防寒服用智能材料的研究進展

魏言格　李俊　蘇云

摘要：近年來，對外界刺激具有感知或反應(yīng)能力的智能材料逐漸進入人們的視野，本文對可用于提高防寒服保暖隔熱性能的智能材料進行了分類概述。首先根據(jù)提高防寒服保暖隔熱性能的作用方式將防寒服用智能材料分為蓄熱材料、電加熱材料、形狀記憶材料三大類，并從隔熱保暖、防水透濕、人體安全舒適等角度分析各類智能材料在防寒服中應(yīng)用的可行性與不足，之后對防寒服的智能化發(fā)展存在的問題做了總結(jié)，指出在未來的研究中應(yīng)解決防寒服用智能材料的使用安全性、效能持久性等問題，為智能材料和智能防寒服的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：智能材料;防寒服;保暖隔熱;防水透濕

中圖分類號：TS941.73

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）01-0054-08

Abstract：Inrecentyears，smartmaterialswiththeabilitytosenseorreacttoexternalstimuligraduallyemerged.Thisstudyintendstosummarizetheclassificationofsmartmaterialsforenhancingheatpreservationandinsulationofcoldweatherclothing.Firstly，smartmaterialsareclassifiedintothreetypesbytheactionmodeofheatpreservationandinsulation，namelythermalstoragematerial，electricheatingmaterial，andshapememorymaterial.Thefeasibilityandshortcomingsoftheapplicationofvarioustypesofsmartmaterialincoldweatherclothingareanalyzedfromtheperspectivesofthermalinsulation，waterproofandmoisturepermeabilityandsafetyandcomfortofhuman.Itispointedoutthattheproblemsofsmartmaterialsforcoldweatherclothingthatshouldberesolvedinfutureresearchincludeusesafetyandperformancepersistence，soastoprovidereferencefortheresearchofsmartmaterialsandsmartcoldweatherclothing.

Keywords：smartmaterial;coldweatherclothing;thermalinsulation;waterproofandmoisturepermeability

作者簡介：魏言格（1996-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性與功能方面的研究。

防寒服是指在10℃以下的寒冷環(huán)境中可維持人體正常生理指標的服裝[1]。如沖鋒衣、滑雪服、登山服和冷庫的工作服等。防寒服可有效減緩人體熱量損失，維持人體代謝產(chǎn)熱平衡，從而對人體起到冷防護的作用。防寒服一般是由具有一種或幾種的防護性能（防水、防風、耐磨、抗撕裂等）的外層、具有保暖填料的中間層、柔軟的內(nèi)層三層縫合而成的服裝[2]。

防寒服的保暖隔熱性能往往是人們選擇防寒服的首要關(guān)注點[3]。如果長時間暴露在冷環(huán)境下，人體的體溫會降低，甚至遭受皮膚凍傷、組織壞死等冷傷害[4]，因此要求服裝需有足夠的隔熱能力來阻隔人體熱量的散失，維持人體核心溫度，以免因體溫過低造成人體機能紊亂，遭受冷傷害。服裝的隔熱能力與服裝材料的基本性能（材料厚度、導熱系數(shù)、組織結(jié)構(gòu)等）和服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的手段有關(guān)[5]。此外，提升防寒服的防風、防水性能也可以提升隔熱性能。在風冷環(huán)境下，防寒服需要有效阻隔寒風滲透到服裝系統(tǒng)內(nèi)，減少對流熱損失[6]?；┓?、登山服、極地服裝、冷庫工作服等防寒服還需具有防水的能力。防水是指織物可以在一定水壓下防止水分（雨水、雪水等）浸入服裝系統(tǒng)中，維持人體的熱濕舒適的能力。水的比熱容和導熱系數(shù)比普通織物的大，外界雨、雪、水分滲入服裝內(nèi)部，會削弱服裝系統(tǒng)的隔熱性能及穿著舒適度[7]。

防寒服還需具有一定的散熱能力，人體不斷代謝產(chǎn)熱，熱量如果不能散失會使得人體不舒適。過度的防水、防風設(shè)計會導致服裝隔熱過度，散熱能力減弱。服裝的散熱性能可通過提高服裝的透濕性能，增加服裝的通風設(shè)計等手段得到改善。透濕要求人體蒸發(fā)散熱產(chǎn)生的潛汗、人體運動產(chǎn)生的顯汗及時傳遞到外界環(huán)境，否則，會形成人體熱負荷。此外汗液在服裝內(nèi)堆積冷凝會對人體造成冷傷害，因此要提高防寒服的透濕性能[8]。

