劉美娟 劉 星

天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院， 天津 300380

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微膠囊技術(shù)在蓄熱調(diào)溫非織造布壁紙上的應(yīng)用

劉美娟 劉 星

天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院， 天津 300380

采用三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂(MUF)為壁材，相變材料正十八烷為芯材，通過原位聚合法制備微膠囊。配制相變微膠囊涂層液，采取干法涂層工藝將微膠囊涂覆在非織造布上，制成蓄熱調(diào)溫功能材料。針對新型調(diào)溫壁紙研發(fā)中遇到的問題，通過掃描電子顯微鏡、測溫儀、織物透氣量儀等測試手段，探討相變微膠囊整理工藝對材料厚度、透氣性和調(diào)溫性能的影響。測試結(jié)果表明，干法涂層工藝使微膠囊均勻地附著在壁紙表面，壁紙的厚度不發(fā)生明顯變化，壁紙具有較好的透氣性和良好的蓄熱調(diào)溫功能。

非織造布， 相變材料， 微膠囊， 蓄熱調(diào)溫， 壁紙

相變材料(PCM)是一種在特定溫度范圍內(nèi)自身發(fā)生物相變化，并在變化過程中吸收或放出熱能的材料。相變微膠囊是應(yīng)用微膠囊技術(shù)，將固-液PCM用有機或無機材料以物理或化學(xué)方法包裹起來，制成具有一定粒徑和穩(wěn)定性的復(fù)合材料。相變微膠囊能使囊芯的PCM的化學(xué)性質(zhì)在儲存和使用過程中受到保護，也解決了固-液PCM在相變過程中材料的泄漏問題，提高了PCM使用的方便性。

相變微膠囊可以作為涂層劑、浸漬液、紡絲添加劑應(yīng)用于纖維、機織物、針織物和非織造織物中，最終加工成具有蓄熱調(diào)溫功能的產(chǎn)品。用微膠囊技術(shù)制造的蓄熱調(diào)溫織物可用于保護性裝置、服用、室內(nèi)裝飾、汽車工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域。20世紀80年代中期，美國航空航天局、美國空軍等機構(gòu)資助研究開發(fā)微膠囊PCM在熱調(diào)節(jié)防護服上的應(yīng)用技術(shù)[1]。20世紀末，美國Outlast公司[2]將相變微膠囊添加在纖維中，生產(chǎn)出具有調(diào)溫功能的聚丙烯腈纖維，該公司采用紡絲和涂層方法生產(chǎn)的智能調(diào)溫紡織品已廣泛應(yīng)用于生活的各個方面。英國Acodis公司根據(jù)調(diào)溫紡織品的應(yīng)用環(huán)境以及在人體上應(yīng)用部位的不同，采用不同的PCM及其共混物，生產(chǎn)出適用于不同溫度的服裝調(diào)溫纖維。美國的Willard William F制造出含智能調(diào)溫纖維的多功能針織物，用這種針織物制作的服裝具有調(diào)溫功能和導(dǎo)濕功能[3]。

我國自20世紀90年代初開始蓄熱調(diào)溫紡織品的研究工作，現(xiàn)已取得很大成績。天津工業(yè)大學(xué)功能纖維研究所自1993年起開始蓄熱調(diào)溫纖維的研究開發(fā)工作，1996年采用相變物質(zhì)熔融復(fù)合紡絲方法研制出調(diào)溫纖維，該纖維經(jīng)常規(guī)或非常規(guī)紡織加工成的制品具有雙向調(diào)溫功能[4]。保定雄亞紡織集團與美國安伯士國際集團合作，利用“太空技術(shù)”成功開發(fā)出相變調(diào)溫洛科絨線，并在國內(nèi)首次生產(chǎn)出“冬暖夏涼”的相變調(diào)溫服裝[5]。2005年，江蘇丹盛紡織有限公司研制出奧特佳(熱敏材料)腈綸基智能調(diào)溫纖維棉型機織產(chǎn)品[6]。2007年北京雪蓮羊絨股份有限公司與山西恒天新纖維科技開發(fā)有限公司共同開發(fā)的智能調(diào)溫型牛奶蛋白復(fù)合纖維，耐壓、耐高溫性能優(yōu)良，該纖維可與高級羊毛、駝絨混紡，制作出具有明顯舒適性的智能調(diào)溫高級面料[7-9]。河北吉藁化纖有限責(zé)任公司與北京巨龍博方科學(xué)技術(shù)研究院共同開發(fā)了微膠囊復(fù)合紡絲法生產(chǎn)的黏膠基智能調(diào)溫纖維——絲維爾TM，該纖維的推出展現(xiàn)了我國在智能空調(diào)纖維領(lǐng)域的突破性進展[10]。

