相變材料調(diào)溫服裝調(diào)溫性能研究進(jìn)展

賀潤音 吳雨曦 王朝暉 張關(guān)涵 褚奧軒

東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院(中國)

相變材料(PCM，Phase Change Material)是一種對(duì)外界冷暖刺激做出雙向溫度調(diào)節(jié)的新型材料，其技術(shù)核心是將微膠囊包裹的改性材料涂覆于織物表面或植入織物的纖維內(nèi)，在固液態(tài)相互轉(zhuǎn)化中吸收或儲(chǔ)存能量以調(diào)節(jié)外界溫度。相變材料能極大地改善傳統(tǒng)服裝的舒適性和人類對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性。Outlast纖維是美國率先開發(fā)的一種技術(shù)較為成熟的相變調(diào)溫纖維。目前Outlast調(diào)溫纖維占全球市場(chǎng)份額80%以上。日本小松精練公司在聚酯纖維等合成纖維表面鍍上具有調(diào)節(jié)溫度功能的特殊蛋白微粒子超薄膜，獲得具有保持服裝內(nèi)舒適溫度功能的Air-Techno纖維材料[1]。目前，日本市場(chǎng)已推出較成熟的相變調(diào)溫襯衫、西服及保暖內(nèi)衣等產(chǎn)品。Nike、ReeBook、Polo等40余家國際知名體育運(yùn)動(dòng)用品公司在開發(fā)新產(chǎn)品過程中也使用了PCM。在中國，絲維爾智能調(diào)溫纖維和上海三十六棉紡針織廠研制的SL 調(diào)溫纖維已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化研究及市場(chǎng)推廣階段。中國福建浩沙實(shí)業(yè)有限公司已開發(fā)出舒適型溫控瑜伽服[2]。

盡管PCM調(diào)溫紗線及織物已投向市場(chǎng)，但目前相關(guān)研究多集中于PCM調(diào)溫纖維的前端開發(fā)，主要研究纖維制作工藝、材料配比、特殊防護(hù)等，鮮有從成衣角度考慮其調(diào)溫性能的具體實(shí)效。本文對(duì)PCM調(diào)溫服裝的工藝參數(shù)、溫度調(diào)節(jié)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)、相關(guān)測(cè)試方法及影響因素等內(nèi)容進(jìn)行探討，并對(duì)PCM服裝的實(shí)效性做初步評(píng)價(jià)，以期為開發(fā)PCM調(diào)溫服裝提供相關(guān)參考。

1 不同類型PCM調(diào)溫服裝

1.1 PCM織造服裝

PCM織造服裝，即將調(diào)溫紗線和彈性紗線或天然纖維混合紡織成織物，再用其制作成的調(diào)溫服裝。PCM織造服裝已走向市場(chǎng)，常見產(chǎn)品包括內(nèi)衣、襯衫、女裝、睡衣、工作服和運(yùn)動(dòng)服裝。Outlast公司目前開發(fā)的Outlast?丙烯酸纖維、Outlast?黏膠纖維及Outlast?聚酯纖維是調(diào)溫織造服裝的主流纖維材料。在PCM織物制造工藝上，相關(guān)學(xué)者不斷探究織物組織結(jié)構(gòu)以提升服裝的調(diào)溫能力。CHERIF等[3]利用熔融紡絲機(jī)，成功地將相變材料用于紡織纖維中，在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可重復(fù)的雙組分熔融紡絲工藝；研究發(fā)現(xiàn)，PCM對(duì)熔融紡絲過程的溫度和停留時(shí)間非常敏感，PCM的最佳工藝溫度為210 ℃。TYURIN等[4]采用后期注射法將質(zhì)量為纖維總質(zhì)量5%～10%的相變微膠囊材料注射裝入纖維中，使微膠囊完全被鎖定在纖維中，不影響纖維的紡絲、針織及染色等后續(xù)加工。

實(shí)際調(diào)溫紗線加工過程中通常將調(diào)溫纖維與其他纖維混紡，若二者質(zhì)量比不合適，會(huì)導(dǎo)致調(diào)溫紗線的調(diào)溫功能下降。只有選擇合適的調(diào)溫纖維與其他纖維的質(zhì)量配比，調(diào)整織物組織結(jié)構(gòu)，才能提高紗線的調(diào)溫性能，進(jìn)而改善服裝的調(diào)溫實(shí)效。BARTKOWIAK等[5]設(shè)計(jì)制作了3種PCM針織物及其內(nèi)衣，并測(cè)試了這3種針織內(nèi)衣的熱濕舒適性。3種PCM針織物及其內(nèi)衣如圖2所示。與傳統(tǒng)棉針織內(nèi)衣相比，PCM大膠囊背心與PCM細(xì)紗長袖內(nèi)衣能降低內(nèi)衣的小氣候2～4 ℃，并保持衣內(nèi)相對(duì)舒適微氣候環(huán)境約50 min，使服裝調(diào)溫能力大大增強(qiáng)。PCM膠囊化的目的是防止相變過程中PCM的遷移，確保其可被再利用。

