CN103710953A - 一种具有红外管理特性织物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明名为一种具有红外管理特性织物及其制备方法。本发明的核心是提出了一种新的功能织物设计方法，其根本在于对织物表面结构的设计以及利用功能材料来修饰织表面的红外辐射特性从而实现调节织物的保暖性能，并提出了织物红外管理特性概念。目的是提供一种可行的工艺与整理方案以实现织物具有二面不同的红外辐射特性，以达到不同的红外管理功能。具体包括以下步骤：1、由纱线出发：部分纱线、纤维的红外增强处理→织物结构设计与纺织→织物焙烘→织物洗水→最终产品；2、由织物出发：织物二面红外辐射差别化整理→织物焙烘→织物洗水→最终产品。

Description

一种具有红外管理特性织物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种功能性纺织品的设计与制备方法。该方法通过对织物进行特定的整理或选择具有特定功能的纱线或对纱线进行特定的功能整理，同时设计不同的织物组织结构以达到制成的织物两面具有不同的红外辐射特性。

技术背景

无论直接还是间接，太阳为地球上的所有生命提供了所需要的能源。高高悬挂在天空中的太阳，其表面温度高达6000℃，不间断地发射出多个频段的电磁波，其中包括紫外，可见光和红外线。相对应于太阳到达地球的总能量，紫外波段约占6.8％的总能量(0.5％UVB，6.3％UVA)；38.9％的能量分布在可见光波段；大约54.3％的能量分布在红外波段。

服装在穿着过程中不停地人体的皮肤相接触，影响着人体与环境之间的热湿交换。在过去的几十年中，消费者对服装的要求已经由穿得好看，转变成不仅要穿得好看还要穿的舒服。因此对所有的服装而言着装后的对生理影响就变得相当地重要。先有的研究已经表明液态水在服装中的多方向传递特性(织物的液态水管理特性)对着装的舒适性有显著的影响。服装最基本的功能就是调节我们的冷暖，抵抗外界的温度变化。

因为人是一恒温动物，我们的体温需要维持在一个很狭窄的区域中，如果超过这个范围就会感到不舒适，甚至死亡。先有的研究表明，当我们皮肤表面平均温度在33℃至35℃并且没有汗液在其表面时，我们通常会感到舒适。人体与环境进行热交换通常以下述三种方式进行：对流，传导与辐射。传导模式是通过分子或电子间在短距离内的相互作用而实现；对流综合了流体的机械流动与混合同时也存在了一定的传导；当热能以辐射的方式进行传递时，是以电磁波的形式在红外频谱实现。先有研究已经提示织物的红外传递特性与着装的整体舒适性有一定的关系，并且影响着皮肤的平均温度。

因此就有必要开发一种新型的能对皮肤表面温度有一定调节能力的功能面料。例如在夏季烈日高温天气下，主要的热源来自于包含有外线频段的太阳，要想使人们有凉爽的感觉，服装面料需要将到达的红外线辐射能尽可能多地反射回环境中。同时将人体表面的汗液尽可能多地传递到面料的外表面，并在外表面进行挥发带走热量以使穿着者的皮肤保持凉爽。另一方面，在冬季户外主要热源是人体自身。服装需要将来自于人体的红外辐射反射回人体以保留热量。对于某一些特定的用途，例军事用途需要将被都覆盖物体的红外射线尽量屏蔽。

能量能以电磁波，对流，辐射这三种方式进行。以电磁方式进行传递的辐射方式是将一组原子以波动的方式在空间进行传递，因此热能就如太阳能可以在真空状态进行传播而不需要媒介。红外线是以直线方式进行传播，其波长比可见光大。

红外线表示的是在一定频率范围内的电磁波，始于可见红光的上限，止于通常用于通讯的徽波，波长范围在1毫米至750纳米。整个红外波段又可进一步分成近红外，中红外，远红外三个波段。

·0.076-1.5microns＝近红外(NIR)；

·1.5-5.6microns＝中红外(MIR)；和

·5.6-1000microns＝远红外(FIR)。

在绝对零度以上的所有物体都会持续不断地向外发射电磁波，其波长与物体表面的温度有关。在室温条件下物体的辐射都是以红外线的形式存在，很少以可见光的形式出现。正常情况下人体自身的红外辐射主波长范围在9至10个微米。

