CN114746593A - 辐射冷却织物及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种织物，其包括一种或多种纱线。该一种或多种纱线中的每一种都包括多根细丝。每根细丝都具有在20‑50微米之间的平均直径以使得所述织物在波长为9.5微米处的红外辐射透过率至少为37%。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C. 119(e)要求于2019年11月6日提交的美国临时专利申请号62/931,727的权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的内容大体涉及用于服装的织物，更具体地说，涉及用于服装的辐射冷却织物及其制造方法。
背景技术
能源危机和气候变化的相关问题正变得越来越严重并且需要被解决。根据最近的研究，全球消耗的所有电力中有15%用于在家庭和办公室中制冷，而这反过来又导致了全球温室气体排放的增加。因此，需要开发新技术来减少能源需求。例如，将冷却设定温度提高2℃可以节省超过20%的全球能源。
个人冷却管理是减少能源成本的有效方法。在典型的室内环境中，人体在皮肤温度为33.5℃时的中红外热辐射（波长范围为7至14微米）的辐射热量损失占总热量损失的50%以上。大多数传统的纺织织物（例如棉和涤纶）都不合格，因为它们是红外辐射（IR）不透明的材料。
发明内容
本文描述的是辐射冷却织物和由该织物制成的服装，以及制造该织物的方法。
在一方面，织物包括一种或多种纱线。一种或多种纱线中的每一种都包括多根细丝（filament）。每根细丝的平均直径都在20-50微米的范围内以使得该织物在9.5微米的波长处具有至少为37%的IR透射率。在一些实施方案中，该织物具有由PhabrOmeter或NuCybertek的系统测量的小于50的硬度。
在一些实施方案中，所述一种或多种纱线中的每一种都具有最多为400微米的平均直径。在一些实施方案中，所述一种或多种纱线包括至少一种在其表面有涂层的纱线。所述一种或多种纱线可以通过包括染料而具有不同的颜色。在一些实施方案中，所述一种或多种纱线包括紫外线阻隔剂。在一些实施方案中，所述紫外线阻隔剂包括ZnO或TiO2。在一些实施方案中，所述一种或多种纱线包括一种或多种陶瓷填料。
在一些实施方案中，该织物具有在0-12%范围内的孔隙率。在本公开中，孔隙率被定义为1减去覆盖系数（cover factor）。
在一些实施方案中，细丝包含聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺中的一种或多种。
在另一方面，设备包括织物。该织物包括一种或多种纱线。该一种或多种纱线中的每一种都包括多根细丝。每根细丝具有在20-50微米范围内的平均直径以使得织物在9.5微米的波长处具有至少为37%的IR透射率。在一些实施方案中，该设备包括服装、鞋类、帐篷或睡袋中的一种。
附图说明
本技术的各种实施方案的某些特征在所附的权利要求书中作出了具体阐述。通过参考下文中说明性的实施方案所阐述的详细的说明，可以更好地理解本技术的特点和优点，其中利用了本公开的原则并结合了以下附图：
图1是描述根据一个示例性实施方案的纱线制造设备的示意图。
图2显示了各种编织织物的冷却性能、织物厚度和IR透射率。
图3显示了根据一个示例性实施方案的通过所公开的技术形成的PE织物的刚度测试数据和厚度数据。
图4显示了传统PET织物的刚度测试数据和厚度数据。
实施方案的详细说明
在以下描述中，阐述了某些具体细节以提供对于本公开的各种实施方案的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解，本公开的内容可以在没有这些细节的情况下进行实践。此外，虽然本文公开了本发明的各种实施方案，但可以根据本领域技术人员的一般常识在本发明的范围内做出许多调整和修改。这种修改包括用已知的等效物替代本公开的任何方面以便以基本相同的方式实现相同的结果。
除非上下文另有要求，在本说明书和权利要求书中，“包含（comprise）”一词及其变体，例如 “包含（comprises）”和 “包含（comprising）”应被理解为开放式、包容的意义，即“包括但不限于”。在整个说明书中，对数值范围的复述旨在作为一种单独引用范围内的每个单独值的简写符号，包括定义范围的值，并且每个单独的数值都如同在本文中单独复述一样地被并入说明书中。此外，除非上下文另有明确规定，单数形式的“一”、“一种”和“该”都包括复数指称。
