新型保温调温纺织品及其检测方法

张 鹏，余 弘，李卫东，毛志平，徐 红

0 引言

人体为了维持体温稳定需要不断摄入食物并和外部环境进行能量交换[1]。服装除了起到装饰作用外，还可以将人体的表面温度维持在一定范围。当外部环境的温度降至人体正常体温水平以下时，传统服装一般通过增加厚度来减少人体与外界环境的热量交换。这种方式不仅会降低人体灵活度，给运动出行带来不便，而且会使人显得臃肿，影响美观。近年来，户外运动受到越来越多人的青睐，但一些极端气候条件对纺织品的保温和调温功能提出了更高要求。因此，具备保温调温功效的新型功能性纺织品拥有良好的发展前途和广阔的应用前景。

1 保温调温纺织品的研究现状

保温调温纺织品可以通过控制织物与皮肤间的接触温度来提高人体舒适程度[2]。保温纺织品只具有使织物内温度升高的单向温度调节功能；调温纺织品可在不同温度环境中进行双向温度调节，即当温度高于一定界限时吸收热量，温度低于一定界限时放出热量，这一特性极大改善了服装对环境温度的适应性以及人体穿着服装时的舒适性。

1.1 保温纺织品

热量可通过传导、对流和辐射三种方式在纺织材料中进行传递。当织物密度较高时，热传导和红外辐射是织物与外界进行热量交换的主要形式；当织物密度较低时，热量可通过空气对流在织物两侧进行传递。依据保温隔热机理的不同，保温纺织品可分为消极性保温纺织品和积极性保温纺织品[3]。

消极性保温纺织品开发较早，它可通过减少人体热量向外界环境的散失来达到保暖效果。空气因其优良的绝热性能而成为理想的介质。人们为了提高纺织品中静止空气的含量而开发出中空纤维[4]。Sunlite公司研制了一种结构中包含了大量静止空气的中空纤维，该纤维相比原料纤维的质量减轻20%，因此在具备蓬松轻便性能的同时，还有效减少人体热量通过传导向环境散失的比例，其保温性比普通同质非中空纤维面料提高了65%，可应用于各类服装[5]。

积极性保温纺织品可通过吸收人体表面或外部环境的能量再将热量给予人体的方式来提高保温性能。阳光蓄热保温纤维作为一种可吸收太阳辐射中可见光与近红外线的新型保温材料，在阳光照射时，纤维中的过渡金属碳化物可将能量在0.6 eV以上的辐射线吸收，能量低于0.6 eV的辐射线则被反射[6]。日本德山都和尤尼吉卡公司联合研制的阳光蓄热保温纤维“Solar-α”是一种皮芯复合式的纤维，内部芯层为含碳化锆的聚酞胺或聚酯材质，外部皮层则为一般的成纤高聚物。由这种纤维加工制成的服装在阳光照射下可吸收大部分阳光电磁波辐射线，并转化为热能放出，因此服装内温度比普通服装高2～8℃，保温效果显著[6]。

当环境温度低于人体体温时，人体散热量的30%～50%以波长为4～14 μm远红外线的形式向外界辐射[7]。天然纤维、人造纤维和合成纤维都无法有效地控制或降低这一辐射比例。远红外纺织品可通过两种方式起到保温效果，一种是吸收外界电磁波辐射的能量，另一种是反射人体本身发射的远红外光[8]。陶瓷微粉因其具备反射人体远红外线的独特功效，常被用来制备远红外保温纤维。帝人公司的“Opt、Sensor”、东阳公司的“Entrant Sunlok”、旭化成公司的“Sere V”等产品均利用陶瓷微粉反射远红外的特点，采用各自不同加工方法研制出来的，其保温效果比普通织物要高3～5℃[9]。

1.2 调温纺织品

当人体皮肤表面的平均温度约为34℃时，心理会感觉舒适。当身体任何部位的表面温度与皮肤平均温度的差值超过4.5℃时，人体将有冷暖感[10]。调温纺织品可以根据环境温度的改变，适当地吸收或放出热量，使人体表面的温度维持在正常范围内，因此具有双向温度调节功能。

目前主要的调温纺织品为介质相变型调温纺织品，是将一定量的相变材料通过不同的加工方式加入纺织品中。当环境温度变化时，相变材料可进行固液或液固相转变来吸收或放出热量，从而起到温度调节的作用。德国一家公司在面料中加入硫酸盐微胶囊型蓄热材料，当气温升高时硫酸盐会逐渐变成液体，储存大量的热量；当气温降低时会逐渐固化并释放原来积蓄的热量。这种面料可用于制作窗帘和服装[11]。北京巨龙博方科学技术研究院研究了相变材料微胶囊制作技术，其相变微胶囊壁材为高分子化合物复合膜，芯材为链烷烃，相变温度为-24～52℃，该研究院还与河北吉藁化纤有限公司合作开发出名为丝维尔的智能调温粘胶纤维[12]。

另一类调温纺织品同样采用具备温度调节功能的材料，但其在调温过程中并未伴随介质相的转变。智能型水凝胶就是一种能对外界刺激发生敏感响应的新型功能性材料。温敏水凝胶可以对温度的改变产生积极响应，由其制成的纤维可以在临界温度以下发生溶胀，在临界温度以上发生收缩，且这种随着温度的升降而变化的特性是可逆的，因此由其制成的纺织品具有温度调节的功能[13]。

