常见絮用纤维制品的保暖性研究

王莉++王健红

Study on the thermal insulation of wool fiber products

摘要：本文介绍了絮用纤维制品的保暖机理和影响因素，并分析了常见的几种纤维的保暖特性以及其絮用制品的保暖性能。

关键词：保暖性；机理；纤维；絮用纤维制品

保暖材料最先是从自然界中获取的最传统的保暖材料，即天然保暖材料，如棉、麻、蚕丝和各种动物的毛绒等，这些传统保暖材料一直沿用至今，但随着经济的快速发展和市场的扩大，人们开始寻求保暖材料的多样性和更好的保暖性能。本文将就目前常见的絮用纤维的保暖性进行分析。

1 保暖材料的分类

按照保暖材料原料的来源来看，保暖材料可以分为三大类：天然保暖材料、合成保暖材料和混合型保暖材料[1]。其中天然保暖材料所用的纤维又分为植物纤维和动物纤维，主要包括棉纤维、木棉纤维、羊毛纤维（山羊毛、绵羊毛、驼毛等）、羊绒、驼绒、羽绒（鹅绒、鸭绒、鹅鸭混合绒、粉碎绒）和蚕丝等[2]。一般的合成纤维都可以用作保暖材料，如丙纶、涤纶、粘胶纤维、腈纶等。

按照加工设备和加工方法的不同又可以把保暖材料分为普通型保暖材料和超细型保暖材料[1]，目前而言，这类新的产品主要是超细型保暖材料，它的比表面积大，能够吸附更多的空气，再加上材料本身的超细纤维和高孔隙率[3]，其制品具有良好的柔软度、透气透湿性和去污性能。而且不同的纤维具有不同的传热系数。

根据保暖性能的能动性，保暖材料通常可分为消极保暖材料和积极保暖材料[4]。所谓消极，指的是只能通过减少散热或阻止散热的途径来达到保暖的效果，如传统的天然保暖材料、合成纤维和混合型纤维。所谓积极，指的是材料不仅像传统保暖材料那样，还能够根据外界温度的变化和人体散热量的多少自动调节温度的变化，使人体始终处于温暖舒适的环境中，如蓄热保暖材料、陶瓷纤维和发热保暖服装材料等。本文主要研究消极保温材料，目前我们在市场上所见到的大多都是消极保暖材料，这些材料运用比较广泛。

3.2 保暖材料的保暖机理

保暖材料的作用是在各种环境中，人体通过服装、被褥、睡垫等保暖御寒，使得人体自身产生的热量和向环境散失的热量之间的能量交换达到相对平衡[1]，从而达到人体的热舒适感。尤其是在低温环境中，保暖材料可在很大程度上减少人体热量的散失，其保暖性能是由三部分产生的综合效应[5]：

Rt=Rc+Ri+Ro 式（1-1）

式中：Rt-被胎总热阻，（㎡·K/W）；Rc-被胎自身热阻，它取决于被胎材料的热阻，（㎡·K/W）；Ri-人体与被胎间空气层的热阻，（㎡·K/W）；Ro-被胎表面滞留空气层的热阻，（㎡·K/W）。

保暖性能最重要的部分是材料自身的热阻，而材料是由纤维、空气和水分共同组成的集合体，由此可见，保暖材料的保暖能力为该集合体的综合热阻，所以本文将主要从这三个方面展开研究。

保暖材料的保暖机理分为两大类：一类是消极方式，阻止或减少人体热量散失；另一类是积极方式，能吸收外部热量或人体散发的热量[6]。消极方式主要是通过热传导、热辐射和热对流和增加静止空气的含量来减少或阻止热量传播的三种途径来实现的。热传导的速度大小取决于材料内部的结构特点；热辐射的大小取决于材料本身的形状；热对流速度的快慢取决于材料的结构，看絮片中储存的静止空气的含量和材料对空气的吸附能力和空气流动的阻碍能力大小。一般来讲，材料本身热传导速度越慢，纤维直径越小，比表面积越大，材料内部储存的静止空气越多、流动性越小，则产品的保暖性越好。

