服装用保暖材料的研究现状及发展前景

2020-11-29许超

纺织报告 2020年6期

关键词：热能织物保温

许超

（新兴职业装备生产技术研究所，北京 100000）

本课题分析了保暖材料的保暖机制、分类及其发展方向，将传统面料与高科技保暖材料相结合，使现代服装在满足人们基础的着装审美要求外，还能满足人们追求自然健康、舒适功能性等心理需求[1]。

1 服装用保暖材料的保暖机制及分类

织物的保暖机制是指服装面料、纺织品等保持被包覆者体温度的性能[2]。当人体处于热平衡时，感觉舒适的温度是33.4 ℃左右，超过37.9 ℃，人体将有冷暖感[3]。

人体热量散失的主要方式有热传导、热对流和热辐射等。想要持续保暖，应注意几点：首先，选用热传导系数小的保暖材料；其次，有效控制并减少空气流动产生的热量消耗；最后，选用对红外线等电磁波有较好遮蔽效果的材料[4]。

按照纤维的结构形态，保温面料可分为中空纤维、超细纤维和太空织物纤维。

赵俐等[5]研究了Sunlite中空涤纶纤维不同的针织结构对保温性能的影响。起绒处理后的整理工艺在增加织物厚度的同时，使织物携带了更多的静止空气，从而增强了织物的保暖性能。Aero Breath纤维材料是由中空结构锦纶短纤维与以棉为主的天然纤维混纺而成的复合功能面料，该面料具有轻薄舒适、保温速干的特点[6-7]。

服装面料所含的空气体积越大，经传导损失的热量就越少，保暖效果也越好。但空气对辐射热的阻挡作用不佳，限制热辐射的工作需由纤维完成。因此，保暖材料中的纤维体积必须超过一个固定值才能有效减小辐射热损失。保暖材料的另一必要条件是减少其内部结构中的空气流动，特殊纤维的表面积较大，其表面摩擦力可以较好地阻碍空气流动。显然，减少传导热损失与减少辐射、对流热损失之间所满足的条件是相悖的，应根据不同保温材料的特性，以优势互补的方式研究创新型保温面料。

2 创新型保暖面料的开发途径

创新型保暖面料的开发途径主要有吸湿发热、太阳能转化成热能、电能转化成热能、相变材料化学能转化成热能。

2.1 吸湿发热

液体水分蒸发时需要的气化热会大幅降低体温，相反，气体变为液体时也会产生凝集热。吸湿发热性纤维正是利用了水的这种变化，将人体汗气转变为液体时产生的热量用于保暖。

通过对纤维进行高亲水化处理，可以提高纤维的吸湿发热性能，即织物纤维分子链引入氨基或羧基等亲水基团，同时，进行交联处理后的织物纤维具有较强的吸湿性能。这类纤维主要有羊毛和莫代尔纤维、腈纶和涤纶。相比而言，前者的吸湿发热效果较强，后者的吸湿发热效果较差。

日本在这类发热材料的研究与开发中处于领先地位，如日本东洋纺公司于20世纪末推出了EKS纤维。这种纤维的吸湿能力约为棉的3.5倍，发热量是羊毛的2倍，具有调温和调湿的功能，兼具调节pH平衡、抗菌、抗起球等优点[8]。仓敷纺绩公司的Lunafa是利用羊毛吸收湿气后产生吸附热来达到保暖效果的，用90%的棉包裹10%的防缩羊毛的双层构造纱[9]。Softwarm发热纤维针织面料结合特殊人造木匠纤维和东丽公司的超细旦抗起球腈纶，具有吸湿、发热、保暖、触感柔软等特点，被大量用于制作贴身内衣和毛衣[10-11]。德绒纤维（Dralon）是德国研发推出的一种超细异型腈纶纤维。该纤维具有独特的腈纶干纺超细异型截面和水分芯吸功能。织物不但柔软和蓬松，而且能迅速将人体的湿气排出并冷凝散热，实现吸湿发热保暖的功能[12-13]。Thermolite织物及其混纺或混编织物保暖性好、轻薄，透湿性也明显优于其他与棉或丽赛纤维混编的织物。英威达（Nvista）公司的中空涤纶Thermolite，其横截面是特殊设计的四孔结构，该结构贮存隔离的空气可阻挡外界冷空气[14]。

