热湿舒适性智能织物的研究进展

陈佳慧，梅 涛，赵青华，尤海宁，王雯雯，王 栋

(1.武汉纺织大学 纺织纤维及制品教育部重点实验室，湖北 武汉 430200；2.武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200)

随着社会的发展，人们对生活舒适性要求越来越高，其中包括人体自身的热湿舒适性[1]。人体能感知的热湿舒适范围较窄，为调节自身舒适度，通常靠人体系统代谢、增减衣物、外界供暖或制冷3种方法调控。当仅靠自身系统代谢时，环境温度过高或过低会导致人体无法正常调节体温，造成生理伤害甚至死亡[2-3]，因此，为满足现代社会人们对周围温度和湿度舒适性的要求，环境温湿度调控设备随处可见，且成为室内建筑的重要指标[4]。通过外部设备控制环境温湿度需要消耗大量的电能，据统计每年建筑内的制冷和供暖耗能占全球电能消耗的20%～40%，温室气体排放占全球排放的30%[5-6]。电能的过度消耗及温室气体的排放对环境保护和可持续发展造成了巨大负担。同时，当今社会人口的高速发展和化石能源的日益匮乏已成为制约全球经济发展的重要因素，空调制冷与供暖中造成的能源消耗的激增与实现全球“双碳”目标之间存在巨大矛盾[7]。在全球资源短缺的当下，实现最低能耗保证人体自身热湿舒适性，成为亟需解决的问题。此外，由空调等设备对室内温湿度的统一调控会由于个体差异难以满足每个人的需求。在相同环境下，不同人对温湿度的感觉存在差异[8]。在日常生活中，服装同样起到了调节体温的作用，人们通常会依据外界温度的变化改变服装厚薄来维持正常体温。然而传统服装也具有诸多缺点，如纯棉衣物亲水性较好，在夏季能较快吸收人体产生的汗液；但其被浸湿后，透气性会受到极大影响，使穿着舒适性变差[9],因此，迫切需要开发一种适应个人喜好、可调控人体热量和湿度的智能织物。

在近期研究中，各种主动、被动冷却或加热材料如光子晶体、超材料、吸湿性水凝胶等可通过吸收或反射红外线、提高水分蒸发效率等方法实现对人体温湿度的智能调节[6,10]。研究人员经过探索，制备了功能性纺织材料以提高织物对人体的热湿调节效果，如高红外线吸收率的聚乙烯(PE)织物[11-12]、高导热的氮化硼(BN)/聚乙烯醇(PVA)复合纤维[13]、聚四氟乙烯(PTFE)涂层氧化钛-聚乳酸(TiO2-PLA)机织纺织品[14]。然而，与高性能材料复合后织物的力学性能降低、涂层稳定性差、穿着舒适性差等诸多问题有待解决。此外，通过对纤维、织物组织结构的调控，也可构筑智能保暖、制冷、热湿调节织物，但现阶段研究仍存在材料成本过高、技术过于复杂、产业化生产困难等挑战。基于此，环境友好、效果优异、可大规模生产的调节人体热湿舒适性的智能织物亟需开发。

本文综述了热湿舒适性智能织物的发展现状，重点介绍了现阶段热湿舒适性智能织物的制备方法及原理，针对现阶段面临的困难和挑战，展望了热湿舒适性智能织物的发展方向和前景。

1 人体热湿调节智能织物

织物的热湿舒适性是服装穿着舒适性中最基本、最核心的部分[9]。热湿舒适性智能织物要求织物在环境温湿度变化时可通过自身的结构、性能及时调控人体的温度和湿度，保持人体舒适度。

人体热量控制主要靠体内传热和体外传热2种，包括：由皮肤表面和环境温湿度存在差异时形成的传导、对流、辐射传热；皮肤表面汗液或水分蒸发、扩散造成的热量改变；呼吸产生的散热[15-17]。皮肤表面的汗液蒸发被认为是高效的冷却方式，蒸发1 g水可产生约2.43 kJ的冷却功率[18]。通过控制人体的热传导、辐射、对流以及汗液的蒸发，可达到调控人体热湿舒适性的目的。人体在织物包覆下与环境的传热示意图如图1[6]所示，在不同传热条件下，可通过调节纤维及织物的性能调控人体热湿舒适性[6]。随着热湿舒适性智能织物研究的深入，通过添加或涂层调节红外线辐射[19-20]、热传导[21-22]的材料，或通过控制纤维自身结构[23]、织物组织结构[24]，已研制出许多智能温控、湿控纺织品。

