許 超

（新興職業(yè)裝備生產(chǎn)技術(shù)研究所，北京 100000）

本課題分析了保暖材料的保暖機(jī)制、分類及其發(fā)展方向，將傳統(tǒng)面料與高科技保暖材料相結(jié)合，使現(xiàn)代服裝在滿足人們基礎(chǔ)的著裝審美要求外，還能滿足人們追求自然健康、舒適功能性等心理需求[1]。

1 服裝用保暖材料的保暖機(jī)制及分類

織物的保暖機(jī)制是指服裝面料、紡織品等保持被包覆者體溫度的性能[2]。當(dāng)人體處于熱平衡時(shí)，感覺舒適的溫度是33.4 ℃左右，超過37.9 ℃，人體將有冷暖感[3]。

人體熱量散失的主要方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射等。想要持續(xù)保暖，應(yīng)注意幾點(diǎn)：首先，選用熱傳導(dǎo)系數(shù)小的保暖材料；其次，有效控制并減少空氣流動產(chǎn)生的熱量消耗；最后，選用對紅外線等電磁波有較好遮蔽效果的材料[4]。

按照纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)，保溫面料可分為中空纖維、超細(xì)纖維和太空織物纖維。

趙俐等[5]研究了Sunlite中空滌綸纖維不同的針織結(jié)構(gòu)對保溫性能的影響。起絨處理后的整理工藝在增加織物厚度的同時(shí)，使織物攜帶了更多的靜止空氣，從而增強(qiáng)了織物的保暖性能。Aero Breath纖維材料是由中空結(jié)構(gòu)錦綸短纖維與以棉為主的天然纖維混紡而成的復(fù)合功能面料，該面料具有輕薄舒適、保溫速干的特點(diǎn)[6-7]。

服裝面料所含的空氣體積越大，經(jīng)傳導(dǎo)損失的熱量就越少，保暖效果也越好。但空氣對輻射熱的阻擋作用不佳，限制熱輻射的工作需由纖維完成。因此，保暖材料中的纖維體積必須超過一個(gè)固定值才能有效減小輻射熱損失。保暖材料的另一必要條件是減少其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的空氣流動，特殊纖維的表面積較大，其表面摩擦力可以較好地阻礙空氣流動。顯然，減少傳導(dǎo)熱損失與減少輻射、對流熱損失之間所滿足的條件是相悖的，應(yīng)根據(jù)不同保溫材料的特性，以優(yōu)勢互補(bǔ)的方式研究創(chuàng)新型保溫面料。

2 創(chuàng)新型保暖面料的開發(fā)途徑

創(chuàng)新型保暖面料的開發(fā)途徑主要有吸濕發(fā)熱、太陽能轉(zhuǎn)化成熱能、電能轉(zhuǎn)化成熱能、相變材料化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能。

2.1 吸濕發(fā)熱

液體水分蒸發(fā)時(shí)需要的氣化熱會大幅降低體溫，相反，氣體變?yōu)橐后w時(shí)也會產(chǎn)生凝集熱。吸濕發(fā)熱性纖維正是利用了水的這種變化，將人體汗氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)產(chǎn)生的熱量用于保暖。

通過對纖維進(jìn)行高親水化處理，可以提高纖維的吸濕發(fā)熱性能，即織物纖維分子鏈引入氨基或羧基等親水基團(tuán)，同時(shí)，進(jìn)行交聯(lián)處理后的織物纖維具有較強(qiáng)的吸濕性能。這類纖維主要有羊毛和莫代爾纖維、腈綸和滌綸。相比而言，前者的吸濕發(fā)熱效果較強(qiáng)，后者的吸濕發(fā)熱效果較差。