在本说明书中提到“一个实施方案”或“实施方案 ”是指与该实施方案有关的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方案中。因此，本说明书各处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定都是指同一个实施方案，但在某些情况下可能是指同一个实施方案。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施方案中。
本文所描述的各种实施方案是涉及用于个人人体冷却的IR透明织物。本领域的现有技术中建议的织物是用具有约为1微米或更小的直径的纤维/细丝制成的，以便有效地实现红外透明。人们发现，纤维应被制成小直径（例如，几微米或更窄）来让人体的红外辐射通过。然而，小直径的纤维对于正常的纺织品制造工艺来说较薄弱。而本文公开的技术使用了至少20微米的直径大得多的纤维来为辐射冷却织物制造更强的纱线，这显著改善了作为传统的纺织材料的生产质量和速率。此外，本文所公开的技术提供的织物是红外透明的。例如，所公开的织物在波长为9.5微米时的IR透射率至少为37%。
现在将结合附图来解释本发明的实施方案。首先参考图1。图1是图示根据一个示例性实施方案的纱线制造设备100的示意图。该纱线制造设备100包括食料斗102，其被配置为接收聚合物颗粒104。聚合物颗粒104包括一种或多种被选择来用于形成纱线的细丝的材料。例如，这些材料可以包括选定的聚合物和其他添加剂。在一些实施方案中，选定的聚合物可包括聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺中的一种或多种。在一些实施方案中，选定的添加剂可包括着色剂、紫外线（UV）阻隔剂或其他功能剂。
纱线制造设备100进一步包括加热单元106，其在预先设定的升高温度下熔化聚合物颗粒104来产生聚合物熔体108。用于制造聚合物纱线的聚合物可以包括例如线性低密度聚乙烯（LLDPE）或高密度聚乙烯（HDPE），其粘度范围为17-30克/10分钟（基于ASTM D1238），这样的粘度范围在随后的熔体挤压过程中能提供适当的流动性。泵110被用于将聚合物熔体108移至包括多个喷丝头112-1的喷丝头设备112。每个喷丝头112-1挤压/产生由纱线驱动辊116收集的细丝/纤维114。根据喷丝头设备中的喷丝头112-1的数量和材料流速可以获得具有不同细丝数量的不同细丝尺寸。在一些实施方案中，细丝114的平均直径被控制在20-50微米的范围内。在一些实施方案中，为了形成具有良好皮肤触感的冷却织物，细丝114的平均直径被控制在25-50微米、30-50微米、35-50微米、40-50微米、20-45微米、25-45微米、30-45微米、35-45微米、20-40微米、25-40微米、30-40微米、20-35微米、25-35微米或20-30微米的范围。
当细丝114被纱线驱动辊116拉伸时，细丝114被空气118冷却。在一些实施方案中，可替代地或另外地，在细丝114被冷却后，可对其进行蒸汽处理120以改变其特性。在一些实施方案中，初纺复丝纱线（as-spun multi-filament yarn）以至少2.2:1的牵伸比从喷丝头112-1中被拉出，并以至少155/m进行加捻以形成强韧的纱线。该拉伸过程增加了聚合物纱线122的机械强度（例如，韧性和伸长率）。例如，被拉伸的聚乙烯纱线可具有至少为1.61g/d的韧性和最多111.26%的伸长率。细丝114由纱线驱动辊116收集以形成纱线122，其被送入进料辊124。随后，纱线122被卷在线轴126上并准备用于制作织物。
一种或多种纱线122通过编织和针织技术被制成用于个人冷却服装的织物。在一些实施方案中，由于纤维和纱线的尺寸都会影响IR透射率，织物厚度的降低和对纤维/细丝和纱线的尺寸的控制都可能对服装的冷却性能有显著影响。特别是，已经发现了纱线的纤维尺寸应具有约1微米的直径才能有效地实现可接受的IR透射率。然而，使用本文公开的技术，纱线122的纤维尺寸被控制在20-50微米的范围内，这是本领域现有技术中用于冷却服装的纤维尺寸的约20至50倍。所公开的技术包括对聚合物材料的选择、纤维的尺寸和纱线的尺寸以用于形成强韧的和红外透明（IR transparent）的织物。例如，采用一种或多种聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺作为材料，这些材料可以使具有以下范围内的直径的纤维达到可接受的IR透射率：20-50微米、25-50微米、30-50微米、35-50微米、40-50微米、20-45微米、25-45微米、30-45微米、35-45微米、20-40微米、25-40微米、30-40微米、20-35微米、25-35微米或20-30微米。