图1 人体、织物与环境之间的传热方式示意图

2 热湿舒适性智能织物的材料

由于人体主要热湿变化途径是热辐射、热传导、热对流以及水分蒸发，因此通过对织物的调节只改变其中任意一种方式造成的热湿传导时，可实现对人体热湿舒适性的控制[17]。近年来，各种高性能材料的研发和制备推进了人体热湿舒适性调节织物的发展。利用不同高性能材料如近红外线反射材料[25-26]、高导热材料[27-28]、高红外线吸收或透过材料[20-23]，织物可达到明显的冷却或保暖的效果。通过加入高性能材料制备热湿舒适性智能织物被认为是一种新兴方式，可有效提高人体舒适感以及减轻能耗负荷。

2.1 高红外线反射材料

自然界中的红外线，尤其是太阳光中的近红外线是人体热量的主要来源。当太阳光中的红外线无法穿过织物进入人体时，可有效降低热量。在自然界中，许多动植物也利用反射红外线达到降温效果。例如：覆盖在杨树叶背面的反光白色纤维，对太阳光的反射达到55%，可有效保护植物避免受太阳直晒而枯萎[29]；撒哈拉银蚁的银色毛发可反射高达67%的太阳光中的近红外线，避免自身被太阳晒伤[30]。由此可见，阻挡太阳光中的红外线透过织物可有效达到制冷效果。受自然界中动植物的启发，利用高红外线反射材料，可成功构筑智能调温织物。通过这一概念，将具有红外线反射作用的材料如过渡金属(Ag、Ti和Al等)、无机或有机化合物(TiO2、掺锑氧化锡和偶氮颜料等)和天然化合物(叶绿素等)用于冷却涂层涂覆在织物上，可有效反射来自外界的红外线，减少由红外线带来的热量[31-35]。

以此方法制备智能调温织物多以涂层的方式涂覆于织物表面，而涂层织物耐洗性能通常较差。虽然通过黏结剂、织物表面的预处理及对涂层材料的改性可明显改善织物的耐洗性能，但仍难以从根本上解决问题。同时，过多的黏结剂会降低织物的透气性，从而使穿着舒适性变差，因此，对利用红外线反射材料制备热湿舒适性智能织物仍有待进一步探究。

2.2 高导热材料

通过改变织物的热传导性能同样能实现对人体的热湿调控。织物的热传导性能受材料自身的导热系数影响较大，大多数传统纺织材料的导热系数都较低，如棉、羊毛、聚酯纤维和锦纶的导热系数分别只有0.07、0.05、0.25和0.14 W/(m·K)[36-37]。研究发现，通过向织物中添加碳纳米管、氮化硼(BN)等高导热材料可有效提高织物的散热，快速将人体热量导出，达到人体降温[6]。Abbas等[28]通过在棉纤维中添加多壁碳纳米管，使织物具有快速冷却的效果。当添加多壁碳纳米管的质量分数达到11.1%时，复合纤维的热导率可提高78%。在50 ℃条件下对纯棉纤维和棉/碳纳米管复合纤维进行测试发现，纯棉纤维在5 s内的温度达到了45.2 ℃，而分别添加了质量分数为11.1%、50%多壁碳纳米管的棉织物其温度降低2、3.9 ℃，达到43.2、41.3 ℃。Gao等[13]利用氮化硼纳米片(BNNSs)和聚乙烯醇(PVA)制备复合纤维，如图2[13]所示，由于氮化硼优异的导热性和牵伸过程中BNNSs的定向排列使制备的复合纤维织物具有较高的热导率，能快速导出人体热量。利用红外成像相机对相同条件下BN/PVA复合纤维织物和棉织物的热成像进行对比发现，BN/PVA复合纤维织物和棉织物的最高温度分别达到39.8、55.9 ℃[13]，可见BN/PVA复合纤维织物的散热效果明显优于纯棉织物。

图2 氮化硼/聚乙烯醇复合纤维作为制冷织物的结构与散热示意图

综上，通过使用高导热材料可实现将人体热量快速导出到外界环境中，起到降温作用。但在纤维或织物中添加高导热材料会直接影响织物的透气性和手感；同时，复合纤维的生产工艺复杂同样成为高导热织物发展的重大挑战。