2.2 太阳能转化成热能

太阳能发热服装可分为两种：一种是太阳能电池蓄电和电热服的结合，称为太阳能蓄电电热服；另一种由太阳光蓄热保温材料制作，称为太阳能蓄热服。

太阳能蓄热服的服装面料可在太阳光下发热。这类阳光蓄热调温纤维是指添加第Ⅳ族过渡金属碳化物制成的纤维，工作原理为：第Ⅳ族过渡金属元素的碳化物对波长小于2 μm的近红外光能量有较好的吸收能力。当受到阳光照射时，该碳化物能吸收大于0.6 eV的辐射并将其转换成热能，而小于0.6 eV的辐射则被反射[15]。常用方法是在纱线的芯部加入碳化锆微粒，将远红外线吸收物质均匀地渗透到纤维的分子构造上，或者加入放射远红外线陶瓷成分的涤纶与棉混纺，将光能转换为热能的同时，吸收人体发出的远红外线，达到蓄热保温的效果。研究表明，当阳光照射时，碳化锆微粒能将0.6 V以上的阳光电磁波辐射线中的高能辐射线吸收并转化成热能。

Thermostat保温产品主要由杜邦公司用聚酯纤维设计，主要应用于滑雪衫、帐篷灯等相关产品的制作。运用Teflon与薄膜黏合，美国戈尔公司研发的Gore-tex和Wind-stop系列产品在众多创新材料中脱颖而出。运用TPU材料与针织或梭织布黏合，该类产品运用PU树脂进行面料涂层加工[16]。20世纪90年代末，三菱人造丝公司将氧化锡与氧化锑的复合物微粉添加在腈纶纺丝原液中，开发出近红外线吸收纤维Thermocatch，在阴天也能够显著提高内部温度达2～10 ℃[17]。

尤尼吉卡公司将阳光蓄热保温纤维碳化锆芯（Solar.Ot）加工成服装，在阳光照射下，服装内部温度较普通服装高2～8 ℃，阴天保温功能有所下降，温度仅比普通服装高0～2 ℃。但由于氧化锆能够完全融入每根纤维，因此面料耐洗性好，保暖效果较持久。该纤维主要用于滑雪服及针织产品的内里制作[18]。

2.3 电能转化成热能

人体自身的产热量是有限的，当外界温度下降到一定程度后，自身带热源的产热服优势明显。电热服是国内外研制较多的一种服装类型，它是将电能转化为热能的保暖服。

20 世纪40年代，Maricket开发了一款电加热服装。Ozan Kayacan等于2009年开发了一款带有温控制系统的电加热服。该服装将导电纱线织入针织物中，制成的加热织物连同电路系统被安装在服装中。

美国Malden Mills公司开发的智能加热服，在加热保暖功能的基础上，还叠加有数据传输和通信功能。The North Face公司研发的智能服装可以实现智能控温、检测人体心律和体温[18]。

2.4 相变材料

相变材料是一种在特定温度范围内，通过可逆相变从环境中吸收或释放热量的物质。将相变材料嵌入织物，使纺织品具有智能调温性能。当外界环境温度升高时，相变材料吸热熔融，储存热量；当外界温度下降时，相变材料放热冷凝，释放热量，相变材料发生固-液可逆变化而吸收、放出热量的特性使纺织品内部的温度保持相对稳定。

目前，相变发热保暖纺织材料的开发主要是在中空纤维中填入相变材料，或利用微胶囊等技术将相变材料包裹其中，来达到蓄热调温的目的。

1987 ——1997 年间，美国研究的相变材料微胶囊纤维材料可以减薄传统面料并大幅提升其保暖效果。应用于手套衬的创新材料经过不断研发，可供宇航员在零下60 ℃时手握铜棒10 min而保持温暖。随后研发的创新微胶囊纤维材料潜水服可以使潜水员保持身体温暖3 h，保温时长是普通潜水服的3倍。

由美国Outlast公司生产的奥特佳（热敏材料-碳氢化蜡）登月空调纤维，就是利用相变材料微胶囊技术开发的新型纤维。日本小松精练公司推出的Air Technio也是一种温度调节材料，它覆盖一层含温度调节功能的蛋白质粉末薄膜，通过重复吸热、储热和放热来适应外部环境的温度变化。锺纺合纤公司的Thermo Support利用特殊高分子聚合物在寒冷地方凝固、产生凝固热，而在炎热地方融解、吸收热量，是一种能够调节温度的尼龙材料[18]。