国内外吸湿发热面料的研究现状及检测标准探讨_刘澄.pdf

1052023年 2月 中国纤检 纤标准论坛Fiber Standard Forum随着社会的快速发展以及科技水平的不断提高，人们对服用纺织品的要求也从最基础的“衣能蔽体”向兼具美观舒适、抗菌防污、冬暖夏凉等多功能性纺织品转变。近年来，考虑到传统冬季服装为有效维持其保暖性能，往往过于臃肿厚实而美观性不足。同时，传统保暖面料往往吸湿性及透气性不足，人们在冬季活动中汗液难以有效排放，不仅会产生闷湿渐冷的不适感，也易导致细菌的滋生，吸湿发热纤维和材料应运而生，并凭借其优异的吸湿保暖性能以及兼顾的排湿性、透气性与美观性获得广泛关注与研究。1 吸湿发热材料概述1.1 吸湿发热材料产热原理当前保暖面料按照其保暖原理主要分为消极阻热式和积极产热式面料1。传统保暖面料大多属于消极阻热式面料，导致其显得臃肿不利行动的原因主要为传统面料保暖大多依靠增加厚度或絮状填充物以提高束缚的静滞空气量，从而降低面料整体的导热系数和热量流失。而积极产热面料就不存在上述问题。积极产热式面料主要通过在原材料制备或后整理过程中增加产热因子，在服用过程中自主产生热量以达到保暖的目的。常见的积极产热面料包括光热面料、电热面料、近红外热面料和吸湿发热面料2。其中，吸湿发热面料因其能够吸收皮肤表面水汽微环境并产生热量，在实现保暖功能的同时维持皮肤表面干爽舒适而备受关注。当前吸湿发热材料的工作原理如图1所示3，主要有以下两种：（1）水分子动热能转变：吸湿发热材料表面含有大量亲水性极性基团，可以有效捕捉空气中或皮肤表面水分并以氢键的形式进行结合。在水分子由动态向静态的转变过程中，动能转变为热能并达到保暖的效果。（2）水分子气液相转变：吸湿发热材料在吸收固定人体表面微环境中水分子的同时，部分水分子逐渐由气态转变为液态并释放出热量，实现材料的保暖效果。图1 纺织品吸湿发热原理图1.2 吸湿发热材料分类吸湿发热材料依据其织造纤维种类的不同可以分为三类：以天然吸湿发热纤维为主的面料、以合成纤维为主的面料以及复合型吸湿发热面料。当前使用较多的天然吸湿发热纤维主要为棉纤维和羊毛纤维。相较于传统合成纤维，棉和羊毛纤维因其表面存在大量极性基团，可以很好地吸收人体表面微环境以及空气中的水分并产生热量。其中羊毛纤维的吸湿积分热更是高达112.6J/g，远高于传统涤纶纤维的3.4J/g以及传统腈纶纤维的7.1%。尽管棉纤维的吸湿性不及羊毛纤维，但可以通过后续化学整理进一步提高其吸湿性，如Shimizu Takeo将酰肼基团接枝于棉纤维表面或Sakai Yoshiaki在棉纤维表面引入大量羧基化合物以达到提高吸湿发热效果4。考虑到天然纤维往往存在较差的湿稳定性和排湿性，在运动出汗后会引起织物结构变化或细菌滋生以及回冷等不适感，人们逐渐将目光转向吸湿发热合成纤维，其中涤纶纤维和腈纶纤维的生产加工量于所有纤维中遥遥领先。国内外吸湿发热面料的研究现状及检测标准探讨文/刘澄 袁裕禄 顾雨菲 顾昊摘要随着科技和生活水平的不断提高，吸湿发热面料逐渐走进人们的生活。本文主要就当前吸湿发热纤维和面料的研究及发展现状进行介绍和分析，并对国内外吸湿发热面料检测方法进行总结和对比，分析其中差异性和不足，并对未来发展作出展望。关键词：吸湿发热纤维；积极产热面料；服用舒适性；保暖性DOI:10.14162/ki.11-4772/t.2023.02.027106中国纤检 2023年 2月 纤标准论坛Fiber Standard Forum但考虑到传统合成纤维吸湿性较差且回潮率较低，对涤纶和腈纶的功能化改性必不可少。常见改性方法包括将如氨基、羧基等亲水化极性基团引入涤纶或腈纶纤维表面，或利用碱法水解工艺刻蚀纤维表面，增加其粗糙度和亲水性5。胡金鑫等对腈纶纤维依次进行“氢氧化钠水解热交联羧基还原”流程，在增加腈纶纤维表面粗糙度和比表面积的同时，于纤维表面引入大量亲水性羧基基团，并用吸湿积分热和吸湿微分热分别证明该纤维热量释放量与吸湿速率成正比6。