当红外源，例如太阳光包含有整个频谱，当其到达织物表面时，能量不仅包含红外波段的能量IR(I_ir)还包括其它波段的能量(I_other)(图1)。另一方面，当布样吸收能量后，其温度将继续上升并再其二表面发射出额外的红外能量。因此透射的红外光强可以表达成：

I_t＝I_dt+I_et            (1)

同时在反射面上的红外光强可以表达为：

I_r＝I_dr+I_er            (2)

式中：I_dt和I_dr是材料表现的直接反射与透射强度(W/m²)。Iet and Ier表示试样表面的再发射光强(W/m²)。

根据我们对美国专利库的检索，有关织物保暖性能已经进行了广泛的研究。有些专利技术，例如，5,150,476， 6,662,389通过增加静态空气层以实现提高保暖性.专利6,662,389申请了一种实现可变保暖性能的方；专利6,312,784更指出可以利用形状记忆材料来调节面料的保暖特性。专利6,583,074，5,534,335教导了一种通过在面料中使用金属纤维或用涂层的方法来改变织物的保暖特性；专利申请20030057750，介绍了一个使汽车座椅凉爽的实现工艺；专利5,787,525教导了一种以多层织物结构并在其中加入电气石的方法来改变织物的红外辐射特性。专利5,787,525教导了在一种在鞋垫中加入陶瓷粉以增强其红外辐射特性的产品生产方法。

专利200710025087.8一种会呼吸的蓄热保暖织物公开了一种会呼吸的蓄热保暖织物，在外表面上设有干燥层；内表面上设有吸热层。内表面上则以在具备高透气透湿性的树脂液中加入具备蓄热功能的超细瓷粉的混合溶液进行布面，使织物具有阻挡外界风霜并将人体散发的汗液以水蒸汽的方式传递到外界的功能，避免了在人体内部和织物之间形成水汽积聚而导致人体感觉潮湿闷热，另外，内表面吸热层中的超细瓷粉将太阳红外热能及人体散发热能吸收到面料上，从而起到保持体温补充及恒定的作用。99119037.8报导了一种三层结构的纺织面料，包括三层结构，里外两层为单层织物，中间层为衬垫材料；外层是由精梳全棉纱线构成的机织物，中间层是由涤纶低弹性丝以非织造物形式构成的衬垫材料，里层是通过棉涤混纺成远红外纱线而机织成的织物。由于里层采用远红外功能性保健纤维，因此贴身穿着时，能调整人体微循环，促进新陈代谢。专利201010130765.9智能调温服装涉及一种智能调温服装，包括面料和衬里、温度控制器以及与可充电电池连接的加热元件，具有一定的远红外理疗作用。专利200910031492.X透气保暖织物改良结构公开了一种透气保暖织物改良结构，织物表层为具吸湿性的纱线，织物里层为具保暖发热性的纱线和具吸湿性的纱线编织而成，织物表层与织物里层编织后的织物面料结构为双面空气层结构。

根据我们的检索结果，所有的先前专利技术都没有教导如何来修改织物两面的红外特性，使之两面特性不一样，利用这两面特性的差异从而实现不同功能需要的面料，因此我们在本文中提出的方法与概念有其原创新与新颖性。

发明内容

本发明的核心是提出了一种新的功能织物设计方法，其根本在于对织物表面结构的设计以及利用功能材料来修饰织表面的红外辐射特性从而实现调节织物的保暖性能。提出了织物红外管理特性这一概念。该概念定义如下：

·红外辐射管理织物

织物两表面具有特别设计的红外辐射特性，由于这些特别设计的红外辐射特性使织物两面的红外反射与透射能力不一样从而使织物有能力使热能的传递特性，特别是辐射导热能力得到控制，从而影响到织物的整体热传递特性。这样的织物被称之为红外管理织物。

