蓄热发光保暖关键技术研究及新产品的开发yd20521

董勤霞1,2，马仁和1,2，何立锋1，刘冰1 1.宁波大千纺织品有限公司，浙江宁波315800：2.宁波申洲针织有限公司.浙江宁波315800

基金项目：2015年宁波市产业技术创新重大专项(2015B11043)

专利名称：一种新型发光聚对苯二甲酸酯针织面料及其制备方法(ZL 2016104485522.4)：一种蓄光变色针织印花面料及其制备方法(ZL201610722666.7)。

获奖情况：“第29届(2016年)全国针织染整学术研讨会”优秀论文

作者简介：董勤霞(1956～)，女，总工程师，教授级高级工程师。主要从事创新技术管理，纺织新材料、新纤维、新技术、新 艺和新产品的研究开发及高新技术成果转化与实施工作

原载：针织工业2017-2；38-43

【摘要】介绍了蓄热发光新材料的应用领域。研究分析了蓄热发光新材料的机理。通过列举蓄热发光高分子纤维材料的性能，阐述蓄热发光材料的特点和用途。并提出了"-3前在该领域存在的技术难题及新产品开发的技术关键。重点结合自主研发的专利技术及新产品。介绍蓄热发光材料在纺织领域的应用，并在产品开发中从织物组织结构、上机工艺、前处理、染色、化学整理等多方面着手研究了防止蓄热发光材料功能性衰减的新工艺，阐述了这项技术的可行性、可复制性和可实施性。

【关键词】蓄热发光；保暖；工艺设计；产品开发

【中图分类号】TS 190 文献标志码：A 文章编号：1000-4033(2017 02-0038-06

随着纺织技术水平的提高.人们对纺织服装的要求已不在是遮体御寒，而是轻便柔软、舒适得体，尤其对长效多功能性、健康环保的要求越来越高。促使着从事纺织服装面料研究的开发人员不得不花费大量精力去追溯新材料性能的多样化、新纤维的异形化、长效与多功能化.并促使纺织服装向着舒适、时尚、保健、安全、环保、多功能、多元化和长效耐洗的方向发展。

蓄热纤维是一种将太阳光或红外线转变为热能并储存于纤维中的一类新型功能纤维：或采用相变材料制作成微胶囊.随着环境温度变化进行固、液、气的转化，通过高分子相变而不断地放热吸热.并具有可逆性。蓄热纤维多数以黏胶纤维、腈纶纤维、涤纶纤维为载体而赋予其功能性和服用性.并可与多种纤维混纺、交织研发发热保暖面料。

蓄光纤维足在合成纤维纺丝过程中加入一定量的碱上金属硝酸盐而制成的一种新纤维.该纤维在自然光或日光灯照射10～20 min后.存储的光能可使纤维在黑暗处可以持续发光6 h以上.而且吸光、发光可长久进行。蓄光纤维作为一种新型的无毒无害的环保型发光纤维材料，町用于建筑装潢、交通运输、航空航海、夜间作业、消防应急、日常生活及娱乐服装等领域。例如.国际海事局规定.凡在远洋轮上下作的人员.服装都必须有夜光标志：在夜间军事训练的降落伞上.必须使用夜问发光织物使训练人员更加安全：在矿井内.必须配备发光服装及发光救生绳索.便于矿工们相互联络、逃生和救援：存制造消防设施、器材时.要求配置蓄光纤维材料的织物.便于在火灾时能马上看到消防人员和消防设施.做lfJ迅速反应而达到自救和被救的目的：在一些公共场所.蓄光纤维做成的引导标记可引导人们有秩序有目的地脱离险地；在家居方面，采用蓄光纤维可以做发光窗帘、拖鞋，即使在黑暗处仍然便于夜间活动：在玩具制作方面，可以制作发光毛绒玩具等，而传统的涂层发光面料，需要借助外界光之后自身才能够进行发光，不能有效的储存和延续发光时间.已不能满足现代消费者对发光面料制品的需求。