以往學者通過減小防寒服材料的導熱系數(shù)、增大防寒服系統(tǒng)的厚度和靜止空氣含量，來提高防寒服系統(tǒng)的總熱阻，改善保暖隔熱性能[9-11]。傳統(tǒng)的服裝材料所能達到的保暖效果有限，且只能被動的保溫，無法主動產(chǎn)熱。目前學者正在研發(fā)不同種類的智能材料并用于優(yōu)化防寒服的防護性能。智能材料能夠感知外部環(huán)境的物理（光、熱、電等）、化學刺激，并通過反饋機制對其做出主動的反應(yīng)[12]?？蓱?yīng)用于防寒服的智能材料大致上可以分為智能紡織材料和柔性電子元件兩大類。其中智能紡織材料是指對外界刺激具有感知能力或兼具反應(yīng)能力的紡織品，如蓄熱材料、形狀記憶材料等。柔性電子元件主要指金屬絲、碳纖維、碳納米管、石墨烯等電加熱材料加工而成的柔性發(fā)熱元件，通過采用信息技術(shù)、微電子技術(shù)，與柔性電路、柔性電池共同作用給防寒服提供熱源[13]。從提高防寒服保暖隔熱性能的形式將防寒服用智能材料分為蓄熱材料、電加熱材料、形狀記憶材料三大類。而從保暖隔熱的角度還可將以上智能材料分為消極保溫材料和積極發(fā)熱材料。消極保溫材料可通過增加防寒服靜止空氣層的含量、減小不同形式的熱傳遞來提高防寒服的隔熱性能，如形狀記憶材料。積極發(fā)熱材料是通過物理、化學變化產(chǎn)生熱量來提高防寒服的保暖性能，如太陽能蓄熱材料（光能轉(zhuǎn)為熱能）、相變蓄熱材料（相變產(chǎn)熱）、電加熱材料（電能轉(zhuǎn)為熱能）等。但是這些智能材料大多不夠成熟，未能市場化、標準化。

本文從提高防寒服保暖隔熱性能的形式將防寒服用智能材料分為蓄熱材料、電加熱材料、形狀記憶材料三大類，并從隔熱保暖、防水透濕、人體安全舒適等角度分析各類智能材料在防寒服中應(yīng)用的可行性與不足，并對防寒服的智能化發(fā)展進行了展望，為智能紡織材料和智能防寒服的研究提供參考。

1蓄熱材料

蓄熱材料可以自響應(yīng)地提供人體所需熱量，太陽能蓄熱材料、相變蓄熱材料是較為適合用于防寒服的智能材料。

1.1太陽能蓄熱材料

太陽能蓄熱材料通過吸收太陽輻射的近紅外線，并反射人體自身產(chǎn)生的遠紅外線，達到蓄熱保溫的效果?？蓱?yīng)用于防寒服的太陽能蓄熱材料主要為第四族過渡金屬碳化物，該類碳化物可吸收大于0.6eV的輻射線并轉(zhuǎn)換成熱能，而小于0.6eV的輻射線則被反射[14]?？梢酝ㄟ^將該類碳化物如碳化鋯（ZrC）微粒包埋在纖維或紗線內(nèi)部，或在纖維紡絲時加入類碳化物微粒等方法制備太陽能蓄熱纖維[15]。Li等[16]利用ZrC粒子包埋法制備了可發(fā)熱的黏膠纖維，之后用紅外線照射摻雜有2%ZrC的黏膠織物60s并測量其表面溫度，其表面溫度增加了近30℃。此外，Xu等[17]利用磁控管濺射技術(shù)將ZrC沉積在滌綸織物上制備太陽能蓄熱織物，在太陽光照射時間為200s的條件下，織物溫度上升27.0℃左右，可用于防寒服來提高保暖性能。

日本的三菱公司在腈綸紡絲原液中加入氧化錫、氧化銻微粒開發(fā)出太陽能蓄熱纖維Thermocatch，該纖維制作的服裝在陰天時也可使服裝內(nèi)部溫度提高2～10℃[15]。此外鐘紡公司的Ceramino、尤尼吉卡公司的Thermotron均是太能蓄熱纖維，可用于制作毛衣、羽絨服、冬季運動服等防寒服。英國學者戴維等[18]利用ZrC合成纖維制作太陽能服裝，可以將太陽的光能將轉(zhuǎn)化成熱能，并緩慢釋放。但太陽能蓄熱材料能量轉(zhuǎn)化效率低，生產(chǎn)成本高，光源的依賴性強，陰天環(huán)境下使用效率較低。