圖1 后期注射法注入PCM的纖維照片

微膠囊化PCM的優(yōu)點(diǎn)：增加熱交換面積和熱導(dǎo)率；減少主要聚合物的反應(yīng)性，并為相變材料提供保護(hù)，使其免受環(huán)境影響和其他活性成分的不良作用；保持織物表面的初始狀態(tài)；促進(jìn)液態(tài)與固態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。根據(jù)膠囊的大小，有3種不同的摻入方式：納米膠囊化(膠囊尺寸<1 μm)，微膠囊化(膠囊尺寸為2～900 μm)，大膠囊化(膠囊尺寸>1 000 μm)。研究表明1～10 μm的微膠囊最適合覆蓋于織物表面。

圖2 不同PCM紗線織物及其針織成衣

1.2 PCM涂層服裝

將PCM微膠囊和助劑混合，配成整理液，采用涂覆或浸軋工藝，將PCM微膠囊整理在織物上，制得具有蓄熱調(diào)溫功能的織物[6]，使用該織物制作的服裝為PCM涂層服裝。采用涂覆工藝所得涂層織物表面粗糙，不能直接與皮膚接觸，且存在織物上的涂層在被反復(fù)使用及洗滌中易破損等缺點(diǎn)。Outlast公司采用涂覆工藝得到的普通涂層布與采用浸軋整理工藝得到的基質(zhì)浸漬涂層布如圖3所示，后者比前者更輕薄，手感更好，在提高蓄熱和放熱反應(yīng)的靈敏性方面有較大改善，并可貼身穿著。

圖3 Outlast公司PCM調(diào)溫織物

PCM涂層織物多用于鞋襪、家紡、特殊防護(hù)服上。FONSECA等[7]研究了消防服裝用PCM涂層織物的熱防護(hù)性能，獲得PCM防護(hù)的最佳質(zhì)量參數(shù)，以最大限度地減少消防員工作中所承擔(dān)的熱負(fù)荷。SHEMSHADI等[8]將PCM微膠囊、石墨烯混合，以PCM微膠囊為動(dòng)態(tài)改性劑，石墨烯為靜態(tài)改性劑，制備PCM石墨烯復(fù)合聚丙烯酰胺織物，其熱性能測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合聚丙烯酰胺織物的熱導(dǎo)率比純聚丙烯酰胺涂層織物提高2.0～2.5倍，還原氧化石墨烯在一定程度上改善了相變材料微膠囊的吸熱性能。與PCM織造成型相比，PCM涂層能在很大程度上改善服裝的調(diào)溫性能，增強(qiáng)穿著調(diào)溫服裝的實(shí)效性。

1.3 PCM材料包服裝

將PCM材料包嵌入服裝，成衣制作簡便，但該類服裝耐用性不佳，透氣性較差，柔軟度低且形態(tài)不易于改變，并且只能針對(duì)人體特定部位進(jìn)行相變調(diào)溫。服裝的調(diào)溫效果與PCM材料包的面密度、融點(diǎn)等參數(shù)密切相關(guān)。由于此類服裝能最大限度地增加PCM含量，調(diào)溫性能常優(yōu)于PCM織物及PCM涂層服裝。多數(shù)PCM試驗(yàn)研究表明[9-10]，對(duì)于有效緩解人體熱應(yīng)變，使用PCM材料包是提高冷卻效果和冷卻持續(xù)時(shí)間的有效方法。因此制備家用調(diào)溫紡織品及特殊調(diào)溫防護(hù)服，常應(yīng)用PCM材料嵌入包。圖4所示為外科醫(yī)生手術(shù)室相變冷卻背心。其在人體前胸、后背、腰圍等易出汗部位覆蓋PCM材料包，大體積下的PCM材料包極易發(fā)揮吸熱相變功效，可使人體皮膚表面溫度保持舒適狀態(tài)。

