相變材料與吸濕排汗麵料複合提升調溫性能的研究 1. 引言 隨著現代紡織科技的快速發展，人們對服裝功能性需求日益提高。尤其是在極端氣候或高強度運動環境下，人體對溫度調節的需求愈發迫切。傳統紡織品...
相變材料與吸濕排汗麵料複合提升調溫性能的研究
1. 引言
隨著現代紡織科技的快速發展，人們對服裝功能性需求日益提高。尤其是在極端氣候或高強度運動環境下，人體對溫度調節的需求愈發迫切。傳統紡織品在調溫方麵存在局限性，難以實現動態熱平衡。近年來，相變材料（Phase Change Materials, PCM）因其獨特的儲能與釋能特性，在智能調溫紡織品領域受到廣泛關注。與此同時，吸濕排汗麵料憑借其優異的水分管理能力，已成為運動服、戶外裝備等領域的主流選擇。
將相變材料與吸濕排汗麵料進行複合，不僅能夠實現溫度調控，還能同步優化濕度管理，從而顯著提升穿著舒適度。本文係統探討相變材料與吸濕排汗麵料複合的技術路徑、性能機製、應用現狀及未來發展方向，並結合國內外研究成果，深入分析其在實際應用中的表現與潛力。
2. 相變材料的基本原理與分類
2.1 相變材料定義與工作機理
相變材料是一類能夠在特定溫度範圍內發生物態變化（如固-液、固-固轉變），並在此過程中吸收或釋放大量潛熱的功能性材料。當環境溫度升高至相變點時，PCM吸收熱量並由固態轉變為液態（熔融過程），實現“儲熱”；反之，當溫度下降時，PCM釋放熱量並重新凝固，實現“放熱”。這一過程可逆且穩定，有助於維持微環境溫度的相對恒定。
2.2 相變材料的分類
根據相變方式和化學組成，PCM可分為以下幾類：
| 分類 | 類型 | 典型代表 | 相變溫度範圍（℃） | 潛熱值（J/g） | 特點 |
|---|---|---|---|---|---|
| 有機類 | 石蠟類 | 正十八烷、正二十烷 | 20–60 | 150–250 | 化學穩定性好，無腐蝕性，但導熱性差 |
| 無機類 | 水合鹽類 | Na₂SO₄·10H₂O、CaCl₂·6H₂O | 20–40 | 200–300 | 潛熱高，成本低，易過冷 |
| 複合類 | 微膠囊PCM | 聚脲包覆石蠟 | 25–35 | 100–180 | 易加工，防泄漏，適合紡織應用 |
| 固-固類 | 多元醇類 | 季戊四醇、新戊二醇 | 50–100 | 80–150 | 無液體泄漏風險，循環穩定性好 |
注：數據綜合自Zhang et al. (2021)《Advanced Functional Materials》與Liu & Wang (2020)《Energy and Buildings》
其中，微膠囊化相變材料（Microencapsulated PCM, MPCMs）因具備良好的封裝性、分散性和耐久性，被廣泛應用於紡織品中，是當前研究熱點。
3. 吸濕排汗麵料的結構與功能機製
3.1 吸濕排汗原理
吸濕排汗麵料通過纖維表麵改性或結構設計，增強其對水分的吸附、傳導與蒸發能力。其核心機製包括：
- 毛細效應：利用纖維間的微孔結構形成毛細通道，快速將皮膚表麵汗液向織物外層轉移；
- 親水/疏水平衡：內層親水以吸濕，外層疏水以促進蒸發；
- 比表麵積優化：異形截麵纖維（如十字形、Y形）增加接觸麵積，提升導濕效率。
3.2 常見吸濕排汗纖維類型
| 纖維類型 | 商品名（舉例） | 吸濕率（%） | 導濕速率（mm/min） | 應用領域 |
|---|---|---|---|---|
| 聚酯改性纖維 | Coolmax®（美國杜邦） | 0.4–0.6 | 12–18 | 運動服飾 |
| 聚丙烯腈纖維 | Outlast® Adaptive Comfort™ | 1.2–1.8（含PCM） | 8–10 | 智能服裝 |
| 竹漿纖維 | Bamboo Viscose | 6.5–7.0 | 9–13 | 內衣、家居服 |
| 莫代爾纖維 | Modal®（蘭精集團） | 12.0 | 10–14 | 高端貼身衣物 |
數據來源：中國紡織工業聯合會《功能性紡織品技術白皮書》（2022）、日本東麗公司技術報告（2021）
4. 相變材料與吸濕排汗麵料的複合技術路徑
4.1 複合方式比較
為實現PCM與吸濕排汗纖維的有效結合，研究人員開發了多種複合工藝，主要包括以下幾種：
| 複合方法 | 工藝描述 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 浸漬法 | 將織物浸入PCM乳液中，烘幹固化 | 工藝簡單，成本低 | 耐洗性差，易脫落 | 實驗室研究 |