1 相變微膠囊織物的調(diào)溫機理

在織物中加入相變微膠囊可以使其成為蓄熱調(diào)溫材料，得到智能化的控溫性能。微膠囊蓄熱調(diào)溫織物的功能機理如圖1所示。當(dāng)外界環(huán)境的溫度上升至相變溫度以上時，PCM會吸收并儲存大量熱量，從而降低環(huán)境溫度，使織物內(nèi)部溫度升高相對較小，這時PCM處于熔化過程，材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。當(dāng)外界環(huán)境溫度下降時，材料就會在一定溫度范圍內(nèi)自主地釋放儲存的熱量，從而提高外界環(huán)境的溫度，使織物內(nèi)部溫度降低相對較小，這時PCM進行由液態(tài)到固態(tài)的逆相變。PCM的物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個較寬的溫度平臺。雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。

圖1 相變微膠囊織物的調(diào)溫機理

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試劑與儀器

正十八烷(純度99.0%)，三聚氰胺(純度99.5%)，甲醛，尿素，表面活性劑；DF-101S型恒溫水浴鍋，DW-3-50型機械攪拌器，BA2000型光學(xué)顯微鏡，TM-1000型掃描電子顯微鏡，DSC 200 F3型差示掃描量熱儀，STA409PC型電子數(shù)控烘箱，YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀，YG461型織物中壓透氣量儀，CX-WDJ200C型數(shù)顯溫度計等。

2.2 試驗方法

采用三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂(MUF)為壁材，正十八烷為芯材，通過原位聚合法制備包覆良好的相變微膠囊。通過涂層法將制備的微膠囊添加到SMS(紡黏-熔噴-紡黏)非織造布上，制成蓄熱調(diào)溫非織造布。測試該蓄熱調(diào)溫非織造布作為房屋壁紙的調(diào)溫效果，探討該壁紙在實際生活中應(yīng)用的可行性。

2.2.1 微膠囊的制備

稱取一定量的三聚氰胺(M)，37%質(zhì)量分數(shù)的甲醛(F)水溶液；用量筒量取蒸餾水加入石英燒杯中，在燒杯中放入磁力轉(zhuǎn)子后用保鮮膜封住燒杯口，再將燒杯放入70 ℃的水浴鍋中進行磁力攪拌，直至燒杯中液體變?yōu)闊o色澄清狀態(tài)(大約需要20 min)；然后將燒杯取出，用流動的冷水沖淋燒杯外壁，使液體溫度降至室溫，即得MF預(yù)聚體溶液。設(shè)置機械攪拌裝置，并將水浴鍋溫度調(diào)至40 ℃。將尿素、表面活性劑和蒸餾水加入到裝有MF預(yù)聚體的燒杯中，將攪拌器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r/min，再用試管將液態(tài)正十八烷緩慢勻速地加入到燒杯中；待20 min后，水浴鍋加熱至75 ℃，繼續(xù)反應(yīng)3 h；靜置1 h，將反應(yīng)物洗滌、抽濾、真空干燥后，即得到相變微膠囊。

2.2.2 蓄熱調(diào)溫非織造布壁紙及房屋模型的制備

2.2.2.1 織物涂層

將水性聚氨酯與蒸餾水按一定的比例加入到燒杯中，攪拌均勻后加入表面活性劑和PCM微膠囊(質(zhì)量分數(shù)分別為0%、 10%、 20%、 30%)。制備過程中保持勻速攪拌，使涂層液均勻混合。采用干法涂層工藝，將相變微膠囊整理液涂覆在SMS非織造布上，在80 ℃ 的環(huán)境中烘焙20 min，形成SMS調(diào)溫非織造布。

2.2.2.2 模型制備

用4個規(guī)格相同的房屋模型分別作為測試組(3組)和對照組(1組)。用經(jīng)過微膠囊涂層整理的SMS非織造布作為壁紙包覆測試組房屋模型(微膠囊質(zhì)量分數(shù)分別為10%、 20%、 30%)，用不含相變微膠囊的SMS非織造布作為壁紙包覆對照組房屋模型。包覆過程中預(yù)留數(shù)顯溫度計探頭的入口。