日本在這類發(fā)熱材料的研究與開發(fā)中處于領(lǐng)先地位，如日本東洋紡公司于20世紀(jì)末推出了EKS纖維。這種纖維的吸濕能力約為棉的3.5倍，發(fā)熱量是羊毛的2倍，具有調(diào)溫和調(diào)濕的功能，兼具調(diào)節(jié)pH平衡、抗菌、抗起球等優(yōu)點(diǎn)[8]。倉敷紡績公司的Lunafa是利用羊毛吸收濕氣后產(chǎn)生吸附熱來達(dá)到保暖效果的，用90%的棉包裹10%的防縮羊毛的雙層構(gòu)造紗[9]。Softwarm發(fā)熱纖維針織面料結(jié)合特殊人造木匠纖維和東麗公司的超細(xì)旦抗起球腈綸，具有吸濕、發(fā)熱、保暖、觸感柔軟等特點(diǎn)，被大量用于制作貼身內(nèi)衣和毛衣[10-11]。德絨纖維（Dralon）是德國研發(fā)推出的一種超細(xì)異型腈綸纖維。該纖維具有獨(dú)特的腈綸干紡超細(xì)異型截面和水分芯吸功能。織物不但柔軟和蓬松，而且能迅速將人體的濕氣排出并冷凝散熱，實(shí)現(xiàn)吸濕發(fā)熱保暖的功能[12-13]。Thermolite織物及其混紡或混編織物保暖性好、輕薄，透濕性也明顯優(yōu)于其他與棉或麗賽纖維混編的織物。英威達(dá)（Nvista）公司的中空滌綸Thermolite，其橫截面是特殊設(shè)計(jì)的四孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)貯存隔離的空氣可阻擋外界冷空氣[14]。

2.2 太陽能轉(zhuǎn)化成熱能

太陽能發(fā)熱服裝可分為兩種：一種是太陽能電池蓄電和電熱服的結(jié)合，稱為太陽能蓄電電熱服；另一種由太陽光蓄熱保溫材料制作，稱為太陽能蓄熱服。

太陽能蓄熱服的服裝面料可在太陽光下發(fā)熱。這類陽光蓄熱調(diào)溫纖維是指添加第Ⅳ族過渡金屬碳化物制成的纖維，工作原理為：第Ⅳ族過渡金屬元素的碳化物對波長小于2 μm的近紅外光能量有較好的吸收能力。當(dāng)受到陽光照射時(shí)，該碳化物能吸收大于0.6 eV的輻射并將其轉(zhuǎn)換成熱能，而小于0.6 eV的輻射則被反射[15]。常用方法是在紗線的芯部加入碳化鋯微粒，將遠(yuǎn)紅外線吸收物質(zhì)均勻地滲透到纖維的分子構(gòu)造上，或者加入放射遠(yuǎn)紅外線陶瓷成分的滌綸與棉混紡，將光能轉(zhuǎn)換為熱能的同時(shí)，吸收人體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線，達(dá)到蓄熱保溫的效果。研究表明，當(dāng)陽光照射時(shí)，碳化鋯微粒能將0.6 V以上的陽光電磁波輻射線中的高能輻射線吸收并轉(zhuǎn)化成熱能。

Thermostat保溫產(chǎn)品主要由杜邦公司用聚酯纖維設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于滑雪衫、帳篷燈等相關(guān)產(chǎn)品的制作。運(yùn)用Teflon與薄膜黏合，美國戈?duì)柟狙邪l(fā)的Gore-tex和Wind-stop系列產(chǎn)品在眾多創(chuàng)新材料中脫穎而出。運(yùn)用TPU材料與針織或梭織布黏合，該類產(chǎn)品運(yùn)用PU樹脂進(jìn)行面料涂層加工[16]。20世紀(jì)90年代末，三菱人造絲公司將氧化錫與氧化銻的復(fù)合物微粉添加在腈綸紡絲原液中，開發(fā)出近紅外線吸收纖維Thermocatch，在陰天也能夠顯著提高內(nèi)部溫度達(dá)2～10 ℃[17]。

尤尼吉卡公司將陽光蓄熱保溫纖維碳化鋯芯（Solar.Ot）加工成服裝，在陽光照射下，服裝內(nèi)部溫度較普通服裝高2～8 ℃，陰天保溫功能有所下降，溫度僅比普通服裝高0～2 ℃。但由于氧化鋯能夠完全融入每根纖維，因此面料耐洗性好，保暖效果較持久。該纖維主要用于滑雪服及針織產(chǎn)品的內(nèi)里制作[18]。

