发热材料及其在服装领域应用的研究进展*

2019-10-142

产业用纺织品 2019年8期

1．东华大学纺织学院，上海 201620；2．东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；3．江苏省产业技术研究院，江苏南京 210042

随着社会发展进入智能化时代，人们对生活质量的要求越来越高。在寒冷的冬季，人们追求的不再是简单的防寒保暖，而更加注重的是对健康和对美的追求。通过增加衣服厚度的被动保暖方式，尤其不能满足易寒体质的爱美女性及患有风湿、关节炎的老年人对美观、舒适和保暖的需求。因此，研究和开发可实现主动保暖的发热材料显得尤为重要[1]1-2。

传统的服装保暖是通过控制热的对流、辐射和传导等途径，阻止服装内部的热量损失实现的。大多数服装使用较厚的织物、高密织物或高孔隙率的织物等制作，以降低服装的导热系数，达到隔绝冷空气的目的[2]。这类服装一般较厚重或体积大，对穿着者的运动有一定限制，保暖效果也不够理想。发热材料则主动产生热量而使得温度升高，发热均匀，升温速率快，保暖效果好，舒适性能佳，而且有保健功能[3]25。因此，发热材料已经成为国内外的研究焦点。随着服装行业的多样化发展，智能纺织品已被更多的人接纳，服装行业迎来了新的契机[4]1。

1 发热材料的分类及其基本特征

目前市场上的发热材料产品越来越多，如发热手套、电热鞋垫、电热护膝、电热护腰、电热马甲、电热墙纸等。发热材料根据其发热方式大致可以分为吸湿发热材料、电发热材料、化学能发热材料、相变发热材料及太阳能发热材料5种[5],[6]2,[7]，其热能产生方式、原理及优缺点不同，具体见表1。

表1 5种发热材料的基本特征

2 国内的发展现状

当前，发热材料已成为人们关注的焦点，国内各大高校及研发机构纷纷投入研究开发，为发热材料的发展掀起了一股热潮。

2.1 吸湿发热材料

目前，吸湿发热材料研究主要集中在一些发达国家，而国内在这方面的研究还不是很多[8]14,[9]199。吸湿发热纤维是吸湿发热材料中常用的调温纤维，是能够对外界水分和压力条件变化做出响应的新型纤维[8]13。由吸湿发热纤维制作的服装能够吸收人体散发的湿气(微量水分)并产生一定的热量，使人体皮肤与服装之间的温度达到平衡，缓和两者之间的温差。

上海正家牛奶丝科技有限公司将大量亲水性基团(如—OH、—NH3、—COOH、—CONH等)引入再生纤维分子链，研发出牛奶蛋白纤维，其亲水基团的含量提高，吸湿性和吸湿放热性能也大幅提高，成功应用于牛奶丝服装[10]。陈宝坤[11]将特殊截面的中空涤纶与黏胶纤维混纺制成经编面料，其中，具有特殊截面的中空涤纶使经编面料内形成很多孔隙，而黏胶纤维能够吸收人体散发的湿气而放热。利用此经编面料制成服装，穿着时服装内温度可升高2.0～3.0 ℃，具有良好的保暖效果。黄学水等[12]采用黏胶纤维与日本东洋纺开发的Ekslive纤维混纺所制备的纱线具有较好的吸湿发热性，并以此纱线与抗起球腈纶、氨纶包芯纱交织，开发出吸湿发热性能优异的内衣产品。该内衣产品的保温率为38.7%，吸湿发热温升最高为4.6 ℃，抗起毛起球性达到 3.0 级。杨自治[13]利用咖啡炭改性涤纶纤维和吸湿发热纤维与羊毛混纺，开发出功能型毛精纺面料，此面料的吸湿发热温升为4.0 ℃，同时具有吸湿导湿、消臭除味、蓄热保暖等性能。

