用于個(gè)人熱管理的被動(dòng)調(diào)溫服裝材料研究進(jìn)展

韓夢(mèng)瑤，任 松，葛 燦，方 劍

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州 215123)

紡織品在人類日?；顒?dòng)和社會(huì)發(fā)展中起著保暖御寒、蔽體遮羞、美觀裝飾和護(hù)體防御等作用。隨著智能科技的發(fā)展和人們對(duì)服裝功能性需求的日益增長(zhǎng)，具有溫度控制、傳感監(jiān)測(cè)、變色智能、數(shù)據(jù)傳輸、健康管理等新型智能功能的紡織品得到人們青睞[1]。其中調(diào)溫型紡織品可以在人體體溫調(diào)節(jié)機(jī)制的基礎(chǔ)上有效調(diào)控人體溫度及穿著熱濕舒適性，已引起研究者的重視并被不斷完善發(fā)展[2]。

由于大眾環(huán)保意識(shí)的提高和對(duì)舒適健康的追求，人們希望可以通過紡織品自身創(chuàng)造一個(gè)舒適的微氣候來調(diào)節(jié)溫度，以取代目前造成巨大能源消耗的空間調(diào)溫技術(shù)，因此關(guān)于個(gè)人熱管理的研究逐漸興起[3]。具有個(gè)人熱管理性能的紡織品，按照能量來源可分為主動(dòng)調(diào)溫紡織品和被動(dòng)調(diào)溫紡織品兩類[4]。調(diào)溫紡織品在外接動(dòng)力源的情況下進(jìn)行降溫或保暖工作，即為“主動(dòng)”，相反，在無額外能源，僅依靠材料自身特征便可進(jìn)行調(diào)溫工作，即為“被動(dòng)”。主動(dòng)降溫系統(tǒng)指采用氣體或液體作為冷卻源，在外加動(dòng)力(例如通電)的情況下，冷卻源發(fā)生流動(dòng)，從而吸收人體熱量達(dá)到降溫的目的，包括各種液(氣)體介質(zhì)嵌入式降溫系統(tǒng)等。同理，主動(dòng)保暖系統(tǒng)，即加熱源在外接動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行保暖工作，比如電加熱，太陽能加熱、化學(xué)能加熱、相變材料(PCM)加熱等。被動(dòng)降溫系統(tǒng)是指調(diào)溫時(shí)無需額外能源，其中被動(dòng)降溫主要有反射(輻射)降溫、紅外透明降溫、相變材料降溫等；被動(dòng)保暖方式包括反射(輻射)保暖、降低熱傳導(dǎo)、光熱轉(zhuǎn)換等。值得注意的是，若將PCM看作動(dòng)力源，即利用相變過程的熱量變化來加熱或降溫調(diào)溫材料，或?qū)CM(如水)置于主動(dòng)系統(tǒng)中，從而進(jìn)行調(diào)溫工作時(shí)，則PCM屬主動(dòng)式，如果將相變材料看作調(diào)溫材料本身，即冷卻源，例如相變材料織物在高溫狀態(tài)下發(fā)生相變進(jìn)行吸熱降溫，此時(shí)相變材料則作為冷卻源屬于被動(dòng)式[5]。本文將重點(diǎn)介紹將PCM看作調(diào)溫材料本身的被動(dòng)調(diào)溫方式。

在上述熱管理方法中，被動(dòng)調(diào)溫服裝材料可以在不消耗外來能源的前提下，利用服裝材料本身性能調(diào)節(jié)人體熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射損失的熱量從而調(diào)節(jié)人體溫度，達(dá)到人體熱濕舒適性。由于其直接作用于人體皮膚進(jìn)行熱調(diào)控，而非對(duì)建筑物整體進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，因此可以顯著降低建筑負(fù)荷，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度取暖或降溫設(shè)定點(diǎn)降低或提高2.2 ℃時(shí)，約可節(jié)省15%～60%的總能耗[6]，有利于節(jié)能環(huán)保及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。目前被動(dòng)調(diào)溫服裝種類繁多，其中新型的調(diào)溫服裝材料通過改變服裝的發(fā)射率、反射率和透過率來實(shí)現(xiàn)不同的輻射熱控制進(jìn)而調(diào)控服裝微氣候，達(dá)到“全天候”熱舒適狀態(tài)而無需消耗額外的能量，即個(gè)人輻射熱管理。

本文將重點(diǎn)闡述用于個(gè)人熱管理的被動(dòng)調(diào)溫紡織品，歸納整理被動(dòng)調(diào)溫紡織品的種類，主要從保暖、降溫以及雙向調(diào)控3個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)對(duì)被動(dòng)調(diào)溫紡織品的工作原理和最新的研究進(jìn)展進(jìn)行論述，并展望被動(dòng)調(diào)溫紡織品的發(fā)展方向和應(yīng)用前景，以期促進(jìn)被動(dòng)調(diào)溫紡織品以及個(gè)人熱管理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