结合我国“十三五”发展规划《国家重点支持的高新技术领域》中涉及高分子材料的领域.包括：形状记忆高分子材料、高分子相变材料、高分子转光材料、智能化高分子材料等新功能高分子材料制备技术；导电、抗静电、导热、阻燃、阻隔等功能高分子材料的高性能化制备技术；具有特殊功能、高附加值的离分子材料准备技术及其以上材料的应用技术：具有特殊性能或功能化的聚合物、纤维材料、纤维制品及复合材料制备技术：环境友好、可降解、替代石油资源的新型生物质纤维制备技术.新型生物质纤维制品加工技术：高分子材料的新型加上和应用技术中.高分子材料高性能化改性和加工技术。采用了多种新材料、新纤维、新纱线研究开发了蓄热发光、保暖透气的多功能新面料以满足市场需求。

1 蓄热发光材料与纤维的性能

1.1 长效蓄热发热纤维

1.1.1 蓄热发热材料概况

蓄热、发热、保暖纤维足在合成纤维熔体中添加了经高温转相的纳米竹炭粉、咖啡碳、微胶囊相变发热材料或发热陶瓷材料等新型材料。当环境温度变化时，这些添加物质的电子发生跃迁.进而释放出负离子，发射远红外而引起大分子链节链段活跃.不断地通过材料的相变吸热放热。

a.发热

人的身体每时每刻都在呼吸，无论是干燥环境还是湿润的环境，人体都会散发出轻微的湿气。由蓄热发热材料制成的发热纤维，可以吸收人体皮肤呼吸的湿气通过化学反应转换为热能。而实现发热与蓄热的双功能。

b.保暖

保暖有两种形式：一种是尽量保持热量：另一种是用某种方法取得热量。织物保暖性受多种因素的影响。例如发热纤维材料与纱线、纱线结构与紧密度、织物结构与紧密度、编织结构与集层度、染色工艺与后处理加工技术以及功能材料对化学助剂、染化料的敏感度等。

通过纤维材料与纱线取得保暖效果与空气湿度、皮肤触感度、吸湿散湿性、吸湿发热性、光吸收发热性、远红外线放射性等多种因素有关。纤维材料和纱线、面料中含有空气越多.蓬松性越好.保暖效果就越好.如羊毛和腈纶纤维蓬松度好，保暖性就好。在材料相同的情况下，厚度越厚保暖性也越好。

选用超细旦抗起球发热腈纶和扁平黏胶纤维混纺.使纱线断面之间形成双层空隙结构(见图1)。空气可以阻止热量的流失.达到优异的保温效果.

图1抗起球发热腈纶与扁平黏胶纱线截面图

1.1.2蓄热发热纤维分类

a.依康棉纤维

依康棉纤维是在聚对苯二甲酸乙二酯熔体中添加蓄热型纳米发热材料，实现了长效持久蓄热保暖。适用于制作保暖内衣、床上用品等。纤维主要技术指标见表l。

表1 依康棉纤维主要技术指标

b. 咖啡碳纤维

咖啡碳纤维是在聚对苯二甲酸乙二酯熔体中加入纳米级的咖啡碳.制得的面料根据咖啡碳纤维加入量、织物组织结构可以升高温度3-6℃不等。

c.智能调温微胶婕纤维

以采用黏胶(或腈纶)纤维为基体.将相变微胶囊均匀地添加到黏胶纺丝液中.并按照黏胶纺丝工艺制成纤维(见图2、图3)，其黏胶基微胶囊智能调温纤维系列主要指标见表2

图2 智能调温黏胶基微胶囊纤维

1.2 长效发光蓄光纤维

长效发光蓄光纤维是一种含有碱土金属铝酸盐物质的新型纺织材料.它通过储存可见光在黑暗环境下不仅能够延续发光时间.而且在不同光线下还能起到折射、反射、警示反光的作用。适用于警示服、证件、装饰灯等不同领域。

1.2.1 碱土金属铝酸盐发光蓄光材料

稀土激活的碱土金属铝酸盐是一种复杂结构的纳米级高岭黏土， 主要成分有：SrAI₂O₄：Eu²⁺；SrAI₂O₄：Eu²⁺，Dy³⁺；SrAI₁₄O₂₅：Eu²⁺，

