织物热防护材料技术的研究现状和发展趋势
持续的太阳光辐射会使物体的表面温度过高,加速材料的腐蚀、老化和降解,使其难以保持良好的机械和化学性能,从而限制了它们的应用范围[1]14.虽然现有的降温制冷设备很多,但在很大程度上造成了能源的损耗和成本的增加.因此,能够从源头上阻挡热量进入的隔热材料逐渐成为人们竞相研究的热点.目前,隔热材料的研究大多局限于建筑、石油、运输、造船、军工、航天等行业[2].而在炎炎夏日下,人们对穿着舒适、凉爽型服装及遮阳防晒户外纺织品的需求日益迫切.隔热功能织物即通过对织物进行隔热后整理,使其对太阳光具有阻隔作用,或具有高反射比、高辐射,从而抑制织物表面温度上升以降低内部温度[3],在夏日服装、劳动防护用品、野外工作服和遮阳用品等方面具有十分广阔的市场前景.
隔热材料和整理技术的选择是影响织物隔热性能好坏的关键因素.近年来,虽然关于隔热功能材料的研究开发不断涌现,但大多不适用于人体穿着,如玻璃用透明隔热材料氧化锑(ATO)[4]、氧化铟锡(ITO)[5],将其涂覆在织物表面,虽隔热性能好且对织物的色光影响很小,却会对人体健康造成一定的隐患.所以,隔热材料的选择必须遵循隔热性能好且对人体安全无害的原则.整理技术是影响隔热织物实际应用的关键,其对织物的隔热效果、使用寿命以及整体美观都有很大的影响.因此,若要制备节能环保、高效隔热、耐久美观的隔热织物,必须同时兼顾隔热材料和整理技术2个方面.本文从隔热机理出发,着重阐述织物用隔热材料和整理技术的研究和应用现状,并简要介绍了隔热织物的测试方法及发展前景.
1 隔热材料的分类
隔热材料依据隔热机理,可以分为阻隔型隔热材料、反射型隔热材料及辐射型隔热材料[6].
1.1 阻隔型隔热材料
热量在织物内部的传递过程是影响织物隔热效果的主要因素之一,阻隔型隔热材料作用机理即是寻求一种媒介,尽可能低地抑制热量在织物内部的传导和对流.目前,研究用于纺织品隔热的阻隔型隔热材料多为空心玻璃微珠类,材料内部中空,可阻隔热对流,具有较低的导热系数.除此之外,还具有球形、质轻、分散流动性好、反光、绝热、耐磨和强度高等多种性能[7]56,是一种优良的织物用隔热材料.另外,纳米孔超级绝热材料如气凝胶作为一种新型的阻隔型隔热材料,也逐渐成为织物隔热方面研究的热点.气凝胶孔隙率高、密度低、导热系数低(导热系数是固体的1%~10%)[8];纳米级的孔隙使得材料内部的反射界面和散射微粒大大增加,从而大幅降低了热辐射吸收能力,使材料具有优良的绝热性能.材料内大部分的气孔尺寸都在50 nm以下,气体传热主要是通过高温侧的高速分子与低温侧的低速分子相互碰撞来实现的,由于空气中主要成分 N2和 O2的平均自由程为70 nm左右,所以,当材料内部的孔径小于这一临界尺寸时,气体分子的对流传热被抑制,从而获得比无对流空气更低的热导率[9].
1.2 反射型隔热材料
3种类型的隔热材料中,反射型隔热材料占据重要的地位.太阳的辐射光谱分布:紫外线区 200~400 nm,占太阳能量的5%;可见光区400~700 nm,占太阳能量的43%;近红外区700~2 500 nm,占太阳能量的52%[10-11].反射型隔热材料的作用机理主要是反射可见光和近红外光区的太阳热辐射能量,反射率越高,织物的隔热效果就越好.反射率(m)定义为颜料与树脂折光指数的比值:m=nP/nR.式中,nP为颜料的折光指数,nR为树脂的折光指数.应用在纺织品上的树脂粘合剂一般为聚丙烯酸酯类和聚氨酯类,二者的折光指数均在 1.4~1.6,故由上述公式可知,若要达到高太阳光反射率,必须采用折光指数高的颜料[12].织物用反射型隔热填料有很多,如 TiO2、SiO2、Al2O3、ZnO、CaCO3、反光微珠等,其中金红石型 TiO2的折光指数高,即反
射率高,是的隔热功能材料.