此类织物将实现如下的特性：

(1)二表面不同的红外辐射特性

(2)超级凉爽，或

(3)超级温暖，或

(4)高保温

为实现上述目标，在本发明中，红外管理特性面料主要被分成二大类：凉爽型面料(SCF)和温暖型面料(SWF)。

影响人们穿衣服热舒适性的红外源主要有两种，一种是来自于太阳等外界高温源；别一种是来自于自身(图2)。太阳辐射I₀包括在红外波段的能量I_ir和其波段能量I_others.在相同透气率条件下，当辐射光能(包括可见光与非可见光)到达织物表面，一部分将被反射回大气中(I_fre)，一部分能量将被织物吸收并再次发射出来，同时一部争将直接穿透织物(I_fte).同时当织物被穿在身上时，人体自身发射出来的红外线(I_se)部分将被织物反射回身体(I_ser)，部分(I_set)将穿过织物进入环境中。

为了使得在穿着的过程中有凉爽的感觉，织物靠近皮肤的那一面，定义成内表面应该有较低的透射率，并且在其另一面(被定义成外表面)有较高的反射率。在这种情况下，主要来自于太阳的红外能量将被反射回环境而使织物内表面的温升相对较低。

另一方面，要在穿着过程中保持温暖的感觉，织物其红外特性与上述的相反。主要红外源来自人体。因此织物的内表面需要有较高的反射率，将人体发射出来的红外能量反射回去，并且有外表面也有较低的反射特性以便织物吸收更多的红外能(图3)。

因此在本发明中通过如下的方法来实现对织物二面的红外辐射特性进行修饰：

1、凉爽型面料具有光洁的外表面与柔软粗糙的内表面；

2、保暖型面料具有柔软粗糙的外表面和光洁的内表面；

3、利用特定的工艺与助剂对织物、纱线或纤维进行红外功能整理；

4、按给定的组织结构进行面料制备。

附图说明

图1是红外射线在一织物布料上的透射；

图2是凉爽型面料结构设计示意图；

图3是保暖型红外管理面料结构设计概念图；

图4是处理前棉纤维表面SEM形貌照片；

图5是处理后棉纤维表面形貌SEM照片；

图6是X光能谱分析仪分析结果。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种可行的工艺与整理方案以实现织物具有二面不同的红外辐射特性，以达到不同的红外管理功能。这包括下列步骤或流程：

1、由纱线出发：部分纱线、纤维的红外增强处理→织物结构设计与纺织→织物焙烘→织物洗水→最终产品；

2、由织物出发：织物二面红外辐射差别化整理→织物焙烘→织物洗水→最终产品。

对纱线或纤维的预整理，其目的是改进其红外辐射能力，从而与没有处理的纱线和纤维配合织物的组织结构设计达到织物的二面具有最大化的红外辐射特性差异。

用于纤维、纱线织红外辐射特性增强配方的主要成份包括：

(1)红外增强材料                  1-300g/L

(2)纤维表面能修饰助剂            0-100g/L

(3)粘合剂                        0-50g/L

(4)交联剂                        0-50g/L

(5)增稠剂                        0-50g/L

(6)分散剂                        0-50g/L

(7)其它(水)

本配方中所用到的材料可以是任何满足要求的已知物质，具体示例如下：用于红外增强功能材料可以是任何已知的但并不局限于已知的红外增强纳米材料，例如可以是纳米银，Zr02，Zn0和A1203等。通常此类金属无机纳米材料还能提供额外的功能如防紫外或抗菌。

分散剂可以是脂肪醇乙氧基化合物或脂肪酸乙氧基化合物或乙醇乙氧基化合物等。交联剂可以是具有两个或更多个自由羟基组的有机化学制品，例如聚乙二醇等；粘合剂、增稠剂可以是任何已知的化学产品。纤维表面能修饰助剂可以是亲水型整理助剂，也可以是疏水型整理助剂，它们可以是，但不局限于例如，吸水性季铵盐类阳离子柔软剂，有机硅亲水整理剂，阴离子型亲水性硅酮织物整理剂，含氟化高分子物，石蜡-金属盐拒水剂，含长链脂肪酸的金属配价络合型拒水剂等。

传统的纤维纱线整理工艺都适用于本处理。

本发明的织物进行组织结构设计其目的主要是为了在织物的两表面形成不同的红外辐射特性由于而造成独特的热量能传递特性。进一步发展本概念，后整理技术也可以应用在本发明中以实现织物单面整理，从而实现二面红外辐射特性的不一致。对织物单面整理常用的方法可以是，但不局限于丝网印刷，喷涂，涂层等。