邢周明[14]采用3种功能聚酯纤维开发吸湿发热面料，其放湿性能和保温性能都有很大的改善。其中，咖啡炭改性涤纶/黏胶纤维(35/65)面料的吸湿发热效果最佳，30 min内平均温升达到3.5 ℃，且蓄热保暖性好。另外，改变纱线组分增加腈纶后，咖啡炭涤纶/腈纶/黏胶纤维(20/35/45)面料的导湿性、透湿性及保温性都有明显提高。朱艺超[15]设计开发了5种面料，其中咖啡炭改性涤纶/黏胶纤维(35/65)面料和咖啡炭涤纶/腈纶/黏胶纤维(20/35/45)面料都达到有关标准要求(FZ/T 73036—2010《吸湿发热针织内衣》[16])，最高温升均达到7.0 ℃，30 min 内平均温升达到3.0 ℃，具有传导水分和保暖的作用。王军伟等[17]采用湿法纺丝方法纺制出吸湿发热黏胶纤维，通过测试其性能发现，此吸湿发热黏胶纤维的温升较普通黏胶纤维提高2.0～ 3.0 ℃，有较好的吸湿发热功能。雷宝玉[18]探究发热纤维璐奈丝(Renmiss)独特的吸湿发热性能，通过筛选确定合适的编织结构，然后制成上下两层结构的针织发热面料，保暖效果显著提高。杜凯[19]研究发热腈纶的发热机理，以及发热腈纶含量和环境相对湿度对发热腈纶所制备的产品性能的影响。结果表明，发热腈纶的断裂强度较小，所制备的产品的吸湿性、透湿性和保暖性随发热腈纶含量增多而提高。王敏丽等[20]发现，吸湿发热纤维混纺针织物具有良好的力学性能，基本能满足服装的力学性能要求，而且针织物有较好的悬垂性和良好的贴身性，这有利于服装造型美观。

2.2 电发热材料

电发热材料采用电能作为热源。电能来源广泛，容易获取。另外，电能属清洁能源，可以重复利用，且对环境没有污染[1]4。电发热材料按照发热元件的构成材料，可分为导电纤维发热材料、电浆涂层发热材料及金属丝发热材料。

2.2.1 导电纤维发热材料

所谓导电纤维发热材料是利用导电纤维(如碳纤维)或者给纤维镀上一层导电物质(如银、金等)后，与常规纤维混纺制成混纺纱并通过进一步制备而得到的发热材料。此类发热材料的发热原理是给其中的混纺纱通电，产生电流而放出热量。

2.2.1.1 碳基导电纤维

近年最受欢迎的导电纤维是碳纤维。碳纤维的升温速度快，发热效率高，成本低廉，而且能量转化效率高达99.9%，控温精准，通电时可以产生对人体有益的远红外线。

严涛海等[21]采用碳纤维制成发热织物，其外部连接柔性的薄膜太阳能电池，成功制得一种基于太阳能电池的碳纤维基发热织物，发热性能优良。李长春等[22]通过将碳纤维发热材料设置在普通马甲内层的背部，得到一种碳纤维发热马甲，通电后其中的碳纤维发热材料产生热量，由于马甲结构合理，温度可控，穿着舒适、安全，而且发热效果好。徐飞等[23]对红外加热笼的发热体进行探索，尝试采用碳纤维作为发热体，结果表明，碳纤维以加热条带的形式存在，完全具有可行性，同时有电热辐射效果好、经济适用性强等优点。QIAO等[24]成功制备出一种性能优良的碳纤维电热板，与水暖系统和发热电缆系统比较，此电热板的发热效率更高，发热速度更快，且节能省电。张妍[6]8-9+19设计开发了两种碳基发热织物，并对其发热性能和隔热性能进行探索。其中，一种是碳纤维发热织物，是将碳纤维固定在两层非织造布之间而形成的；另一种是石墨烯发热织物，其采用按一定比例间隔排列的石墨烯导电纤维和玻璃纤维作为纬纱，涤纶作为经纱，铜箔丝作为电极。结果表明，两种碳基发热织物的隔热性能均较好，在相同的输入电压下，石墨烯发热织物具有更优异的发热性能，热稳定性都较好。张猛等[3]25选用聚丙烯腈基碳纤维长丝作为发热织物的电热发热体，结果表明，碳纤维长丝交叉排列且间隔为2.5 cm 时，所得发热织物在5 W的发热功率下可快速升温至53.7 ℃并持续6.8 h。