3 性能測試

將干燥的微膠囊分散在蒸餾水中，均勻涂覆在載玻片上，用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察微膠囊表面；將制得的聚合物微膠囊樣品均勻地黏附于導(dǎo)電膠上，并在樣品表面噴金，用TM-1000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微膠囊的形貌特征；用軟件Nano Measurer 1.2對微膠囊的SEM圖片進行粒徑分析，測定微膠囊的粒徑及其分布；用DSC 200 F3型差示掃描量熱儀測試微膠囊的熱性能，DSC升溫測試的溫度區(qū)間為-20～150 ℃，升溫速度為10 ℃/min。

分別對用不同微膠囊質(zhì)量分數(shù)的涂層液進行涂層整理的SMS非織造布進行性能測試。用YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀測試非織造布的厚度變化，用YG461型織物中壓透氣量儀測試非織造布的透氣性能變化。

將對照組和測試組房屋模型放入實驗通風(fēng)櫥中，再將數(shù)顯溫度計探頭放入房屋模型中，在室溫條件下平衡30 min，待數(shù)顯溫度計讀數(shù)穩(wěn)定后開始測試。用加熱器對房屋模型進行加熱，測試房屋模型內(nèi)部溫度隨時間的變化。加熱和降溫過程均為10 min。

4 結(jié)果與討論

4.1 微膠囊形貌及性能分析

4.1.1 微膠囊的形貌分析

研究表明, 微膠囊的壽命與壁材的致密性 (如滲透性和強度)有關(guān)[11]。為了保證微膠囊的穩(wěn)定性和耐久性，要求壁材具有較好的致密性，而且耐熱性能和力學(xué)性能也要滿足使用環(huán)境的要求。單獨以三聚氰胺樹脂為壁材，由于其結(jié)構(gòu)中存在大量三氮雜環(huán)致使壁材剛性很大，因此，在三聚氰胺樹脂壁材中添加具有線性結(jié)構(gòu)的尿素可以提高壁材的韌性，從而增加微膠囊壁抵抗外力破壞的能力。本試驗制得的相變微膠囊的OM和SEM觀察圖如圖2和圖3所示。從圖中可以觀察到，微膠囊的外觀近似于球形，少部分存在凹陷現(xiàn)象，膠囊與膠囊之間有少量的黏連，大部分微膠囊結(jié)構(gòu)完整，壁材對芯材的包覆效果良好，有極少一部分的微膠囊壁出現(xiàn)破損現(xiàn)象。微膠囊的粒徑分布統(tǒng)計直方圖如圖4所示。從圖中可以看出，粒徑為130.0～170.0 μm的微膠囊較多，平均值約為142.6 μm，粒徑分布范圍較窄，基本呈正態(tài)分布，小于100.0 μm的微膠囊所占比例較小，說明制得的微膠囊粒徑比較均勻。

圖2 光學(xué)顯微鏡下相變微膠囊的形貌

圖3 掃描電鏡下相變微膠囊的形貌

圖4 微膠囊的粒徑分布

4.1.2 微膠囊的熱性能分析

相變微膠囊的DSC測試結(jié)果如圖5所示，正十八烷和相變微膠囊的熱重分析(TG)測試結(jié)果如圖6所示。由圖5可知，正十八烷微膠囊的相變潛熱為245.7 J/g，在升溫過程中，微膠囊在30.1 ℃開始發(fā)生相變，相變最高點為36.8 ℃，在46.7 ℃相變結(jié)束，表明該相變微膠囊的相變溫度接近人體舒適溫度范圍，適用于蓄熱調(diào)溫織物的研制。由圖6可知，正十八烷經(jīng)微膠囊化后，熱分解速率減小，經(jīng)包覆后正十八烷完全分解溫度從225.3 ℃提高到274.5 ℃，熱穩(wěn)定性得到提高，表明微膠囊化有利于提高PCM的穩(wěn)定性和耐久性。

圖5 相變微膠囊的DSC曲線

圖6 正十八烷和相變微膠囊的TG曲線

4.2 非織造布性能分析

4.2.1 涂層非織造布的形貌

微膠囊在非織造布中的形態(tài)及分布如圖7所示。由圖可見：經(jīng)涂層整理后，非織造布中的纖維形態(tài)完整，沒有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，纖維間的纏結(jié)、抱合情況良好；分散在非織造布中的微膠囊形態(tài)基本保持完整，有部分微膠囊發(fā)生破裂。而以聚氨酯為涂層整理后會使微膠囊出現(xiàn)黏結(jié)。