2.3 電能轉(zhuǎn)化成熱能

人體自身的產(chǎn)熱量是有限的，當(dāng)外界溫度下降到一定程度后，自身帶熱源的產(chǎn)熱服優(yōu)勢明顯。電熱服是國內(nèi)外研制較多的一種服裝類型，它是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的保暖服。

20 世紀(jì)40年代，Maricket開發(fā)了一款電加熱服裝。Ozan Kayacan等于2009年開發(fā)了一款帶有溫控制系統(tǒng)的電加熱服。該服裝將導(dǎo)電紗線織入針織物中，制成的加熱織物連同電路系統(tǒng)被安裝在服裝中。

美國Malden Mills公司開發(fā)的智能加熱服，在加熱保暖功能的基礎(chǔ)上，還疊加有數(shù)據(jù)傳輸和通信功能。The North Face公司研發(fā)的智能服裝可以實(shí)現(xiàn)智能控溫、檢測人體心律和體溫[18]。

2.4 相變材料

相變材料是一種在特定溫度范圍內(nèi)，通過可逆相變從環(huán)境中吸收或釋放熱量的物質(zhì)。將相變材料嵌入織物，使紡織品具有智能調(diào)溫性能。當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，相變材料吸熱熔融，儲存熱量；當(dāng)外界溫度下降時(shí)，相變材料放熱冷凝，釋放熱量，相變材料發(fā)生固-液可逆變化而吸收、放出熱量的特性使紡織品內(nèi)部的溫度保持相對穩(wěn)定。

目前，相變發(fā)熱保暖紡織材料的開發(fā)主要是在中空纖維中填入相變材料，或利用微膠囊等技術(shù)將相變材料包裹其中，來達(dá)到蓄熱調(diào)溫的目的。

1987 ——1997 年間，美國研究的相變材料微膠囊纖維材料可以減薄傳統(tǒng)面料并大幅提升其保暖效果。應(yīng)用于手套襯的創(chuàng)新材料經(jīng)過不斷研發(fā)，可供宇航員在零下60 ℃時(shí)手握銅棒10 min而保持溫暖。隨后研發(fā)的創(chuàng)新微膠囊纖維材料潛水服可以使?jié)撍畣T保持身體溫暖3 h，保溫時(shí)長是普通潛水服的3倍。

由美國Outlast公司生產(chǎn)的奧特佳（熱敏材料-碳?xì)浠灒┑窃驴照{(diào)纖維，就是利用相變材料微膠囊技術(shù)開發(fā)的新型纖維。日本小松精練公司推出的Air Technio也是一種溫度調(diào)節(jié)材料，它覆蓋一層含溫度調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)粉末薄膜，通過重復(fù)吸熱、儲熱和放熱來適應(yīng)外部環(huán)境的溫度變化。鍾紡合纖公司的Thermo Support利用特殊高分子聚合物在寒冷地方凝固、產(chǎn)生凝固熱，而在炎熱地方融解、吸收熱量，是一種能夠調(diào)節(jié)溫度的尼龍材料[18]。

2.5 化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能

化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能的原理是物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)放熱，常用的方法是將鐵粉混入聚合物中紡絲，通過鐵粉在空氣中氧化放熱而達(dá)到保暖的目的，但是鐵粉氧化不可逆，其過程無法持久進(jìn)行。

冬季市場上流行的暖貼便是利用這個(gè)原理制成的。目前，化學(xué)發(fā)熱材料在保暖鞋、取暖袋以及家紡產(chǎn)品開發(fā)中均有應(yīng)用。

3 發(fā)展趨勢

創(chuàng)新型保暖面料致力于平衡減少傳導(dǎo)熱損失與減少輻射、對流熱損失之間所滿足的條件。將傳統(tǒng)面料與高科技保暖材料相結(jié)合，根據(jù)不同保溫材料的特性，以優(yōu)勢互補(bǔ)的方式，研究創(chuàng)新型保溫面料是科研工作者努力的方向。未來的保暖面料將更加環(huán)保舒適，兼具功能性和智能性，以滿足不同使用環(huán)境的要求。