聚乙二醇在相变纺织材料上的应用

相变材料(PCM，Phase Change Material)是一种利用相变潜热来贮能和放能的化学材料，其原理是所含有的相变物质随外界温度升高时吸收储存热量，自身由固态变成液态，当温度降低时，由液态变成固态，放出相变物质储存的热量，从而实现某产品的温度自调节功能，创造舒适的温度环境。迄今为止，相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM。已开发和应用的单一型PCM有500多种，还有通过复合技术开发和应用的具有独特相变特性的复合PCM。根据相变材料相变过程的形态不同，又可分为固-液、固-固、固-气、液-气四种相变形态。其中发展较快，研究和应用较多的是固-液相变。根据相变温度，相变材料可分为高温、常温和低温材料。高温材料在200～1000℃范围，主要是一些无机盐类，适用于一些特殊的高温环境。常温低温材料在-20～200°C范围，主要是一些无机盐水合物、有机物、高分子，适用于工农业、民用等。
一段时间以来，对贮能材料的研究，主要集中在无机水合物方面。这种材料的特点是具有较高的潜热和良好的导热性，但易发生相分离，有较严重的过冷现象。而石蜡、脂肪酸、多元醇和酯等有机化合物贮能材料具有过冷程度小、无相分离等优点。因此研究有机相变贮能材料——聚乙二醇颇具实际意义。
一、不同分子量聚乙二醇的相变热性质
聚乙二醇(PEG)本身是一种常用相变材料，在对聚乙二醇进行冷热循环处理时，其超分子结构会发生某种相的转变，从而改变宏观性质而具有特殊的蓄热调温性能。聚乙二醇由于聚合程度的不同，可形成一系列平均分子量从200～20000不等的聚合物。此类聚合物在常温20°C下，当平均分子量高于600时以固态形式存在。其发生固一液，固一固相变时的温度随聚合度的不同，相变温度的变化范围是室温至65%左右，其潜热较大，表明它们是适合于热贮藏应用的。对于服装用的相变材料，相变温度一般为30～35%，接近于体温。以PEG作为相变材料。用不同方式添加到纺织材料上，可以使织物具有双向调温的特殊功能。