1 被動(dòng)保暖服裝材料

由上述被動(dòng)調(diào)溫材料定義可知，被動(dòng)保暖就是利用服裝材料阻擋人體產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射而散失，從而實(shí)現(xiàn)人體保暖。被動(dòng)保暖類服裝可以有效地提高人體在寒冷環(huán)境下的活動(dòng)自由度，同時(shí)無需附加能源，進(jìn)一步節(jié)約浪費(fèi)在空間調(diào)溫上的能源，通過自身能“鎖住”人體產(chǎn)生的熱量，防止熱量散失，這種輕便節(jié)能高效保暖的特點(diǎn)使其有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[7]。

被動(dòng)保暖主要有4種方式：a)高熱阻、低傳導(dǎo)：服裝材料熱阻高、熱導(dǎo)低可以減少熱傳導(dǎo)損失，例如毛、絨、竹炭纖維等；b)高靜止空氣含量：增大纖維孔隙率、服裝厚度與緊密度，提高靜止空氣含量，降低傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，例如中空纖維、起毛起絨織物等；c)低發(fā)射高反射：分別改變服裝材料內(nèi)外表面的發(fā)射率和反射率，降低輻射散熱，如鍍銀鍍鋁、表面涂層等；d)光熱轉(zhuǎn)換材料：吸收太陽能為人體保暖，如各種金屬及其化合物、陶瓷等納米顆粒制作的選擇性光吸收涂層體系[8]。

傳統(tǒng)服裝的保暖主要采取前兩種方式，寒冷環(huán)境下人體主要散熱方式是無感蒸發(fā)，服裝保暖性能與其熱阻、厚度以及微氣候區(qū)靜止空氣含量有關(guān)，降低熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，起到隔熱層的作用，但是一味增加面料厚度和服裝層數(shù)，只會(huì)降低服裝的透氣透濕性而破壞服裝微氣候濕平衡，影響服裝保暖性能以及穿著舒適性[9]。因此開發(fā)具有透氣性、蓬松度和保暖性的新型服裝保暖材料至關(guān)重要，例如復(fù)合纖維絮片[10]、仿生纖維、功能性復(fù)合保暖材料等。Cui等[11]受北極熊中空和定向外殼毛發(fā)的微結(jié)構(gòu)和隔熱功能的啟發(fā)，制備出具有定向多孔微結(jié)構(gòu)的仿生纖維。用此纖維編織的紡織品具有優(yōu)異的隔熱性能、良好的耐磨性和透氣性，摻雜碳納米管后具有主動(dòng)電加熱能力，與被動(dòng)保暖技術(shù)結(jié)合，是非常有前景的隔熱和個(gè)人熱管理材料。

被動(dòng)保暖服裝可以滿足人們對(duì)服裝保暖御寒功能的高需求，有效減緩人體熱量損失，維持人體熱平衡。目前被動(dòng)保暖服裝主要應(yīng)用于防寒服領(lǐng)域，如滑雪登山服、極地服、海軍艦艇服等。隨著被動(dòng)保暖服裝與柔性電子器件的結(jié)合和智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，溫度控制、傳感監(jiān)測(cè)、健康管理等功能也將逐漸應(yīng)用于智能被動(dòng)保暖服中。表1中列舉了被動(dòng)保暖材料的主要分類、原理以及不同材料的主要優(yōu)點(diǎn)。

表1 被動(dòng)保暖服裝材料分類

1.1 反射(輻射)保暖材料

反射(輻射)保暖材料的機(jī)制是阻隔人體熱輻射的向外傳輸，包括服裝內(nèi)層的高紅外反射率和服裝外層的低紅外發(fā)射率，減少輻射熱損失和熱量的散失。高紅外反射率材料主要是將銀、鋁等納米金屬或金屬氧化物納米粒子經(jīng)過處理后，利用紡織方法制備功能型纖維材料或?qū)⒐δ苄酝繉又苯油扛苍诶w維材料表面，并將其復(fù)合在服裝內(nèi)層，由于金屬對(duì)太陽輻射與人體紅外熱輻射的反射率均較高，因此通過反射人體自身產(chǎn)生的熱輻射，極大地提升服裝的保暖性能。熱反射(輻射)調(diào)控材料因其節(jié)能高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為被動(dòng)保暖服裝的研究熱點(diǎn)。Hsu等[12]開發(fā)了一種使用銀納米線嵌入織物的個(gè)人熱管理系統(tǒng)，如圖1所示。這種銀納米線形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅反射人體紅外輻射，高度絕熱，還能結(jié)合焦耳加熱(主動(dòng)加熱)，提升保暖效率。

圖1 納米線布概念圖及人手佩戴正常手套和AgNW手套熱圖像對(duì)比

在使用高紅外反射率服裝材料阻擋人體熱輻射逸出的同時(shí)，通過減小服裝外層材料的紅外發(fā)射率，抑制熱輻射損失，可以進(jìn)一步提高面料的隔熱保暖性能。Cai等[13]提出皮膚與紡織品內(nèi)表面之間的傳熱主要是導(dǎo)熱而不是輻射，織物外表面的紅外發(fā)射率對(duì)織物的保暖性能起著決定性的作用。并設(shè)計(jì)了一種納米多孔金屬化聚乙烯織物，使用化學(xué)鍍方法在納米聚乙烯薄膜上涂覆納米多孔銀膜，然后層壓到棉織物外層使得納米聚乙烯位于外層(棉花/銀/聚乙烯)。所制得的金屬化織物具有質(zhì)輕透氣的優(yōu)點(diǎn)，由于銀膜的高紅外反射率和PE薄膜的低紅外發(fā)射率，與傳統(tǒng)棉織物相比能夠?qū)h(huán)境溫度的設(shè)定點(diǎn)降低7.1 ℃，建筑供暖節(jié)能超過35%。