1.2相變蓄熱材料

相變蓄熱材料（PCM）在一定溫度下可以實現(xiàn)液相與固相之間的相互轉(zhuǎn)變，當固相的PCM被加熱到熔點時，會轉(zhuǎn)變成液相并吸收熱量，當環(huán)境溫度低于PCM的冰點時，液相的PCM會轉(zhuǎn)化為固相，并瞬間釋放能量，直至全部凝固[19]。液相的相變材料可以用于防寒服，例如將其封裝成加熱袋[20]，使用時將其放在需要加熱位置的防寒服中，但此方法會增加防寒服的重量與體積，影響防寒服的靈活性。此外還可以將PCM作為添加劑加入紡絲原液中紡成纖維，生產(chǎn)出溫度可調(diào)節(jié)的智能相變纖維，用于滑雪服、內(nèi)衣褲襪子等防寒服裝[21]。Zhao等[22]通過乳液靜電紡絲法成功地開發(fā)了形狀穩(wěn)定的正十八烷/絲復合相變超細纖維，該復合纖維表現(xiàn)出可逆的相變行為，具有較高的蓄熱能力。目前最常用的方法是將PCM封裝在微膠囊中制成相變微膠囊，微膠囊的直徑1～100μm，可有效防止液態(tài)PCM流動泄漏[23]?？蓪⑾嘧兾⒛z囊涂覆在織物表面，或?qū)⑽⒛z囊混入紡絲液中進行紡絲制成纖維。張慧潔[24]采用石蠟類相變材料作為芯材，以三聚氰胺-甲醛-脲樹脂作為壁材制備相變微膠囊，用浸軋法對織物進行后整理，制得具有5J/g熱容的蓄熱織物。

相變材料的發(fā)熱性能取決于相變溫度、被封裝的PCM的量以及材料的熱焓值[25]。在嚴寒氣候下，相變溫度一般設(shè)置為18.33～29.44℃（人體感到冷時服裝外層到內(nèi)層微氣候的溫度）[26]，當服裝微氣候的溫度高于相變溫度時，相變材料儲蓄熱量，當溫度低于相變溫度時，釋放熱量維持服裝微氣候的溫度。陳旭[27]采用海藻酸鈉作為壁材、將1∶1∶2配比的正十四烷、正十六烷、正十八烷作為芯材制備微膠囊，并整理至織物表面，制得分級相變低溫防護復合織物，由于各相變材料的相變溫度、熱焓值均不同，增大了低溫下的放熱區(qū)間和相變潛熱，其中正十八烷的儲熱相變溫度在28℃左右。在溫度為-15℃時，復合織物的低溫抵抗時間為6.9min，具有優(yōu)異的發(fā)熱保暖性能，但此研究僅針對單層相變織物測試發(fā)熱保暖性能。孫艷麗[28]以正十八烷為芯材，三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）樹脂為壁材采用原位聚合法制備相變微膠囊，并用于制作相變微膠囊涂層織物，為增加相變持續(xù)時間，設(shè)計并制備了遠紅外織物層/相變微膠囊功能層/氣凝膠隔熱層的三層結(jié)構(gòu)防寒織物系統(tǒng)，經(jīng)過測試，在-40℃的環(huán)境溫度下，織物系統(tǒng)包裹的內(nèi)部微氣候經(jīng)870s由37℃降至0℃，其冷防護時間明顯高于相同厚度的相變微膠囊或氣凝膠織物。

早在20世紀相變蓄熱材料便已經(jīng)在防寒服中得到使用，1997年美國海軍運用相變微膠囊蓄熱纖維制作潛水服，此潛水服具有3h的保溫時間，遠高于普通潛水服[29]。美國Outlast技術(shù)公司生產(chǎn)的含有相變微膠囊的Outlast纖維，已被應(yīng)用于制作調(diào)溫內(nèi)衣、滑雪服、襪子等防寒服飾。此外，國產(chǎn)的絲維爾纖維、SYCORE纖維也運用了相變蓄熱技術(shù)。中國的貓人、sotx、比音勒芬等品牌采用“outlast”智能控溫技術(shù)開發(fā)了恒溫服飾，但據(jù)消費者反饋此類恒溫服飾的保溫效果并不理想。由于相變蓄熱織物受PCM的相變溫度的限制，在低于相變溫度的環(huán)境下，當全部PCM凝固后，將不再釋放熱量;高于相變溫度時，當PCM全部熔化，將不在吸收熱量，相變蓄熱織物對人體的熱調(diào)節(jié)不會有進一步的影響。因此，限制了相變材料的服用發(fā)展。中國相變調(diào)溫技術(shù)尚不成熟，生產(chǎn)的相變服裝耐久性差，服用性能不佳，服用產(chǎn)品仍處于開發(fā)階段，未能量產(chǎn)。