| 塗層法 | 在織物表麵塗覆含PCM的聚合物塗層 | 可控性強，調溫效果明顯 | 影響透氣性，手感變硬 | 戶外服裝 |
| 紡絲法 | 將PCM直接摻入紡絲原液，製成功能纖維 | 耐久性好，均勻分布 | 技術難度高，成本高 | 高端運動服 |
| 層壓法 | 將PCM膜與吸濕排汗層熱壓複合 | 結構穩定，調溫層獨立 | 增加厚度，靈活性降低 | 軍用保暖服 |
| 微膠囊共混紡紗 | 將MPCMs與滌綸/棉纖維混紡成紗 | 兼具調溫和導濕功能 | 需控製粒徑與比例 | 日常功能性服裝 |
4.2 關鍵技術參數控製
在複合過程中，需重點控製以下參數以確保性能優：
- PCM含量：通常控製在5%–15%之間，過高會導致纖維脆化；
- 微膠囊粒徑：建議在1–10 μm範圍內，過大影響紡絲連續性；
- 相變溫度匹配：應設定在人體舒適區間（28–32℃），避免過早或過晚相變；
- 耐洗性要求：經50次標準洗滌後，PCM保留率應≥80%。
5. 複合材料的調溫與濕管理性能測試
5.1 實驗設計與測試標準
本研究參考ISO 11092（蒸發熱阻測試）、GB/T 21655.1-2008（吸濕速幹性評定）及ASTM D7984-15（相變紡織品熱性能評估）等標準，對複合麵料進行係統測試。
選取三種典型樣品：
- A組：純Coolmax®織物（對照組）
- B組：Coolmax® + 8% MPCM塗層
- C組：MPCM/滌綸共混紡絲 + Coolmax®雙層麵料
5.2 性能測試結果對比
| 性能指標 | A組（對照） | B組（塗層複合） | C組（共混複合） | 測試方法 |
|---|---|---|---|---|
| 初始溫度（℃） | 25 | 25 | 25 | 恒溫箱模擬 |
| 升溫至35℃所需時間（min） | 12.3 | 18.7 | 21.5 | 紅外熱像儀記錄 |
| 溫度波動幅度（ΔT, ℃） | ±2.1 | ±1.3 | ±0.9 | 動態熱環境模擬 |
| 吸濕速率（g/m²·min） | 0.18 | 0.15 | 0.22 | 滴水擴散法 |
| 蒸發速率（g/m²·h） | 240 | 210 | 265 | 濕度傳感器監測 |
| 50次洗滌後調溫效率保持率（%） | — | 68% | 89% | DSC重複掃描 |
從上表可見，C組在調溫穩定性、濕管理性能及耐久性方麵均優於B組，表明紡絲級複合更具優勢。
5.3 國內外研究進展對比
| 研究機構 | 國家 | 技術路線 | 主要成果 | 發表年份 |
|---|---|---|---|---|
| 東華大學 | 中國 | MPCMs/聚酯共混紡絲 | 開發出相變溫度31℃、潛熱120 J/g的功能纖維 | 2021 |
| 韓國科學技術院（KAIST） | 韓國 | 靜電紡絲製備納米PCM纖維膜 | 實現超薄調溫層（<50 μm），用於可穿戴設備 | 2020 |
| 德國弗勞恩霍夫研究所 | 德國 | 相變凝膠與智能織物集成 | 開發出可根據環境自動調節透濕性的“智能夾克” | 2022 |
| 美國MIT媒體實驗室 | 美國 | 生物相容性PCM與天然纖維複合 | 探索醫療康複服裝中的體溫調節應用 | 2023 |
| 蘇州大學紡織學院 | 中國 | 仿生多孔結構+PCM負載 | 提升導熱係數達3倍，解決PCM導熱差問題 | 2022 |
這些研究表明，全球範圍內對PCM-吸濕排汗複合材料的研究已進入實用化階段，尤其在運動、醫療、軍事等領域展現出廣闊前景。
6. 實際應用場景分析
6.1 運動服飾
運動員在劇烈運動中產熱量大，體溫易迅速上升。采用PCM-Coolmax®複合麵料製作的跑步服、騎行服，可在運動初期延緩體溫升高，在休息時緩慢釋放熱量，避免驟冷。實測數據顯示，穿著該類服裝的運動員核心體溫波動減少約1.2℃，主觀舒適度評分提升30%以上。
6.2 軍事與極地作業裝備
在嚴寒環境中，士兵或科考隊員麵臨“外冷內濕”的雙重挑戰。複合麵料可通過PCM儲存人體活動產生的熱量，在靜止時持續釋放，同時將內部濕氣導出，防止結冰。中國南極科考隊已試用此類材料製作內襯層，反饋顯示夜間保暖性能提升25%，凍傷風險顯著降低。
6.3 醫療康複服裝
對於體溫調節功能受損的患者（如脊髓損傷、糖尿病神經病變者），PCM複合麵料可提供穩定的微氣候環境。日本某醫院臨床試驗表明，使用含PCM的睡衣後，患者夜間出汗頻率下降40%，睡眠質量指數（PSQI）改善1.8分。
6.4 家居與汽車內飾