1—内衣上装主体； 2—多功能腰带； 3—发热布；4—连接件； 5—配合件； 6—第一口袋； 7—第二口袋； 8—第一供电控制盒； 9—第二供电控制盒； 10—第一供电插口；11—第二供电插口； 12—第三供电插口； 13—第四供电插口；14—第一插头； 15—第二插头； 16—第三插头； 17—第四插头；18—第五导电端子； 19—第七导电端子； 20—第一导电扁线；21—第二导电扁线； 22—第一导电端子； 23—第四导电端子图1 痛经热疗内衣上装示意

杭恒祥[25]发明了一种痛经热疗内衣上装，其包括腰带(图1)。此内衣上装中，对应人体腹部的位置放置有发热布，其与控电装置盒连接，发热布通电即发热。其中，发热布采用碳纳米管纤维纺织而成，发热均匀，升温快，散热也快，热稳定性好，节能环保，同时可产生远红外线，促进血液循环，减轻腹痛，使穿着者感到温暖。

2.2.1.2 镀银纱线

陈莉等[26]制备了4种不同组织的镀银长丝针织物，并测试其电热性能，结果显示，通电后，由衬纬组织制备的镀银长丝针织物的温度在2 min内上升至31.3 ℃并达到稳定状态，且温度分布均匀，而由添纱平针组织、添纱1+1罗纹组织及添纱四平组织制备的3种镀银长丝针织物的电阻稳定性都较差，发热效果不稳定。许静娴等[27]采用镀银纱线与涤纶短纤纱线制备电热针织物，并在所用组织和镀银纱线含量不同的情况下，探究织物的电热性能，试验发现，当采用双罗纹组织及镀银纱线与涤纶短纤纱线的行数比为3 ∶7时，所得电热针织物的升温效果最为明显，在6 V电压下，织物温度可达到35.0 ℃。刘皓等[28]采用纬平针组织、罗纹组织和双罗纹组织制备了3种发热针织物，其以镀银纱线构成的横列作为发热体，并对3种发热针织物的电阻进行测试，结果表明由罗纹组织或双罗纹组织制备的发热针织物的电阻更稳定。TONG等[29]将两种不同电阻的镀银纱线分别植入针织物构成导电针织物，探究加热过程中导电针织物的温度与镀银纱线电阻的关系，当温度升高时，两种导电针织物的电阻均显著降低，下降幅度最多达30%。

李雅芳[1]86-87+117利用模拟软件和模型，对镀银纱线及由其制备的加热织物的热力学性能进行测试和预测，结果显示，采用针织、机织和刺绣3种方法制备的加热织物都可以达到理想的加热温度，效果最佳的是刺绣法；另外，通过对比发现，采用聚吡咯涂层制备的加热织物的耐水洗性较差。卢俊宇[30]61-62探究了镀银纱线针织物以3种不同方式与电源连接时的电热性能，发现中间4点连接时(图2)，镀银纱线针织物的电阻最小，升温过程中有较好的温度稳定性；另外，比较了3种采用不同组织制备的镀银纱线针织物的电热性能，其中纬平针组织的镀银纱线针织物的电阻最小，在相同电压下所达到的平衡温度最高。卢俊宇等[31]采用镀银纱线和涤纶纱线作为横列，并改变它们的根数比(1 ∶1、2 ∶2、3 ∶2、1 ∶ 4、1 ∶6)，制成5种发热针织物(其纵行采用镀银纱线)，然后比较其电热性能，结果显示，镀银纱线和涤纶纱线的最佳根数比为3 ∶2，对应发热针织物所达到的平衡温度最高，但电阻变化较大。

图2 中间4点连接电源的镀银纱线针织物

2.2.2 电浆涂层发热材料

电浆涂层发热材料是将导电树脂或导电材料配制形成的导电浆料(简称“电浆”)涂覆在纤维或织物等材料的表面。这类发热材料表面的电浆形成电荷流动的通路，在材料两端加上电压即产生热量，由此导致的温升可以通过电压、电浆组分、材料密度、基布种类等方面进行调节。

