新型調溫材料在服裝中的應用

孫玲　盧業虎

摘 要：為維持人體體溫平衡，較之暖通系統，調溫服裝可滿足個體舒適性的要求，并減少能源浪費。近年來，研究者們開發了吸濕發熱、納米聚乙烯、相變材料和氣凝膠等不同的調溫材料。本文系統介紹了應用在服裝領域的主要調溫材料，概況了近年來國內外調溫材料的研發以及其在服裝行業的應用進展，總結了不同調溫材料在應用及研發上存在的技術問題和限制條件，并提出了未來的調溫服裝要發展成為分類明確、標準統一、環保健康及多功能一體的智能產品。

關鍵詞：調溫服裝;吸濕發熱;納米聚乙烯;相變材料;氣凝膠

中圖分類號：TS941.73

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0038-06

Application of Novel Temperature Adjustable Materials in Clothing

SUN Linga， LU Yehua，b

（a.College of Textile and Clothing Engineering; b.National Engineering Laboratory for Modern Silk， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract：In order to maintain body temperature balance， thermoregulation clothing can meet the requirements of individual comfort and reduce energy waste， compared with the HVAC system. In recent years， researchers have developed different types of novel temperature adjustable materials， such as moisture absorption and heating material， nan-polyethylene （nanoPE）， phase change material and aerogel. This paper gave a systematical introduction of the main adjustable temperature materials applied in the apparel field， and summarized the development status of temperature adjustable materials at home and abroad in recent years and the application progress in the clothing industry as well as technical problems and restrictions in application and development. Besides， it is proposed that temperature adjustable clothing will be developed into environmental-friendly intelligent products with clear classification， unified standardization， and multiple functions.

Key words：thermoregulation clothing; moisture absorption and heating material; nano-polyethylene; phase change material; aerogel

隨著社會發展，能源消耗和全球變暖一直是人類面臨的嚴峻問題。人們經常處在多變的環境中工作[1]，通過增減服裝調節人體熱環境，可能會帶來不便甚至增加厚重感，影響人體運動和產生熱應激問題。為了維持人體體溫平衡，在建筑物內采用大規模制冷或加熱裝置，能源利用率低，不可避免地大量浪費能源。

針對這些問題，有學者提出個性化熱舒適理論[2]，可直接通過服裝面料調節體溫平衡，緩解能源浪費，減少溫室氣體的排放。這種具有特殊功能的面料可以根據人體所處環境調節體溫到舒適范圍。人體的微氣候遠小于整個建筑的空間，所以這種直接為人體提供加熱或冷卻的面料可以減少使用空調以及其他設備造成的能源浪費。由此可見，調溫面料在服裝領域的研發與應用能夠更好地實現服裝穿著的熱濕舒適性，節約能源。

1 新型調溫材料種類及原理

近年來，隨著生產生活的需求，調溫材料的種類日益增多，國內外學者對這類材料進行了深入研究。同普通材料相比，調溫材料的結構比較復雜，開發具有一定的難度。目前已有的代表性調溫材料主要包括：a）吸濕發熱材料。液態水汽化時需要吸收熱量而大幅降低體溫，反之氣態水液化時放出的熱量也會使體溫升高。吸濕發熱纖維正是利用了這種變化特性，將人體汗氣轉變為液體進而產生熱量用于保暖;b）相變材料。相變材料利用發生相變時的潛熱來吸收和釋放能量，當外界溫度升高時，相變材料吸收并儲存熱量;當外界溫度降低時，發生相變釋放材料所儲存的熱量，從而調節人體微氣候的溫度，提高舒適性;c）納米聚乙烯材料。通過特殊的納米結構設計，使人體產生的紅外輻射可以透過納米聚乙烯達到降溫目的;d）氣凝膠。氣凝膠是密度很小的固體之一，其特殊的納米多孔網絡結構使之具有超低的固態、氣態熱傳導[3]，應用于服裝可以降低服裝重量，提高服裝的隔熱性能。本文綜述上述新型調溫材料在服裝中的應用現狀，歸納當前研究的不足，提煉未來的發展趨勢，為此類服裝的研發提供參考。