2電加熱材料

電加熱材料可有效解決自發(fā)熱時間短的問題，通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提供或維持人體所需的熱量。電加熱材料主要分為金屬加熱材料和碳基加熱材料等，將其制備成電加熱元件，通電后即可達到電加熱的效果。電加熱材料可控溫，加熱時間相對蓄熱材料較長，且可針對身體部位進行局部加熱，因此是目前最適用于提高防寒服保暖性能的智能材料。電加熱防寒服一般由電加熱元件、電源、溫度控制線路、保護線路等電子元件及衣身構(gòu)成。目前電加熱技術(shù)已被用于戶外防寒夾克、帽子、手套、靴子等服飾的開發(fā)，且得到了一定的商業(yè)化應(yīng)用。

2.1金屬加熱材料

金屬加熱材料是最早應(yīng)用于電加熱防寒服的電加熱材料。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的轟炸機機組人員穿著的飛行夾克，裝有與電熱毯中類似的金屬絲發(fā)熱元件[46]。金屬加熱材料有金屬絲、金屬涂層紗線等。金屬絲加熱材料包括鐵、銀、銅等，其加熱效果好，但不夠柔軟服帖，服用效果差。金屬涂層紗線主要是鍍銀紗線，采用電鍍、化學鍍或真空鍍的方法，將純銀鍍在普通紗線或纖維上所得到的導電紗線[30]。Doganay等[31]運用浸漬干燥法制備新納米線（AgNWs）涂層棉織物，并測試了織物的加熱性能與耐用性。在1～6V的電壓下，可將織物表面加熱至30～120℃，因此可通過施加電壓設(shè)置所需溫度。另外在經(jīng)5000次彎曲后，織物的加熱性能保持不變。但經(jīng)多次洗滌后，AgNWs的3D導電網(wǎng)絡(luò)被破壞，加熱性能下降。

人體皮膚最舒適的溫度在32～37.5℃，溫度低于32℃會有冷感，高于37.5℃會有熱感。因此用于防寒服的發(fā)熱織物，其自發(fā)熱的溫度不可太高，以免影響人體熱舒適[32]。許靜嫻等[32]制作了鍍銀長絲和滌綸短纖喂入比為3∶7的雙羅紋織物，在6V電壓下，以該試樣為發(fā)熱元件的服裝面料系統(tǒng)表面可獲得35℃的加熱溫度，足以起到發(fā)熱保暖效果且能保證人體熱舒適性。

2.2碳基加熱材料

碳基加熱材料，主要指碳纖維、碳納米管、石墨烯等材料。碳纖維是目前市場上主流的電加熱服裝的發(fā)熱元件，是指以腈綸或黏膠纖維為原料，經(jīng)高溫氧化、碳化而成的含碳量高于90%的高模高強纖維。其升溫快、功效高、成本低，發(fā)熱轉(zhuǎn)化率可達99.9%以上[33]。然而碳纖維織物具有纖維絲易斷裂、溫度分布不均的缺點。Pang等[34]使用濕法造紙工藝將碳纖維制成非織造布，并將其夾在聚四氟乙烯粘片上制造加熱織物，該織物結(jié)實柔軟，導電率為2.8×103S/m，能承受3000次的彎折，在13V電壓下表面溫度達94.6℃，可用于制作柔性加熱元件。但對于用在防寒服上的柔性加熱元件需考慮加熱溫度的安全閾值，過高的發(fā)熱溫度會對人體造成熱危害，與人體接觸的加熱元件外表面的溫度建議在35～50℃之間[35]。此外，為加熱元件供電的電壓要采用12V以下人體安全直流電壓。張穎[36]研究了碳纖維絲的電熱性能，生成碳纖維發(fā)熱元件的發(fā)熱溫度模型，可根據(jù)人體所需的加熱溫度進行所需電壓及碳纖維絲長度的計算。吳官正等[37]通過將碳纖維發(fā)熱層線路設(shè)計成“∞”字型和“井”字型的串并聯(lián)網(wǎng)格模型，設(shè)計了串、并聯(lián)式碳纖維服裝用發(fā)熱片，發(fā)現(xiàn)在6V直流電壓下，6K、14K碳纖維束的串、并聯(lián)發(fā)熱片均有優(yōu)異的發(fā)熱效能，平均發(fā)熱溫度在50℃以下，且可維持在一定溫度范圍內(nèi)，提高了發(fā)熱面料的發(fā)熱效率和發(fā)熱均勻性。