圖7 微膠囊在非織造布中的形態(tài)及分布

4.2.2 涂層非織造布的厚度

非織造布厚度的變化如圖8所示。由圖可知，隨著微膠囊質(zhì)量分數(shù)的提高，涂層非織造布的厚度增加值呈上升趨勢。本課題所制備的微膠囊質(zhì)量分數(shù)最高(30%)的SMS非織造布與不含微膠囊的對照組SMS非織造布的厚度增加平均值相差不到2.0 mm，若將微膠囊復(fù)合壁紙運用到建筑物墻體上，不會造成墻體的明顯增厚從而導(dǎo)致房屋實用面積的減小。

圖8 微膠囊質(zhì)量分數(shù)對非織造布厚度的影響

4.2.3 涂層非織造布的透氣性

作為壁紙使用的蓄熱調(diào)溫非織造布除了要滿足蓄熱調(diào)溫的要求外，其透氣性能對壁紙的環(huán)保性也有著直接的影響。透氣性能好的壁紙使用壽命長，且有益于人體健康。由圖9可以看出：在涂層液中加入微膠囊后，非織造布的透氣性能下降明顯，從微膠囊加入前的331.50 L/(m2·s)下降到201.22 L/(m2·s)(10%)；隨著微膠囊質(zhì)量分數(shù)的增加，非織造布的透氣性降幅減小。這是因為非織造布經(jīng)相變微膠囊涂層液整理后，微膠囊顆粒和涂層液固著在非織造布表面，使得非織造布中的孔洞和縫隙減小，同時黏合劑在非織造布表面也會形成一層聚合物膜，從而造成非織造布的透氣性能下降。

圖9 微膠囊質(zhì)量分數(shù)對非織造布透氣性的影響

4.3 房屋壁紙的蓄熱調(diào)溫性能分析

試驗過程如圖10所示。運用數(shù)據(jù)處理軟件，將在壁紙蓄熱調(diào)溫試驗中記錄的升溫和降溫數(shù)據(jù)進行繪圖處理，見圖11。從圖11中可以看出：試驗起始溫度為26.0 ℃，測試組(微膠囊質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%、30%)與對照組(0%)溫度上升的初始速度基本相同；但當(dāng)溫度上升到相變微膠囊的轉(zhuǎn)變溫度(約30 ℃)時，測試組房屋模型的升溫速度發(fā)生變化，這是由于芯材開始吸收、儲存熱量，由固態(tài)逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)變，所以測試組的升溫速度相對于對照組均有放慢的趨勢，而且隨著微膠囊質(zhì)量分數(shù)的增加，放慢的趨勢明顯；停止加熱后，對照組房屋模型的溫度上升至43.1 ℃，測試組分別上升至38.0 ℃(10%)、35.7 ℃(20%)和33.9 ℃(30%)，相變微膠囊壁紙使房屋模型的最高溫度分別降低了5.1 ℃(10%)、7.4 ℃(20%)和9.2 ℃(30%)；在降溫過程中，對照組房屋模型溫度的下降速度大于測試組，這是由于相變微膠囊在溫度下降的過程中發(fā)生相變，釋放大量的熱量，減緩了溫度的下降速度；當(dāng)環(huán)境溫度降至微膠囊相變轉(zhuǎn)變溫度范圍時，對照組和測試組房屋模型的降溫速度又趨于一致。試驗結(jié)果表明，相變微膠囊對外界的溫度波動具有減弱的作用，即這種非織造布壁紙具有蓄熱調(diào)溫的功能，對房屋起到了雙向控溫作用。

圖10 非織造布壁紙的調(diào)溫機理測試過程

圖11 調(diào)溫機理測試溫度-時間曲線

基于以下假設(shè)，可計算相變微膠囊壁紙的節(jié)能效率：①房屋模型規(guī)格、用材完全相同，忽略模型支架與壁紙間未完全密封而造成的溫度影響；②本試驗測試壁紙的蓄熱保溫效果時沒有設(shè)置絕熱層，簡化了可能造成熱量變化的試驗參數(shù)。

以26℃的對照組房屋模型為基準，按式(1)計算相變微膠囊壁紙的節(jié)能效率η：

(1)

式中：Qt——測試組房屋模型的熱量變化，kJ；

Qr——對照組房屋模型的熱量變化，kJ；

Qo——對照組房屋模型在室內(nèi)溫度為26℃時的熱量變化，kJ。

由于房屋模型規(guī)格及材料相同，而熱量變化為溫度的函數(shù)，故可轉(zhuǎn)化為溫差的計算，則式(1)可寫為

(2)