2 新型調溫材料的研究現狀

2.1 吸濕發熱材料

日本在吸濕發熱纖維方面的研究比較成熟[4]，相繼推出Softwarm纖維、Thermogear纖維、N38纖維、Eks纖維及Thermotron纖維等。東洋紡以聚丙烯酸為原料，采用聚合物改性技術[5]，研發出具有高吸濕性能的纖維N38，起初是為醫藥制品和精密機械的包裝材料的需要而開發的，不久米茲諾公司[6]利用N38纖維與其他纖維混合得到新型吸濕發熱合成纖維Presthermo纖維，已經應用在滑雪衫、高爾夫用保暖內衣和鞋的里襯等眾多運動衣料領域。敷紡公司也研發出Themostock材料[7]，材料中的親水基與外界（或人體體表產生）的水蒸氣通過氫鍵結合發生化學反應而放熱，在保暖內衣領域有廣泛地應用。

如圖1所示，目前國內主要是利用已有的吸濕發熱纖維與各種普通纖維進行混紡，增強面料性能。夏秉能等[8]、董小英等[9]將Eks發熱纖維、腈綸纖維和莫代爾纖維進行混紡，開發了一種輕薄、透氣以及具有保暖性能的內衣面料，在同樣厚度下保暖性能更突出。黃學水等[10]利用Eks纖維吸濕發熱性能，與粘膠纖維混紡交織，開發一種輕薄的針織發熱內衣面料。楊自治[11]利用吸濕發熱纖維、咖啡炭改性滌綸纖維與羊毛混紡，所制得的精紡面料吸濕發熱升溫達4 ℃。界璐等[12]編織出6種不同組織的Softwarm纖維的針織面料，通過實驗結合模糊數學綜合評價法分析它們的服用性能，為開發Softwarm發熱纖維針織產品提供重要的依據。

2.2 相變材料

相變材料在調溫服裝中廣泛應用，主要有兩種形式：相變材料直接使用，做成相變纖維使用。

2.2.1 相變材料在服裝上的直接應用

這一形式更多是應用在不同工作場合的防護服，降溫效果取決于相變材料的相變溫度、使用數量及分布位置等因素。張寅平等[13]研制出具有良好降溫效果的醫用降溫服，通過將相變材料封裝成降溫袋，使用時將其放入降溫服的口袋里實現降溫。Gao等[14]、Chou等[15]、王云儀等[16]分別采用不同相變材料制成降溫袋，對比外穿防護服的受試者在高溫或強輻射條件下是否穿著裝有相變材料的降溫背心時的皮膚、核心等溫度。結果表明，穿著降溫背心能降低實驗體在高溫環境下的熱應激，延長高溫工作時間。而且Bennett等[17]探究背心中降溫袋數量對降溫效果影響時，發現使用6個降溫袋比使用4個降溫袋降溫效果更明顯。但降溫袋數量過多會帶來較大的身體負荷，不利于人員活動。Itani等[18]在保持降溫背心重量最小的前提下，找到相變降溫袋的最優排列方式，同時指出降溫袋的數量越多，降溫效果越明顯。Hamdan等[19]探討了熔化溫度和相變材料重量對背心性能的影響。結果表明，當需要更快達到冷卻效果時，應選取較低熔點的相變材料，且相變材料的重量影響著熔化儲熱的持續時間。

2.2.2 相變纖維在服裝上的應用

直接將相變材料放置在服裝中應用，在一定程度上影響服裝的服用性能，而相變纖維則可消除此缺陷。在紡絲過程中，將相變材料作為添加劑加入紡絲液中紡成纖維，此方法獲得的相變纖維具有溫度調節功能。目前相變纖維已經用于滑雪服、睡毯、內衣、襪子、手套、頭盔、靴子以及其他各種運動服和日常服裝中[20-21]，加工研制出具有自動調溫功能的服裝，根據環境溫度的變化，對體溫調節起到積極的作用，提高穿著舒適性。