碳納米管和石墨烯相比于碳纖維絲不易折斷、溫度分布更均勻。碳納米管是由碳原子以sp2雜化成蜂窩狀后經(jīng)卷曲形成的中空管狀結(jié)構(gòu)[38]。肖淵等[39]針對現(xiàn)有發(fā)熱絲柔性差、不耐水洗等問題，提出在滌綸紗線表面均勻涂覆碳納米管的柔性發(fā)熱絲制備方法，并對所制備的發(fā)熱絲耐水洗性能及發(fā)熱性能進行測試。結(jié)果表明，洗滌2次后，發(fā)熱絲電阻的變化率基本穩(wěn)定，在施加36V電壓下由發(fā)熱絲構(gòu)建的并聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面4min內(nèi)可獲得50.3℃的加熱溫度，可用于制作加熱元件。Sadi等[40]以水性碳納米管油墨分散體為載體，經(jīng)絲印技術(shù)開發(fā)出多功能棉織物復合材料，并研究了復合材料作為可穿戴加熱元件的電加熱性能，在3V的電壓下，僅需30s即可加熱到46.3℃。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，具有高的彈性模量和拉伸強度，且可彎曲、可折疊[41]，是制作電加熱元件的理想材料。Miankafshe等[42]對聚酯織物用殼聚糖（CS）、水氯化十六烷基吡啶（HDPC）等陽離子進行試劑處理，并采用氧化石墨烯（GO）分散劑對其進行浸涂。經(jīng)CS和HDPC處理的織物的電阻值分別為2.7kΩ和0.59kΩ，并具有良好的熱量傳播和良好的溫度分布。施加10V電壓，CS和HDPC處理的織物的穩(wěn)態(tài)溫度分別為28℃和33℃。此氧化石墨烯改性紡織品是紡織應(yīng)變傳感器和電熱元件的良好選擇。徐霞等[43]采用石墨烯納米片（GNSs）作為發(fā)熱材料，水性丁苯橡膠為基體，制備出具有優(yōu)異導電性的石墨烯/丁苯橡膠復合材料（AGSC）。發(fā)現(xiàn)材料施加電壓后的穩(wěn)態(tài)溫度與GNSs含量、電壓成正相關(guān)。含0.5%GNSs的復合材料在8～12V電壓下，經(jīng)過60s加熱后的穩(wěn)態(tài)溫度可到26～30.5℃。含1%GNSs在相同電壓下，穩(wěn)態(tài)溫度可達40.5～66.5℃。在低電壓下此柔性復合材料可作為可穿戴的柔性發(fā)熱元件。

為保障加熱元件在防寒服中的安全使用，除了研究適宜人體的穩(wěn)態(tài)加熱溫度外，還需要研究加熱元件在服裝中的位置以及加熱的方式。Shin等[44]將石墨烯發(fā)熱元件嵌在保暖內(nèi)衣的上胸部和上背部的彈性口袋里，比較間斷和連續(xù)加熱兩種加熱方法對人體熱舒適的影響。發(fā)現(xiàn)在寒冷多風的環(huán)境，上背部采暖比胸部采暖能有效保持熱舒適。間歇加熱比連續(xù)加熱可節(jié)省電能71%，但兩者對人體的熱舒適影響沒有較大差異，其中有些受試者在采用間歇性加熱方案時感到更舒適。而連續(xù)加熱會因加熱時間延長導致低溫燒傷。吳戴維等[45]在-11.8℃的環(huán)境溫度下進行暖體假人著裝測試，探究石墨烯發(fā)熱元件與防寒服系統(tǒng)的最佳最優(yōu)組合方式。結(jié)果表明：前胸、肩部、腹部、前臂和小腿這5個部位最適宜放置加熱元件，為滿足人體的熱舒適需求，加熱元件的加熱溫度推薦范圍為腹部37～40℃、肩部40～44℃、前胸44～49℃、前臂和小腿49℃以上。后續(xù)還可以針對加熱元件的個數(shù)、間斷加熱的時間配置與人體熱舒適的關(guān)系進行研究。

