发热服装面料的开发及应用

2021-09-15肖学良陈天骄谢云涛王睿瑶王志宇

服装学报 2021年4期

肖学良，陈天骄，谢云涛，王睿瑶，王志宇

(江南大学纺织科学与工程学院，江苏无锡 214122)

随着科技进步与生活水平的提高，人们不再满足于被动的保暖方式，开始研究主动产热放热的发热材料，并探索主动保暖的途径与方法。主动发热面料柔软、可设计、升温迅速、温度可控，与传统厚重的保暖面料相比，主动发热面料更加轻便雅观、保暖效果好，除用于日常保暖外，还可应用于防护急救、医疗卫生、智能穿戴等领域。因此，开发发热织物，在满足人们保暖需求的同时，更有利于满足人们的美观需求，而进一步优化和改善其发热效果则利于开发功能性发热面料，拓宽它的应用领域。因此，文中综述了发热面料的研究现状，并对其未来发展趋势进行展望。

1 发热纤维及其制备

发热纤维是指能够自行主动地产生或释放热量的纤维[1]。发热纤维的发热机理如图1所示，根据发热机理,一般将发热纤维分为吸湿发热、电能发热、光能发热、化学反应放热和相变放热5种[1-2]。其中，吸湿发热纤维绿色环保，但发热时间长、纤维成本高；电能发热纤维电热转换效率高、操作容易，但服用舒适性不高、电池不便捷；光能发热纤维节能环保，可使用条件受限、成本高；化学反应放热纤维升温快，使用便捷，但效果不持久且反应不可逆；与其他发热纤维相比，相变调温纤维可双向调节温度，但调温范围窄[3]。

图1 发热纤维的发热机理Fig.1 Exothermic mechanisms of different materials

1.1 发热纤维的分类

1.1.1吸湿发热纤维一般认为，吸湿发热纤维吸收外界环境或人体产生的水汽，形成氢键放出热量，水分子动能也转换为热能[见图1(a)]；但放出热量的主要来源是液化还是动能转化有待进一步论证[1-2,4]。日本的吸湿发热纤维研究较为成熟，包括Softwarm纤维、N38纤维、EKS纤维等[5]；美国研发有Outlast纤维、Thermolite纤维等[6]；中国开发有共混纺吸湿发热黏胶纤维[7]、改性发热腈纶纤维[8]等。

1.1.2电能发热纤维电能发热纤维利用电流热效应发热，导电材料通电后，将电能转化为热能[9][见图1(b)]。目前，具有优良加工性和稳定性的聚合物基电热材料逐渐取代成本高、应用条件严格的金属类材料[9-10]。WANG C L等[11]采用熔融纺制备聚醚醚酮纤维，编织得到的PEEK电热织物具有高断裂强度(830～1 422 N)和高热稳定性；强丁丁[12]开发了适用于不同场景的不同温度石墨烯基电热产品(低温在45 ℃左右，中温在80～100 ℃)。

1.1.3光能发热纤维光能发热纤维能够吸收太阳辐射中不同波长光线的能量并转化为热能，或反射人体热辐射[2][见图1(c)[13]]。不同材料对不同波长光线的吸收和反射能力不同，IV族过渡金属碳化物可吸收太阳光中的高能波长段(300～2 000 nm)和反射人体散发的低能辐射(1 000 nm),具有极佳的光热效果[14]。梁佳璐等[15]通过共混纺丝制得纳米陶瓷锦纶短纤，并编织得到吸光发热性能良好的纬编织物。LI C L等[13]通过在黏胶纺丝液中添加ZrC，制备了新型光热纤维，纺成的织物经红外光照射后表面温度可升高近40 ℃。

1.1.4化学反应放热纤维化学反应放热材料通过发生化学反应将化学能转化为热能[2]。如“暖宝宝”“速食饭”、自热小火锅等就是通过化学反应放热材料加热升温。但由于化学反应放热具有不可逆性，多用于一次性加热，在发热纱线、面料中的应用较为少见。

1.1.5相变调温纤维相变调温纤维通过物相变化吸收或放出热量，从而实现温度调节[2,16][见图1(d)[16]]。李佳佳等[17]通过原位聚合和湿法纺丝制备石蜡/PVA储能纤维，纤维相变焓值为45.39 J/g，具有优良的储能性及热稳定性。XUE F等[18]基于三聚氰胺泡沫、氧化石墨烯和石墨烯纳米血小板合成了新型复合相变材料，具有优异的能量转换性能，在建筑节能保温、微电子器件温度保护等应用中存在巨大潜力。