积极的保暖原理主要有以下几种方式：一是保暖性材料能够吸收外界的热量，如人体自身散发的热量；二是保暖性材料本身可根据外界温度的变化，自身的形态会发生变化，如从固态变成液态（吸收热量），从液态变成固态（释放热量）等；三是保暖性材料可以把电能转化成热能。这些积极保暖性材料可以能动地调节温度的变化，更加舒适、人性化。同时可将积极保暖性材料同消极保暖性材料相结合，开发出性能更加优良的保暖性材料。

3.3保暖性影响因素

①纤维线密度。纤维的线密度是指单位长度内的纤维的重量克数，一方面，纤维线密度越小，单位重量的纤维根数越多，比表面积大，对空气的粘附能力增加，从而使静止空气的含量增加和流动性减弱而使得保暖性提高；另一方面，纤维线密度越小，纤维根数多而静止空气被较多的纤维分隔，从而阻碍了空气的对流，使得保暖性提高[7]。如果纤维较细，相同重量其纤维的根数多，对热辐射的反射能力较强，使得人体所辐射的热量能以较高的比例反射回人体，从而达到保温效果，但纤维细度要控制在一定的范围内，若纤维过细，保暖性能下降。这是因为纤维过细，受压后不易恢复到其原来的蓬松度而使保暖性有所下降。

②纤维异形截面。异形截面纤维即非规则（圆形）截面纤维，可以使用非圆形纺丝孔得到这种类型的合成纤维。纤维异形化后可使织物的光泽，硬挺度，弹性、吸湿等性能得到不同程度的改善。中空截面纤维密度低，弹性优良，蓬松性良好。异型截面的纤维或中空纤维能够较多地吸附、储存空气，并能增加空气的流动摩擦力和增加热辐射的反射能力，这些性能使得材料的保暖性大大提高[2]。目前市场上的单孔、四孔、七孔纤维[6]等都属于中空纤维。

③纤维弹性。弹性较好的纤维制作的絮片一般蓬松度比较大，其储存的静止空气量相对较多，保暖性较好。在纺织材料中，羊毛、腈纶、涤纶等的弹性比较好，可以采用这三种材料来加工作为填充絮料，可提高保暖材料的膨松度。另外可用高弹性纤维经过机械梳理成网或黏合剂粘合固结来生产新型高膨松絮料，来提高保暖材料的保暖性。

④絮片厚度。絮片的厚度是决定絮片保暖性能的重要要素，是絮片含有静止空气量的主要指标[9]。当絮片的厚度较小时，絮片内含有的静止空气量较少，随着絮片厚度的增加，絮片内还含有的静止空气量随之增加，保暖性也随之增加；当絮片厚度继续增加时，絮片的保暖性增加的并不明显；当絮片厚度达到一定值后，厚度增加时絮片的保暖性几乎不再变化。因而，絮片类保暖性材料在实际应用中并不是越厚越好。在外界环境温度一定的情况下，选择合理的絮片厚度，能达到既具有良好的保暖效果，又节约材料，且使得服装在穿着时不显得太臃肿。

⑤填充量。提高保暖材料的保暖性能的有效途径之一就是增加它的内部静止空气的含量[27]。我们可以通过增加织物的厚度来增加织物保暖性能，即填充量的增加。填充量对保暖性的影响总的趋势是随着填充量的增加，絮片的保暖性提高。

⑥蓬松度。蓬松度对保暖性的影响总的趋势是保暖性随膨松度的增大而增大，但当蓬松度达到一定的值以后，其保暖性下降。这是因为随着膨松度的增加，絮片逐渐变厚，储存的静止空气随之增加，其保暖性提高；当蓬松度达到一定值以后，絮片中的空气含量增加，空气流动加快，由此造成的热量损失增加，保暖性随之下降。因此，蓬松度适中，其保暖性好，又不至于太臃肿。