目前熱能反射(輻射)材料主要應(yīng)用于戶外運(yùn)動(dòng)服裝中，常見的有應(yīng)急保溫毯[14]、戶外極寒羽絨服等，可以在寒冷環(huán)境為人體提供保暖功能。應(yīng)急保溫毯重量輕且保暖性好，其銀色鍍膜絕緣防水且可以反射熱量，夏季使用時(shí)銀色鍍膜可以反射陽光使人體涼爽，在冬季使用時(shí)銀色鍍膜可以反射人體散熱而保暖。哥倫比亞(Columbia)品牌的冬季羽絨服里布中的銀色熱能反射圓點(diǎn)可以有效反射人體自身產(chǎn)生的熱量，提升保暖性能，使人體始終保持在溫暖舒適狀態(tài)。駱駝(CAMEL)品牌的冬季羽絨服里布中的銀色覆膜可以高效聚熱，高效鎖溫從而減緩熱量流失。

1.2 遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料

遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料可以吸收人體或外界環(huán)境的熱量，將能量轉(zhuǎn)換成3～15 μm波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線，使其滲入人體皮下組織產(chǎn)生熱效應(yīng)，激發(fā)機(jī)體細(xì)胞活性，有效改善人體微循環(huán)和新陳代謝，增強(qiáng)免疫力等。當(dāng)人們穿著使用遠(yuǎn)紅外紡織品時(shí)，其可吸收太陽光等并將其轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)紅外線輻射為人體保暖，也可將人體的熱量反射而獲得保暖效果，是理想的保暖健身紡織品[15]。

目前遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料主要由陶瓷微粉構(gòu)成，包括各種金屬和非金屬的氧化物、氮化物以及復(fù)合物等。主要采用直接共混紡絲、全造粒法混紡、濕法粘膠紡絲等纖維加工法或涂層、浸漬、浸軋法使其摻雜復(fù)合于纖維或紡織品中。與反射保暖材料相似，遠(yuǎn)紅外非織造材料也應(yīng)置于復(fù)合服裝材料的底層即靠近皮膚一側(cè)，便于起到遠(yuǎn)紅外功能。遠(yuǎn)紅外功能紡織品主要應(yīng)用于醫(yī)用品、內(nèi)衣、護(hù)膝、護(hù)腕等產(chǎn)品中[16]。

1.3 光熱轉(zhuǎn)換材料

經(jīng)過大氣層中臭氧層、水汽等的吸收后，照射到地球地面的太陽輻射波段包括5%的紫外線區(qū)、46%的可見光區(qū)和49%的近紅外區(qū)。光熱轉(zhuǎn)換材料可以依據(jù)相應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制，選擇性或完全將上述波段光轉(zhuǎn)換為熱能。生活在極度寒冷環(huán)境中的動(dòng)物，如北極熊，其強(qiáng)大的保暖能力除了隔熱性能高外，中空的毛發(fā)還能通過空氣將陽光中的紫外線捕獲，轉(zhuǎn)換成熱能運(yùn)送到北極熊的黑色皮膚上，然后被脂肪層儲(chǔ)存。同時(shí)，白色毛皮的紅外發(fā)射率較低，抑制了紅外輻射熱損失。Yan等[17]提出一種生物制造策略，通過給家蠶喂食光熱納米復(fù)合材料來賦予蠶絲光熱性能。然后將此種光熱絲編織為光熱平紋組織，在激光照射下紡織品能將光能迅速轉(zhuǎn)化為熱能。該設(shè)計(jì)為開發(fā)利用光熱效應(yīng)達(dá)到最大保暖效果的新一代服裝提供了思路途徑。

金屬及各種金屬化合物納米顆粒等由于其基于金屬表面等離子體共振、金屬氧化物子帶躍遷的高效光吸收特性，以及與光相匹配的陶瓷固有頻率，被廣泛用于研究光熱太陽能轉(zhuǎn)換面料基材中[18]。碳化鋯(ZrC)是目前最常用的太陽能光熱陶瓷材料之一。紡織上常用方法是將ZrC納米顆粒嵌入纖維或在紡織品上涂覆ZrC涂層制備光熱轉(zhuǎn)換功能復(fù)合織物。Xu等[19]以磁控濺射的方式將不同厚度的ZrC薄膜涂覆在聚酯襯底表面。結(jié)果表明ZrC復(fù)合織物在紅外光照射下，可加熱至52.5 ℃，在100 s內(nèi)溫度提高了27.5 ℃，升溫速率為11.0 ℃/min，光熱轉(zhuǎn)換效率較高。光熱轉(zhuǎn)換復(fù)合織物在光熱理療服裝、運(yùn)動(dòng)服裝、冬季保暖服裝等領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 被動(dòng)降溫服裝材料

