智能相变调温纺织品在运动服上的应用研究*

(武汉纺织大学体育课部, 武汉, 430073)

自然界物质存在三种基本状态：固态、液态、气态，在一定温度条件下这三种状态可以相互转化，其转化过程称之为“相变”[1]。物质在三种状态的相变过程中有吸热和放热的物理现象发生，并通过吸收、储存和释放能量改变相或状态，这种材料称为相变材料(Phase Change Materials,简称PCM)。将相变材料技术与纺织品织造技术相结合可以开发出一种智能相变调温纺织品[2]，这种纺织品制成服装后具有双向温度调节的作用。目前，相变调温纺织品已成为国内外纺织功能性产品的研究热点，但在运动服装领域的应用研究尚不多见。根据人体运动时热量排放和温度变化的特点，该纺织品在运动服装领域将会有较大的应用价值。

1 智能相变调温纺织品的作用机理

利用物质相变的特性，在纺织品的制备过程中引入相变温度适应人体体温变化的相变材料，赋予纺织品在设定温度下吸收或释放热量的功能[3]。当体表温度升高时，纺织品中的相变材料从固态变为液态，吸收热量，从而降低体表温度；相反，当体表温度降低时，纺织品中的相变材料从液态变为固态，放出热量，从而提高体表温度，使人体体温始终保持在舒适的范围内。智能相变调温纺织品的调温机理与传统保温衣物不同之处在于：传统衣物主要是利用空气热传导率极小的原理，采用提高织物内部静止空气量的方法来隔绝热传导，绝热效果主要取决于织物的密度和厚度；而智能相变调温纺织品则是利用相变材料在相变过程中吸收或释放的热量使温度保持恒定，是一种“热”调节(图1)。这体现在当内外环境温度突变时，纺织品在一定时间内可以保持人体“衣内微气候”的温度基本恒定,从而可以防止热应激。将智能相变调温纺织品的这一特性应用在运动服装领域，可以防止运动员因运动时产生“热量尖峰”和运动后身体过冷带来的伤病。

2 运动用智能相变调温纺织品的相变材料应具有的特点

相变材料有很多种，主要有无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。相变材料的温度变化范围较为宽泛，但由于人体体表及周围的环境温度有一个较稳定的范围，再加上服用纺织品加工和应用的特殊要求，缩小了运动用相变材料的选

1——接触 皮肤接触对身体微气候有影响的温度变化；2——放热 当体温太高时，身体会释放多余的热量；3——储存 Outlast技术吸收多余的热量，将其储存在Outlast微胶囊材料里；4——再放热 当体温开始降低时，微胶囊材料会向身体释放储存的热量；5——恒温 上述过程的结果是使皮肤周围始终有一个舒适区图1 美国Outlast技术工作原理[4]

用范围。因此，选择应用于运动服装领域的相变材料应具备以下特点:

(1)适合的相变温度。应用在运动用纺织品中的相变材料，应根据运动的季节和气候、环境温度以及具体应用场合的不同进行选择。用于制备严寒气候条件下的运动服装，应选用相变温度在18.33～29.44 ℃之间的材料；用于制备温暖气候条件下的运动服装，应选用相变温度在26.67～37.78 ℃之间的材料；用于制备炎热地区或大运动量条件下的运动服装，应选用相变温度在32.22～43.33 ℃之间的材料。

(2)储热能力强。选择的相变材料既要相变潜热大，又要单位质量和单位体积材料储存的热量多。

(3)材料相变时体积和硬度变化小。如果在相变过程中相变材料的体积增大、硬度增强，会造成运动服装的物理性能改变，影响运动员水平的发挥。

(4)相变过程中导热快、可逆性好。 相变材料应具有较强的传热能力，吸热和放热速度快，还必须能在恒定的温度下很好地融化及固化。

(5)安全可靠。选用的相变材料有时会与人体的皮肤直接接触，因此其化学性质必须稳定,对人体无毒无害。

(6)重复使用性强。运动服一般都要多次穿着使用，要耐清洗。

(7)价格低。只有价格适中，受众面广，市场推广效果才会好。

3 智能相变调温纺织品的制备方法

目前智能相变调温纺织品的制备方法主要有纤维纺丝法和涂层法两种。

3.1 纤维纺丝法

纤维纺丝法主要分为微胶囊纺丝法、复合纺丝法和中空纤维填充法等。需要注意的是用纤维纺丝法纺丝时因添加了相变材料，导致纺出的纤维强力较低，难于直接纺纱和织造，因此通常采用与其他纤维混纺成纱的工艺。