⑦水分的含量与环境干湿度。众所周知，衣服洗了要晾晒，被子潮了要晾晒，这是因为保暖材料在干燥和潮湿的条件下，其保暖性是不一样的。拿羽绒来说吧，羽绒在干燥时保暖性超好，一旦潮湿，其保暖性下降很快，其保暖性几乎是干燥时的一半，故像羽绒服、羽绒被等不易经常洗涤，要放在通风处；又如腈纶和涤纶属于合成纤维，它们的大分子中缺少亲水性基团，回潮率分别为2%和0.4%，回潮率较小，吸湿能力差，在干燥和潮湿的条件下，回潮率变化不是很大，其保暖性变化也不是很大。一般情况下，像棉、羊毛、蚕丝、鸭绒和腈纶等作为保暖被胎的纤维在受潮后，其保暖性会有所下降，尤其是鸭绒。人在睡眠过程中会散发出一定的水分，通过床单和被子的散湿对于保持人体的热、湿平衡及睡眠舒适非常重要[19]。

⑧透气性。透气性指的是气体分子通过织物的性能，是织物通透性中最基本的性能。气体的流动和分子扩散运动以及气体中夹带的水汽，会形成热湿传递。织物的孔隙多少和空隙间的贯通，通道的长度、直径，和通道的排列方式和表面形状，织物的厚度和体积分数等是其最本质的影响因素。而絮片的保暖性主要与絮片中所含静止空气量和空气的流动性大小有关。透气性对保暖性有一定的影响，但相关度不大，可以说二者并不矛盾。就拿毛衣来吧，毛衣很保暖，但是这件毛衣的线圈不是很密集，让身体与大气有一定的接触面积，但毛衣保暖的面积大过于皮肤裸露于空气的面积，一定程度上这小小的裸露面积可以被忽略，这件毛衣就很保暖又透气。

⑨面料性质。同纤维材料的导热系数并不相同[8]，纤维的导热系数越小，其保暖性能越好，用导热系数较小的纤维的面料在其他条件相同的情况下，絮片的保暖性越好。另外，面料的后整理也对保暖性有很大影响，例如把陶瓷粒子、碳粒子等保温材料做成水溶性的或者是乳液状的印花浆料后赋予到织物上去， 使面料通过保温功能的后整理加工达到保温效果。

3.4 衡量保暖性的主要指标

热量传播的主要途径有传导、对流和辐射三种方式，热传导速度的快慢取决于材料本身的特性或内部结构；热量辐射和反辐射性能的好坏取决于材料本身的性质；保暖材料保持静止空气的多少及阻止静止空气流动能力的大小取决于产品结构。热量大部分通过纤维传递，一部分通过纤维间微弱的空气对流传递，一部分通过辐射传递的机理。如果人体表面有汗液等水分时，热量还会通过蒸发散失。目前保暖性的主要指标有传热系数、克罗值和保温率。

4常用絮用纤维制品的保暖性分析

4.1羊毛的保暖性能

羊毛纤维是天然的蛋白质纤维，回潮率在天然纤维中最好，吸湿性优良，具有良好的吸湿、透气、排汗功能。羊毛的以上诸多优点，使得羊毛被成为广大消费者的备选之一，但其也有自身的缺点。由于自身独有的鳞片结构产生的差微摩擦效应，羊毛纤维易毡缩；相对于蚕丝被和羽绒被，羊毛被较厚重，使用时会有轻微的压迫感。羊毛纤维较羊绒纤维粗，产品不如羊绒柔软贴身。另外，羊毛被不易打理，玷污后不易清洗，受潮后若处理不当，很可能产生异味。