被動(dòng)降溫就是利用服裝材料加快人體產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射散失，或避免人體從外界吸熱，或使用冷卻源從人體吸熱，從而實(shí)現(xiàn)人體冷卻降溫。降溫服裝材料主要用于夏季炎熱情況下為工作者提供降溫保護(hù)，是保護(hù)人體免受高溫傷害的有效防護(hù)用品。一般來說，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱機(jī)制同時(shí)發(fā)生，當(dāng)人體皮膚溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)時(shí)，人體可通過上述3種傳熱方式與外界進(jìn)行熱量交換，并通過呼吸、蒸發(fā)等方式排熱，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，但當(dāng)人體處于高溫環(huán)境時(shí)，蒸發(fā)成為人體唯一的散熱方式[20]，此時(shí)為輔助人體保持熱平衡狀態(tài)，可以通過涼感織物增強(qiáng)人體穿著舒適感，提高服裝材料熱傳導(dǎo)或熱對(duì)流蒸發(fā)帶走更多的熱量?；趥€(gè)人熱管理技術(shù)的被動(dòng)降溫服裝材料可以在溫度超過人體可調(diào)節(jié)范圍時(shí)，利用服裝特點(diǎn)避免人體被加熱或?yàn)槿梭w降溫，從而維持熱平衡[21]。表2列舉了被動(dòng)降溫服裝材料分類、原理及不同材料的優(yōu)點(diǎn)。

表2 被動(dòng)降溫服裝材料分類

傳統(tǒng)降溫紡織品主要包括絲綢和麻紡織品。絲綢紡織品光澤好，散熱快，具有接觸涼感使人感覺涼爽。麻紡織品透氣性好，具有優(yōu)異的吸濕、散熱、涼爽特點(diǎn)[22]。此后增大人體蒸發(fā)散熱為人體降溫的方式引起人們關(guān)注，如汗水響應(yīng)型降溫織物[23]等。汗水響應(yīng)型降溫織物通過芯吸效應(yīng)、親/疏水性改性、不同毛細(xì)度梯度互聯(lián)孔隙等實(shí)現(xiàn)定向輸水控制，將汗液輸送到織物表面加快蒸發(fā)，提高降溫效果。Peng等[24]使用銅(Cu)基體和尼龍6納米纖維設(shè)計(jì)了一種集成冷卻(i-cool)紡織品(見圖2)，將靜電紡絲生成的尼龍6納米纖維轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱銅基體上，使導(dǎo)熱矩陣和汗液輸送通道集成在一起。由于納米纖維之間的空隙小于Cu基體納米纖維的空隙，這種形態(tài)差異導(dǎo)致的毛細(xì)作用差異有利于汗水從內(nèi)表面向外表面的單向定向輸送，不僅可以快速排汗，而且蒸發(fā)降溫能力和效率雙倍提升。此紡織品在人工排汗皮膚試驗(yàn)中有約3 ℃的降溫效果，其人體出汗量相較于棉織物大大降低。

圖2 冷卻(i-cool)紡織品結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制

由于傳統(tǒng)紡織品熱導(dǎo)率偏低，不能將人體皮膚熱量快速傳導(dǎo)到織物外表面并散發(fā)，由此會(huì)產(chǎn)生熱不適。此后，高熱導(dǎo)率服裝材料開始被研究，將具有良好熱導(dǎo)率的金屬、催冷劑[25]、玉石粉末[26]等與纖維或織物相結(jié)合，通過制作金屬環(huán)點(diǎn)混紡或封裝在紗線或者織物表面，使人體熱量通過金屬點(diǎn)快速散發(fā)而感到?jīng)鏊孢m。除了上述方法外，在紡織品制造中改進(jìn)面料生產(chǎn)工藝[27-28]或引入功能性助劑[29]，也可以提高人體與織物的接觸涼感而感到?jīng)鏊?。目前涼感面料主要?yīng)用于家紡產(chǎn)品、夏季防曬服、運(yùn)動(dòng)休閑服等領(lǐng)域，各大品牌均已推出相關(guān)產(chǎn)品。隨著人們對(duì)降溫服裝研究的不斷深入，“接觸涼感”織物及蒸發(fā)散熱、吸濕快干織物等散熱織物已不能滿足人們?nèi)粘Ｐ枨螅瑴p少降溫服裝材料的輻射吸熱引起人們興趣，如增大太陽輻射反射、提高紅外輻射透過等，反射及輻射降溫材料[30]逐漸成為人們的研究重點(diǎn)。降溫服應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，目前主動(dòng)降溫服如風(fēng)冷、液冷降溫服與涼感織物在市場(chǎng)上應(yīng)用較多，但被動(dòng)降溫服裝材料隨著發(fā)展已逐漸應(yīng)用到市場(chǎng)中，如夏季防曬服、T恤襯衫、防護(hù)服等。哥倫比亞(Columbia)品牌的襯衫外表面加入具有日光反射作用的小圓點(diǎn)用來反射陽光射線，有效阻擋太陽光并隔離紫外線，實(shí)現(xiàn)高效防曬降溫保護(hù)功能。

