衫用0ut1ast混纺纱制成
帽子	针织帽	按Out1ast针织物的要求含Out1ast4O%以上	成品帽子是用Out1ast纱制成
	衬里为out1ast涂层的帽子	采用获准的Out1ast涂层织物	帽子里层均为Out1ast涂层织物
鞋子	各类鞋子	均采用Out1ast涂层织物作为鞋里布	略

重要的[20]。

2004年3月,Outlast技术得到进一步的认可,在法国荣获“改变我们未来生活的15项创新之一”的奖状,明确了各类产品须达到的Out1ast含量及要求"(见表1)。测试方法采用美国标准纺织品热功能测试方法 (ASTM D7024) 。

0ut1ast织物的调节温度效果(吸收、储存、释放热量的能力)可以用SFR值(即smart fabric rating智能织物值)或ACR值(即Adaptive ComfortRating)来衡量,SFR或ACR值愈高,给予人体舒适的能力也愈强。非Out1ast的服装因为没有储存热量能力,故SFR或ACR值几乎等于0。单层智能织物的SFR或ACR值可达5000,为增加舒适性,多层智能织物的SFR或ACR值可达11000。含有Out1ast的智能织物参数值见表2。

表2 含Outlast的智能织物SFR或ACR值的参数值

织物	SFR/ACR	织物	SFR/ACR
具有较强调温功能的褥垫	5O00	智能褥垫	3000
智能盖被	4000	智能套衫	1000
智能枕头	1000	智能西装	2400
智能毯子	500	智能内衣	1000
智能茄克衬衣	5O00	智能袜子	200
智能裤子	1100	智能鞋衬垫	400
智能POLO衫	500	普通服装、床上用品、袜类	0-100

注:表中数据来源于美国out1ast公司的《智能织物技术》(ACR的计算方法:按0udast公司的专家解

释; “在实验室内,每单位的ACR按2.5焦耳对其舒适度的测量,即:ACR=0ut1ast材料的比热(焦耳/m2)×Out1ast的材料面积(m2)×接近系数/2.5焦耳(接近系数是指材料在产品中接近身体的程度)

到目前为止,国内还没有关于空调纤维纺织品的温度调节效果技术标准,大多数产品只能参照美国0utlast公司的《智能织物技术》企业标准。产品在生产和经营过程中缺乏杈威的指导性文件和技术判定依据。因此制定相关的技术标准和测试方法标准是国内空调纤维纺织产品实现产业化的重要工作。

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