1.3 辐射型隔热材料
电磁波通过大气层,较少被反射、吸收和散射的透射率高的波段被称为“大气窗口”,其中有3个红外波段的窗口:近红外窗口1~3 μm,中红外窗口3~5 μm及远红外窗口8~14 μm,它们对红外辐射有较高的透过能力[13].辐射型隔热材料是把吸收到的紫外光、可见光以及近红外光转换成热能,以红外辐射的形式穿过大气红外窗口,发射到大气外层的绝对零度区,达到降温[1]17.它在建筑外墙隔热保温中的应用较多,但单独用于织物的隔热研究尚未见报道.很多反射型隔热功能材料如 TiO2、SiO2、活性碳酸钙等,天然隔热材料如滑石粉、云母粉等兼具热辐射的性能,但在其隔热机理中仅占据较小的比例,故辐射型隔热材料的开发利用还有待于进一步研究.
2 隔热材料的研究现状
严格说来,织物用隔热材料为隔热功能涂料,包括基料树脂、功能填料、颜料和助剂.其中功能填料是隔热涂料中重要的组成部分.近年来,关于织物用隔热功能填料的研究报道很多,本文将其归类为单一型和复合型隔热功能填料.
2.1 单一型隔热功能填料
单一型隔热功能填料是指优选一种材料用于织物的隔热整理,其优势是涂料配制过程简便、成本较低.单一型隔热功能填料报道较多的是无机微粒.王科林等[14]46-48以TiO2为功能粒子,制得了隔热性能较好的涂层织物.刘越等[15]分别用涂层和浸轧法将纳米SiO2气凝胶应用于聚酯非织造布隔热整理中.空心玻璃微珠的主要成分也是无机SiO2和Al2O3.张辉等[7]57-58选用不同粒径的空心微珠对织物进行涂层整理,经整理后的织物具有较好的抗热辐射效果.
2.2 复合型隔热功能填料
单一型隔热功能填料往往达不到较好的隔热效果,故通常选用不同类型的功能填料复配使用,充分发挥不同隔热材料的协同效应,进行优势互补.李明珠[16]按照 m(PU 涂层胶)∶m(空心玻璃微珠)∶m(锐钛矿型)∶m(纳米TiO2)∶m(反光微珠)=100∶3∶1.8∶3∶1.2配制隔热涂料,并对织物进行涂层整理,研究表明,整理后布样的降温效果较好,温差比原布样低7~8 ℃.目前复合型隔热功能填料的研究热点之一是纳米复合材料的涂层,Hass等[17]采用溶胶凝胶法在隔热毡的纤维上制备出涂有 TiO2-SiO2-TiO2纳米复合材料的涂层,通过比较不同涂层层数、涂层增重率以及辐射透射率的关系,发现3层叠层对辐射光的反射较大,且织物的增重率较低.
3 隔热整理技术的研究进展
在1987年,Hellwig[18]采用气相沉积法将金属涂覆到机织物、针织物或非织造布的至少一面上制得了在可见光区半透明、对近红外热辐射漫反射为60%~90％的反射纺织品.随着溶胶凝胶技术在纺织品上应用的日益成熟,将其用于隔热薄膜的研究也不断涌现.该种镀膜方法工艺简便,均匀性较好,且溶胶凝胶薄膜有较高的可见光透过率,对长波热辐射也有较高的反射率,能够满足纺织品的隔热性能要求.李娜等[19]采用溶胶凝胶技术,以正硅酸乙酯为前驱体,制备了单分散的球形SiO2,通过浸轧溶胶整理液的方式,对织物进行隔热整理.朱超等[20]首先合成了Ag金属核壳型复合纳米粒子,以高分子液体为模板制备了 Ag 功能性溶胶,然后将棉织物在溶胶中浸涂10 min,干燥成膜即可.整理后的织物表现出明显的隔热效果,对蓝、绿、红、白色面料降温可达3~5 ℃,对黑色面料降温可达8 ℃左右.目前国内外隔热整理技术应用多的是浸轧法和干法直接涂层法,王科林[14]47、李明珠等[21]都是直接制备隔热涂层浆,将其通过涂布器或者涂层机整理到织物表面.张宇[22]发明了一种隔热涂层织物,采用浸轧和直接涂层相结合的方式,先将织物浸轧纳米ATO 或 SiO2隔热材料整理液,再涂层含高岭土、钛白粉和水性 PU 的涂层浆,整理后织物的隔热效果比单独的浸轧或者直接涂层要好.总之,随着隔热功能织物研究的日臻完善,隔热整理技术也会逐渐向环保、节能、安全的方向发展。
4 隔热性能的测试方法
基于织物的隔热机理,可以从隔热材料对太阳光的作用机制以及热传递2个方面对织物的隔热性能进行测试.前者主要通过模拟太阳光源测试织物经隔热整理后的降温幅度,以及采用分光光度计测试织物对太阳光的反射率.后者主要是测试织物的导热系数.