(a)智能调温黏胶基微胶囊 (h)智能凋温黏胶基微胶囊 ( )智能调温黏胶基微胶囊

纤维I 纤维2 纤维3

注：南(a)一((·)纤维热含值增大，渊温效果变好

图3 不同相变焓值下的智能调温黏胶基微胶囊纤维电镜截面图

表2 智能调温黏胶基微胶囊纤维主要技术指标

Dy3+；和CaAI2O4：Eu，Nd3+等。它们含有的锶、铝、铕、钙、钕、镝等稀土元素从发射的蓝光到绿光.峰值分布在400-520 nm.同时亮度高，余辉时间长。在铝酸盐稀土材料中，应用最多的是黄绿色荧光粉SrAI2O4：Eu2+，Dy3+和蓝色荧光粉SrAI14O25：Eu2+，Dy3+；SrAI14O25：Eu2+，Dy3+发射峰在490 nm.与人眼明视觉峰值接近(见图4)。是目前所报道的余辉时间最长的铝酸盐长余辉材料。是黄绿色荧光粉SrAI2O4：Eu2+.Dy3+的二倍

图4 长余辉材料发射光谱与人眼视觉灵敏度对比

稀土碱土金属铝酸盐发光材料.在发光瞬间达到最高峰值以后，开始慢慢地衰减(称之为半衰期).衰减的越慢说明发光持续的效果越好，见图5。

图5 碱土金属铝酸盐发光材料衰减曲线

l.2.2 含碱土金属铝酸盐的发光蓄光纤维

发光蓄光纤维(又称夜间发光纤维)是以涤纶、锦纶或丙纶高分子聚合物为基质.添加纳米级稀土铝酸盐微粒和纳米级助剂作为发光光源.经过特种纺丝工艺而制成的具有夜光性能的一种蓄能纤维该纤维具有在受光照射时捕集激发态电子.在停止照射后进行持续发光跃迁的功能。

发光蓄光纤维只要吸收任何可见光10 min.便能将光能储存在纤维中.在黑暗中持续发光10 h以上.可无限次循环使用，且无毒无害.放射性不超标.达到人体安全标准 用它制成的纺织品在白天与普通纤维具有完全一样的使用性能.不会使人感到有任何异常之处。

1.2.3 发光蓄光纤维特点

发光蓄光的夜间发光纤维与夜间发光涂料产品对比，区别为发光蓄光的夜间发光纤维发光成分已经分散于纤维大分子之中，发光特性不会受水洗的影响，而夜间发光涂料产品是通过后整理施加到产品上.发光长效性可能在后加工及使用过程中受到非常大的影响。目前已研制出多种有色发光蓄光纤维.而且最终产品无需染色。不仅避免了染料对纤维发光性能的影响.同时也避免了染整工序产生的废水对环境的严重污染。

l.2.4 发光材料种类

发光材料分为自发光型和蓄光型两类 自发光型夜光材料的基本成分为镭等放射性材料，无论黑夜或白天都可持续发光。但是因为含有放射性物镭.不符合环境保护的要求.在应用上受到比较大的限制 蓄光型夜间发光材料为硫化锌发光材料以及最新发展的稀土铝酸盐发光材料和铝酸锶的化合物。而稀土铝酸盐发光材料具有发光时间长、亮度高、无毒无害无放射性、化学性能较稳定等优点。且其发光性能和持久性优于硫化锌。

目前，最安全常用的是稀土铝酸盐发光材料 就分子结构而言，稀土元素具有丰富的电子能级。可以产生多种能级间的跃迁.当可见光照射稀土大分子时.电子从基态或下能级跃迁至上能级.发生光的吸收.将光能储存于纤维之中。没有可见光时.电子从激发态上能级跃迁至下能级或基态.产生光的发射.将储存于纤维之中的能量释放出来 稀土离子跃迁能级间的能量差不同.就能发出不同颜色的光。利用光色合成原理将三原色(红、黄、蓝)色光进行一定方式的组合，便可形成色泽丰富、绚丽多彩的效果 选用铝酸盐发光材料系列的夜间发光材料作为发光纤维或织物的后整理材料，可以充分利用日间的可见光，将太阳能存储并在夜间释放出来.可满足户外运动、夜间工作的光线需求[1]。