2 保温调温纺织品检测方法现状

2.1 保温性能检测方法

对于纺织品保温性能的测试方法主要分为恒温型和散热型两种。恒温型测试方法是将试样包裹在加热体外，保持加热体温度恒定，测定在一定时间内消耗的热量。散热型测试方法也是将试样包裹在一定温度的热体上，测定规定时间内热体的降温程度或热体降低至规定温度所用的时间。目前，人们常用热阻（R）、保温率（%）、传热系数（K）和克罗值（Clo）四个指标来表征纺织品的保温性能[14]。热阻是织物两面温度差与热源功率之间的比值，表征的是材料对热流传导的阻碍能力。传热系数与热阻在数值上呈倒数关系，指的是纺织品两侧温差为l℃时通过单位面积纺织品的热流量。保温率测定的是热体包覆织物前后的耗电功率之差与未包覆织物前的耗电功率所得的比值。克罗值指在21℃的环境中人体在休息状态下感觉舒适时所需的保温值。

我国目前对纺织品保温性能测定标准大多使用热平板式仪器在恒定温差条件下测试纺织品的保温性能。GB/T 11048─2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定A型仪器—蒸发热板法》A法中用热阻、克罗值和热导率来表征纺织品的保温性能；GB/T 11048─2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定B型仪器—静态平板法》B法与A法相比增加了保温率的测定。国外的检测标准则大多用热阻来评价，如ISO 11092─2014《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定蒸发热板法》和ASTMD1518─2014《棉絮体系热阻测试方法热板法》都只将热阻作为检测指标[15]。保温率作为纺织品保温性能的指标之一，只是表示一个比率关系，而不能表征纺织品本身固有的性质。热阻是由组成纺织品纤维的热性能和纺织品本身的织物结构所决定的，所以热阻是纺织品自身所具有的性质。当纺织品的厚度增加时，热阻也随之增大，而保温率则会在织物厚度达到一定程度后基本保持不变，因此当纺织品的保温性能达到一定程度后，其保温率的灵敏度远低于热阻。此外保温率测试要求严格，重复性差，易受环境因素影响，且费时费力。热阻测试时虽然织物两面温差固定，但测试结果不能表征试样在较大温差环境下的保温性能，即缺乏对非稳态（变化温差）条件下纺织品的保温性能检测。

针对上述测试方法中不完善的地方，我国纺织工作者做了研究工作。张文[16]采用恒温差和恒速度的热风吹向被测纺织品，当织物两面达到热平衡后，测量热风温度与被测纺织品背风一侧表面的温差，温差越大，则表示该纺织品的保温性能越好，且经初步尝试证明该方法切实可行。段宏强[17]研制的纺织品热传递性能测试装置可以测试环境温度改变的条件下（即动态升温过程中）织物两侧的温度变化，并通过对测试曲线分析，说明该方法能够反映织物的隔热保温性能，且结构简单、成本低、试验操作方便。

2.2 调温纺织品检测方法

调温纺织品最重要的功能指标是温度调节能力，但是目前国内对于调温纺织品的调温能力表征尚无统一的测试方法和评价标准，现行的传热性和保温性测试方法并不适用于调温纺织品。当前国内外相关企业和研究人员多采用热分析法、温度调节因素测试法和暖体假人法对纺织品调温性能进行测试[18]。

2.2.1 热分析法

热分析法是通过测量材料在相变过程中的相变点、相变焓、温度变化范围、能量损耗等参数来研究材料在升温或降温过程中其性质和状态的变化情况。该方法测试手段成熟，简单易行，但测试条件与纺织品实际使用情况不符，因此难以模拟纺织品在实际使用过程中的性能和效果所受影响的环境[19]。

2.2.2 温度调节因素法

温度调节因素法首先模拟皮肤的温度，然后使环境温度和能量连续变化的情况下测定皮肤温度随外界能量变化的波动状况。该法适用于在实验室模拟人体真实生活状况的生理测试。

2.2.3 暖体假人法

暖体假人测试法模拟真人的几何造型，可以维持表面温度与人体平均皮肤温度接近，假人皮肤表面有多个独立的温度控制和测量装置。测试时将假人放置在温度可变化的环境中，通过温度传感器测得假人表面的热量损失来评价纺织品的调温性能。该方法考虑因素全面，试验结果稳定，测量精确合理，但设备结构复杂，检测成本较高[20]。

此外，张海霞[21]研究了一种测试相变纺织品调温性能的方法，该方法包含降温和升温两种实验方案，且两种方案均可以采用温度变化速率和温度变化时间作为测定标准。通过对几种性能差异明显的相变纺织品的调温性能进行测试分析，发现测试结果与规律基本保持一致。李程远[22]自制调温纺织品测试仪，在橡胶管内维持水循环模拟人体血液循环，并将水温控制在30℃。将两橡胶圆柱管表面温度传感器分别包覆待测样和对比样，密闭装置内的升降温系统可调节环境温度变化范围为0～50℃，温度传感器与电脑连接，在软件上记录传感器温度变化并绘制温度随时间变化的曲线，再参考相变微胶囊的调温性能，将纺织品调温性能划分为若干等级，根据温度变化曲线对纺织品调温性能进行评级。经多次试验证明该装置测试结果重复性较好，建立的评级标准适用于各种类型的调温纺织品。

3 结论

随着人们对纺织品面料差别化研究日益深入，具有温控功能的新型纺织品检测方法也需要更加细化。当前对纺织品保温性能的检测大多是稳态条件下进行的，缺乏对非稳态条件下样品保温能力的表征。对于调温纺织品，虽然检测方法较多，但并未形成确定的方法标准，因此有待于对纺织品调温性能测试方法作进一步研究，使其趋于完善，从而引领纺织品生产企业生产出高效的调温纺织品。

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