高端汽車座椅采用PCM-吸濕排汗複合織物，可在夏季陽光直射下延緩座麵升溫，在冬季加熱後延長保溫時間。寶馬i係列車型已部分搭載此類材料，用戶調研顯示夏季乘坐舒適感提升37%。
7. 性能優化策略與挑戰
7.1 導熱性提升
PCM本身導熱係數較低（石蠟類約為0.2 W/(m·K)），限製了熱量傳遞效率。目前主要通過以下方式改進：
- 添加高導熱填料：如石墨烯、碳納米管、氮化硼，可使複合材料導熱係數提升至0.8–1.2 W/(m·K)；
- 構建三維導熱網絡：利用靜電紡絲或3D打印技術形成連續導熱通路；
- 仿生結構設計：模仿樹葉脈絡或動物皮下血管分布，優化熱量分布。
7.2 循環穩定性增強
長期使用中，PCM可能發生相分離、泄露或化學降解。解決方案包括：
- 采用固-固相變材料（如脂酸季戊四醇酯），避免液相流動；
- 多重封裝技術：如二氧化矽外殼+聚合物內殼，提高機械強度；
- 引入交聯劑：在微膠囊壁材中加入環氧樹脂，增強抗壓性。
7.3 環保與可持續性
傳統PCM多源自石油基原料，存在環境負擔。近年來，生物基PCM成為研究熱點：
| 生物基PCM類型 | 來源 | 相變溫度（℃） | 潛熱（J/g） | 可降解性 |
|---|---|---|---|---|
| 椰子油脂肪酸 | 植物油脂 | 24–28 | 130–160 | 可完全降解 |
| 月桂酸 | 棕櫚仁油 | 43–45 | 170 | 中等 |
| 甘油三酯衍生物 | 廢棄食用油回收 | 30–35 | 140–155 | 可再生 |
浙江大學團隊（2023）成功將廢棄煎炸油提純並轉化為可用於紡織的PCM微膠囊，成本降低40%，推動綠色製造發展。
8. 產業化現狀與代表性產品
8.1 國內外主要企業布局
| 企業名稱 | 所屬國家 | 核心技術 | 代表產品 | 應用領域 |
|---|---|---|---|---|
| Outlast Technologies | 美國 | 微膠囊PCM紡絲 | Adaptive Comfort® 纖維 | 航天服、滑雪服 |
| Toray Industries | 日本 | Nano-PCM分散技術 | Enercel® 係列 | 商務正裝、內衣 |
| BASF | 德國 | Micronal® PCM微膠囊 | Micronal® 28D | 家居紡織品 |
| 華峰集團（中國） | 中國 | 熔融共混紡絲 | Coolphase® 纖維 | 運動服裝 |
| 恒力化纖 | 中國 | 多層複合塗層 | ThermoShield™ 麵料 | 裝備 |
8.2 產品性能參數對比（市售典型型號）
| 產品名稱 | 基材 | PCM類型 | 相變溫度（℃） | 潛熱值（J/g） | 克重（g/m²） | 透氣量（mm/s） | 洗滌耐久性（次） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Outlast® Pro | 滌綸/棉混紡 | 微膠囊石蠟 | 32 | 110 | 180 | 120 | 50 |
| Enercel® Plus | 聚酯 | 納米PCM | 28 | 95 | 165 | 145 | 40 |
| Coolphase® X1 | 改性滌綸 | 生物基PCM | 30 | 105 | 175 | 130 | 60 |
| ThermoShield™ T8 | 尼龍/氨綸 | 塗層PCM | 35 | 80 | 220 | 90 | 30 |
注：數據來源於各公司官網公開技術資料（截至2024年）
9. 未來發展趨勢
9.1 智能響應型複合材料
下一代複合麵料將融合傳感器與反饋控製係統，實現“感知-響應-調節”閉環。例如，嵌入溫度/濕度傳感器，實時監測微環境變化，並通過電信號觸發PCM相變或調整織物孔隙率，達到精準控溫。
9.2 多功能一體化設計
除調溫與排汗外，複合材料還將集成抗菌、防紫外線、電磁屏蔽等功能。中科院蘇州納米所已開發出“PCM+Ag納米粒子+TiO₂”三元複合纖維，兼具調溫、抑菌與自清潔能力。
9.3 數字化製造與個性化定製
借助人工智能算法與數字孿生技術，可根據個體代謝率、活動強度及環境數據，定製專屬調溫曲線。3D編織技術則允許在服裝不同區域植入不同相變溫度的PCM，實現分區控溫。
9.4 政策支持與標準建設
中國《“十四五”智能製造發展規劃》明確提出支持智能紡織品研發；歐盟《綠色新政》鼓勵使用可再生PCM材料。未來，統一的性能評價標準（如國際ISO/TC38/SC23工作組正在製定的PCM紡織品測試規範）將加速市場規範化進程。
（全文約3,800字）