2 蓄热发光保暖产品的关键技术

2.1 技术难题

采用蓄热发热纤维和发光蓄光的高分子纤维与其他多纤维混纺的纱线.研究纺纱、织造、染整的新技术、新工艺和新产品，保证纤维性能加工中不被破坏.在可见光照射后能够将光储存于纤维之中，在黑暗状态下可持续发光一段时间.或者可折射、反射从而起到警示作用.开发具有奇特效果的蓄热发光保暖新面料。

研究蓄热发热的多种纤维和发光蓄光的涤纶纤维的微观结构和物理化学性能.可有针对性地进行织物组织结构设计、上机编织工艺及染色工艺、后整理工艺技术的攻关研究.使新型纤维产生的蓄热发热保暖、发光蓄光面料的特性得到更好发挥。

为提高产品附加值.研究了荧光染料及染色新技术、发光涂料及印花新工艺.赋予织物白天具有蓄热发热、吸湿保暖、发光折射和反射功能.夜间又通过夜间发光印花印制星星月亮图案使人产生新奇感 与此同时该面料持续发光时间长.且发光新材料的添加不会影响织物的手感、色牢度、柔韧性、强度以及环保性能

2.2 核心技术及创新点

研究了蓄热发热纤维和长效发光蓄光聚对苯二甲酸酯纤维的蓄热、发热和发光机理.开发了白天能够蓄热发热、吸湿保暖，夜间在黑暗状态下可持续发光的新面料。

针对传统涂层发光面料易脱落、发光效果不佳、纱线强力低等缺点.开发了具有长效特点的蓄热发热、吸湿保暖、性能可靠、发光稳定的新型多功能面料。

通过研究织物组织结构、上机工艺.前处理、染色、后整理及印花工艺.解决了多纤维性能差异大、织造困难、煮漂和染色影响蓄热发热和发光蓄光效果、强力下降大的关键技术。

首次研究荧光染料及染色新技术、发光涂料及其印花的新工艺.在已经具有多种特殊功能的面料上.再附加既有发光折射、反射功能.又有夜间星星月亮闪亮的新奇感的功能。

为客户提供了蓄热发热发光蓄光保暖多功能一体化的新面料和生产新面料的新技术、新工艺。该产品兼有蓄热发热、发光蓄光、吸湿保暖、舒适柔软、吸水速干等多功能的特点。

该面料可用于休闲服装、礼服、警示服、交警服、照明面料、玩具面料、防伪面料、装饰面料等领域。

2.3 主要考核技术指标

2.3.1 常规的技术考核指标

蓄热发光面料常规技术指标见表3

表3 蓄热发光面料常规技术指标

2.3.2 蓄热发热完成的技术指标

测试结果表明蓄热发热面料较常规面料温度提高3-6℃。

2.3.3 蓄光技术指标

根据产品薄厚和织物组织结构.要求初始发光强度大于20000cd／m2,余辉时间大于6 h(初始发光强度和余辉时间测试条件为：亮度计Ls-100，光源为标准光源D₆₅，照度为1 0001X,激发时间为10min)

2.4 产品经济效益

目前.该项研究成果和专利技术已经投产.2016年新增销售额2 500万元.实现新老产品的结构调整。同时，申请发明专利2项，制定企业标准2项

3 产品设计及上机工艺

通过分析研究纤维的功能以及物理机械性能.优选出了最佳的交织比例和纱线的形态结构。开发了独特的双层结构织物。见图6、图7。

图6 织物设计图

图7 蓄热发光面料截面结构设计图

通过织针与三角轨迹的设计与调试 使面料内层为发热纤维纱线和其他纤维纱线.使织物具有良好的亲肤感及功能性：外层为发光的聚对苯二甲酸酯的新型纤维和新材料 该面料的结构利用平均力学原理.通过调整纱线长度及结构形式.使面料内外层受力均匀分配.通过对组织设计结构克服了原料本身强力不好的问题.侧重于提高了面料平整度、弹性及舒适性，同时，把发光蓄光的聚对苯二甲酸酯纤维和发光材料设计在外层.最大程度地发挥了其吸光发光性能

4 染整与印花工艺设计

4.1 染整工艺设计

对于已经具有多种功能性的坯布.在染整工艺设计时为了防止多功能性被破坏或衰减：加工工艺流程、宜简不宜繁；工艺条件.宜弱不宜偏：化学助剂，宜少不宜多：工艺强度.宜缓不宜强；定形温度.宜低不宜高：对色修色，宜宽不宜严。

