服裝用保暖材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

許 超

（新興職業(yè)裝備生產(chǎn)技術研究所，北京 100000）

本課題分析了保暖材料的保暖機制、分類及其發(fā)展方向，將傳統(tǒng)面料與高科技保暖材料相結(jié)合，使現(xiàn)代服裝在滿足人們基礎的著裝審美要求外，還能滿足人們追求自然健康、舒適功能性等心理需求[1]。

1 服裝用保暖材料的保暖機制及分類

織物的保暖機制是指服裝面料、紡織品等保持被包覆者體溫度的性能[2]。當人體處于熱平衡時，感覺舒適的溫度是33.4 ℃左右，超過37.9 ℃，人體將有冷暖感[3]。

人體熱量散失的主要方式有熱傳導、熱對流和熱輻射等。想要持續(xù)保暖，應注意幾點：首先，選用熱傳導系數(shù)小的保暖材料；其次，有效控制并減少空氣流動產(chǎn)生的熱量消耗；最后，選用對紅外線等電磁波有較好遮蔽效果的材料[4]。

按照纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)，保溫面料可分為中空纖維、超細纖維和太空織物纖維。

趙俐等[5]研究了Sunlite中空滌綸纖維不同的針織結(jié)構(gòu)對保溫性能的影響。起絨處理后的整理工藝在增加織物厚度的同時，使織物攜帶了更多的靜止空氣，從而增強了織物的保暖性能。Aero Breath纖維材料是由中空結(jié)構(gòu)錦綸短纖維與以棉為主的天然纖維混紡而成的復合功能面料，該面料具有輕薄舒適、保溫速干的特點[6-7]。

服裝面料所含的空氣體積越大，經(jīng)傳導損失的熱量就越少，保暖效果也越好。但空氣對輻射熱的阻擋作用不佳，限制熱輻射的工作需由纖維完成。因此，保暖材料中的纖維體積必須超過一個固定值才能有效減小輻射熱損失。保暖材料的另一必要條件是減少其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的空氣流動，特殊纖維的表面積較大，其表面摩擦力可以較好地阻礙空氣流動。顯然，減少傳導熱損失與減少輻射、對流熱損失之間所滿足的條件是相悖的，應根據(jù)不同保溫材料的特性，以優(yōu)勢互補的方式研究創(chuàng)新型保溫面料。

2 創(chuàng)新型保暖面料的開發(fā)途徑

創(chuàng)新型保暖面料的開發(fā)途徑主要有吸濕發(fā)熱、太陽能轉(zhuǎn)化成熱能、電能轉(zhuǎn)化成熱能、相變材料化學能轉(zhuǎn)化成熱能。

2.1 吸濕發(fā)熱

液體水分蒸發(fā)時需要的氣化熱會大幅降低體溫，相反，氣體變?yōu)橐后w時也會產(chǎn)生凝集熱。吸濕發(fā)熱性纖維正是利用了水的這種變化，將人體汗氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時產(chǎn)生的熱量用于保暖。

通過對纖維進行高親水化處理，可以提高纖維的吸濕發(fā)熱性能，即織物纖維分子鏈引入氨基或羧基等親水基團，同時，進行交聯(lián)處理后的織物纖維具有較強的吸濕性能。這類纖維主要有羊毛和莫代爾纖維、腈綸和滌綸。相比而言，前者的吸濕發(fā)熱效果較強，后者的吸濕發(fā)熱效果較差。