市面上常見的加熱服飾大多采用碳纖維制作的電加熱元件，如美國的VentureHeat、Anseris，日本的Makita，英國的BlazeWear，中國的南耀、ZHAPPY等公司均采用碳纖維加熱元件開發(fā)電加熱服飾產(chǎn)品。而碳納米管、石墨烯憑借優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、柔軟性逐漸受到市場追捧。中國風謎FOOXMET公司利用碳納米管發(fā)熱膜作為發(fā)熱元件開發(fā)了電加熱背心，背心僅需10s即可加熱到35℃，衣重僅為220g[47]。中國的小米、森馬公司均采用碳納米管發(fā)熱膜研發(fā)了電加熱防寒服。2018年，參演平昌冬奧會閉幕式節(jié)目“北京8分鐘”的演員們穿著石墨烯電加熱防寒服來抵御寒冷。北京愛家科技公司將水性石墨烯附著在起到骨架作用的纖維上制備石墨烯復合纖維，并與導電纖維混紡，制備出具有良好的柔韌度、可裁剪的石墨烯復合織物，并以此研發(fā)石墨烯電加熱防寒服，穿著者可借助手機APP對服裝進行溫度控制[48]。

電加熱防寒服在服用性能上仍存在一些問題：例如，加熱溫度過高會導致人體出汗，而加熱元件往往透氣、透濕性不高，易使汗液堆積;電加熱元件的防水防濕要求與服裝的透氣透濕需求之間的矛盾[49]。另外電加熱防寒服的電源同樣影響服用性能，電源的體積與質(zhì)量過大制約了服裝的穿著舒適與便攜性能，電源的電容量不足限制了加熱時長。隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，由柔性電池、柔性電路、柔性電子元件構(gòu)成的高度集成的柔性化電加熱防寒服將成為電加熱防寒服開發(fā)的熱點。

3形狀記憶材料

形狀記憶材料（SMM）是具有形狀記憶效應(yīng)的智能紡織材料，在受到熱、機械、磁或電刺激等外界刺激時能夠恢復初始形狀[50]。由于對多種刺激自響應(yīng)的能力，形狀記憶材料可以在許多技術(shù)中使用來響應(yīng)環(huán)境變化，使其恢復到原來的形狀、位置、應(yīng)變、剛度等。防寒服設(shè)計中可用的形狀記憶材料有形狀記憶合金（SMA）和形狀記憶聚合物（SMP）。

3.1形狀記憶合金（SMA）

形狀記憶合金（SMA）是通過將兩種或更多種金屬混合在一起的金屬化合物[51]。將合金訓練成預定的形狀，當受到一定的熱刺激和彎曲、拉伸或其他機械變形后，如果達到其致動溫度，就會恢復到預定的形狀。溫度響應(yīng)型SMA可以應(yīng)用在防寒服系統(tǒng)中，在低溫下服裝中的SMA被激活，服裝相鄰層之間的空氣間隙增大，靜止空氣的含量增加，從而提高防寒服的隔熱性能。