1985年，Vigo等[22]利用對聚乙二醇（PEG）水溶液填滿不同的中空纖維制備調溫纖維織物，發現填充前后纖維的蓄熱能力明顯增強。20世紀90年代初，美國Triangle公司合成了具有吸收、釋放熱能功能的微膠囊并整理到織物表面，獲得有調溫功能的紡織品[23]。隨后美國Outlast技術公司得到Triangle公司的專利授權，經研究改進后推出含有儲熱調溫微膠囊的纖維和織物。基于Outlast相變纖維，英國瑪莎公司推出溫度可調的男士內衣，改進了舒適性;日本鐘紡公司也開發出可以使服裝內溫度保持在舒適范圍的聚酰胺纖維Thermo Support;香港福田實業集團與美國杜邦公司合作，生產出可調節溫度的針織面料，制成Fountian牌溫控服裝，實現商業化。21世紀初，Shin等[24]采用原位聚合方法制備了含有二十烷的三聚胺甲醛微膠囊，將其添加到聚酯針織物中，開發出一種蓄熱能力和服用性能較強的面料，經過5次實驗洗滌后，織物仍保留40%的熱儲存效果。鄭喜玲等[25]分別選用復合醇和密胺樹脂作為芯材和壁材，采用原位聚合法制得潛熱值較大的微膠囊相變材料。張慧潔[26]以石蠟作為芯材，三聚氰胺-甲醛-脲樹脂作為壁材制備相變微膠囊并整理到織物上，得到具有良好服用性能的調溫織物。

2.3 納米聚乙烯

納米聚乙烯是近幾年新興起的一種可以實現自主調溫的透明材料。文獻[27-29]中提到的降溫運動服只有在出汗的時候才能發揮作用，為此Tong等[30]提出一種適合室內久坐，對紅外輻射透明的被動冷卻織物（ITVOF），通過數值模型模擬表明，ITVOF在紅外波長范圍內具有較高的透光率和較低的反射系數，同時在可見光波長范圍內保持光學不透明。進行對比實驗得出聚乙烯材料是可選用的備用材料，可通過減小纖維或紗線的直徑滿足ITVOF要求。2016年，美國斯坦福大學研究團隊[31]制備了一種具有納米結構的聚乙烯材料，它能強烈地散射可見光，使其對肉眼不透明，同時不會阻擋人體產生的紅外輻射，如圖2所示。通過模擬實驗對比發現納米聚乙烯材料僅使皮膚表面溫度上升0.8 ℃，在保持同樣熱舒適條件下，可以節省更多能源。目前主要應用于帳篷、建筑和車輛的熱管理[32]。

2017年，Yang等[33]將尼龍6纖維整理到有孔納米聚乙烯材料表面，并應用到口罩上具有極強PM吸附能力和透氣性，同時具有優異的輻射冷卻特性。同年Cai等[34]從服用性和美學角度出發，在涂有多巴胺的納米聚乙烯紡織內表面通過化學方法鍍一層納米孔銀，將所得材料的鍍銀層與普通棉布面料外表面壓在一起，如圖3所示，得到性能優越的輻射式加熱紡織品。實驗證明在保暖相同的情況下，該紡織品厚度約是普通棉布厚度的1/10。2018年，Peng等[35]根據聚乙烯和石蠟油有相似的化學性質，使它們在一定溫度下熔融形成高度粘滯的混合溶液，通過工業擠出機不斷擠壓，利用固液分離得到性能優異的納米聚乙烯纖維，實現大規模生產。隨后Liu等[36]對相分離方法獲得納米聚乙烯材料，進行表面化學涂層再與棉網復合，保證織物冷卻性能同時提高織物的親水性、透氣性和機械強度，開發出可穿戴的超高分子量復合材料。