为了有效地进行IR传输，纱线122的直径被控制为最多400微米。在一些实施方案中，纱线122的直径最多为350微米、300微米、250微米或200微米。在一些实施方案中，纱线122的直径在200-400微米、200-350微米、200-300微米、200-250微米、250-400微米、250-350微米、250-300微米、300-400微米、300-350微米或350-400微米的范围内。
这些发现使得织物在9.5微米的波长处具有至少37%的IR透射率。在一些实施方案中，通过本文公开的技术形成的织物在9.5微米波长处的IR透射率至少为38%、40%、42%、45%或50%。在一些实施方案中，通过本文公开的技术形成的织物在9.5微米波长处可以具有在37-50%、37-45%、37-40%、38-50%、38-45%、40-50%、40-45%或45-50%范围内的IR透射率。
在一些实施方案中，用于形成织物的编织和针织过程可能会导致织物结构中出现孔隙。例如，织物的孔隙率可在0-12%的范围内。孔隙可以用于改变织物的特性，包括IR透射率和空气渗透率。
在一些实施方案中，可以用各种着色剂来形成纱线以为纱线提供颜色，从而在织物上创造图案或颜色。在一些实施方案中，可以用其他功能剂来形成纱线。例如，一种或多种紫外线阻隔剂可被添加到纱线中，使纱线具有更好的紫外线阻隔功能。在一些实施方案中，紫外线阻隔剂可以包括ZnO和TiO2。在一些实施方案中，功能剂可以以陶瓷填料的形式添加到纱线中。在一些实施方案中，添加的功能剂以IR透射率（波长为9.5微米）最多下降不超过15%的程度添加到织物中。
图2是示出了各种织物的冷却性能、织物厚度和IR透射率的图。首先，图2展示了用本文所公开的技术形成的两种编织PE织物样品与传统的聚酯和棉编织织物样品相比的冷却性能。结果表明，厚度为0.28毫米的PE织物（150D（丹尼尔）/24F（每根纱线的细丝数），纱线直径为285微米，细丝直径为37微米）在皮肤温度方面分别比传统的PET编织织物（厚度为0.29毫米）和棉宽幅织物（厚度为0.27毫米）低2.1和1.9℃；而厚度为0.36毫米的PE织物（150D/50F纱线直径为285微米，细丝直径为22微米）在皮肤温度方面分别比PET编织织物和棉宽幅织物低1.8和1.6℃。此外，150D/24F聚乙烯织物、150D/50F聚乙烯织物、PET编织织物和棉宽幅织物的红外透射率分别为50%、37%、0%和0%。这些结果证明了所公开的PE织物在热调节方面的优势。
在一些实施方案中，由本文公开的技术所形成的织物可以具有小于50的刚度（stiffness）。图3显示了根据一个示例性实施方案的通过所公开的技术形成的PE织物的刚度测试和厚度数据。图4显示了传统PET织物的刚度测试和厚度数据。硬度测试是根据美国纺织化学家和染色家协会（American Association of Textile Chemists and Colorists，AATCC）TM202标准进行的。
如图3所示，由150D/24F聚乙烯纱线（纱线直径为285微米；细丝直径为37微米）制成的厚度为0.26毫米的编织织物的硬度为42.55，而500D/72F聚乙烯纱线（纱线尺寸为376微米；细丝直径为37微米）制成的厚度为0.53毫米的编织织物的硬度为49。由150D/24F聚乙烯纱线制成的编织织物比由500D/72F聚乙烯纱线制成的编织织物的触感更柔软。这些结果表明了将纱线直径控制在最多400微米时在服装应用中具有额外的好处，因为较小的纱线尺寸有助于使织物更薄而具有更好的悬垂性（drapability）。
如图4所示，细丝直径为36微米的编织PET织物样品1（厚度为0.38毫米）的刚度为56.64，而细丝直径为15微米的编织PET织物样品2（厚度为0.41毫米）的刚度为44.24。对于传统织物，细丝直径需要低于20微米（本例中为15微米）以获得可接受的皮肤触感（刚度小于50）。再参考图3，用本文公开的技术所制成的织物即使使用了直径为37微米的细丝也能达到可接受的刚度。