4.2 印花工艺设计

为进一步提高产品的附加值和开发更多新品种.根据不同的客户需求.继续研究开发了发光涂料及印花新工艺.在产品既有蓄热发热、保暖透气、发光蓄光的功能的同时.又通过印花工艺实现折射反光的功能. 以及印制发光涂料.在夜间能够发出星星月亮新奇感的产品。

蓄光印花是特殊涂料印花的一种.是利用发光涂料以黏合剂等助剂配制的印花色浆进行印制花型图案.经光源照射后.发光材料储蓄能量.由低能态跃升到激活态 入夜后在黑暗中能够放出黄绿色亮光.具有特殊的视觉效果

4.2.1 发光涂料筛选

筛选出颗粒细、粒度分布窄而匀、各项性能指标稳定的涂料，以达到良好的印花牢度 通过检索国内外文献.并与长期合作单位交流沟通.筛选开发了符合要求的铝酸锶发光涂料

4.2.2 印花色浆中涂料的用量

印花色浆中涂料用量低.发光性能不好.但是手感相对柔软：印花色浆用高.发光性能好.手感相对较硬.同时印花色浆过饱和易产生堆积，增加生产成本。因此.通过正交试验确定了色浆的厚度通过反复多次的正交试验.确定了合理、经济和高效的印花工艺、配方及工艺条件。

5 生产实践与效果

5.1 产品开发流程图

产品开发流程见图8

图8 产品开发工艺设计图

5.2 产品达到的效果

5.2.1 产品常规测试指标

新产品考核的常规指标及实测结果见表4

由表4可知.产品常规指标指标满足考核要求.判定为合格

5.2.2 蓄热发热技术指标

新产品蓄热发热抗菌抑菌立项的考核指标及测试结果见表5

由表5可知，产品实测法向发射率0.86％，符合标准不小于0.80％要求：金黄色葡萄球菌抑菌率为99.2％ . 符合标准不小于99.0％ 的要求 该产品判定为合格。

5.2.3 蓄光技术指标

立项的蓄光考核指标：初始发光强度大于20.000 cd／m：.余辉时间大于6～8 h 初始发光强度和余辉时间的测试条件要求见表6

蓄光面料和发光面料测试结果见表7、表8

由表7、表8可知，蓄光面料和发光面料初始发光强度均高于标准要求.判定为合格。

表4 立项考核指标与实测指标对比

表5 立项蓄热发热考核指标与实测结果对比

表6 测试环境与条件

表7 蓄光面料测试结果

表8 发光面料测试结果

6 结束语

本项研究采用蓄热发热、发光蓄光的新纤维、新技术开发的蓄热发热、发光蓄光、保暖透气的新面料仅是智能化、可穿戴新产品开发的一个思路.希望能够起到抛砖引玉的作用。让我们共同开发更多、更好，切实可行的新产品。

本项研究开发的新产品.能显著改善穿戴者的舒适性和多功能性。可以根据消费者的不同需求.开发不同的功能产品而广泛应用于以下几方面：服装类，时装、运动装、休闲服、登山服、防护服、内衣类；鞋帽类，运动鞋、轻便鞋、登山鞋、鞋垫；床上装饰用品，被套、枕套、床单、床垫、睡袋、窗帘帷幔；其他附属，手套、帽子、短袜；特殊工种的防护服、消防服、矿工作业服、夜间交警执勤服等。

特别指出稀土发光材料是科技发展所催生的新产物。它的出现给纺织、建筑、安全等行业带来了很大的方便和附加值 尤其在纺织行业.稀土发光纤维的出现极大地增加了纺织行业的发展方向.并极大地方便了某些特定功能纺织品的制造。

与此同时.稀土发光材料的性能还有很多未知的方面.发光材料的应用也需要科研人员及各类社会人士充分发挥自己的想象力和创造力去研究和试验发光材料的应用价值 关于稀土发光材料的研究需要发光材料的科研人员以及纺织业等科研人员共同努力去实现。

参考文献

f1]王万秀.功能性夜光纤维的开发与应用[C]//“军达杯”全国浆纱织造学术论坛暨2010织造年会论文集.常州：“军达杯”全国浆纱织造学术论坛暨2010织造年会.2010.