式中：Tt——測試組房屋模型的溫度，℃；

Tr——對照組房屋模型的溫度，℃；

To——基準溫度26 ℃。

由式(2)及試驗數(shù)據(jù)計算可得出節(jié)能效率η分別為29.8%(10%)、 43.3%(20%)和53.8%(30%)。由此可知，相對于普通房屋壁紙，相變微膠囊壁紙具有較好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

(1) OM、 SEM結(jié)果表明，本試驗制備的微膠囊形態(tài)良好，可被較好地整理到非織造布表面，且不影響非織造布的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部纖維形態(tài)。

(2) 微膠囊的DSC和TG測試結(jié)果表明，MUF提高了正十八烷的熱穩(wěn)定性，且具有較高的相變潛熱，為研制蓄熱調(diào)溫壁紙及相關(guān)產(chǎn)品提供了良好的基礎(chǔ)。

(3) 非織造布厚度及透氣性能測試結(jié)果表明，隨著微膠囊質(zhì)量分數(shù)的增加，非織造布的厚度增加，而透氣性能下降。透氣性能的下降在一定程度上限制了蓄熱調(diào)溫壁紙的應(yīng)用范圍，因此，尋求滿足蓄熱調(diào)溫效果和透氣性能要求的最佳微膠囊質(zhì)量分數(shù)對蓄熱調(diào)溫非織造布的發(fā)展具有重要意義。

(4) 房屋模型壁紙蓄熱調(diào)溫性能試驗結(jié)果表明，微膠囊通過涂層的方式賦予了非織造布優(yōu)異的雙向控溫功能。隨著微膠囊質(zhì)量分數(shù)的增加，壁紙的蓄熱調(diào)溫性能提高。試驗中對照組和測試組的溫度差最高可達9.2℃，節(jié)能效率可達53.8%，這一試驗結(jié)果對實際應(yīng)用的研究具有良好的借鑒作用。

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中國國際產(chǎn)業(yè)用紡織品及非織造布展覽會將迎眾多參展商

由法蘭克福展覽(香港)有限公司、中國國際貿(mào)易促進委員會紡織行業(yè)分會及中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(CNITA)共同舉辦的中國國際產(chǎn)業(yè)用紡織品及非織造布展覽會將于2016年10月12—14日在上海新國際博覽中心舉行，包括奧地利、比利時、中國大陸、法國、德國、中國香港、印度、印度尼西亞、意大利、韓國、荷蘭、新西蘭、新加坡、瑞士、英國及美國的多家公司確認參展，展品種類包括機械設(shè)備及配件、梭織及針織面料、非織造布、涂層織物、復(fù)合材料、表面及黏合技術(shù)、纖維及紗線等。

首次參展的美國Johns Manville公司將展出一系列非織造布，包括聚酯紡黏非織造布、玻璃纖維濕法氈和玻璃微纖維空氣過濾針織物。同樣，首次亮相的美國Coats公司將展出電線電纜/光纖、導(dǎo)電絲、阻燃防護服、汽車用產(chǎn)品(包括安全氣囊、安全帶、輪胎簾子線)，以及裝飾物、茶包線、女性衛(wèi)生用品。參加過10年展會的澳地利ANDRITZ公司將再次參展，荷蘭Stahl旗下的中國分公司Stahl Coatings和Fine Chemicals (Suzhou)也將再次參展。

Application of microencapsulation technology to thermo-regulated nonwoven wallpaper

LiuMeijuan，LiuXing

School of Textiles， Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300380, China

Phase change material N-octadecane microcapsules, with melamine, urea and formaldehyde (MUF) as shell material, were manufactured by in-situ polymerization. Microcapsule coating solutions were prepared and coated on the SMS nonwoven fabric by dry coating process to get heat-storage and thermo-regulated functional material. The preblems in research and development taken into consideration, the effect of the coating process of microcapsules on the thickness, air permeability and temperature control of products were analyzed and discussed by SEM, temperature gauge and air permeability measuring instrument respectively. The result showed that dry coating process made microcapsules adhere uniformly to the surface, the thickness of wallpaper didn’t change obviously, and the wallpaper possessed better air permeability and thermo-regulated function.

nonwoven， phase change material， microcapsule， thermal regulation, wallpaper

2015-02-18

劉美娟，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為相變微膠囊在非織造布中的應(yīng)用

TS176；TB34

A

1004-7093(2016)02-0008-06