2.1 相變降溫材料

與汗液蒸發(fā)帶走人體熱量為人體降溫類似，由于PCM在一定溫度或溫度范圍內(nèi)相轉(zhuǎn)變時(shí)吸收、儲(chǔ)存和釋放的熱量可對(duì)人體進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，因此也被用于個(gè)人熱管理領(lǐng)域。PCM(如冰、凝膠、石蠟或鹽)作為被動(dòng)降溫服裝的典型冷卻源，可被制成相變材料袋，放置在特定服裝內(nèi)部的口袋中為人體降溫。相變材料袋大都被集成到人體發(fā)熱量較大的胸部和背部，直接從皮膚吸收熱量或?qū)崃酷尫诺狡つw。發(fā)生相變時(shí)產(chǎn)生的相變潛熱與相變材料的相變溫度有關(guān)，因此不同環(huán)境需選擇相應(yīng)的相變材料[31]。

用于被動(dòng)降溫的相變微膠囊技術(shù)解決了相變材料袋易泄露腐蝕的問題，其尺寸一般為微米級(jí)，通過密封袋法、紡絲法、中空纖維填充法或基于微膠囊技術(shù)的織物后整理法等方法添加到服裝材料表面或纖維內(nèi)部。當(dāng)采用熔融共混紡絲法時(shí)，為保持微膠囊相變材料的熱穩(wěn)定性，微膠囊殼層和芯部材料中需添加熱穩(wěn)定劑，保證相變調(diào)溫效果和耐久性[32]。Wu等[33]以蠶絲蛋白為原料制備了微結(jié)構(gòu)調(diào)溫纖維，用聚乙二醇(PEG)填充后包覆聚二甲基硅氧烷涂層，使其具有良好的疏水性和穩(wěn)定性。研究人員將纖維織物嵌入手套中進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)佩戴手套進(jìn)入溫度高于37.7 ℃環(huán)境中時(shí)，固體PEG開始融化吸收熱量阻礙溫度上升，防止皮膚溫度過高；當(dāng)降溫過程中溫度低于31.5 ℃時(shí)，紡織品溫度變高，融化的PEG開始凝固并釋放熱量，防止皮膚溫度過低。同時(shí)此纖維織物緩慢的加熱和降溫速度可以明顯延長(zhǎng)皮膚舒適時(shí)間。但由于相變材料相變溫度的限制，相變材料降溫服的使用范圍有限且溫度不可調(diào)，覆蓋部位透氣性差，持續(xù)時(shí)間較短，在極端情況下無法達(dá)到降溫效果。目前相變降溫材料主要應(yīng)用于航空航天、消防服、醫(yī)療衛(wèi)生用品等領(lǐng)域。

2.2 反射降溫材料

照射到地球的太陽輻射含有大量能量，在室外僅需1%的太陽熱輻射就可以抵消智能降溫服裝產(chǎn)生的降溫效果，因此戶外降溫服裝的關(guān)鍵是減少太陽熱輻射的吸收。用于反射降溫的方式主要有以下幾種：不規(guī)則截面反射、金屬反射、孔隙散射、涂層反射等。部分天然纖維的不規(guī)則截面使其具有天然反射陽光性能，例如蠶絲的截面類似三角形，由于棱鏡效應(yīng)可以透過一部分光線同時(shí)反射一部分光線，具有很強(qiáng)的內(nèi)部反射光和較低的表面反射光，從而使得蠶絲面料呈現(xiàn)出其獨(dú)特且柔和的光澤。撒哈拉銀蟻的三角形毛發(fā)使其具有銀色外表，提高了螞蟻體表在可見光和近紅外波段的反射率，有效降低了熱量的吸收，因而能在炎熱的沙漠中生存[34]。

光潔度高的金屬表面對(duì)太陽輻射與紅外輻射的反射率均較高，將銀、鋁等金屬顆粒或氧化物納米粒子經(jīng)過處理后，混紡、涂覆在到服裝紗線中或直接涂覆在服裝外表面形成涂層，可以有效反射太陽光，防止服裝材料吸熱，在戶外高溫環(huán)境下使人體免受傷害。Wei等[35]使用氧化鋁-醋酸纖維素涂層得到可以使模擬皮膚溫度降低約2～8 ℃的改性T恤。此改性T恤太陽能反射率提高20%左右，避免人體皮膚升溫約1.0 ℃，相應(yīng)的織物內(nèi)表面溫度降低約 3 ℃。Jing等[36]采用靜電紡絲方法制備了一種由直徑為0.5～2.5 μm的聚偏氟乙烯/氧化鋁纖維組成的用于日間輻射冷卻的混合薄膜。該復(fù)合薄膜的平均太陽反射率為0.97，平均凈輻射冷卻功率為82.7 W/m2，在陽光直射下的降溫溫度可達(dá)4.0 ℃。