二、PEG制成相变材料的方式
1、填充纤维法
早期的相变纤维大多通过两个步骤制备，先制成中空纤维，然后将其浸渍在相变材料中，使中空部分充满PCM，经干燥再利用特殊技术将纤维两端封闭。Vigo等人自20世纪80年代中期开始研究将中空纤维浸渍于低分子量的PEG(M<1000)或塑晶材料的溶液或液体中，使PEG或塑晶进入纤维内部，得到在-40～60%温度范围内具有相变特性的纤维。该方法设备简单操作便利，但是由于低分子量的PEG溶于水，在织物洗涤过程中会逐渐损失，因而不具有实用价值。
2、交联沉积法
PEG在交联剂DMDHEU(2D树脂)、MgCl2·6H2O/柠檬酸的作用下，可与纤维素纤维发生交联反应，形成纤维-聚合物线性或网状粘接模式，沉积、固着在纤维上。
采用交联方式将PEG添加到纺织材料上，除了能赋予纺织材料特殊的蓄热调温功能外，也使纺织材料的其他性能有所改善，其中抗菌活性、回弹性、回潮率明显增高，而耐磨性、抗起毛起球性、抗静电性及易去污性能等均有所改善。但在上述性能改善的同时，这种方式却使织物的强力呈不同程度的下降。从反应机理上看，PEG可与棉、涤棉混纺、羊毛、尼龙等多种纤维发生交联，从而获得上述性能。
3、复合纺丝法
将按一定比例的聚合物和PEG熔体或溶液用复合纺丝技术直接纺制成皮芯型相变纤维。为了改善可纺性和减小PEG在加工过程中化学稳定性对工艺路线实施的影响，一般添加第三组分。张兴祥等人以聚丙烯(PP)和分子量为1000～20000的PEG及增稠剂为原料，采用熔融复合纺丝法研制出以PEG为芯层的皮芯复合相变材料。将该纤维加工成490g/m2的非织造布，在环境温度35.5°C左右时内部温度比纯PP非产业用纺织品织造布低3.3°C，在26.9°C左右时内部温度比纯PP非织造布高6.1°C。
4、共混产生相变材料
高聚物经过共混后，由于受到共混物中其他聚合物的作用和影响，聚合物的某些性质会发生很大的变化，赋予高聚物本身不具备的新的性质或性能。PEG和纤维素在二甲基亚砜/多聚甲醛(DMSO/PF)的溶剂体系中表现出良好的相容性，再生共混物的相变焓较大，相变性质为固-固相转变。
5、微胶囊法和涂层法
将平均颗粒直径为5μm的含有PEG的微胶囊与粘合剂、分散剂、消泡剂等混合均匀，涂敷在织物或非织造布表面，在适宜温度下干燥，然后将织物或非织造布皂洗，除去未反应成分，干燥后得到具有吸收和放出热量功能的织物或非织造布。或者将微胶囊混入纺丝液中混合纺丝。
科研人员将PEG作为PU合成的多元醇组分，通过选择和设计PEG的聚合度和含量，使得PU涂层中的PEG相区的相变转化温度，恰好在人们感觉最舒适的温度范围。这样，环境温度高于其熔融温度时，涂层相变吸热，同时聚合物体积膨胀，亲水基团空间体积增大，热运动加剧，使透气量增大，排热排汗速度加快，使人有凉爽的感觉；当环境温度低于结晶温度时，PEG链段结晶，PU涂层相变放出热量，同时封闭孔隙，又由于亲水基团活性降低，透气性减少，从而具有良好的挡风和保暖性能。

三、PEG相变材料的用途
PEG相变材料由于PEG自身独特的相变特性和跨度较大的相变温度，使得PEG相变材料在许多方面得到应用。
1、日用品
如保暖服装、电器防热外壳、保鲜盒、保温盒、取暖器、储能炊具、寝具等。还可用做窗帘、床单、被面或保温絮片，其用于睡袋保温絮片已被市场化。
以窗帘为例，建筑物中一个重要的热量弱环是窗户。由于玻璃的绝热性能差，大量的热在夏日的白天通过玻璃进入建筑物内。冬天的晚上，窗户成为热损失的主要原因。经过相变材料处理的百叶窗或窗帘可以解决这一问题，并保证建筑物内调节空气的效率。一种三层织物，由两层纺织物和一层填充有相变材料的泡沫层压而成，可以满足这一需要。泡沫中的相变材料通过吸热或散热调节通过三层结构的热流。这样就形成一个热屏障，可根据热需求调节通过织物系统的热流量。对含有相变材料的这种窗帘进行测试表明，与不含相变材料的普通窗帘相比，其热流量可降低30%。
2、军用和航空航天
一般用于飞行保暖手套、军用冷或热气候作战靴、军用民用潜水服、防火装具、冬服、微气候冷却服装等。
3、鞋衬
由于其特有的热能吸收和释放功能，可使激烈运动产生的热量及时被相变物质吸收，并在运动停止后释放，使脚部温度相对恒定，增加舒适感。
4、建筑材料
将PEG高聚合度的相变材料添加在水泥中，或用做建筑屋顶或其他材料。
5、其他
用于汽车内衬、电池隔板。产业用纺织品PEG相变材料可用于改善座位的热舒适性，在坐垫中使用的相变材料通过吸收多余的热量可防止温度升高。填充于坐垫中的相变材料吸热所产生的降温效应可改善座椅的舒适性。

四、结论
综上所述，聚乙二醇以其自身独特的相变特性和跨度较大的相变温度，使它在许多领域得到应用，在改善热舒适性的同时，也节省了一部分能源。许多利用聚乙二醇相变材料的技术还在开发之中。