2.3 高红外线透过材料

除来自外界的红外线热源，人体自身也会产生红外线辐射，成为稳定的热源。织物可通过促进或抑制人体辐射的红外线导出，起到制冷或保暖的效果。当织物拥有高红外线透过率时，红外线可穿过织物将热量传递到环境中，起到降温效果；反之，当织物的红外线透过率低时，人体产生的红外线会被织物有效阻挡难以散失，达到保暖的效果。基于此，通过调节织物的红外线透过率，可实现织物的制冷或保暖功能。经研究发现，聚乙烯(PE)纤维具有高红外线透过率，平均值高达87%，因此，利用PE纤维开发的纺织品可促使人体散热，达到冷却的效果。Hsu等[19]通过实验证明了纳米孔径PE膜对中红外线和人体辐射的红外线都具有高透过的效果，用纳米孔径PE膜制备的织物相比常规织物，在相同情况下使人体降温2.7 ℃左右。鉴于PE纤维优异的红外线透过性能，Yang等[38]制备了锦纶6/银/纳米PE复合膜，如图3所示。将复合膜附着在口罩上佩戴时，可观察到复合膜口罩温度相较普通商业口罩有明显降低。除薄膜材料的制备，Tong等[39]基于PET/PE材料设计了一种高红外线透过织物，对远红外线透过率高达97.2%，尤其对中、远红外线几乎透明，可应用于热管理织物。然而，在现阶段研究中，除PE纤维外，鲜有文献报道可直接用于柔性高红外线透过织物的材料，因此，单纯靠材料自身不同的红外线透过性能决定织物的智能热湿调节局限性大，需要开发不同红外线透过率的新型纺织材料弥补技术空白。此外，在利用高红外线透过材料制备复合材料时，仍需要考虑复合织物的调温稳定性、力学性能和透气性等性能，这也成为制约其发展以及大规模应用的重要因素。

图3 PE/PA6复合织物的制备及应用

3 热湿舒适性智能织物的结构

除通过材料的功能性制备热湿调节织物，研究人员试图通过对纤维或织物结构的控制，达到调节人体热湿舒适性的目的。基于此，吸湿快干、智能热湿调节织物受到人们的广泛关注[21]。

3.1 异形结构纤维

纤维自身结构会影响其导热、吸湿等各项性能，如由相同材料制备的常规、中空、多孔纤维具有不同的热导率和亲水性，因此，通过对纤维结构的控制可调控纤维性能，改变织物的热导率和亲水性等，从而达到调节人体热湿舒适性的目的。Cui等[21]根据北极熊毛发的保温性能开发了一种仿生纤维，利用冻干技术制备了一种多微孔纤维，通过冷冻干燥纤维中存在大量的孔隙结构，调控不同冷冻温度、定向与非定向手段可调节纤维孔径(如图4(a)[2]所示)，可限制空气的流动，由于空气的热导率比纤维小，仿生纤维导热性差而具有保暖性能。将仿生多孔纤维织成织物后穿于兔子身上，通过红外成像仪可明显观察到仿生织物具有良好的热隐身性能，可以在不同外界环境中(10、15和40 ℃)很好地隐藏兔子(如图4(b)所示)。这是由于兔子体内的热量被仿生多孔纤维阻挡，无法通过织物传递，因此无法被红外成像仪探测。综上，通过制备异形结构纤维来调控热导率，可实现通过改变织物保暖性能来调节人体热湿舒适性的目的。

图4 仿生多孔纤维的微观形貌图及保暖织物的应用

3.2 非对称结构织物

除人体热舒适性外，人们对湿舒适性的要求也日益增高，如剧烈运动后织物会被大量汗液浸湿导致透气性变差[9]，影响穿着舒适性，因此，透湿性也是影响织物舒适性的重要因素。织物透湿过程中也伴随着热量的变化，如汗液蒸发时会带走部分体内热量，使人体体温发生变化。