2.3 中紅外高透過輻射降溫材料

中紅外高透過輻射降溫材料幾乎對(duì)7～14 μm中紅外波長(zhǎng)的人體熱輻射透明，人體發(fā)出的熱輻射可以無障礙或幾乎沒有障礙地通過材料防止熱量積聚，而對(duì)人體產(chǎn)生降溫效果。在室內(nèi)環(huán)境下，人體紅外輻射熱量可以占到人體總散失熱量的50%，因此設(shè)計(jì)一種高效散失人體紅外輻射熱量的服裝材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)人體降溫具有重要意義。Hsu等[37]研究出納米孔聚乙烯(NanoPE)膜，在室內(nèi)炎熱環(huán)境下維持人體熱舒適時(shí)，其空調(diào)設(shè)定制冷溫度比穿戴棉織物時(shí)設(shè)定的溫度提高1～4 ℃，可節(jié)省至多45%的能源，有利于節(jié)約能源，減少二氧化碳排放。由于聚乙烯(PE)材料只有碳碳雙鍵和碳?xì)滏I，遠(yuǎn)離人體主要紅外輻射譜，因此對(duì)中紅外人體輻射透明。在對(duì)其一系列改進(jìn)之后提高了其吸濕性、透氣性、耐磨性等，使其具有良好的穿著舒適性。如圖3所示，只有NanoPE同時(shí)滿足紅外透明、可見光不透明和空氣對(duì)流。

圖3 正?？椢?棉織物)，NanoPE和普通PE的溫度調(diào)節(jié)機(jī)制比較

由于普通NanoPE膜穿著不舒適，不能直接作為織物材料使用，因此Peng等[38]設(shè)計(jì)出一種制造NanoPE纖維的新工藝，將石蠟油作為高分子聚乙烯的溶解劑，由擠出機(jī)生產(chǎn)擠出纖維并編織為織物，然后在PE超細(xì)纖維中嵌入納米孔洞，即使其對(duì)可見光不透明，又十分柔軟。室內(nèi)佩戴此種織物可使空調(diào)溫度設(shè)定制冷值增加 2.3 ℃，節(jié)約能耗約20%。在此基礎(chǔ)上，各種類型紅外透明紡織品被開發(fā)，在室內(nèi)降溫測(cè)試中表現(xiàn)出良好的冷卻性能。為了實(shí)現(xiàn)人體在室外著裝條件下的降溫，研究者Cai等[39]將ZnO納米粒子嵌入納米多孔聚乙烯紡織品中，并改進(jìn)穿著舒適性，通過反射陽光和透過人體熱輻射實(shí)現(xiàn)室外輻射降溫。在夏季晴朗戶外，此種織物與棉織物等傳統(tǒng)紡織品相比，避免皮膚模擬器升溫 10 ℃，對(duì)應(yīng)冷卻功率超過200 W/m2。同時(shí)，大量的研究學(xué)者仍在不斷探索中紅外高透過輻射降溫材料在服裝上的運(yùn)用，所制造的各種紅外透明紡織品在室內(nèi)或室外都達(dá)到了令人滿意的降溫能力。

2.4 中紅外高發(fā)射輻射降溫材料

由于紅外透明的紡織品不能隔絕外部中紅外輻射進(jìn)入，導(dǎo)致人體可能從外部吸收熱量，因此人們逐漸研究紅外發(fā)射材料來解決這一問題。人體皮膚就是一個(gè)很好的紅外發(fā)射體，室內(nèi)人體正常皮膚溫度約為 33.5 ℃，發(fā)出波長(zhǎng)范圍為 7～14 μm的中紅外熱輻射。與高透過輻射降溫材料不同，中紅外高發(fā)射輻射降溫材料具有高中紅外發(fā)射率，可以使人體熱輻射通過8～13 μm的大氣紅外透明“窗口”傳輸?shù)胶涞耐鈱涌臻g(3 K)。普通高發(fā)射輻射降溫材料在夜間利用輻射降溫效應(yīng)可產(chǎn)生高效降溫效果，如何提高高發(fā)射率材料在日間的降溫效果，增加服裝材料對(duì)陽光的反射，同時(shí)增強(qiáng)其紅外發(fā)射性能，越來越吸引研究者們的興趣。受生物界撒哈拉銀蟻毛發(fā)以及野生蠶蛾(彗星蛾)繭纖維結(jié)構(gòu)[40]的啟發(fā)，人們不斷展開對(duì)高發(fā)射輻射降溫材料的探究，研發(fā)出許多柔性的被動(dòng)日間輻射降溫膜或發(fā)射體。

Jeong等[41]模擬撒哈拉銀蟻毛發(fā)提出一種幾何改性聚合物基日間被動(dòng)輻射冷卻器。由兩層組成，頂層是由PDMS和SiO2組成的中紅外發(fā)射層，輻射強(qiáng)度為8～13 μm，底層是由Ag組成的反射層，太陽反射率高達(dá)95%以上。在PDMS層上制備了三角棱柱毛，提高了中紅外發(fā)射率從而提高降溫效果。Zhang等[42]受可反射陽光并發(fā)出熱輻射天牛甲蟲三角形橫截面絨毛啟發(fā)，制備了一種由微金字塔陣列聚合物基體和隨機(jī)陶瓷顆粒組成的光子薄膜。可反射95%的太陽輻射，紅外發(fā)射率超0.96，在陽光直射下溫度下降高達(dá) 5.1 ℃。Xiao等[43]開發(fā)了一種紅外輻射增強(qiáng)納米纖維膜，能選擇性地將人體的熱輻射輻射到寒冷的外層空間。它由聚酰胺6(PA6)納米纖維和隨機(jī)分布的SiO2亞微米球組成，PA6納米纖維具有紅外高透明性，SiO2亞微米球增加了紅外輻射(約9 μm)的共振吸收，提高了其紅外發(fā)射率。晴空下，此納米纖維膜溫度比商用紡織品低0.4～1.7 ℃，當(dāng)封閉裝置中導(dǎo)熱和對(duì)流隔離時(shí)，其溫度比環(huán)境溫度低1.0～2.5 ℃。