2.2.2.1 电浆

龚婷[4]17-19+60将导电剂和黏合剂按一定比例混合配制成电浆并涂覆在棉布上，烘干后得到导电棉布，其通电即发热。试验表明，所得导电棉布上的电浆不易掉落，导电剂分布均匀，导电性良好，制备工艺简单，成本低，还具有一定的阻燃能力及良好的远红外辐射能力。李江等[32]以微米级银颗粒、氯醋树脂等为原料制备导电层，以炭黑和石墨的混合物为原料制备导热层，采用聚酯纤维纱线制备基布，并利用丝网印刷技术制成自控温电热织物。这种自控温电热织物的升温速度快，使用寿命长，且节能省电，柔韧性强，故应用广泛[33]。徐秋红[34]38+50以石墨和炭黑的混合物为填料、水性聚氨酯为黏结剂制备电浆，以尼龙平纹布作为基材，通过浸渍的方法将电浆沉积在基材上，得到导电织物，当石墨 ∶炭黑 ∶水性聚氨酯的质量比为6 ∶4 ∶5时，导电织物的体积电阻率最低(1.27 Ω·cm)，且织物表面光滑、平整，柔软性佳，电浆的黏附力为2级。

2.2.2.2 发热膜

LI等[35]将石墨烯沉积在聚乙烯对苯二甲酸基底上制成电热膜，其具有低电阻和高热传导率，当电压从5 V上升到30 V，膜的温度从32.0 ℃上升到139.0 ℃，并且具有很好的抗弯曲性能。LUO等[36]通过叠合方式制备成碳纳米管电热膜，其具有灵敏的电热性能，电压为10 V时，膜的温度可上升到140.0 ℃且稳定。陈少轩[37]发明了一种碳纤维远红外地暖垫，其由5个部分组成，分别为保护层、发热层和表面层、温度控制器和电源插头，其中，发热层由碳纤维发热膜或发热布组成，它是此地暖垫的核心。此地暖垫不仅具有体积小，质轻即携带方便的优点，而且具有保健的功效。

赵建国等[38]研发出一种石墨基自限温智能电暖宝，其电路图如图3所示。此电暖宝以石墨基自限温材料作为发热膜(其被封装在两个PET膜中间)，由5 000 mA·h充电宝提供5 V直流低电压，最终的平衡温度可达45.0～55.0 ℃，并且可持续发热5 h左右，具有发热膜柔软、发热速度快、热效率高、无辐射、智能调控温度、发热时间长、成本低廉、使用安全等优点。

1—发热膜； 2—铜箔； 3—PET膜； 4—气眼； 5—USB线图3 石墨基自限温智能电暖宝电路图

2.2.3 金属丝发热材料

金属丝发热材料是指以铁、钴、镍、铜、铬、钨等金属作为加热元件制成的电发热材料，其使用寿命长，加热效果好，性能稳定，但是柔软性与贴服性较差。

陈修玲[39]发明了一种灵活的保暖手套，其中间夹层内放置保温层和电阻丝，电阻丝上有电源接口，用以对手套进行加热。邓玮[40]对合金发热丝的热稳定性进行研究并利用合金发热丝制作成可穿戴发热纺织品，通过试验发现合金发热丝的温度对其自身电阻的影响不大，表明合金发热丝的热学性能稳定；另外，对合金发热丝设置3个档位的功率，并将合金发热丝嵌入到手套和外套中，开发出发热性能和耐水洗性能良好的控温手套和外套。

BAI等[41]利用热黏合法将温度敏感型细铜丝集成在两块柔性黏合衬布中间，制成柔性发热织物，并对其温度感知原理和发热性能等进行测试，结果表明，减小细铜丝间距和加载电压，提高柔性黏合衬布的导热系数，不仅可提高柔性发热织物的升温速率，而且可减小细铜丝与柔性黏合衬布的温差，使柔性发热织物的温度均匀。

2.3 化学能发热材料

这类发热材料主要是将化学物质加入普通材料(如织物、薄膜等)而制成的能够主动产生热量的发热材料，其中的化学物质可以通过化学反应放出热量，将化学能转化为热能，达到保暖的效果。例如，铁粉在空气中氧化时会放热，因此可将铁粉与聚合物共混纺丝制成发热材料。但这类发热材料的发热效果不理想，发热耐久性也差。市场上常见的暖贴(即暖宝宝)属于这类发热材料的一种实际应用。暖贴通过非织造材料的微孔透过氧气，将铁粉氧化而发热，但该反应不可逆，因此暖贴的发热耐久性差，不能长期使用，有些甚至只能使用一次。目前为止，还没有见到基于上述原理开发的较成熟的发热服产品。