4.2驼绒的保暖性能

驼绒是骆驼身上贴身的一层短绒毛。驼绒纤维为中空状的结构，这有利于空气的储存，是动物绒中耐寒较强，较为理想的天然御寒保健品之一。驼绒含有天然的蛋白质成分，不容易产生静电，不容易吸灰尘，对皮肤也无刺激过敏现象。驼绒还具有良好的耐磨性，其纤维细长、拉力大、弹性强，再通过先进的加工工艺使它具有了超强耐磨的特点。驼绒的保暖性能优良。在显微镜下观察驼绒，其表面呈鳞片结构，表层有胶质保护层，绒质本身是不吸收水分的，因而具有极好的隔潮性能。天气寒冷时可以降低热传导率，保暖性优过皮、棉；天气炎热时又可以排出多余的热量，使其内部的温度保持舒适。

4.3 棉花的保暖性能

棉纤维是传统的保暖材料之一，一直沿用至今，深受大家的喜爱。棉纤维的线密度小，纤维细，纵向有天然卷曲，横截面呈腰圆型，属于天然纤维，原棉的回潮率为11.1%，吸湿性好，具有良好的透气、吸汗性能，同时棉被在使用过程中不像化纤一样易起静电而容易玷污。棉纤维的导热系数是0.071～0.073W/（m2·℃），没有蚕丝、羊毛和羽绒保暖，但世界上棉纤维的种植面积大，棉纤维相对于蚕丝容易买到，而成本较低，故棉被价格实惠。棉纤维在阳光的照射下，会使棉纤维弹性恢复、伸长，棉被厚度增加，夜晚盖上后蓄热能源缓慢施放，可使人很舒服，很快进入深度睡眠。棉纤维的耐热、耐光性一般，受潮后容易板结，所以棉被要经常晾晒、拍打，以维持其保暖性，而且随着人们使用的时间变长，棉被的蓬松度就会下降，被胎絮片所含有的空气量也会降低，保暖性随之下降，这也是棉被需要不断翻新的主要原因。

4.4 蚕丝的保暖性能

蚕丝的组成的一部分：丝素和羽绒相似，具有多孔的结构，能够储存大量的静止空气，蚕丝的导热系数为0.05～0.055W/（m2·℃），相对较小，所以蚕丝的保暖性能优良。在常见的纤维中蚕丝的吸湿性较好，蚕丝被有良好的吸湿、放湿性能，故蚕丝素有“冬暖夏凉”之称。又因为蚕丝的吸湿性虽然没有羊毛的好，但比棉优良，不易产生静电，故蚕丝被内部不易脏。蚕丝属于蛋白质纤维，含有10种以上氨基酸，有安神、滋养以及平衡人体肌肤的功效，不会像羽绒、羊毛、羊绒和棉被等在刚入眠时感到冰冷。蚕丝滑爽、轻柔、透气、吸湿、没有刺痒感以及抗静电等优点，这些优点使其成为制作贴身衣物的上乘料子，对于治疗关节炎、风湿病、风湿性皮肤病等疾病也有一定的好处。而且蚕丝的压缩回弹性较好，我局对30条蚕丝被进行了压缩回弹性试验，通过试验结果证明，样品的弹性回复性能很好，几乎达到了100%。