1.2 发热纤维的制备

发热纤维的发热与保暖性能主要取决于纤维的形态结构与化学组成。与普通圆形截面纤维相比，异型纤维截面不规整，纤维不易聚集，纤维间空隙较大，有利于静止空气的储存，从而降低织物导热系数，提高织物的保暖性能，如哑铃形的德绒纤维等[19]。因此，圆形中空涤纶纤维与扁平特殊黏胶纤维混纺时易于在纤维间形成空隙, 增加静止空气含量，阻隔内外温度交换，达到保温作用[20]。同理，超细纤维间或超细纤维与其他纤维间的空隙同样易于贮存静止空气。就吸湿发热纤维而言，纤维表面的纵向沟槽可提升纤维表面性能，利于吸附水分子。如EKS纤维和舒热丝纤维，与普通腈纶纤维相比，其表面沟槽更宽更深(见图2[21])，在一定程度上增加了芯吸效应，利于水分传输，增强吸湿发热功能[21]。此外，当纤维含有较多亲水基团时，纤维具有较高的回潮率；当氰基、酯基等向亲水基团转变时，分子间作用力减弱，结晶度下降，纤维吸湿性能改善[8]。

图2 几种吸湿发热纤维的SEMFig.2 SEM photographs of several hygroscopic exothermic fibers

依据形态结构和化学组成对纤维发热保暖性能的影响，采用化学改性、共混纺丝和静电纺丝等方法也可以制备发热纤维材料，具体如图3所示。化学改性法通过聚合、交联等反应，改变纤维大分子组成与结构，引入利于发热性能的元素、基团等。马正升[6]对聚丙烯腈进行交联改性，提升亲水基团含量，改性后纤维表面沟槽宽而深、比表面积增大，水分吸附与传递能力提升。共混纺丝法就是在聚合物熔体或溶液中加入发热功能材料，纺制发热纤维[16,22]。XIA W等[23]将纳米相变材料加入纺丝熔体中制备PA6基相变调温纤维[见图3(a)[23]]，所得纤维的焓值高达137 J/g。JIANG Y J等[24]在湿法纺丝前将氧化石墨烯(GO)加入黏胶溶液中，制备了一种具有光热转换能力的新型黏胶纤维[见图3(b)[24]]，结果表明，在相同的红外曝光时间内，氧化石墨烯分数为4%的黏胶织物温升比纯黏胶样品高出81.2 ℃。静电纺丝是一种制备超细纤维的便捷技术，常用于制备相变调温纤维[25]。ZHU W T等[26]通过静电纺制备了一种新型PEG/PVA复合相变纤维，取代了传统的有机溶剂法，更为绿色经济。由发热纤维纺制纱线再织成的面料，因纤维均匀分布在纱线、面料中，发热面料发热性能稳定，温度分布均匀。

图3 制备发热纤维的不同纺丝方法Fig.3 Different spinning methods for preparing exothermic fibers

2 发热纱线的开发

类似于纤维，纱线发热效果也受形态结构和化学组成的影响，因此可利用纺纱方法，通过改变纱线化学组成或形态结构来制备发热纱线。一般情况下，线密度较大的纱线织成的织物结构更松散，内部空隙大，利于静止空气储存和湿气传递。制备发热纱线可以采用混纺的方法，在混纺纱中加入发热纤维组分或利于发热保暖的纤维组分，适当调节混纺比，使材料获得良好的发热性能[19]。杜凯[4]纺制了混纺比不同的发热腈纶/中空涤纶混纺纱并分别编织双罗纹织物，研究发现随着混纺纱中发热腈纶纤维含量的增加，织物的吸湿发热性能逐渐提升，见表1[3]。发热纤维也可与超细纤维、异型纤维或表面粗糙的纤维混纺，所制纱线孔隙率较大，易储存静止空气和吸湿导湿，发热保暖效果良好，如日本由铜氨丝和超细腈纶混纺成的Thermogear R[27]。除混纺纱外还有包芯纱、包覆纱等，都能够结合发热材料制备发热纱线。沈文涛等[28]纺制了PorelR吸湿发热氨纶包芯纱，开发的无缝针织物具有吸湿发热、透湿透气、产品轻薄等特点。庞欣[29]以氨纶与聚酯发热长丝为原料，以1∶3的氨纶牵伸比制备氨纶包覆纱用于开发高弹护膝。

表1 纱线混纺比对织物发热性能的影响

纱线、金属丝等发热材料通过编织、刺绣、缝纫等方式应用到面料中，简单方便。严陶海等[30]将碳纤维发热线作为纬纱与棉纱按照3种不同排列比编织平纹机织物。CHEN H J等[31]将不锈钢纱线刺绣、缝纫到棉织物上，利用热变色材料展现刺绣、缝纫的图案，具体如图4所示[31]。

图4 利用热变色效应显示太极的背光图Fig.4 Thermochromic effects of the "Tai Chi" pattern with backlighting

3 发热面料的开发

3.1 基于组织结构的发热面料开发

发热面料分为针织和机织两种组织结构，其中，针织面料蓬松柔软、保暖、透气透湿、服用性能良好。因此，目前关于发热面料的研究中，针织组织较机织组织更受欢迎[21]。

3.1.1针织发热面料针织组织结构由线圈单元相互串套形成[32]，孔隙率高、结构蓬松，因此静止空气含量高，保暖性能较好，同时透气透湿性能也较好[21]。其中，双罗纹组织和衬纬组织在发热面料的研究中应用较多。双罗纹组织具有双面结构，织物厚实，保暖性能良好，常用于制作冬季保暖服装。衬纬组织是沿地组织纬向衬入辅助纱线的组织[32]，适于将发热材料作为辅助纱线引入。许静娴等[33]织造了6款组织结构不同的电热针织物，发现双罗纹织物发热性能最优，因其组织内部纱线接触点多、总电阻小，所以升温效果好，且温度分布均匀。陈莉等[34]研究了4种不同镀银长丝针织物的导热发热性能，结果表明衬纬织物电路清晰，电阻易于控制，温度分布均匀且发热效果良好。除此之外，还有半螺纹空气层[35]等多种针织面料在发热面料的开发与应用中也具有较大优势。