除对已有纤维进行表面功能改性外，还可以通过将基体纤维和具有吸湿性或发热性的高分子材料和无机助剂相结合，制备复合型吸湿发热材料。Harada N等将聚丙烯酸纤维与无机盐结合，利用聚丙烯酸纤维的亲水性基团吸收环境中的水分，并通过无机盐接触释放出大量热量。同时，无机盐填料的引入也极大地增加了纤维表面粗糙度和渗透压，极大地增加了纤维的吸放湿性能。2 国内外吸湿发热纤维发展现状国外吸湿发热纤维的研发起步较早，其中日本相关发热纤维的工艺相对成熟。当前大量投产的吸湿发热纤维主要有如下几类：由日本东丽公司研发，将超细旦腈纶和特殊扁平粘胶纤维结合的Softwarm吸湿发热纤维7；由东洋纺公司研发，以聚丙烯酸纤维为原料，通过将聚丙烯酸大分子高度亲水交联化获得的N38吸湿发热纤维8；由日本旭化成株式会社研发，将铜氨纤维和超细旦腈纶结合而的Thermogear吸湿发热纤维等9。这些商品化的纤维具有成熟的工艺与稳定的性能，可以稳定地将皮肤表面微环境中的水分吸收转化为热量的同时，利用纤维间更多的空间隙带来的大量静滞空气阻止热量流失。此外，这些纤维往往具有较高的粗糙度和比表面积，可以为纤维提供极高的毛细效应，快速将汗液和水分排出，给予人体干爽温暖的舒适性。除了上述日本研发的吸湿发热纤维外，德国拜尔公司于2012年推出新型超细旦腈纶纤维Darlon(德绒)。与传统腈纶或日本研发的吸湿发热腈纶的圆形或豆形截面不同的是，Darlon纤维的截面呈现哑铃形，如图2所示10。这种特殊的哑铃形纤维可以在避免纤维纺丝或织造过程中出现过度聚集的同时，提高纤维间静滞空气的含量从而提高面料整体的保暖性能。同时，大量的孔隙还赋予了纤维显著的毛细效应，可以将吸湿放热后的湿气有效地排出，避免了湿气给人体带来的回冷等不适感。此外，干法纺丝的工艺赋予纤维光滑表面，提高了面料的抗起毛起球性能 11。我国因对吸湿发热材料的开发与研究起步较晚，对于吸湿发热材料的研发主要以纺纱工艺和面料开发为主。如姚文丽等利用改性腈纶、粘胶纤维设计具有导湿储湿吸湿发热的梯度结构的三层蜂巢组织面料，兼具吸湿发热、单向导湿、高透气功能性12。界璐等以softwarm纤维为原料，对比不同针织罗纹结构对吸湿发热性能以及服用性能的影响。综合保温性、吸湿发热性、透气性等指标，罗纹半空气层面料具有最佳的服用性能14。(a)扫描电镜下德绒纤维哑铃形横截面(b)普通腈纶纤维圆形横截面图2 德绒与传统腈纶的微观形貌差异3 吸湿发热面料的应用在服装多样化的今天，吸湿发热面料获得了极大的发展。当前吸湿发热面料主要应用于贴身衣物的制备。因日本在吸湿发热纤维及面料上的起步较早，吸湿发热内衣裤、吸湿发热地毯、吸湿发热椅面等产品层出不穷，吸湿发热面料与服用、家居纺织品的结合极大地提高了产品的舒适性。尽管国内吸湿发热面料的研发起步较晚，但随着近年来人们的关注度不断提高，国内吸湿发热产品也不断涌出，且产品也从单一保暖功能性向抗菌、防水、速干等多功能性面料发展。蔡波来等开发了一种抗菌吸湿发热纤维鞋面网布，在提高穿着舒适性的同时减少因潮湿环境或汗液带来的细菌滋生或发霉现象。龚华等在吸湿发热面料外侧设置纳米涂层，在保证面料保暖性能的同时，赋予面料防水防尘性。蒋依志等以当前使用最多的3种吸湿发热纤维为原料开发了吸湿发热织带，并为护腕、护肘及护膝等保健用品提供了理论指导。此外，在新冠疫情形势反复的当下，口罩已成为个人防护的必需品。刘晓鹏等将抗菌纤维和吸湿发热纤维制备成具有叠层结构的口罩，外层抗菌纤维通过对细菌分子结构的破坏达到抑菌效果，而内层吸湿发热纤维将人鼻口呼出的湿气快速排出，提供温暖、干爽的皮肤舒适性。4 吸湿发热面料的检测标准随着对吸湿发热材料的研究开发不断深入，相关吸湿发热纺织品已经逐渐走进人们的日常生活。为保护消费者合法权益，规范并指导纺织企业相关产品生产研发，我国就吸湿发热面料的性能检测提出两个标准，分别为FZ/T 730362010吸湿发热针织内衣和GB/T 298662013纺织品吸湿发热性能试验方法标准13-14，其中最高温1072023年 2月 中国纤检 纤标准论坛Fiber Standard Forum度差和平均温度差作为吸湿发热性能的衡量依据。