4.5 鸭绒的保暖性能

羽绒通常是指长在鹅、鸭腹部柔软润滑的呈花朵状的毛羽，一般用作保暖絮片，而鹅、鸭身上呈片状的叫做羽毛，有时可打碎成为保暖材料的粉碎绒。羽绒一般分为鹅绒、鸭绒、鹅鸭混合绒和粉碎绒，其中鹅绒的保暖性最好，鸭绒次之，保暖性最差的是粉碎绒[2]。羽绒的结构并不像其他纤维一样，是细长的条状，而是呈树枝状的三维结构，绒枝围绕羽绒的主干以一定的间隔向不同的方向伸展。正是由于羽绒的这种特有的空间结构，使得羽绒具有比较高的蓬松度，在含绒率为50%的羽绒测试中，它的蓬松度相当于棉花的2.5倍，羊毛的2.2倍。同样体积的被子，羽绒被的重量最轻，约为棉被的1/3，羊毛丝被的1/2，所以羽绒被轻柔保暖，而且羽绒在受到一定外力作用时，能够起到一定的抗压作用，当压力去除后，能够以较快的速度恢复到原来的蓬松度。羽绒纤维上分布着成千上万个细小的空隙，能够储存大量的静止空气，对空气的吸附能力增大，同时当外界温度降低时，这些细小的空隙会收缩而能抵御外界冷空气的来袭。蓬松度高、一定的抗压性、细小空隙的存在等这些性能使得羽绒的保暖性能优良。

4.6 腈纶的保暖性能

在我国腈纶的商品名为聚丙烯腈纤维，在国外被称为“奥纶”、“开司米纶”。腈纶有“人造羊毛”之美称，其弹性及蓬松度类似天然羊毛[12]。腈纶纤维的密度小，仅次于丙纶，故腈纶被很轻，老少皆宜；腈纶的强度大，耐光性位居各纤维之首，在光照条件下，其物理化学性质变化不大，如果腈纶在阳光下暴晒一年的话，其强力才下降20%；虽然腈纶的耐磨性最差，但大分子柔曲性好，弹性仅次于涤纶，受压后弹性回复率高，其导热系数为0.051 W/（m2·℃），和羊毛相差不大，保暖性好。腈纶属于合成纤维，有合成纤维共有的特点，即吸湿性差，回潮率为2%，使用时容易产生静电和玷污，热量过多时会有一种闷热的感觉。同时腈纶的初始模量较低，受热后易变形，腈纶的耐热性一般。

4.7 涤纶的保暖性能

涤纶纵面平直光滑，截面为圆形，其耐酸不耐碱。因涤纶大分子中的酯基在碱液中要发生水解，具有优良的耐皱性、弹性和尺寸稳定性，有良好的电绝缘性能，耐日光，耐摩擦，不霉不蛀，有较好的耐化学试剂性能，能耐弱酸及弱碱。在室温下，有一定的耐稀强酸的能力，耐强碱性较差。涤纶的染色性能较差，一般须在高温或有载体存在的条件下用分散性染料染色。涤纶具有许多优良的纺织性能和服用性能，用途广泛，可以纯纺织造，也可与棉、毛、丝、麻等天然纤维和其他化学纤维混纺交织，制成花色繁多、坚牢挺阔、易洗易干、免烫和洗可穿性能良好的仿毛、仿棉、仿丝、仿麻织物。涤纶织物适用于男女衬衫、外衣、儿童衣着、室内装饰织物和地毯等。由于涤纶具有良好的弹性和蓬松性，也可用作絮棉。

4.8 其他絮用纤维制品保暖性能分析

远红外是4?14um的波长的红外线，并在人类细胞中的水分子的范围内的纤维的远红外线的电磁辐射是一样的振动频率，当这种红外线辐射到人体的表面时，它会导致身体细胞的分子表面共振，产生热效应，并且表面活化人体细胞，促进人体的皮下组织血液循环，实现保康保暖、促进新陈代谢和提高人体免疫功能。从本质上来看，远红外纤维就是基于常规纤维一般的应用性能的基础上增进了保暖和改善皮下组织微循环的功能。

5 絮用纤维制品保暖性分析

现今市场上被褥的填充物多为羽绒、蚕丝、棉、经纶、羊绒等，大家对它们各自的保暖性及保暖性优劣看法不一，并且缺少科学的研究与测定。本局主要从两个方面研究这五种纤维的保暖性能差别，一是不同的填充量对保暖性能的影响，二是随受压时间的延长，其保暖性能的变化趋势，以此推断在日常使用中这几种纤维絮片（被褥填充物）保暖性能的变化趋势。