3.1.1 微胶囊纺丝技术

微胶囊纺丝法是目前加工相变纤维最先进的方法之一。在聚丙烯腈系列纤维的溶液纺丝中加入平均直径 1～5 μm的含有相变物质的微胶囊(图2), 可得到蓄热能力显著提高的相变纤维[5]。美国Outlast技术公司利用微胶囊技术专利，开发出了满足用于生产针织物和机织物要求的蓄热调温纺织品，其纤维线密度最低可达到2.2 dtex。

图2 涂于织物表面含有Outlast技术的微胶囊[6]

3.1.2 复合纺丝技术

复合纺丝法是通过喷丝板挤出含有相变材料的高聚物纺丝液，得到具有并列结构和皮芯结构的复合纤维，相变材料直接嵌入纤维内部，使纤维具有吸收和释放热量的功能。美国Outlast公司应用复合纺丝技术制备出了相变调温聚丙烯腈纤维，其线密度达到了2.2、3.3和5.0 dtex[7]。

3.1.3 中空纤维填充技术

在纤维织造前，为防止相变材料泄漏而降低调温效果，采用将微型相变材料封装充填到中空纤维的中空部分，并用树脂将纤维包覆的方法来达到持久调温的目的。Vigo等人利用相变盐在室温下发生熔融和结晶的特性，在中空纤维的中空部分充填带有结晶水的无机盐，获得了具有吸热和放热功能的相变纤维[8]。

3.2 涂层法

将含有平均颗粒直径为5 μm的智能调温微胶囊相变材料(图3)与消泡剂、黏合剂等混合制成涂层液，采用热转移涂层技术整理到织物或非织造布表面上，在一定温度下干燥，并皂洗，可以获得具有智能调温功能的织物(图4)。Harlan等人曾让运动员穿着采用该织物制成的滑雪运动服进行了滑雪运动试验，大部分运动员对该服装的防风效果和保暖效果表示认可[7]。

图3 相变材料微胶囊扫描电镜照片[9]

图4 涂层织物扫描电镜照片[9]

4 相变调温纺织品在运动服上的应用

4.1 人体运动与温度的关系

在正常条件下，人体机体深部的体温较为恒定和均匀，一般在36～37 ℃(腋下)之间，而体表皮肤的温度受多种因素影响，变化和差异较大。人体舒适的环境平均温度在33.4 ℃左右。一般情况下，皮肤温度与环境温度差若在1.5～3.0 ℃范围内时，人体对温度的变化感觉不明显；但若该温度差超过±4.5 ℃范围时，人体就会感知温度的变化[8]，这时人体将会产生应激反应。当温度过高时，通过出汗、扩展体表毛细血管来散发热量；当温度过低时，通过收缩血管、肌肉紧张、战栗等自身调节行为调节产热量。应激反应可使人体核心温度维持在基本正常范围内，但是若皮肤温度与环境温度差严重偏离时，人体就必须依靠服装来控制人体与环境之间的热交换。

人体在运动时皮肤的温度变化较大。运动中身体产热量最多，可以高达安静状态的10～15倍，皮肤温度会快速升高。例如，400 m快跑时腋下的温度可能升高到37.5 ℃。虽然运动中身体会在神经系统的调节之下加强散热，通过蒸发汗液来散热，但是散热过程总是落后于产热过程，所以运动中体温还是会逐渐升高。这时，运动员如果没有得到及时的降温、休息，就会感到头晕、浑身乏力，甚至休克。而当运动停止后，人体皮肤温度快速降低，这时身体最需要的是保温，否则人体容易患伤病，也不利于运动后疲劳的恢复。

4.2 运动用智能相变调温纺织品对运动的影响

智能调温运动服具有可逆的贮存热量和释放热量的功能。调温运动服在运动员进行剧烈运动时能吸收运动时产生的过多热量，调节运动员的体温；当运动停止后释放热量，保持人体的温度。因此，调温运动服可以避免身体的过热与发冷。

人体在运动时，皮肤温度升高的程度与运动强度、运动时间、运动环境和身体素质等有关。虽然环境温度对于皮肤温度有影响，但是运动中身体的温度在更大程度上还是取决于运动的强度和时间。因为人体在运动时产热加强，即使是在低温环境下进行10 km的滑雪运动，由于时间长、强度大，人们的身体又裹在厚厚的衣服里，散热困难，腋下温度还是可以升高到36.89 ℃。采用智能相变调温纺织品制成的智能运动服装可主动、智能地控制身体体表的温度。当皮肤温度升高时，体表多余的热量被相变材料主动吸收，降低体表温度；当皮肤温度降低时, 相变材料放出热量,以保持人体舒适的体表温度。通过智能调节服装内温度的方式，可以保证人体特定的部位处于恒定的微气候，使运动员的身体始终保持较舒适的状态，有利于提高其运动能力和运动成绩。