日本在這類發(fā)熱材料的研究與開發(fā)中處于領先地位，如日本東洋紡公司于20世紀末推出了EKS纖維。這種纖維的吸濕能力約為棉的3.5倍，發(fā)熱量是羊毛的2倍，具有調(diào)溫和調(diào)濕的功能，兼具調(diào)節(jié)pH平衡、抗菌、抗起球等優(yōu)點[8]。倉敷紡績公司的Lunafa是利用羊毛吸收濕氣后產(chǎn)生吸附熱來達到保暖效果的，用90%的棉包裹10%的防縮羊毛的雙層構(gòu)造紗[9]。Softwarm發(fā)熱纖維針織面料結(jié)合特殊人造木匠纖維和東麗公司的超細旦抗起球腈綸，具有吸濕、發(fā)熱、保暖、觸感柔軟等特點，被大量用于制作貼身內(nèi)衣和毛衣[10-11]。德絨纖維（Dralon）是德國研發(fā)推出的一種超細異型腈綸纖維。該纖維具有獨特的腈綸干紡超細異型截面和水分芯吸功能?？椢锊坏彳浐团钏?，而且能迅速將人體的濕氣排出并冷凝散熱，實現(xiàn)吸濕發(fā)熱保暖的功能[12-13]。Thermolite織物及其混紡或混編織物保暖性好、輕薄，透濕性也明顯優(yōu)于其他與棉或麗賽纖維混編的織物。英威達（Nvista）公司的中空滌綸Thermolite，其橫截面是特殊設計的四孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)貯存隔離的空氣可阻擋外界冷空氣[14]。

2.2 太陽能轉(zhuǎn)化成熱能

太陽能發(fā)熱服裝可分為兩種：一種是太陽能電池蓄電和電熱服的結(jié)合，稱為太陽能蓄電電熱服；另一種由太陽光蓄熱保溫材料制作，稱為太陽能蓄熱服。

太陽能蓄熱服的服裝面料可在太陽光下發(fā)熱。這類陽光蓄熱調(diào)溫纖維是指添加第Ⅳ族過渡金屬碳化物制成的纖維，工作原理為：第Ⅳ族過渡金屬元素的碳化物對波長小于2 μm的近紅外光能量有較好的吸收能力。當受到陽光照射時，該碳化物能吸收大于0.6 eV的輻射并將其轉(zhuǎn)換成熱能，而小于0.6 eV的輻射則被反射[15]。常用方法是在紗線的芯部加入碳化鋯微粒，將遠紅外線吸收物質(zhì)均勻地滲透到纖維的分子構(gòu)造上，或者加入放射遠紅外線陶瓷成分的滌綸與棉混紡，將光能轉(zhuǎn)換為熱能的同時，吸收人體發(fā)出的遠紅外線，達到蓄熱保溫的效果。研究表明，當陽光照射時，碳化鋯微粒能將0.6 V以上的陽光電磁波輻射線中的高能輻射線吸收并轉(zhuǎn)化成熱能。

Thermostat保溫產(chǎn)品主要由杜邦公司用聚酯纖維設計，主要應用于滑雪衫、帳篷燈等相關產(chǎn)品的制作。運用Teflon與薄膜黏合，美國戈爾公司研發(fā)的Gore-tex和Wind-stop系列產(chǎn)品在眾多創(chuàng)新材料中脫穎而出。運用TPU材料與針織或梭織布黏合，該類產(chǎn)品運用PU樹脂進行面料涂層加工[16]。20世紀90年代末，三菱人造絲公司將氧化錫與氧化銻的復合物微粉添加在腈綸紡絲原液中，開發(fā)出近紅外線吸收纖維Thermocatch，在陰天也能夠顯著提高內(nèi)部溫度達2～10 ℃[17]。

尤尼吉卡公司將陽光蓄熱保溫纖維碳化鋯芯（Solar.Ot）加工成服裝，在陽光照射下，服裝內(nèi)部溫度較普通服裝高2～8 ℃，陰天保溫功能有所下降，溫度僅比普通服裝高0～2 ℃。但由于氧化鋯能夠完全融入每根纖維，因此面料耐洗性好，保暖效果較持久。該纖維主要用于滑雪服及針織產(chǎn)品的內(nèi)里制作[18]。