根据不同填充量保暖性的影响分析得出如下结论：

（1）纤维絮片的保暖性随着填充量的增加而增加，当填充量达到一定值后，保暖性下降；每种纤维絮片存在最佳的填充量使得保暖性最好。

（2）随着填充量的增加，纤维保暖性增加的速度：鸭绒>棉>羊毛>驼绒>蚕丝>腈纶>涤纶，但棉和羊毛相差不大，蚕丝与腈纶相差不大。

（3）涤纶、驼绒、羊毛、棉花、蚕丝、鸭绒和腈纶这几种纤维的导热系数大致排序为：涤纶>羊毛>棉纤维>腈纶>鸭绒>驼绒>蚕丝。在填充量较小时，克罗值排序大致为：鸭绒>棉纤维>蚕丝>羊毛>涤纶>腈纶>驼绒；随着填充量的增加，克罗值排序大致为：鸭绒>羊毛>棉纤维>驼绒>腈纶>蚕丝>涤纶。当填充量过大时，克罗值排序大致为：蚕丝>驼绒>鸭绒>腈纶>棉纤维>羊毛>涤纶。由此可见，不能单纯地说那种纤维的保暖性最好，哪种纤维的保暖性最差，要综合考虑填充率的影响因素。

根据受压时间的延长对不同絮片保暖性的影响分析得出如下结论：

（1）随着受压时间的延长，蚕丝的保暖性明显下降，棉纤维的保暖性也随受压时间的延长而下降，故在使用中应该多注意蚕丝被和棉被的保养，如蚕丝被不宜暴晒，最好以一到二周为间隔，晾晒时间不要超过2小时；棉被要在一定的时间间隔内翻新。

（2）随着受压时间的延长鸭绒、羊毛和腈纶纤维絮片的保暖性下降不明显，它们的保暖性持续时间较长。

根据绗缝的尺寸大小对保暖性的影响分析得出如下结论：

随着绗缝次数的增加，传热系数逐渐增加，传热系数越大，热量通过絮片散失的热量增多，其保暖性越差。克罗值先增加后下降，克罗值越小，热量通过絮片遇到的阻碍越小，其保暖性越差。保温率快速下降，随着绗缝次数的不断增加，试样的受压点就越多，蓬松度就越小，故保暖性降低。

根据湿度对保暖性的影响分析得出如下结论：

（1）纤维絮片的保暖性随着湿度的增加而下降，当湿度达到一定值后，保暖性下降；每种纤维絮片存在最佳的湿度环境使得保暖性最好。

（2）随着湿度的增加，纤维保暖性下降的速度：羊毛>腈纶>棉纤维>鸭绒>驼绒>涤纶>蚕丝，但鸭绒、蚕丝和驼绒相差不大。

（3）涤纶、驼绒、羊毛、棉花、蚕丝、鸭绒和腈纶这几种纤维在湿度较小的时候，导热系数大致排序为：腈纶>涤纶>羊毛>鸭绒>驼绒>棉纤维>蚕丝，在湿度较大的时候，导热系数大致排序为：羊毛>鸭绒>腈纶>蚕丝>棉纤维>驼绒>涤纶，在湿度较小时，克罗值排序大致为：驼绒>鸭绒>腈纶>羊毛>棉纤维>涤纶>蚕丝；在湿度较大的时候，克罗值排序大致为：腈纶>鸭绒>涤纶>蚕丝>驼绒>棉纤维>羊毛。在湿度较小时，保温率排序大致为：鸭绒>棉纤维>羊毛>驼绒>腈纶>蚕丝>涤纶。在湿度较大的时候，羊毛>腈纶>棉纤维>鸭绒>驼绒>涤纶>蚕丝。由此可见，不能单纯地说那种纤维的保暖性最好，哪种纤维的保暖性最差，要综合考虑湿度的影响因素。