俞晟国等[42]发明了一种具有抗菌发热功能的保温棉，它包括表面层、保暖层和抗菌层，3层从外向内依次排列并通过黏接作用成为一体，保暖层中随机分布有多个包裹自发热颗粒的自发热包，其中的自发热颗粒由铁粉、水、蛭石和活性炭组成。杨建强[43]发明了一种保健保暖面料，它包含4层结构，其中的保暖发热层由添加了电气石粉和远红外粉的经纱和纬纱织成。电气石粉遇到空气，能使空气发生电离，所放出的电子与空气中的二氧化碳、水结合产生负氧离子，并激发出红外线。另外，保暖发热层中均匀分布的托玛琳颗粒具有远红外自发热功能，可起到保暖的作用。

2.4 相变发热材料

相变发热材料在温度较高时具有吸热功能，在温度较低时具有放热功能。在织物的动态与静态均具有保温性能，其在低温环境作业人员服装、潜水服的制备方面应用较多。

国内对相变发热材料研究较多的是天津工业大学，主要利用皮芯结构的微胶囊对纤维絮片进行涂层加工，得到蓄热调温纤维絮片，其保温率为73.43%，尚未产业化[44]。ZHAO 等[45]等通过乳液静电纺丝法制成超细正十八烷/丝复合纤维，通过试验发现此复合纤维呈现可逆相变行为，并且具有良好的生物降解性及高储能性。此外，可以将相变材料(PCM)和发热材料结合，利用PCM 相变所产生的能量缓释效应改善发热材料的温度场分布[46]。黄姝睿等[47]选用棉纱为经纱及相变调温黏胶长丝为纬纱制成相变调温纤维织物，其具有较好的调温性能，调温幅度可达 3.0 ℃左右。

虽然相变发热材料的性能优良，由其制成的服装也有所应用，但是其相变温度范围受到限制，并不适用极端环境。因此，拓宽相变发热材料的温度范围是今后的研究方向。

2.5 太阳能发热材料

太阳能源的利用目前已经成熟。人们的日常生活已经离不开太阳能，如太阳能热水器、太阳能电池板等，太阳能电池板可以储存能量，在家庭用电、路灯用电等方面的应用极其广泛。面对当今能源枯竭、污染严重的状况，人们越来越希望能把绿色环保的太阳能应用在日常生活的方方面面。

在服装领域，太阳能的利用方式主要有两种：一种是利用太阳能发热纤维，其服装可将太阳辐射的远红外线和可见光等转化为热能，实现服装温度自动升高的目的；另一种是利用太阳能电池，将其置于服装中制备电池发热服。

XU等[48]利用磁控管溅射技术将ZrC沉积在涤纶织物上，然后探究涤纶织物的远红外产生情况，发现远红外发射率高达93.79%，太阳光的光能转换效率优良，在太阳光照射时间为200 s的条件下，织物温度可上升27.0 ℃左右。这表明磁控管溅射技术在ZrC涂覆方面可以规模化应用，可以生产出保暖性能优良的纺织品。沈旭源[49]开发了一种自生热多功能面料，其包括温差层、生热层、蓄热层和防水层。此面料的开发基于温差发电原理，碳纤维发热微丝通电后即向外发射红外线，而碳化锆吸收太阳光中的可见光，同时反射人体和碳纤维发热微丝发射的红外线，进行吸热蓄热，将热量存储在面料中，从而使人体产生体感温度上升的感觉，而且其结构简单，设计紧凑，轻薄透气，可水洗和贴身穿着，具有安全健康、节能环保、保暖舒适等特点。孔令源[50]在服装内部设置陶瓷纤维膜层，其能够将人体的热量充分利用，可将太阳光转化为热能，同时具有抑菌、防臭及促进血液循环的特征。LIU等[51]设计了一种太阳能电池板，并将其缝制在服装表面，制备出一款可充电的太阳能发热服。

3 国外的发展现状

3.1 吸湿发热材料

日本对吸湿发热材料的研发主要集中在吸湿发热纤维，已研发出Thermogear、Honioy、Eks、Softwarm等吸湿发热纤维，它们可以有效地吸收人体的湿气并将其转化为热量。