4.1 宏观隔热降温幅度
目前,尚没有统一的隔热测温标准和仪器,研究者们通常是根据需要自己设计组装隔热测温仪.如王科林[23]自制了一种控温织物隔热性能测试箱,箱体底部及四周均使用聚苯乙烯泡沫作为隔热层,尽量避免气流对箱体内部的干扰,使用碘钨灯模拟太阳光源照
射织物,通过测试织物在不同时间内经热辐射后内侧的温度T与未受热辐射时的温度T0之差来评价织物的隔热性能.该种方法虽然能满足隔热测试的基本要求,但是存在着很大的缺陷,会随人为、环境、装置等因素发生变动,结果精确度及可信度不高,不能准确地为日后的隔热研究提供依据.
4.2 反射率
采用紫外-可见-近红外分光光度计测试整理后织物对可见光-近红外光的反射率、透射率和吸收率,反射率越高,相应的隔热效果就越好.该方法虽能精准地测试整理前后织物对太阳光反射率的变化,但是不能直观地观测织物的宏观降温幅度,常被用作辅助测试方法.
4.3 导热系数
从热传导的角度出发,可采用TCI导热系数仪测试整理后织物的导热系数,导热系数越低,织物的隔热性越好.导热系数只能从热传导的角度来反映热传递的效果,无法反映光反射、热辐射等其他隔热机理的影响,不能单一地用于织物的隔热效果测试,但可用于测试未经整理的隔热材料的导热性能,较为方便快捷.Liao等[24]合成了经硅烷偶联剂KH550和盐酸改性的中空二氧化硅材料,并将之与水性聚氨酯混合制备复合薄膜,通过直接测试其导热系数和对太阳光的反射率来测试隔热性能.
4.4 其他
为了更形象、直观、准确地测试织物的隔热效果,新型的分析测试方法不断涌现.东华大学陈益松等[25]将红外热像用于服装面料隔热性能的评测,该方法用红外热像仪拍摄紧贴皮肤表面面料的温度场图像,可将面料和皮肤表面空气层的影响因素降到低,能够记录真人穿着条件下服装的表面温度场图像,更加直观有力地说明服装的隔热效果,在隔热服装的研究和实际应用中不失为一种行之有效的方法.
5 隔热功能织物的发展趋势
隔热功能织物的研究虽然起步较早,但研究领域和应用要求依然很有限,结合近年来国内外在该方面的研究进展,其发展趋势主要集中在以下几点.
(1)新型隔热材料的开发.目前织物用隔热功能材料的种类较少,有必要加大新型隔热材料的研究开发力度,并充分利用复合型多功能隔热材料之间的互补优势,使隔热效果更显著.同时,基于纳米技术的快速发展,透明织物用纳米隔热材料也将是下一阶段的研究热点之一.但纳米材料大的障碍是其分散稳定性不好,为此还要进一步加强针对织物整理用纳米材料的表面改性技术的研究,以提高其在隔热涂料中的分散稳定性.除此之外,目前隔热织物大多局限在白色体系,为了满足人们对多彩夏季纺织品和环境保护的需求,应积极开发能够适用于彩色隔热功能织物涂层的材料.
(2)隔热整理技术的发展.为保证织物的隔热效果持久,常将隔热功能粒子利用粘合剂经直接涂层整理到织物表面,而多数粘合剂含有吸热基团,会降低织物的降温效果.另外,织物涂层一般都采用底涂和面涂结合,不仅导致织物的手感较硬,且易造成涂层的光滑度和厚度不一致,因此,研制利于织物隔热的整理技术及高效薄层的隔热涂料,具有良好的发展前景和一定的经济价值.
(3)隔热性能测试方法的改进和标准化.目前尚没有织物隔热性能测试的标准装置,测试结果参比性较差.日后的研究中,可借鉴建筑和军事航空行业隔热降温涂料的测试标准,加强相关的理论研究,制定出适用于织物隔热的国家统一标准、表征方法和测试仪器,为隔热功能织物的研究提供必要的理论基础和测试手段.
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