同时，人体是一个散热散湿体，运动时身体会产生大量的热量，导致体温升高，此时人体会通过皮肤排汗来散发热量，维持体温的恒定。而人体出汗会导致服装内湿度上升，如果服装的包裹阻止了快速的散热散湿，就会形成“热量尖峰”，给人体带来不适感，从而影响运动水平的发挥。因此，智能相变调温纺织品在注意服装的吸热和放热功能的同时，还应使用含有Cool-max、Cool-plus等有吸湿排汗功能纤维的混纺纱，使人体在穿着运动时有一个干爽舒适的“衣内微气候”环境，对提高运动的舒适感和运动成绩有较大的帮助。

4.3 智能相变调温纺织品在运动服上的应用前景

目前，在美国和欧洲市场上开始出现用Outlast、Cool-max 混纺纱线织出的面料制作的运动服，该运动服具有良好的调温性能、保暖性能和吸湿排汗功能。近几年，我国上海三十六棉纺针织服装厂也对智能调温纤维、智能调温功能纱线、调温功能面料及调温功能性服装进行了产业链的研发与创新工作，形成了4个系列纱线:智能保暖系列、运动系列、凉爽系列和多功能调温系列。用此类纱线织成的面料已经进入了产业化研究及市场推广阶段，但这些面料主要还是应用于制备户外服装和内衣，而在众多系列的运动服中应用较少，因此应加大智能相变调温纺织品在运动服上的应用[10]。

4.3.1 选择适合运动项目要求的相变材料

运动项目按竞技能力的主导因素分类可分为体能主导类(包括田径、自行车、划船、滑雪、滑冰等)和技能主导类(包括体操、球类、击剑、射击、射箭等)。各个项目运动时身体的热量排放不尽相同，寻找和选择在某项运动中适合人体运动时热量排放和温度变化的相变材料，研究材料的蓄热能力、热传导能力、安全性和可重复使用性等应作为运动用智能相变调温纺织品研究的重点。

4.3.2 选择适合智能相变调温纺织品的制备工艺

智能相变调温纺织品最重要的是调温能力，夏季奥运会和冬季奥运会所设项目对服装调温性能的要求有较大不同。纺织品中相变材料的添加量是体现调温能力的重要指标。在制备工艺中对调温材料添加比例的控制需作进一步的探索。

此外，运动服装一般要求具有透湿、排汗、抗撕破、易洗和耐磨等特点，而单纯用相变材料制成的纤维尽管调温效果不错，但纤维强度低、易断裂，纺纱较困难。采用混纺比为50%的相变调温纤维与Cool-max纱线混纺工艺，织出的面料具有良好的调温性能、保暖性能和吸湿排汗功能，抗断裂能力也很强。

4.3.3 加大智能相变调温纺织品在各运动项目中应用的研究力度

不同运动项目的运动环境和运动时身体热量排放各不相同，因此对服装的要求也不尽相同。冬季运动项目要求保温效果好，要求服装有一定厚度，层次多；夏季运动项目则要求降温效果好，要求服装薄，吸湿排汗效果好。因此，开发适合不同运动项目的智能相变调温运动服非常必要。同时，还要加强对相变调温纺织品的蓄热调温性能的测试研究，测定相变材料吸热时温度变化程度和相变影响的持久性，以及其对运动带来的影响。这是拓展运动用智能相变调温纺织品在更多系列运动服中应用的重要基础之一。

5 结语

智能相变调温纺织品作为一种新型智能纺织品，由于其相变材料吸收或释放热量的特点能使人体体表温度保持相对恒定，应用在运动服装领域将有助于运动员更好地发挥运动水平，防止因“衣内微气候”的温度过高或过低给人体造成的伤害。因此，研究用于运动服装领域的相变材料及其制备方法，开发制备适合不同运动项目的智能相变调温运动服非常重要。加强此类新型材料的性能测试及该类服装对运动带来的影响的研究，将大大拓展运动用智能相变调温纺织品在更多系列运动服中的应用，发展前景广阔。

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[5] 李娜娜.智能调温纤维及其纺织品[J].上海纺织科技，2010(3)：15-17.

[6] Online Computer Library Center，Inc. History of OCLC[EB/OL]．[2014-02-28]http://www.tex365.com/news/newsdetail.asp?id=34967

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