日本旭化成公司研制了吸湿发热纤维Thermogear，其由超细抗起球腈纶 Cashmilonff 与铜氨丝复合得到，具有优异的调湿和发热性能，将其织入织物即得到吸湿发热材料[52]。 Honioy纤维是利用特殊的聚合工艺，再经纺丝加工而制成的，其中空度大，能够储存大量能量，制成织物后保暖性极佳，保暖率可达到38.94%[53]17。Eks纤维由日本东洋纺公司开发，它是通过将羧基、氨基等亲水性基团引入聚丙烯酸大分子，再经过交联处理而得到的，具有较强的亲水性，能够将人体的湿气吸收，然后以热能的形式释放，从而实现体感温度自动提高[54]67。Softwarm纤维综合了超细抗起球腈纶和人造木浆纤维的优点，具备较强的调湿能力，而且能将湿气、汗水等快速导出，保温性能优异[55]41。

另外，东洋纺公司的N38纤维是利用超亲水化的方法处理聚丙烯酸纤维制成的，其温升可达3.0 ℃。东丽公司研发了Warmsensor纤维，其表面涂覆的化合物可以吸收水分，产生热量，温升为3.0～ 5.0 ℃[56]51。Renaiss纤维是三菱公司研发的，它具有特殊海岛结构，其中的高亲水性醋酸纤维承担主要的吸水作用，同时释放热量[8]14。

Shimizu Taken纤维素是通过接枝法将酰肼化合物与羟基反应得到的，将其与吸湿性硅胶和其他保湿材料共混可得到吸湿发热材料[57]。中村寿美利用共混法将疏水性材料与吸湿发热纤维结合在一起制备出发热纤维，再通过混纺制成纱线而加以应用[55]42。铃木笃等将弹性复合材料和吸湿发热材料共混编织成网状材料，应用于靴子内层材料[55]42。

3.2 电发热材料

早在 1948 年，美国就研制出导电油墨的雏形——导电胶，它是利用银和环氧树脂制成的，并且公布了相关专利[34]10。

日本东丽公司采用导电的碳纤维为原料制备成服装，同时在服装内部设置可充电电池，此服装不仅穿着轻薄，而且通电即发热[56]50。日本另有研究人员通过将聚乙烯和炭黑粉末混合的方法制成发热纤维，其表面温度可达到45.0 ℃[54]68。德国 Warm X 公司通过在极细的银纤维上添加小型的充电电池，制备出一款内衣产品，其在极端低温环境中可达到较好的保温效果[56]50。

PARK等[58]对处于不同保温层的电热体的热阻和加热效率进行比较全面的探究，通过结果对比发现，电热体位于距离人体最近的服装层时，其热阻增大，加热效率升高，另外，加热效率会随着温度变化而改变。HAMDANI等[59]将针织物浸渍在电化学性能优良的聚吡咯中，制备成导电针织物，并对织物尺寸和发热温度之间的关系进行考察，发现织物尺寸为5 cm×1 cm时，织物表面温度可达到114.0 ℃且持续3 min。ILANCHEZHIYAN等[60]采用单壁碳纳米管浆料，通过简单浸涂的方法制备成导电棉织物。

3.3 化学能发热材料

几十年前，国外有研究人员充分利用化学反应产生的热量研制出潜水服，其原理是镁铁颗粒混合物的氧化反应所产生的热量可以供人体的局部保暖。另外，也可以利用大量的化学反应物发生的放热反应产生足够的热量，给大面积的潜水服供热，所采用的手段是将化学反应物用高温聚变材料包裹，高温聚变材料作为蓄热单元，并控制放热反应放出热量速度[30]2-3。随后，研发出以化学法制备的调温纤维，其基本原理是硫酸钠受热液化时储存热量及其凝固时释放所吸收的热量[54]69。硫酸钠用防水薄膜包裹并放在织物夹层中，环境温度较高时，硫酸钠液化并储存热量，环境温度较低时，硫酸钠固化而放出热量，从而维持人体温度平衡，保暖效果优良。