2.4 氣凝膠

2.4.1 用于冷環境中防寒的氣凝膠紡織品

氣凝膠最早由美國科學工作者Kistler制得，由于氣凝膠中80%以上是空氣，具有優越的隔熱性能，除了應用在建筑材料、醫療用品及電子產品等方面，在服裝領域的應用也取得一定成效，尤其極端條件下的隔熱服裝。意大利服裝公司Corpo Nove生產了冬季極端寒冷條件下的氣凝膠夾克[37]。據說在宇航服中添加18 mm厚的氣凝膠層，可幫助宇航員抵御零下130 ℃的超低溫[38]。2002年，阿斯彭氣凝膠公司為NASA開發出柔性纖維氣凝膠，用于太空服內部可提高服裝的隔熱性能[39-40]。隨后該公司與加拿大高爾夫球裝備商21元素公司合作研發出“零夾層”[41]的氣凝膠纖維并制成0.3 cm超薄夾克，發現該服裝的隔熱性能與4 cm厚的羽絨服保暖性相當。2009年，Nuckols等[42]將氣凝膠應用到潛水服上，發現在同一實驗條件下隔熱效果比商用的聚丙烯超細纖維制成的潛水服要高出76%，為潛水員提供優越的熱保護。2014年，Prevolnik等[43]采用一定方法將氣凝膠、透氣膜及針織物壓在一起，得到輕薄柔軟、透氣性好的5層復合材料，適用于睡袋、防護罩和輪椅的座椅套等。氣凝膠也相繼被應用在戶外防寒睡袋和鞋子上[44-45]，有效防止寒氣從鞋底傳入鞋內。因多孔結構使氣凝膠存在強度低、脆性大等缺陷，無法規避粉塵污染及機械強力等問題。

2.4.2 用于高溫環境下隔熱的氣凝膠紡織品

氣凝膠在熱防護服上的應用也在不斷成熟。在同樣的熱防護性能前提下，采用氣凝膠隔熱復合材料可使消防服重量及厚度降低70%以上[46]。任乾乾等[47]實驗驗證了含有SiO2氣凝膠組合面料的綜合防火熱性能高于GA10—2002《消防員滅火防護服》標準，有利于救援工作的開展，保證人身安全。隨后有研究者對氣凝膠進行改性處理，畢海江[38]將改性氣凝膠與增強纖維結合，得到性能優異的氣凝膠復合隔熱材料，更好地應用于隔熱、保溫等相關領域中，為研制新型消防服打下基礎;Shaid等[48]在羊毛-芳綸（65/35）混紡織物中加入SiO2氣凝膠納米顆粒，發現含量越多空氣阻力越大，且將氣凝膠涂在貼近皮膚表面的面料層比涂在外層具有更好的吸濕快干性，更高的水汽傳導率，但沒有對所有類型的織物樣品進行隔熱測試，也沒有解決透氣性問題。2016年，Shaid等[49]進一步在消防員防護服的里襯上同時使用氣凝膠和相變材料，提高防護服的熱防護性和舒適性。同年，Chakraborty等[50]研發出SiO2氣凝膠氈，與普通的非氣凝膠材料相比，氣凝膠氈將皮膚燒傷時間增加了58%，更適用于熱輻射危害的職業裝備上。

3 研究不足與發展趨勢

3.1 研究不足

3.1.1 吸濕發熱材料

盡管研發了多種吸濕發熱材料并廣泛應用在服裝領域，但其調溫性能有限，且多數沒有經過服裝穿著試驗驗證，實際著裝環境下的調溫效果尚不明確，也不能應用于極端溫度條件下。需要通過優化實驗方案進一步明確其調溫效果，從而廣泛地應用到日常生活中，滿足多變環境下人體調溫需求。更重要的是探索應用在服裝上的吸濕發熱纖維在日常生活環境條件下，經過磨損、洗滌、吸汗、排汗后發熱效果是否受到影響？而且吸濕發熱纖維吸收人體汗氣后產生的液體水儲存在服裝中易引起接觸舒適性問題，需要通過材料改性規避這一問題。