但这两个标准仍存在差异，前者主要为市场上出现的吸湿发热内衣而制定且仅适用于符合测试标准的内衣织物，而后者则是为规范和完善纺织品吸湿发热性能测试的方法而制定，适用于所有纺织品。同时，两者对吸湿发热性能的计算亦存在着差异，前者以初始探头温度作为空白值，并在测试过程中记录10min、20min、30min样品温度以及最高样品温度并计算温度差；后者以空白探头实时温度作为空白值，并在30min内以1min的间隔检测样品温度并计算温度差。在善学蕾等相关研究中表明，因两个标准适用范围和测试方法不同，吸湿发热结果略有差异，风速、湿度等环境因素对结果准确性影响较大。（a）吸湿发热装置实例 （b）吸湿发热测试过程中样品 夹持装置示意图图3 ISO 187822015吸湿发热测试装置例图国外针对吸湿发热面料的检测标准主要有两个，分别为欧盟标准ISO 187822015Textiles-Determination of dynamic hygroscopic heat generation17以及日本标准JIS L1952-1:2021生地吸湿 性 方法-第1部：最大吸湿 温度 定法。二者与国内检测标准皆存在差异，以欧盟标准ISO 187822015为例，该标准中样品为60mm60mm的单层式样，而国内标准中样品为由两块60mm100mm织物缝制带有15mm85mm探测器插入口的复合试样。国内外吸湿发热面料的检测过程也存在差异，ISO 187822015中样品在20以及相对湿度（403）%下平衡后织物的温度为空白值，随后再记录样品在相对湿度（905）%下的实时温度并计算温度差，而不管是FZ/T 730362010还是GB/T 298662013均是记录测试中样品湿度从0向90%转变过程中温度变化。此外，相较于ISO 187822015中明确规定样品与风向的位置关系不同（如图3所示15），FZ/T 730362010及GB/T 298662013中仅规定样品横放或竖放，这对样品实际吸湿放热性能难免造成误差影响。5 总结与展望伴随着科技和生活水平的不断提高，吸湿发热纤维作为新型智能热管理材料逐渐走进人们的生活，并凭借其优异的性能成为保暖纺织品的一个新的突破和新的市场竞争点。但当前吸湿发热纤维性能相对单一，应用领域相对集中在保暖内衣、保暖家纺材料等领域，且相关产品标准相对较少。吸湿发热纤维在未来的发展中，应增加其多功能性，并进一步提高其服用舒适性、卫生性和健康性。同时，伴随着大量吸湿发热面料涌入市场的情况，对吸湿性、发热性、保暖性、透气性等重点指标提出更多标准与指导也势在必行。参考文献：1朱艺超.吸湿发热纱线及面料的开发D.上海:东华大学,2016.2李丽莉.发热纤维的开发与应用J.印染,2015,21:49-51.3邢周明.基于功能聚酯的吸湿发热面料的开发D.上海:东华大学,2017.4吴英杰,齐鲁.吸湿发热材料的研究进展J.化工新型材料,2012,40(1):47-48+83.5万震,李克让,谢均.新型智能纤维及其纺织品的研究进展J.针织工业,2005(5):43-46.6胡金鑫.碱法水解聚丙烯腈的吸湿发热性研究D.上海:东华大学,2014.7于倩倩,王金凤,俞林娟.自发热针织内衣的研究与开发J.针织工业,2020(7):32-37.8郭娟子,刘茜,赵玉荣,等.吸湿发热材料的发展现状J.黑龙江纺织,2016(3):7-10.9梁佳钧.Thermogear TM织物的染整加工J.针织工业，2004(5):67-69.10周月红.德绒（Dralon）纤维的性能及其染整工艺研究D.上海:上海工程技术大学,2015.11姚文丽,高姝一,马磊,等.改性腈纶吸湿发热机织物结构设计与性能研究J.棉纺织技术,2021,49(12):22-27.12界璐,孟家光,刘娴.Softwa