圖4 相變冷卻背心

2 PCM織物的溫度調(diào)節(jié)能力及測(cè)試方法

2.1 熱力學(xué)測(cè)試

基于熱力學(xué)原理及物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)，采用熱力學(xué)測(cè)試方法評(píng)價(jià)PCM纖維或織物調(diào)溫性能，一般需要借助溫度控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及記錄系統(tǒng)。針對(duì)不同調(diào)溫材料及試驗(yàn)環(huán)境，PCM調(diào)溫性能研究的熱力學(xué)測(cè)試方法各不相同，其測(cè)試指標(biāo)、適用對(duì)象及測(cè)量儀器如表1所示。

2.2 暖體假人測(cè)試

利用暖體假人可整體測(cè)試PCM調(diào)溫服裝的熱阻、濕阻，或根據(jù) ASTM F 273l-16Standardtestmethodformeasuringtheheatremovalrateofpersonalcoolingsystemsusingasweatingheatedmanikin測(cè)量調(diào)溫服的散熱率以評(píng)價(jià)其升降溫效應(yīng)。GAO等[17]的研究結(jié)果表明，PCM的融化溫度與暖體假人表面的溫度梯度越大，暖體假人軀干散熱率越高。暖體假人測(cè)試中測(cè)試環(huán)境溫度可調(diào)，尤其適用于具有防護(hù)功能的調(diào)溫服裝的評(píng)價(jià)。

2.3 真人試穿評(píng)價(jià)測(cè)試

真人著裝評(píng)價(jià)作為服裝熱調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)的最后一級(jí)，可通過模擬動(dòng)態(tài)或靜態(tài)著裝，測(cè)量人體產(chǎn)生的熱量、體溫、出汗量、服裝相對(duì)濕度等參數(shù)，獲得熱舒適性、熱敏感性和濕感等主觀感受，從而評(píng)價(jià)PCM調(diào)溫服裝的應(yīng)激性和舒適性。例如SAFAVI等[18]研究了不同熔點(diǎn)下PCM防護(hù)服系統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)性能，測(cè)試受試者在行走、靜止?fàn)顟B(tài)下的皮膚溫度、熱舒適性。結(jié)果表明在行走和休息過程中，PCM防護(hù)服的散熱調(diào)節(jié)效果顯著。綜合以上，真人試穿與暖體假人測(cè)試方法都適用于PCM調(diào)溫服裝的評(píng)價(jià)。

表1 PCM調(diào)溫性能研究的熱力學(xué)測(cè)試方法

3 PCM調(diào)溫服裝調(diào)溫性能影響因素

3.1 PCM相變焓與PCM含量

相變焓值指單位質(zhì)量的相變材料在相變過程中吸收或釋放的熱量[19]。固液相變的焓差越大，則每單位質(zhì)量可以儲(chǔ)存或釋放的能量越多，從而提供越長時(shí)間的冷卻和升溫效果。但是PCM的調(diào)溫性能不僅取決于相變過程中的相變焓。多數(shù)研究表明[20-22]，PCM的含量對(duì)相變儲(chǔ)存的潛熱、調(diào)溫速度和持續(xù)時(shí)間有顯著影響。為給人體提供一定的溫度調(diào)節(jié)能力，PCM質(zhì)量通常需占服裝質(zhì)量的20%以上。

表2[23]所示為服裝中PCM在人體不同活動(dòng)強(qiáng)度下的調(diào)溫時(shí)效。假設(shè)一套服裝質(zhì)量為800 g，織物中PCM含量為160 g，PCM的相變焓為200 J/g，則調(diào)溫服裝的總調(diào)溫能量為32 kJ。人體在休息時(shí)的代謝率約為115 J/s，假設(shè)人體的皮膚溫度恒定，且PCM調(diào)溫服裝在人體休息時(shí)能產(chǎn)生30%的冷卻率，即34.5 J/s的功耗，則PCM在服裝中的冷卻效果可持續(xù)約15.5 min。但如果人體的代謝率增加，則PCM的冷卻效果持續(xù)時(shí)間減少，如表2所示。據(jù)此推斷，相變材料的冷暖持續(xù)響應(yīng)有限，從人體活動(dòng)需求來看，目前調(diào)溫服裝產(chǎn)品的調(diào)溫時(shí)效并不理想。學(xué)界嘗試通過微膠囊化、分子熒光技術(shù)、涂層或?qū)訅杭夹g(shù)，將足夠質(zhì)量的PCM糅合在服裝中以提高調(diào)溫產(chǎn)品的時(shí)效性。