3.1.2 相變材料

盡管相變材料在服裝調溫中被廣泛應用，但由于受技術限制，還存在一些亟需解決的問題：a）材料發生相變時，存在液相泄露等問題，未來需要尋找化學穩定性強的封裝材料，加強封裝技術;b）相變材料的溫度調節不可控。研發持續時間長、調溫效果明顯的相變材料是未來的趨勢;c）采用降溫袋形式的防護服需要安裝和更換材料，過程繁瑣，耗費時間;d）有些相變材料由于重量過大而不能應用到日常服裝上，通過深入研究可擴大其應用范圍，如將其應用到床上用品等;e）相變材料隨溫度變化而選擇相變方向，應用在日常生活和特種作業的相變材料調溫范圍及效果大有不同。因此，研究相變材料與環境溫度的對應關系，可以防止相變熱（冷卻）的不足或浪費。

3.1.3 納米聚乙烯材料

納米聚乙烯的廣泛應用將徹底改變調溫紡織品的市場前景。然而這種后起之秀的輻射調溫技術完全應用到紡織領域里，還需做大量研究工作，比如如何改善材料的觸感和穿著舒適性，如何對新材料進行染色固色，探究汗液、洗滌周期、磨損周期以及紫外線輻射等因素是否影響它的性能及使用。因材料的結構特征一定程度上會影響汗液蒸發，納米聚乙烯材料在濕態下能否發揮其優異的熱調節能力是值得關注的問題。當前的研究僅表征了二維面料的調溫性能，未來的研究需要通過大量的人體穿著試驗檢驗材料的具體性能。此外，納米聚乙烯材料的產業化關鍵技術攻關仍是亟待解決的問題。

3.1.4 氣凝膠

盡管氣凝膠作為隔熱材料在服裝領域的應用取得一定成效，但仍然存在一定問題，還需改進的方向包括：a）增強氣凝膠力學性能、抗污能力以及對紅外輻射的阻擋能力;b）未來對氣凝膠防護服的研究和設計應探討如何降低消防員防護服系統的厚度和重量;c）對于在貼近皮膚層加入SiO2氣凝膠顆粒的材料需進一步探討與皮膚接觸的舒適性及洗滌周期與方式對性能的影響;d）氣凝膠氈或涂層材料的掉粉問題仍需改進，如何提高氣凝膠材料的含量和穩定性需要深入研究;e）目前主要集中在氣凝膠材料的熱管理能力，氣凝膠材料的濕管理能力需要進一步研究，以提高材料的熱濕舒適性。

3.2 發展趨勢

綜上所述，調溫材料的總體發展趨勢主要包括：a）系統分類。將以上調溫材料按照溫度調節程度確定使用的環境及服裝類型，使調溫服裝分類鮮明、適用范圍明確、性能發揮更全面;b）加強技術突破。尋找更成熟的技術解決調溫材料在應用中存在的問題，如液相泄漏、氣凝膠的脆性及納米聚乙烯的著色問題;c）多功能一體化。未來的材料除了基礎保溫隔熱還需兼具醫療保健和防護功能，如防輻射、抗靜電、阻燃等;d）綠色環保。確保研發過程對環境友好，可降解，成衣對人體無傷害;e）性能持久。經過多次洗滌、磨損、熨燙，服裝的保暖及防護性能保持穩定不下降;f）統一標準。作為功能領域的新興材料，標準制定的規范化、統一性顯得尤為重要。

4 結 語

從新型調溫材料的應用研究進展可以發現，近幾年調溫材料在服裝領域應用取得了很大的進步，從極端環境下的特種服裝到日常生活的便裝，適應環境變化的調溫服裝不僅能提升特種作業人員的工作效率，也為日常生活、出行提供便利。隨著功能服裝不斷出新，調溫材料的開發為生產多功能型智能服裝提供了新的途徑。本文綜述了應用于服裝領域的4種調溫材料，結合各自的研究難點與技術上存在的問題，分析了它們未來的發展方向。綜上所述，目前一些材料的性能還沒有被完全開發和應用，自身存在的缺陷還需進一步優化處理。部分產品標準的不完善和統一可能會導致后續研究出現分歧。調溫產品的分類尚不明確，實驗室模擬的環境條件單一，不具有實際環境下存在的不確定因素，對調溫材料性能標準的評判需要進行更深入的研究。未來的調溫服裝將發展成為分類明確、標準統一、環保健康及多功能一體的智能產品。

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