Yoo等[52]將NiTi形狀記憶合金（SMA）彈簧置于防寒服系統(tǒng)的外層和保暖層之間，可智能地感應(yīng)低溫并做出響應(yīng)。如圖1，彈簧在溫暖條件下為扁平的狀態(tài)，在低溫下會彈起10mm或15mm的高度，在服裝層之間形成足夠的空氣層，經(jīng)測試，防寒服系統(tǒng)的隔熱性能得到提高，服裝與人體間的微氣候溫度的下降得到緩沖，且彈簧彈起的高度越高效果越好。進一步對受試者穿著帶有與不帶有10mmSMA的防寒服進行比較，發(fā)現(xiàn)受試者僅在轉(zhuǎn)變溫度下（熱環(huán)境至冷環(huán)境）穿著SMA防寒服感到更溫暖，在其他狀態(tài)下穿著兩種防寒服沒有大的熱感覺差異。這可能是由于10mm彈簧的彈起高度不夠高，以及防寒服系統(tǒng)層間壓力壓縮了彈簧的高度，導致沒有產(chǎn)生有效的空氣層厚度?？赏ㄟ^加大彈簧的直徑來增加彈簧的強度，減小壓縮形變。通常，織物層中2.5cm以上的氣隙會造成對流熱損失[53]，因此通過SMA增加的空氣層間隙不得大于2.5cm。Lee等[54]為了確定SMA在寒冷天氣中感知和驅(qū)動的最佳溫度，讓受試者穿著測試服裝（內(nèi)衣、拉鏈襯衫、保暖背心、防水透氣夾克），暴露在17、14、11、8℃和5℃的溫度下，受試者在17℃和14℃時不感覺冷，但在11℃時覺得陰冷，8℃和5℃時感到寒冷，經(jīng)測試在8℃時外層夾克和背心間的微氣候溫度為24.5℃。因此將SMA彈簧的響應(yīng)溫度設(shè)在24.5℃，此溫度剛好與寒冷氣候下使用的PCM的相變溫度（18.33～29.44℃）在同一范圍內(nèi)[26]。進一步地將SMA彈簧縫在夾克與背心之間，對受試者進行低溫運動測試。結(jié)果表明，嵌入SMA的防寒服比對照組更溫暖、更干燥、更舒適。與同重量的鵝絨背心進行比較，其熱感覺不如后者，但濕感覺比后者好。這是因為SMA產(chǎn)生的氣隙更易于水分的擴散[53]，但在有風條件下如果服裝收口部位未能收緊也增大了熱對流。

3.2形狀記憶聚合物（SMP）

可用于防寒服的形狀記憶聚合物（SMP）主要是指熱敏型形狀記憶聚氨酯（TSPU），是具有自響應(yīng)調(diào)濕功能的智能調(diào)濕材料。其含有兩種不完全相容的兩個相態(tài)，即保持形狀不變的固相與隨溫度變化而軟/硬相轉(zhuǎn)變的可逆相，可逆相在其臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc（即材料的玻璃化溫度Tg或結(jié)晶融熔溫度Tm）上下發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)出明顯的溫敏特性，當外界溫度高于Tc時，分子微布朗運動加劇，分子間距離增大，水蒸氣分子可透過分子間的間隙，從而使透濕量與散熱量迅速增加;而在Tc以下時，分子微布朗運動減慢，分子鏈間排列緊密，阻止水分子與空氣的通過，減少人體熱量散失[55]。因此，將TSPU薄膜與織物層壓制成復合織物，在低溫下可保持身體溫暖。同時，它在高溫下有更好的透氣性，保持身體舒適。三菱重工開發(fā)的戶外防寒服系列“DiAplex”便是采用這種技術(shù)[56]。

在任何溫度下，TSPU薄膜分子間隙遠小于水滴直徑，水滴無法透過聚氨酯膜，從而達到防水的目的。李淑華等[57]對TSPU薄膜及傳統(tǒng)微孔型薄膜的防水透濕性能進行了比較，發(fā)現(xiàn)TSPU薄膜防水、透濕性能均優(yōu)于傳統(tǒng)微孔薄膜，但實驗是在25℃以上的環(huán)境下測試的，不能表征TSPU薄膜低溫時的防水透濕性能。

Wang等[58]將兩種具有較低和較高臨界溶解溫度的聚合物涂敷在預處理的棉織物的兩側(cè)，開發(fā)了可根據(jù)溫度變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)透濕性和液態(tài)水傳遞性能的Janus紡織品。當溫度變化時，可以在織物兩側(cè)實現(xiàn)可逆的濕性梯度。高溫時水分可從疏水的內(nèi)側(cè)輸送到親水的外側(cè)快速蒸發(fā)為人體降溫。低溫時發(fā)生轉(zhuǎn)逆變，織物內(nèi)側(cè)親水，外側(cè)疏水，約束水分和熱量散失，維持服裝與人體之間的微氣候的溫暖。

人體在不同狀態(tài)下的排汗量[59]見表1，在0℃時從事重勞動的排汗量為1030g/（m2·24h），冬季穿著的防水透濕服裝的透濕量應(yīng)大于這個數(shù)值。Shi等[60]使用熱濕敏熱塑性聚氨酯（THSPU）和二氧化硅氣凝膠顆粒（SAs）制備了具有較強的防水性和自適應(yīng)透濕性的智能混合膜，并采用層壓法制成防水透濕織物。在環(huán)境為5℃時，織物的WVT為1000g/（m2·24h）。在室溫為25℃時，WVT則顯著增加到4200g/（m2·24h）。可以看出織物在低溫下的透濕量可以達到坐、爬、步行時的透濕要求，但未能達到中度勞動時的需求。