表2 服裝中PCM在人體不同活動(dòng)強(qiáng)度下的調(diào)溫時(shí)效

3.2 PCM相變點(diǎn)

除了PCM的含量和相變焓，PCM的熱性能還取決于相變點(diǎn)，即熔化/結(jié)晶溫度。CHOI等[24]發(fā)現(xiàn)PCM服裝和普通服裝之間的服裝微氣候溫度差異在溫度下降約35 min時(shí)才開始顯現(xiàn)。這是因?yàn)镻CM材料的相變需要一個(gè)過程，只有相變完成后，服裝溫度才會(huì)上升或下降，而相變點(diǎn)的高低將影響其調(diào)溫速率。因此，根據(jù)相變溫度和應(yīng)用環(huán)境選擇適合熔點(diǎn)或結(jié)晶溫度的PCM材料非常重要。GAO等[25]研究了不同熔化溫度的PCM，測(cè)試得PCM調(diào)溫背心的冷卻速率與PCM熔化溫度和暖體假人溫度之間的溫度梯度呈正相關(guān)。

一般而言，結(jié)晶溫度為31～43 ℃的有機(jī)碳?xì)浠衔顲nH2n+2(n=20～22)比較適合產(chǎn)生加熱效果；CnH2n+2(n=14～19)的熔化溫度為5～33 ℃，更適于產(chǎn)生冷卻效果[26]。在服裝應(yīng)用中，SARIER等[27]指出，熔化溫度為18～35 ℃的PCM適用于改善服裝的熱舒適性。

3.3 PCM與人體微氣候系統(tǒng)

人體微氣候是一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，人體與外界、服裝的濕熱能量交換必將影響PCM的實(shí)際功效。LIU等[28]采用改進(jìn)的Stolwijk模型模擬人體溫度調(diào)節(jié)過程，在服裝模型中考慮了包括纖維吸濕、脫濕在內(nèi)的熱濕耦合傳遞和相變溫度范圍對(duì)相變過程的影響，討論了人體熱響應(yīng)與服裝熱濕傳遞之間的相互作用，并比較了纖維吸濕性對(duì)服裝和人體熱反應(yīng)的影響。其結(jié)果表明，與無PCM微膠囊的服裝相比，帶有PCM微膠囊的服裝可有效延長溫度變化的時(shí)間，降低皮膚表面上的汗水堆積速率和在環(huán)境改變時(shí)的熱損失，但纖維吸濕性降低了PCM微膠囊的作用。ITANI等[29]建立了PCM織物生理熱模型，確定了8個(gè)PCM區(qū)域的最佳分布。對(duì)冷卻更敏感的身體區(qū)域，如人體的腹部、背部，可適當(dāng)增加PCM用量。通過合理的PCM分布可提高人體舒適性。

3.4 PCM與人體的軀干配置

由于人體各個(gè)部位的血管收縮和血管擴(kuò)張能力不同，在PCM服裝中的微膠囊顆粒與人體進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱交換的過程中，不同人體部位的皮膚溫度與PCM熔化或結(jié)晶溫度之間的溫度梯度、PCM覆蓋的人體面積等都會(huì)影響實(shí)際調(diào)溫效率。

在實(shí)際穿著PCM服裝的軀干配置測(cè)試中，近年來學(xué)者們做了進(jìn)一步研究。HAN等[30]對(duì)受試者服裝表面的8個(gè)部位(左胸、右胸、左腹、右腹、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂)的溫度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，與普通織物服裝相比，PCM服裝的保溫系數(shù)從1.05%提高到32.20%。HAN等建議在低產(chǎn)熱部位使用PCM微膠囊負(fù)載量大的織物，以避免寒冷地區(qū)對(duì)四肢等產(chǎn)熱率較低的部位造成低溫?fù)p傷。馬箖珺[31]采用局部皮膚貼絮片方式，模擬受試者冷感狀態(tài)下身體局部位置上相變材料的保溫性能，得到相變材料對(duì)局部皮膚及整體舒適性的影響。晏葉[16]52研究發(fā)現(xiàn)穿著PCM防護(hù)服時(shí)，不同部位的平衡熱流密度差異顯著，由大到小排序依次為胸部、腹部、肩胛、后腰。YE等[32]為研究服裝中PCM對(duì)人體體溫反應(yīng)的影響，建立了PCM在服裝中的熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，與不含PCM的服裝相比，加PCM的服裝可顯著減少溫差約2 ℃，服裝有無PCM對(duì)人體溫度調(diào)節(jié)預(yù)測(cè)模擬結(jié)果如圖5所示，該試驗(yàn)在溫度為43 ℃、相對(duì)濕度80%的條件下進(jìn)行。此外，與四肢相比，人體軀干部位的PCM調(diào)節(jié)作用更顯著。