2.3 電能轉(zhuǎn)化成熱能

人體自身的產(chǎn)熱量是有限的，當外界溫度下降到一定程度后，自身帶熱源的產(chǎn)熱服優(yōu)勢明顯。電熱服是國內(nèi)外研制較多的一種服裝類型，它是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的保暖服。

20 世紀40年代，Maricket開發(fā)了一款電加熱服裝。Ozan Kayacan等于2009年開發(fā)了一款帶有溫控制系統(tǒng)的電加熱服。該服裝將導電紗線織入針織物中，制成的加熱織物連同電路系統(tǒng)被安裝在服裝中。

美國Malden Mills公司開發(fā)的智能加熱服，在加熱保暖功能的基礎上，還疊加有數(shù)據(jù)傳輸和通信功能。The North Face公司研發(fā)的智能服裝可以實現(xiàn)智能控溫、檢測人體心律和體溫[18]。

2.4 相變材料

相變材料是一種在特定溫度范圍內(nèi)，通過可逆相變從環(huán)境中吸收或釋放熱量的物質(zhì)。將相變材料嵌入織物，使紡織品具有智能調(diào)溫性能。當外界環(huán)境溫度升高時，相變材料吸熱熔融，儲存熱量；當外界溫度下降時，相變材料放熱冷凝，釋放熱量，相變材料發(fā)生固-液可逆變化而吸收、放出熱量的特性使紡織品內(nèi)部的溫度保持相對穩(wěn)定。

目前，相變發(fā)熱保暖紡織材料的開發(fā)主要是在中空纖維中填入相變材料，或利用微膠囊等技術將相變材料包裹其中，來達到蓄熱調(diào)溫的目的。

1987 ——1997 年間，美國研究的相變材料微膠囊纖維材料可以減薄傳統(tǒng)面料并大幅提升其保暖效果。應用于手套襯的創(chuàng)新材料經(jīng)過不斷研發(fā)，可供宇航員在零下60 ℃時手握銅棒10 min而保持溫暖。隨后研發(fā)的創(chuàng)新微膠囊纖維材料潛水服可以使?jié)撍畣T保持身體溫暖3 h，保溫時長是普通潛水服的3倍。

由美國Outlast公司生產(chǎn)的奧特佳（熱敏材料-碳氫化蠟）登月空調(diào)纖維，就是利用相變材料微膠囊技術開發(fā)的新型纖維。日本小松精練公司推出的Air Technio也是一種溫度調(diào)節(jié)材料，它覆蓋一層含溫度調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)粉末薄膜，通過重復吸熱、儲熱和放熱來適應外部環(huán)境的溫度變化。鍾紡合纖公司的Thermo Support利用特殊高分子聚合物在寒冷地方凝固、產(chǎn)生凝固熱，而在炎熱地方融解、吸收熱量，是一種能夠調(diào)節(jié)溫度的尼龍材料[18]。

2.5 化學能轉(zhuǎn)化成熱能

化學能轉(zhuǎn)化成熱能的原理是物質(zhì)的化學反應放熱，常用的方法是將鐵粉混入聚合物中紡絲，通過鐵粉在空氣中氧化放熱而達到保暖的目的，但是鐵粉氧化不可逆，其過程無法持久進行。

冬季市場上流行的暖貼便是利用這個原理制成的。目前，化學發(fā)熱材料在保暖鞋、取暖袋以及家紡產(chǎn)品開發(fā)中均有應用。

3 發(fā)展趨勢

創(chuàng)新型保暖面料致力于平衡減少傳導熱損失與減少輻射、對流熱損失之間所滿足的條件。將傳統(tǒng)面料與高科技保暖材料相結(jié)合，根據(jù)不同保溫材料的特性，以優(yōu)勢互補的方式，研究創(chuàng)新型保溫面料是科研工作者努力的方向。未來的保暖面料將更加環(huán)保舒適，兼具功能性和智能性，以滿足不同使用環(huán)境的要求。