化学能发热服装目前还不是很成熟，虽然其具有反应速度快、操作方便的特点，但是反应大多不可逆[61]。因此，化学能发热服装的使用寿命受到限制，其重复利用的问题有待解决。

3.4 相变发热材料

美国海军研发出一款可长时间保温的潜水服，其在水中的保暖时间达3 h，主要利用微胶囊相变纤维及Thinsulate纤维制备[62]。美国Delta公司研发出一种供美军使用的Pecstm恒温服，它的口袋内置有相变材料，其在极端温度条件下可以复原[30]3。美国Outlast技术公司研发出一种相变调温纤维——Outlast纤维，其热敏相变材料被微胶囊包裹，可以根据环境温度变化实现调温[63]。英国Essentra纤维公司的Hansen R H将二氧化碳溶解在溶剂中并密封于中空纤维内，再织造成织物，利用纤维中空部分的气-液相变达到保温效果，但是该相变发热材料的重复利用性差[56]50。日本钟纺合纤公司以聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)的共混物作为基材，石蜡作为相变材料，通过湿法纺丝得到相变调温纤维，发热效果良好[64]132。瑞士Scholler面料公司开发了恒温纤维Comfort Temp[65]10。日本小松精练公司研制出Air Technio纤维材料，它主要利用醋酯纤维等合成纤维，其表面涂覆调温蛋白质膜，从而起到保暖作用[65]10。FAEREVIK等[66]把相变材料加入纺织纤维，制备出调温纺织品，其具有高度的舒适性。德国Kelheim纤维公司将黏胶溶液与石蜡熔融液混合，得到相变调温黏胶纤维，其相变温度为15.0～55.0 ℃[64]132。

3.5 太阳能发热材料

北极熊的毛纤维在结构上与光导纤维有相似之处，其结构有利于光传输，可将光能最大限度地聚集在北极熊的表皮上，转化为热能，达到保暖的目的。人们便利用北极熊的毛纤维结构开发太阳能发热纤维。

在普通纤维中(如涤纶、丙纶等)加入能吸收远红外的物质(如陶瓷粉、二氧化钛等)，可制备成太阳能发热纤维。日本钟纺合纤公司将远红外吸收物质均匀分散于纤维分子结构中，以增强纤维吸收远红外的能力，开发出蓄热保温纤维Ceramino[67]。日本还开发了皮芯结构的发热纤维产品，如复合纤维Solar-α[54]68，其芯层采用碳化锆微粒，具有吸光蓄热性能；皮层则采用聚酯或聚酰胺，可以吸收近红外和可见光，保温效果明显增强。三菱公司研发出光热转换聚丙烯腈纤维 Thermocatch[56]50，其芯层含有微细半导体粒子，可以吸收近红外。Thermocatch 纤维含量较高的纱线在光照下会放出热量，使温度升高2.0～10.0 ℃。尤尼吉可纤维公司研发了储热保湿纤维Thermotron[53]12，其芯层溶有碳化锆微粒，可以吸收太阳光并转化成热能，采用这种纤维制作的服装内部温度能比普通纤维服装高10.0 ℃。日本小松精练公司研发了保温纤维Dyna Live[56]49，其中放入玻璃微珠及能吸收远红外的聚合物，由该纤维制成的服装内部温度比普通织物高 3.0～7.0 ℃。

英国研究人员戴维等开发出一款太阳能蓄热保暖衣，其采用了含有碳化锆的纤维，这种纤维可以将吸收的太阳能转化为热能[68]。KUBILIEND等[69]采用改变添加剂活性表面积的方法改善织物的保暖性能，并将陶瓷作为添加剂加入针织物，达到保暖效果。LOTURCO等[70]研究远红外服装对人体机能的影响，发现穿着远红外服装的运动员在激烈运动后的肌肉酸痛感下降。

4 发热材料在服装市场上的发展

自2005年以来，发热服装逐渐走入人们的视野，国内外各大服装品牌竞相开发自己的发热服装产品，如华歌尔、美津浓、优衣库的发热保暖内衣，宁波斯纳格力服饰有限公司的可随时随地充电的发热服，以及华美恒达科技(武汉)有限公司的暖洋洋品牌系列的自发热服装等。这些都展示了发热材料在服装市场上的成功应用。