3.1.2机织发热面料在机织的三元组织织物中，平纹织物较紧密，芯吸效果最差；缎纹织物结构蓬松，孔隙率较大，透气透湿性能最好；斜纹织物孔隙、厚度适中，克罗值最大，升温效果优于易散热的缎纹织物。双层机织物单位面积所含发热材料多，发热保暖效果比单层织物更优，但其透湿导湿性不如单层织物[21]。机织面料结构及其温度分布如图5[36]所示。机织面料因纱线间存在大量的交叉接触点[图5(a)]，热量传导与分布更均匀[图5(b)]，尤其是电流分布均匀的电热机织织物[36]。

图5 纺织结构及其对温度分布的影响Fig.5 Textile structure and its effect on temperature distribution

3.2 基于表面处理技术的发热面料开发

借助表面处理技术，通过物理或化学方法可使面料获得发热功效。化学方法包括电镀、离子镀、接枝聚合及化学气相沉积等；物理方法包括表面涂覆改性、真空镀、溅射、喷射及物理气相沉积等，运用不同表面处理技术开发的发热面料如图6所示。XIE J等[37]利用原位聚合法将聚丙烯添加到棉织物上[见图6(a)[37]]，制成的聚丙烯/棉复合材料性能优异，电压为5 V时可在3 min内达到168.3 ℃，且拉伸强度达到 58 MPa，是理想的加热元件。LU Y W等[38]利用镀银、聚氨酯(PU)涂层和热致变色涂层制备了基于锦纶织物的热致变色多层复合织物，该织物具有良好的加热效果和热稳定性。基于相变微胶囊的浸轧整理，可使相变材料均匀分布于织物表面与纱线内部[39-40]。ALAY S等[41]通过浸轧的方式将相变微胶囊整理到棉、涤等织物上，结果表明不同织物的焓值较浸轧整理前都有明显提升。

采用表面处理方法制备发热面料，高效快捷,发热效果优良，但对织物的透气性、柔软性等会有所影响；并且由于材料多涂覆或沉积在织物表面，易损耗影响持久稳定性。莫崧鹰等[42]借助等离子体金属镀膜技术开发了具有纳米级厚金属膜的柔软发热功能服装，具有轻薄可折耐用等优点。ZHANG L等[43]采用改进的气相沉积法在织物表面涂覆PEDOT聚合物薄膜[见图6(b)[43]和图6(c)[43]]，几乎没有改变织物的手感、质量和透气性能。此外，丝网印刷[44]、油墨打印[45]等方法也可用于制备发热面料。

除直接对织物进行表面处理制备发热面料外，还可将面状发热面料(如电热膜、电加热织物等)通过夹层、黏合等方式与面料结合形成发热面料。张阿真[46]借助黏合衬，在两面分别黏合铜丝和涂层织物制作发热材料，制备双层柔性加热织物。

图6 运用不同表面处理技术开发的发热面料Fig.6 Exothermic fabrics developed by different surface treatment techniques

4 发热面料应用研究

发热面料具有主动产热供热等特点，且相较于传统保暖面料更为轻薄美观，多被用于防寒保暖服装的制备。又因柔性、可设计、发热的可控性等特点，发热面料除应用于日常保暖外，还可应用于防护急救、医疗保健和智能穿戴等领域。

4.1 防护急救

发热面料制备的防护服可帮助低温作业和急救工作正常进行，抵御寒冷。杨志坚等[47]设计了基于原电池原理的供暖救生衣，落水人员拉动充气阀，使空气与铁粉等填充物发生化学反应放热供暖，避免冻伤等。

4.2 医疗保健

发热面料能够产生辐射热量，可用于制作理疗服装，辅助疾病治疗与人体保健，具体如图7所示。ZHAO Y F等[48]利用镀银导电纱织制导电机织物，开发出针对女性痛经的热功能服，在服装腹部位置导电发热缓解人体疼痛[见图7(a)[48]]；洪文进等[49]设计了基于纳米增强远红外技术的理疗内裤[见图7(b)[49]]，发热膜被加热直至人体临界舒适温度,增强远红外线能够深入皮肤内部，对人体进行热敷按摩和慢性疾病治疗等。

4.3 智能穿戴

使用发热面料制备柔性传感元件等，在智能穿戴设备及通信、监测等领域有广阔的应用前景。YANG M Y等[50]采用浸渍干燥法将单壁碳纳米管涂覆在针织棉织物表面，制备了具有较强电加热效果的导电棉织物，如图8所示[50]；由该织物制成的柔性应变传感器可工作应变范围大(0近似于100%)、响应速度快、稳定性好，可实时监测人体站立、行走等运动。