圖5 服裝及人體皮膚溫度變化

不同位置的PCM配置試驗(yàn)結(jié)果表明，由于人體各部位的產(chǎn)熱率不同，其出汗量、熱量傳輸影響PCM的調(diào)溫效果。因此改變服裝中PCM的含量與分布，可在一定程度上調(diào)節(jié)人體的熱應(yīng)力，并改善服裝穿著的舒適性。

3.5 PCM聯(lián)合其他調(diào)溫手段

由于單一水平的PCM調(diào)溫效果并不顯著，在特殊防護(hù)領(lǐng)域，PCM調(diào)溫服常通過聯(lián)合其他調(diào)溫措施提升服裝整體的調(diào)溫性能。UDAYRAJ等[33]研究了4種降溫系統(tǒng)的性能，分別為PCM、PCM加絕緣材料(PCM+INS)、PCM加通風(fēng)機(jī)(PCM+HYB)、PCM加通風(fēng)機(jī)和絕緣材料(PCM+HYB+INS)。人體試驗(yàn)在溫度為36 ℃，相對(duì)濕度為59%條件下進(jìn)行。結(jié)果表明，PCM+HYB+INS降溫服可顯著降低皮膚/軀干溫度升高幅度。推薦在高溫條件下進(jìn)行適度體力活動(dòng)的職業(yè)工人使用PCM+HYB+INS的混合式降溫服，因?yàn)樗裳娱LPCM冷卻的時(shí)間，從而降低身體的溫度熱應(yīng)變上升速率，為穿著者的身體提供一個(gè)相對(duì)涼爽的小氣候。MCFARLIN等[34]利用PCM/ACC(活性碳酸鈣)多級(jí)相變材料創(chuàng)建了一種具有多級(jí)冷卻效果的T恤衫。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有PCM/ACC的T恤衫可提高8%的運(yùn)動(dòng)能力，尤其是對(duì)于提高中高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)具有較大影響，其研究成果對(duì)生理散熱系統(tǒng)衰退的老年運(yùn)動(dòng)人群的運(yùn)動(dòng)服裝具有一定的應(yīng)用價(jià)值。LU等[35]開發(fā)了一種通風(fēng)機(jī)和相變材料協(xié)同工作的新型混合動(dòng)力冷卻服，如圖6所示。結(jié)果表明，在干熱條件下，PCM調(diào)溫服裝提供了19～39 min的冷卻效率；在熱濕條件下，PCM調(diào)溫服裝提供了54～78 min的冷卻效率。此外，在PCM調(diào)溫服聯(lián)合其他調(diào)溫系統(tǒng)下，通風(fēng)風(fēng)扇大幅提高了熱量的蒸發(fā)，在熱濕和熱干的環(huán)境條件下都能提供連續(xù)3 h的冷卻效果。ITANI等[36]進(jìn)一步對(duì)該混合動(dòng)力系統(tǒng)下的熱損失、軀干溫度和熱舒適性進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)，針對(duì)高濕環(huán)境，推薦使用PCM干燥劑，可用于減輕高溫高濕作業(yè)環(huán)境中工作人員的濕熱應(yīng)激影響。

圖6 新型混合動(dòng)力冷卻服示意

4 結(jié)語

服裝中的相變材料在人體活動(dòng)時(shí)可為人體提供一個(gè)暫時(shí)的熱或冷緩沖期，而溫度調(diào)節(jié)能力是其實(shí)效性的重要表征。目前PCM調(diào)溫服裝的開發(fā)主要通過紡紗織造、織物整理或嵌入材料包3種方式獲得，針對(duì)不同工藝方式獲得的PCM調(diào)溫服裝，其溫度調(diào)節(jié)能力的測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)各不相同。考慮到人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)作為一個(gè)整體，改變PCM的相變焓、含量、相變點(diǎn)等內(nèi)在條件，以及PCM在服裝中的放置部位，或聯(lián)合其他調(diào)溫手段，都可影響或改善最終調(diào)溫材料的冷卻/加熱速率、調(diào)溫效率和持續(xù)時(shí)間。從目前的研究成果看，調(diào)溫服裝產(chǎn)品的調(diào)溫時(shí)效并不理想。為此，在制備PCM調(diào)溫服裝產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)充分考慮到調(diào)溫性能的各類影響因素，選擇適當(dāng)?shù)腜CM原材料，并進(jìn)行軀干位置合理配置，或聯(lián)合其他調(diào)溫方法，更大限度地發(fā)揮調(diào)溫材料的功能，以達(dá)到PCM冷卻和升溫的預(yù)期效果。