3 雙向調(diào)溫服裝材料

傳統(tǒng)紡織品不能隨環(huán)境變化而變化進(jìn)行人體熱管理，而雙向調(diào)溫服裝材料經(jīng)過自身或人為干預(yù)后能對(duì)環(huán)境變化做出相應(yīng)變化以進(jìn)行熱管理，是一種具有保暖和降溫雙向溫度調(diào)節(jié)作用、以改善舒適性為主要目的的新型材料。雙向調(diào)溫服裝材料主要包括自適應(yīng)雙向調(diào)溫服裝材料和雙面調(diào)溫服裝材料等，通過服裝材料調(diào)節(jié)人體熱輻射、增強(qiáng)人體熱對(duì)流等[44]。

3.1 自適應(yīng)雙向調(diào)溫服裝材料

多模態(tài)自適應(yīng)材料在不同環(huán)境可自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱輻射、熱對(duì)流控制，也可兼具兩者調(diào)控，有效調(diào)節(jié)人體與環(huán)境間熱傳遞從而調(diào)控人體體溫。Li等[45]設(shè)計(jì)出一種濕響應(yīng)皮瓣、多模態(tài)自適應(yīng)可穿戴設(shè)備，如圖4所示，可以同時(shí)調(diào)節(jié)人體對(duì)流、汗液蒸發(fā)和中紅外發(fā)射，相比傳統(tǒng)紡織品熱舒適區(qū)域擴(kuò)大了30%左右。當(dāng)處于高溫環(huán)境人體出汗時(shí)，具有濕度敏感性的尼龍襟翼的打開和關(guān)閉可以調(diào)節(jié)人體熱對(duì)流和蒸發(fā)熱交換，使人體降溫；在寒冷環(huán)境下，尼龍襟翼關(guān)閉，頂部SEBS納米復(fù)合材料的紅外低發(fā)射率可以有效抑制輻射熱損失實(shí)現(xiàn)保暖。Zhang等[46]設(shè)計(jì)出的超纖維，由疏水性三醋酸酯和親水性纖維素基材料組成，它們對(duì)濕度具有不同的膨脹系數(shù)，因此可以在“打開”和“關(guān)閉”狀態(tài)之間切換以調(diào)整傳統(tǒng)熱交換，例如對(duì)流和蒸發(fā)，最大限度地提高個(gè)人在炎熱出汗環(huán)境下的降溫或在寒冷干燥環(huán)境下的保暖。

圖4 多模態(tài)自適應(yīng)可穿戴設(shè)備的工作原理及可穿戴式運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后照片

相變材料也可用于自適應(yīng)個(gè)人熱管理領(lǐng)域，相變微膠囊是一種典型的自適應(yīng)雙向調(diào)溫服裝材料，具有雙向溫度調(diào)節(jié)性和環(huán)境適應(yīng)性，可以根據(jù)環(huán)境溫度智能調(diào)節(jié)服裝溫度，集降溫保暖于一體，使人體適應(yīng)多變的環(huán)境溫度。其利用相變材料隨外界環(huán)境溫度變化而發(fā)生液-固相轉(zhuǎn)變可逆變化，即當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)吸收儲(chǔ)存熱量，自身由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；當(dāng)溫度降低時(shí)，釋放儲(chǔ)存熱量，自身由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)紡織品的自適應(yīng)雙向調(diào)溫，使人體達(dá)到熱濕舒適狀態(tài)。Outlast空調(diào)纖維是一種典型的應(yīng)用微膠囊技術(shù)的智能溫控纖維[47]，采用該纖維混紡制成的紗線及織物，既有棉的舒適性，又能根據(jù)季節(jié)溫度變化，使人始終處于舒適狀態(tài)。目前，Outlast空調(diào)纖維已廣泛用于床上用品、內(nèi)外衣、戶外服裝等[48]。

3.2 雙面調(diào)溫服裝材料

與自適應(yīng)雙向調(diào)溫材料不同，雙面調(diào)溫服裝材料服裝不會(huì)自動(dòng)隨著環(huán)境變化而變化，其內(nèi)外表面具有不同的反射率、發(fā)射率或傳熱系數(shù)等，通過翻轉(zhuǎn)服裝內(nèi)外表面可以實(shí)現(xiàn)雙向保暖和降溫。