自然界中一些动植物，如蝴蝶翅膀、蜘蛛丝和仙人掌刺，均具有不对称的润湿梯度和Janus润湿性，可将水分从疏水层导出并防止反向渗透[4]。基于此，研究者设计了具有非对称结构的吸湿快干织物。这种织物亲肤一侧由孔隙较大的超疏水纤维构成，另一侧由孔隙较小的超亲水纤维构成。当人体出汗后，汗液由疏水一侧向亲水一侧渗透，并在亲水层蒸发。通过对织物两侧亲疏水性、孔隙大小和结构设计，实现水分的定向传输，防止其反向渗透，从而达到长期保持人体干爽舒适的目的。然而，当吸湿快干织物所吸收的水分达到亲水层的极限值后，水分难以由疏水一侧渗透到亲水一侧。近年来，研究者通过三维织物技术对吸湿快干织物进行了改进。Fan等[40]用涤纶纬纱层、棉经纱层和粘胶纬纱层构筑了一种三维正交机织物(如图5(a)所示)。通过涤纶、棉和粘胶3种纤维亲水性的差异，结合等离子体技术，得到了性能更加优异的单向导湿织物。同时，用具有高亲水性的CoolMax异形纤维在Z轴将纤维层固定，得到结构稳定的三维正交织物，实现优异的单向导湿性能(如图5(b)所示)。

图5 三维结构吸湿快干织物结构示意图

3.3 智能孔径调节织物

近期，研究人员发现，在外界温湿度不同的条件下，改变织物的孔隙结构，同样可调节人体热湿舒适性。

Iqbal等[41]在对羊毛针织物研究时发现，外界湿度不同时，针织物线圈结构会发生变化从而影响人体体温。如图6(a)所示，羊毛织物结构不同时，织物在外界湿度变化下会发生不同的孔径结构变化，从而引起人体散热的改变。根据不同变化，纬平针织物可制备制冷织物，双面针织物可制备保暖织物。这是由于随着织物吸湿率变大，纬平针织物孔隙变大，双面针织物孔隙变小，如图6(b)所示。

图6 羊毛织物随外界湿度变化时织物孔隙结构的变化

除纤维自身响应不同热湿刺激外，Wang等[24]通过织物正反两面涂覆2种亲疏水性不同的聚合物，制备了快速响应环境温湿度的智能织物。当外界温度较高时，织物表现为外层亲水、内层疏水，能有效地将皮肤表面的多余水分导出。当外界温度变低时，织物亲疏水性改变，外层疏水、内层亲水，从而保存人体皮肤表面的水分和热量。同时织物的孔隙结构也会随着外界温度的变化而变化，织物的孔隙在高温时打开而在低温时关闭，因此，在温度较高时，织物表现出优异的散热性能，而在低温时转换成优异的保暖性能，可有效地根据外界环境温湿度变化调节人体的温湿度。

此外，Zhang等[23]利用纤维结构随外界环境变化时的改变，制备了智能热湿调节织物。在纱线外层涂覆一层碳纳米管，当外界环境温度较高时，纱线结合紧密，单根纤维间距离变小，纤维表面的碳纳米管出现共振电磁耦合，改变织物的红外线发射率，并匹配人体的热辐射，促进人体的辐射冷却，从而有效地增强热交换，达到散热效果。当外界环境温度较低时，纱线结构松散，随着单根纤维间距的变化，纤维外层碳纳米管的间距改变，辐射冷却作用减弱，有助于织物保暖。同时，在外界温度变化时，织物的孔径随着纤维间距的变化而变化，有助于织物的热交换，起到了协同冷却和保温的作用。

4 结束语

近年来，随着人们生活质量的提高，对环境友好、可持续发展的大力倡导，热湿舒适性智能织物的快速研发势在必行。现阶段对热湿舒适性智能织物的研究主要是通过在纤维或织物中添加或涂层功能性材料，达到改变织物热传导、辐射、对流和水分蒸发的效果，从而改变织物的散热，实现人体热湿舒适，但涂层稳定性、添加材料的相容性会直接影响织物的穿着稳定性和舒适性，均为亟需解决的重要问题。同时，通过对纤维或织物的结构调控也可实现对织物的冷却和保暖调控，但现阶段织物结构、材料的局限性导致这种功能性纤维无法大规模商业化生产，且在现阶段的研究中仍然存在许多挑战，如热湿舒适性调节的稳定性及织物的力学性能与透气性能等较差。

对此，若能进一步开发新型纤维，通过改变纤维结构赋予纤维热湿响应的功能，可促进热湿舒适性智能织物的发展。例如，制备功能异形纤维以及可智能驱动的新型纤维，通过改变纤维各项性能从而实现织物对人体热湿舒适性的控制。此外，纤维材料的发展为织物的多样性提供了更大的可能。同时，开发新型纤维更容易满足大规模生产，极大地推动热湿舒适性智能织物的制备和实际应用。