进一步，可以将多层具有不同红外特性的面料通过复合的方法将其贴合在一起而形成不同的红外管理特性。例如可以将光滑细密的浅色梭织织物与深色蓬松的针织面料进行复合，从而形成不同的红外辐射热传递特性。

再进一步发展本概念，更多的织物单面整理技术还可能为织物带来一些新的差别化的功能。例如这样的整理可在本发明人的美国专利US6806,214，US6,454,814B1和US6,499,338B2找到详细的解释与应用，并实现了液态水在织物两表面间的差别传递。

为了对制备所得到的功能织物进行性能表征，在此有二台特性的仪器将会使用。一台是织物液态水管理特性，具体介绍可以参见本发明人专利US6499338，这台仪器可以用于检测液态水在织物两表面间多方向的传递特性。另一台仪器是织物红外辐射特性测量仪(FIRT，中国专利号ZL200410068752.8)。这台仪器可以用来测量织物二面的红外辐射特性。这台仪器的主要原理是当织物在一给定的红外源辐射下，其二表面的红外辐射强度将发生变化，通过记录二表面的红外强度的变化可以得到一系列用于描述织物红外特性的指标。

实例一

纯棉梭织布以丝网印刷的方法进行红外辐射特性改性。其中红外功能材料采用的是Zn0，10g/L(重量比，由香港理工大学自制)。处理后的试样以90℃烘干15分钟然后焙供条件是135℃，3分钟。

棉纤维处理前后表面形貌如图4、图5所示。X光能谱分析仪(Energy dispersive X-ray spectroscopy(Oxford Link ISIS EDX System))被用来检查处理后织物表面材料的成份，其测量结果如图六所示。测量结果揭示织物表面含有元素锌与氧。

在实验室中用FIRT对处理前与处理后的试样进行红外特性测量，其结果汇总在表一中。

表1纯棉梭织物红外辐射特性测量结果

从表一中我们可以发现，对比处理前的测量值在初始阶段红外反射光强(IEDR)增加了40％，红外透射光强(IEDT)只增加了0.12％并且吸收光强降低了9.99％。当织物红外辐射达到平衡后，在织物的反射面其红外辐射光强(IERMS)增加了17％，而透射面其红外辐射光强(IEET)降低了近1％。

实例二

绦纶针织物以丝网印的方法将纳米功能材料STK以25克/升的比例涂敷在织物的表面(STK是由舟山明日集团出产的一种纳米银抗菌材料)。然后以90℃烘干10分钟，135℃焙烘3分钟。其红外特征如表二所示。

表二涤纶针织物红外特征测量值

对比处理前样品测量值，在初始阶段处理后的样品红外反射量(IEDR)降低了11％，透射量(IEDT)增加了1.6％并且吸收量增加了3.32％。当织物达到平衡后，反射面平均红外辐射强度(IERMS)减少了8％.。并且在透射面红外辐射强度(IEET)增加了约8％同时织物两面总的辐射强度增加了5.39％，两面红外辐射强度的差异增加了13％。

实例三

利用涂布的方法对全棉抓毛织物进行功能整理。功能材料是A1₂O₃(MC2R，由明日纳米材料有限公司生产)用量为40g/L。处理后的织物在100℃下干燥3mins然后在140℃下焙烘3mins。处理的与未处理的织物由织物红外特性测试仪测量并记录在表3中。

表3棉抓毛织物红外特性测量结果

表3所示对比未处理的试样，在初始阶段红外反射强度(IEDR)与透射强度(IEDT)分别下降了34％和59％。吸收强度增加了38％。到达稳态阶段，在反射面的平均发射强度(IERMS)增加了25％.同时透射面其红外发射强度也增加了约14％。

实例四

对涤盖棉二层布以涂布的方式进行功能整理。功能材料是AT0(Sb掺杂Sn02)(由香港理工大学提供)以20g/L用量进行处理。处理后的织物在100℃下干燥3分钟然后在140℃下焙烘3分钟。处理的与未处理的织物由织物红外特性测试仪测量并记录在表4中。

表4全棉梭织物红外特性测量结果

表4所示，对比未经处理的样品，在初始阶段，经处理的样品其反射面的红外反射强度(IEDR)和透射强度(IEDT)分别减少了44％和73.3％。吸收强度增加了54％。到达平衡后在反射面上的平均红外强度(IERMS)增加了98％.并且在发射面上的红外透射强度增加了79％。