Luo等[49]研發(fā)出一款整體厚度約0.3 mm的室外人體熱管理微納織物。其由三層組成，最上層白色層為多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂層涂覆的膨體聚四氟乙烯(ePTFE)材料，該材料主要用于防水透氣織物；中間層為帶有納米孔的鋁；最下層黑色層為涂覆納米顆粒的納米孔聚乙烯，僅有 16 μm 厚，納米顆粒主要包含金屬鋅和金屬銅，納米孔使其具有優(yōu)良的透水汽性能。在高溫環(huán)境下，將白色層朝上，可以高效散射太陽光，增強(qiáng)輻射散熱，防止吸熱；在寒冷環(huán)境下，將黑色層朝上，低發(fā)射率可以有效抑制輻射散熱，并吸收太陽輻射能量實(shí)現(xiàn)保暖功能。Hsu等[50]設(shè)計(jì)出一種由嵌入在紅外透明納米多孔聚乙烯(NanoPE)層中的雙層發(fā)射器組成的雙?？椢?。發(fā)射率和納米PE厚度的非對(duì)稱特性產(chǎn)生兩種不同的換熱系數(shù)，在低發(fā)射率層面朝外時(shí)可以實(shí)現(xiàn)加熱，而在高發(fā)射率層面朝外時(shí)則可以實(shí)現(xiàn)散熱，將人體熱舒適區(qū)擴(kuò)大6.5 ℃，如圖5所示。雙面調(diào)溫服裝材料在戶外運(yùn)動(dòng)服裝、防寒滑雪服裝、防曬服裝等有廣闊的應(yīng)用前景，目前已成功被制作為兩面穿夾克，其中，銀色面外穿保暖，冷黑色面外穿降溫，且超薄透氣、防風(fēng)防雨。

圖5 基于紅外光學(xué)調(diào)控的雙?？椢锕ぷ髟?/p>

4 總結(jié)與展望

本文綜述了被動(dòng)調(diào)溫服裝在實(shí)現(xiàn)人體熱濕舒適方面的機(jī)理以及各種調(diào)溫服裝新材料的研究應(yīng)用。傳統(tǒng)紡織品各有其缺點(diǎn)而無法在極端氣候條件下使用，先進(jìn)的個(gè)人熱管理技術(shù)則打破這些限制，被動(dòng)調(diào)溫紡織品以“環(huán)境-服裝-人體”系統(tǒng)為研究對(duì)象，依靠系統(tǒng)傳熱特性和對(duì)面料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不需任何外部能量輸入而調(diào)節(jié)人體與外界環(huán)境間的微氣候，調(diào)控人體溫度，維持人體熱平衡和熱濕舒適。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已從調(diào)溫材料、調(diào)溫機(jī)理、服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對(duì)被動(dòng)調(diào)溫服裝材料展開研究，并且將研究成果成功應(yīng)用于市場(chǎng)中。然而，現(xiàn)階段的被動(dòng)調(diào)溫服裝材料的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。被動(dòng)調(diào)溫服裝作為維持人體熱平衡的服裝，第一要解決服裝響應(yīng)能力及耐用性問題。在環(huán)境溫度快速變化時(shí)，服裝能否根據(jù)環(huán)境變化快速做出響應(yīng)并在循環(huán)多次后，仍為人體高效散熱或保暖。例如相變材料相變反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短及頻繁使用后其反應(yīng)時(shí)間和降溫能力是否會(huì)發(fā)生變化。第二要解決穿著安全性及生態(tài)健康問題。例如相變降溫材料是否有較大泄露風(fēng)險(xiǎn)且具有毒性，調(diào)溫服裝是否會(huì)引起低溫凍傷或燙傷，靜電紡絲納米纖維溶劑是否對(duì)人體無毒無害，是否符合生態(tài)環(huán)保理念等。第三要解決穿著性及舒適性問題。在被動(dòng)保暖和降溫服裝中經(jīng)常使用的各種金屬納米顆粒制作出的服裝是否具備可裁剪性、穿著舒適性等，靜電紡絲納米纖維及各種溶劑基復(fù)合物薄膜是否具有良好的透氣性、透濕性和接觸舒適性等。第四要解決執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)欠缺及舒適評(píng)價(jià)性問題。智能調(diào)溫紡織品作為一種新型的服裝材料，尚且處于發(fā)展階段，需要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范各類智能調(diào)溫服裝的面料縫制、服用安全舒適性、水洗色牢度等問題，熱舒適是人體基于生理和心理的一種主觀感覺，智能調(diào)溫服裝基于生理/心理統(tǒng)計(jì)分析的熱舒適評(píng)價(jià)性問題仍然需要進(jìn)一步探索。

在未來，隨著傳感器和智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，智能調(diào)溫紡織品將繼續(xù)深化新型調(diào)溫材料的研發(fā)，探討更高性能、更環(huán)保的產(chǎn)品；簡(jiǎn)化研發(fā)制備工藝，降低研發(fā)成本，更好進(jìn)行市場(chǎng)化推廣；改進(jìn)被動(dòng)調(diào)溫服裝的制備方式，使紡織品更舒適耐用，更符合人們的需求；探索更智能的連接，創(chuàng)造出智能靈活、自適應(yīng)的數(shù)字化智能紡織品及智能可穿戴設(shè)備，且能與智能手機(jī)等智能設(shè)備云結(jié)合或打造出智能織物空間，并可以嵌入到任何使用面料的產(chǎn)品中，為人們提供多樣化服務(wù)[51-52]?？傮w來說，被動(dòng)調(diào)溫紡織品在維持人體熱舒適領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此對(duì)于智能調(diào)溫紡織品的研究仍需繼續(xù)深入，以期更快打造新型智能紡織品。