TSPU調(diào)濕織物雖可以智能地調(diào)節(jié)透濕性能，在寒冷環(huán)境下減緩人體的熱量損失。但此織物制作的服裝僅是通過減少人體與外界熱對流來提高服裝的保暖性能，保暖效果還有待考證。此外，與傳統(tǒng)的層壓、涂層類防水透濕面料相比，TSPU織物雖然可以根據(jù)環(huán)境溫度主動調(diào)節(jié)透濕量，但在活動量較大的低溫條件下使用時，仍無法滿足人體的排汗需求，可能會造成汗液凝結(jié)，導致織物的導熱系數(shù)增大，加快人體與織物間的熱傳導。

智能材料的研發(fā)推動了防寒服的智能化發(fā)展，目前服裝市場已涌現(xiàn)各式各樣的智能化防寒服飾，如智能沖鋒衣、滑雪服、手套、鞋子、帽子等。其中主要以蓄熱材料、電加熱材料制作的防寒服飾為主，而形狀記憶材料在低溫環(huán)境下雖可以自響應(yīng)地調(diào)節(jié)形狀起到保溫作用，但無法主動產(chǎn)熱，且形狀記憶合金較硬，內(nèi)置在防寒服中影響服裝的穿著舒適性能，形狀記憶聚氨酯織物技術(shù)加工難度大，保暖效果有限，低溫下穿著透濕性能欠佳，因此除了三菱重工開發(fā)的戶外防寒服系列“DiAplex”外，市場上鮮有運用形狀記憶材料的防寒服飾產(chǎn)品。

4結(jié)語

防寒服作為寒冷環(huán)境下工作、運動、生活必需的服飾，其保暖隔熱、防水透濕性能一直受到人們廣泛關(guān)注。智能材料由于其自感知、自響應(yīng)、自隔離的特點，未來可運用在防寒服保暖性能、防水透濕性能的改進中去。但智能材料大多還不夠成熟，直接用于防寒服還存在大量的問題。防寒服作為貼身穿著的服飾，第一要解決的是材料的使用安全問題。例如自加熱材料如何有效避免加熱導致人體低溫燙傷;電加熱一般將發(fā)熱電子元件與織物結(jié)合，在加熱過程中如何避免因短路造成的織物起燃;相變材料的相變芯材是否對人體無毒無害[61]。第二要解決材料的穿著舒適性問題。如電加熱元件的透氣性和柔軟度亟待改善;形狀記憶合金的形變對肢體活動的限制問題仍未解決;熱敏型形狀記憶聚氨酯在低溫下的透濕性也有待提高。第三要解決材料的效能持久性問題。太陽能加熱材料在陰天時效果大幅減弱;相變加熱材料僅有短暫的發(fā)熱時間，且需要特定溫度來激活;電加熱材料受電源電量的制約，還不能做到持續(xù)發(fā)熱;形狀記憶材料受外力易彎折變形，導致隔熱性能下降。第四要解決服裝可維護性問題。多數(shù)智能材料水洗后，效用會大幅度減弱，特別是相變微膠囊材料，經(jīng)多次水洗，微膠囊的殘留率逐漸降低[62]。而對于電加熱元件、形狀記憶合金，需將其拆下后再對服裝進行水洗。第五要解決環(huán)保性問題。目前部分智能材料的生產(chǎn)伴隨著環(huán)境污染。例如防水透濕復合面料，大多為溶劑基聚合物經(jīng)層壓或涂覆而成，在膜形成或涂覆過程中，釋放出大量的溶劑，即造成了嚴重的環(huán)境污染[63]。第六要解決標準欠缺問題。智能材料作為新興的服裝材料，發(fā)展還未成熟，亟需標準規(guī)范各種智能材料的服用安全性、舒適性、可維護性等問題。因此，智能材料與防寒服的有效結(jié)合還需要大量的研究。智能紡織品發(fā)展前景可觀，它將呈現(xiàn)智能化、柔性化、產(chǎn)業(yè)化、安全化的發(fā)展趨勢[64]。防寒服作為保護人體免受冷傷害的服飾，如何實現(xiàn)與智能紡織材料有機結(jié)合制作適合于人體穿著的智能防寒服，實現(xiàn)防寒服自主感知寒冷環(huán)境（溫度、冷風、水分），自主響應(yīng)為人體提供熱量，自主隔離人體熱量散失、外接水分侵入等功能，將成為未來持續(xù)研究的方向。

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