实例五

涤纶无纺布以喷涂的方法将功能整理液处理到织物的表面。处理的配方如下：

(1)50g/L A1203纳米红外粉体(MC2R，由舟山明白集团提供)

(2)30/L Zn0纳米红外粉体(MN6Z，s由舟山明白集团提供)

(3)30g/L增稠剂A-1，(北京工程塑料有限公司)

(4)12g/L粘合剂，(印花粘合剂，浙江化工助剂公司)

(5)其它：水

处理后的无纺布在100℃下干燥5分钟并在125℃下焙烘3分钟。未经理与处理后样品的测量数据记录在表5中。

表5无纺布红外测量特性

由表5我们可以发现对比处理前的样品，处理后的样品在初始阶段其红外反射强度(IEDR)增强了50％，透射红外强度(IEDT)减少了18％并且吸收强度也减少了1.4％.达到平衡合，平均反射面的红外辐射强度(IERMS)增加了34％。并且在透射面的红外辐射强度只增加了7％。两面红外强度差达到了26.66％。

实例六

此类红外功能面料除由后整理方法实现外还可以通过对部分纱线的红外增强处理，根据需要将此部分的红外处理后的纱线利用织物的组织结构设计，使其大部分在织物的一面，而没有处理的可不同红外特性的纱线大部分在织物的另一面，从而实现织物二面的红外辐射特性的差异。纱线材料为经纱100D涤纶。纬纱20S全棉牛仔纱及83.3dex丙纶。入纬次序为：丙沦∶棉∶丙＝1∶1∶1。织物最终成份为棉45％，丙沦25％，涤纶30％其结构表示为100DX(20s+83.3dtex)/55.1ends/cm X90ends/cm。

经纱为普通涤纶，纬纱按下列工艺进行红外增强处理。

配方：

(1)80g/L A1203(MC2R，由舟山明白集团提供)

(2)30g/L增稠剂A-1，(北京工程塑料有限公司)

(3)12g/L粘合剂，(印花粘合剂，浙江化工助剂公司)

(4)其它：水

处理方式：100℃烘干，130℃焙烘5分钟。

实例七

白色全棉60S纱平纹面料与黑色摇粒绒面料进行点贴方式进行复合。在春夏季使用时，将白色全棉面料面向太阳时，可以提高对红外的反射能力降低辐射热传递到皮肤表面；如果在秋冬季则反之将黑色摇粒绒面对向太阳，增加面料对外界红外的吸收能力。

实例八

在实例二的基础上，为了进一步增强红外管理功效，进一步增强织物两面结构与几何形貌的差异。在完成了红外增强整理后，再对绦纶织物的单面进行磨毛处理。传统的磨毛工艺做参考在此引述。根据生产的面料对热传递要求的不同可以对织物的面或底进行磨毛加工，从而进一步提高红外性能。

Claims (9)

1.本发明是关于一种被称之为红外管理织物的设计与生产方法，其特征在于织物的两表面红外辐射在其初始阶段与平衡阶段织物两表的红外辐射强度不一致。

2.根据权利要求1，织物的组织结构可以是针织，梭织，无纺布和复合面料。

3.根据权利要求1，材料可以是合成纤维或天然纤维。

4.根据权利要求1，织物可以是单层结构或多层结构。

5.根据权利要求1，此类红外织物可以对经纬纱进行不同的红外特性整理，然后利用织物组织结构的设计使得两组红外特性不同的纱线主要部分分别处织物的二表面，从而达到使织物二表面的红外特性有差异。

6.根据权利要求1，织物两表面红外辐射特性的差异还可以通过对织物的某一表面进行单面后整理实现，这些整理方法包括，喷涂，丝印，涂层等。

7.根据权利要求1与2，此方法可以用来制备凉爽型面料，此类面料的特性是面料的外表面具有光滑的结构，较高的红外反射特性，而在其内表面具有柔软和较低的透射强度。

8.根据权利要求1与2，此方法也可以用来制备保暖型面料，此类面料的特性是面料的内表面具有光滑的结构，较高的红外反射特性而在其外表面具有柔软和较低的透射强度。

9.根据权利要求1与9，此红外功能整理可以与其它功能整理相复合。

Images