综上所述，符合本公开的织物达到了良好的红外透射率、良好的冷却性能和良好的悬垂性使其适合于服装应用。这些织物也可应用于需要冷却织物的其他领域。
在一方面，所公开的辐射冷却织物在波长为9.5微米的IR透射率（例如，从热成像仪中收集的透射率数据）至少为37%。
在另一方面，织物可由在波长为9.5微米的红外辐射的透射率至少为38%的材料制成。这些材料可以包括但不限于聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺。
在另一方面，织物是由具有平均直径在20-50微米范围内的细丝的纱线制成的。该纱线的平均直径最多为400微米。
在另一方面，由拉伸的PE纱线制成的辐射冷却织物的厚度最多为400微米，孔隙率范围为0-12%。
在另一方面，纱线可以在编织或针织前涂上上浆材料（sizing material）以避免静电、增强强度并改善细丝的结合（bonding）。
本公开的上述描述是为了说明和描述的目的而提供的。它无意于详尽无遗或将本公开限制在所公开的确切形式上。本公开的广度和范围不应受到以上描述的任何示例性实施方案的限制。对于本领域的技术人员来说，许多修改和变化都是显而易见的。这些修改和变化包括所公开的特征的任何相关组合。对于这些实施方案的选择和描述是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施方案和适合于所设想的特定用途的各种修改。 本公开的范围旨在由以下权利要求书及其等效物来定义。
Claims (20)
1.一种织物，其包含：
一种或多种纱线，该一种或多种纱线中的每一种都包括多根细丝，
其中，所述细丝中的每一根都具有在20-50微米范围内的平均直径以使得所述织物在9.5微米的波长处的红外辐射（IR）透射率至少为37%。
2.根据权利要求1所述的织物，其中所述细丝具有在20-40微米范围内的平均直径。
3.根据权利要求1所述的织物，其中所述细丝包括聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的织物，其中所述织物具有在0-12%范围内的孔隙率。
5.根据权利要求1所述的织物，其中所述一种或多种纱线包括至少一种在其表面有涂层的纱线。
6.根据权利要求1所述的织物，其中所述一种或多种纱线含有染料。
7.根据权利要求1所述的织物，其中所述一种或多种纱线含有紫外线阻隔剂。
8.根据权利要求7所述的织物，其中所述紫外线阻隔剂包括ZnO或TiO2中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的织物，其中所述一种或多种纱线包括陶瓷填料。
10.根据权利要求1所述的织物，其中所述一种或多种纱线中的每一种的平均直径最多为400微米。
11.一种包含织物的设备，其中所述织物包含：
一种或多种纱线，其中所述一种或多种纱线中的每一种都包括多根细丝，
其中所述细丝中的每一根都具有在20-50微米范围内的平均直径以使得所述织物在9.5微米的波长处的红外辐射（IR）透射率至少为37%。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述细丝的平均直径在20-40微米范围内。
13.根据权利要求11的设备，其中所述细丝包含聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺中的一种或多种。
14.根据权利要求11所述的设备，其中所述织物具有在0-12%之间的孔隙率。
15.根据权利要求11所述的设备，其中所述一种或多种纱线包括至少一种在其表面有涂层的纱线。
16.根据权利要求11所述的设备，其中所述一种或多种纱线含有染料。
17.根据权利要求11所述的设备，其中所述一种或多种纱线包括紫外线阻断剂。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述紫外线阻断剂包括ZnO或TiO2中的一种或多种。
19.根据权利要求11所述的设备，其中所述一种或多种纱线包括陶瓷填料。
20.根据权利要求11所述的设备，其中所述一种或多种纱线中的每一种都具有最多为400微米的平均直径。
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