与其他类别的发热相比，国际市场上的电发热产品种类较多，如Tour Master品牌的电发热夹克、ODLO品牌的X-Warm X保暖发热内衣、美国H-D公司生产的电热手套、深圳市格雷创科技有限公司进口的Gerbing系列的碳纤维织物电热服等。此外，电发热服装向着更加智能化、多样化的高层次发展，如美国Malden Mills公司研发的一款智能加热服，可以进行数据传输与智能通新。另外还有美国The North Face公司研发的可以表征人体温度的智能加热服。

2013年，广东浪登服装有限公司研发出一种主动发热西服，它是将防水绝缘的合金丝以盘蛇状织入西服背部面料的外表面，主体部分通过绝缘线与控制器连接，利用控制器调节温度。皓之群科技有限公司是一家专注于智能温控发热服饰的公司，其将碳纤维应用于自控温发热衣，主要产品有发热内衣、电热手套、电热羽绒服等，所发明的发热皮夹克占发热服装行业国际市场70%以上的份额。

市场上比较火热的哥伦比亚羽绒服如图4所示，其内衬具有Omni-Heat自发热系统，可反射人体20%的热量，使服装内部形成热循环，达到超强的保暖功能[71]。此外，据说该羽绒服的外壳上的Omni-Heat银色圆点面料能够降低热量散失，隔绝雨水和冷空气。市场上常见的碳纤维自发热保暖马甲(图5)，是加入远红外负离子与纳米陶瓷粉及特殊的热感应材料而制成的，在人体温度的激发作用下产生热量。另有恒温加热马甲，其由充电宝供电，并利用采用金属丝发热，将金属丝嵌入马甲的后背及前胸，并在口袋处设置开关，一键加热，三档控温，达到人体所需温度。相似产品还有护膝、护腰等。

图4 哥伦比亚羽绒服

图5 碳纤维自发热保暖马甲

七匹狼公司将石墨烯加入羽绒服，推出了一套高科技产品，其中包括智能发热羽绒服和休闲裤。这套产品可以一键充电，30 s内即可达到平衡温度，采用的加热元件是石墨烯纤维布，在5 V电压下，有3档温度(35.0～55.0 ℃)可以调节，同时释放远红外，有很好的保温效果和适应性[72]。优衣库的HeatTech系列保暖内衣属于吸湿发热产品，其主要采用4种不同成分的纤维(聚酯纤维、黏胶纤维、腈纶和氨纶)，根据4种不同成分的纤维质量在内衣中所占比例的不同，分为3个系列(保暖内衣、倍舒暖内衣、高舒暖内衣)，后两个系列中黏胶纤维和腈纶的配比较大；另外，它们采用特殊的织造方法而制成，其纤维间构成空气层，增大了织物中静止空气的含量，并将纤维吸湿所产生的热量牢牢地锁住，进一步提高了保暖效果[73]。

在电商平台上，以“发热衣”为关键词搜索显示的产品多达上万种，但发热效果良莠不齐，能真正达到人们保暖要求的并不是很多。常见的发热内衣基本利用人体自身释放的热量，并将其返回给人体，达到保暖效果。

5 结语

近年来，发热材料迅猛发展，其在服装上的应用越来越多，发热保暖衣已经成为国内外各高校和科研机构关注的焦点。随着社会的发展和科技的进步，人们对发热材料的期望会越来越高。因此，随着研究的深入，发热材料的发展将更加成熟，同时向更多的领域发展。发热材料未来应朝着以下几个方向发展：

5.1 发热机理明确化

目前，对部分发热材料的发热机理的解释不是很明确，甚至只是一种猜测，比较笼统，说服力不够强。在今后的发热产品开发中，应多注重其发热机理的研究论证，这对于新产品开发具有重要意义。

5.2 评价体系规范化

发热材料越来越多，其市场也越来越大，但是没有全面、统一、规范的测试方法和标准。目前，国内仅个别行业有测试标准。广大消费者对保暖服装发热性能的好坏没有判断的依据，这会造成消费者的盲目消费。因此，国家应致力于发热产品的规范化与标准化。另外，不同的人群有不同的热湿舒适性要求，即舒适性的评价参数不同，因此需要不断试验，形成较为准确的综合评价体系。