人體具有一個精確可靠的體溫調(diào)節(jié)機制，可以通過出汗、顫抖、輻射和血液循環(huán)等對體溫進行調(diào)控，但天氣條件的突然變化仍然會擾亂人體的熱舒適性，進而損害人體的健康[1]。因此，為了使人體皮膚微氣候達到(33.4±3)℃的舒適溫度，熱管理織物服裝的開發(fā)在人體熱舒適研究領(lǐng)域具有十分重要的意義[2]。有效的熱管理服裝對于節(jié)能性和穿著舒適性顯得越來越重要[3]，此類服裝正在成為一種有效節(jié)能的方式。

　　特別是21世紀以來，熱管理服裝得到了快速的發(fā)展。要實現(xiàn)個人熱管理，控制傳熱是關(guān)鍵因素[4]。本研究基于傳導、對流和輻射3種基本傳熱機制[5]，將服裝的熱管理策略進行簡單分類。第一種是通過控制衣服的導熱來控制熱量的損失或增加來保持皮膚附近微環(huán)境的溫度穩(wěn)定;第二種是基于皮膚和衣服之間空氣的熱對流;第三種是通過反射來自外環(huán)境或人體的熱輻射來隔離界熱源。依據(jù)這3種分類，簡要綜述了先進紡織品在個人熱管理方面最新進展，并對熱管理服裝的未來發(fā)展方向進行了展望。

　　1 熱管理服裝機制

　　人體在穿戴和接觸衣物時，熱量通過熱傳導在人體與環(huán)境之間的纖維和空氣中流動。隨著身體的運動或周圍的氣流，人體與微環(huán)境間的對流通風發(fā)生換熱，更快的氣流流速可以帶走更多的熱量。在沒有接觸的情況下，身體從外部熱物體(如太陽、電子加熱器或火)獲得熱量，并通過熱輻射將熱量傳遞給冷物體。一般來說，上述3種傳熱機制同時發(fā)生，當皮膚溫度低于或與環(huán)境溫度相當時，人體通過傳導、對流、輻射等方式獲得外界熱量，通過汗液蒸發(fā)排出多余熱量，達到熱平衡;如果皮膚的溫度遠遠高于周圍環(huán)境的溫度，身體通過傳導、對流和輻射的熱量損失就會受到衣服絕緣的阻礙。從平靜狀態(tài)到高強度的運動和工作活動，個人對傳熱的調(diào)節(jié)變得更具挑戰(zhàn)性，代謝熱產(chǎn)生的程度差別很大[6]。

　　2 制熱服裝進展

　　當前制熱服裝主要包括電加熱服裝和化學加熱服裝。電加熱服裝將電加熱元素嵌入到服裝中，為人體皮膚產(chǎn)生熱量，使人們在寒冷的環(huán)境中感到熱舒適。電加熱元件的范圍從最流行的電線到導電橡膠、聚合物和織物[7]。雖然這種概念并不新鮮，但制造一個不可避免的電源通常是復雜的，這對制造過程和產(chǎn)品安全性提出了很大要求。石墨烯憑借良好的導熱性，近來成為制熱服裝的熱門材料，研究證明石墨烯的電熱轉(zhuǎn)換效能可達99%，且柔性輕便，與傳統(tǒng)材料相比更具優(yōu)勢。

　　相比之下，化學加熱服裝雖然不需要復雜的電路，但也有自己的局限性�；瘜W加熱服產(chǎn)熱的化學反應(yīng)需要是絕對安全的，最高溫度應(yīng)該小于42 ℃，以避免燃燒事故。因此，在此類服裝內(nèi)應(yīng)加裝溫度監(jiān)測儀，對人體的體溫變化進行精確檢測。此外，預(yù)防加熱墊內(nèi)化學物質(zhì)的泄漏是另外一個重要問題。在織物上的化學加熱墊中的化學劑量需要嚴格把控。

　　通過保溫及儲熱策略也是實現(xiàn)熱管理的一個有效方式。在冬季，人們通常采用較粗的紗和緊密編織的織物結(jié)構(gòu)，以盡量減少熱對流。然而，這種傳統(tǒng)熱對流管理策略的能力非常有限。最近，浙江大學柏浩教授從北極熊的毛發(fā)中獲得靈感，通過“冷凍紡絲”的方法實現(xiàn)了仿生纖維的大規(guī)模制造，這種仿生纖維模仿了北極熊毛發(fā)的結(jié)構(gòu)，具有排列的多孔微結(jié)構(gòu)，其孔隙率高達87%，利用空隙中靜止空氣的熱對流效應(yīng)有效實現(xiàn)隔熱功能[8]。

　　值得注意的是，一些可以在一定時間內(nèi)吸收熱量的相變材料同樣是一種新的低導熱性材料，盡管它們的工作時間相對有限，但在熱儲能方面同樣擁有不錯的市場前景。相變材料相當于低導熱材料，在相變過程中通過吸收和釋放熱量來保持溫度恒定。而且，相變材料可以包裝進可穿戴的袋子里，放進衣服的口袋里能夠在寒冷的環(huán)境中保持人體溫暖，或者阻擋熱環(huán)境中的熱量。衣物冷凍2 h后，降溫效果持續(xù)時間可超過4 h[9]。然而，這種情況下服裝的重量往往大大增加，限制了在各種工作場所(如火災(zāi)現(xiàn)場)的應(yīng)用，并且必須避免在高工作負載下泄漏相變材料。SUNDARAM O L S團隊以聚乙二醇為芯材，脲醛為殼材，采用原位聚合法制備了新型納米包覆相變材料。將制備的納米膠囊采用“鋪網(wǎng)-烘干-固化”的方法涂覆在棉織物上，并通過調(diào)節(jié)納米膠囊與黏結(jié)劑可以對織物的儲能進行精準調(diào)控[10]。

　　氣凝膠是近年來熱管理紡織品方面的另外一種新興材料。氣凝膠通常由微孔固體組成，以氣體為分散相的凝膠。氣凝膠具有重量輕、半透明，導熱系數(shù)低[0.015 W/(m·K)]，納米級孔隙率極高(90%)，高比表面積(600 m2/g)，低氣體傳導和低密度(0.08 g/cm3~0.2 g/cm3)等特點。其中，研究人員利用氫氧化鋁氣凝膠通過溶膠-凝膠工藝成功地組裝在聚磺酰胺(PSA)納米纖維網(wǎng)絡(luò)上，以提高其隔熱性和阻燃性[11]。與原PSA織物[導熱系數(shù)0.051 3 W/(m·K)]相比，該復合織物的導熱系數(shù)僅為0.030 1 W/(m·K)。

　　氣凝膠纖維具有超高孔隙率和超低密度，是一種很有前途的個人熱管理方法。安徽工程大學通過同軸濕紡和冷凍干燥制備了具有高強度、優(yōu)異輻射加熱性能和隔熱性能的連續(xù)多孔絲素/氧化石墨烯(SF/GO)氣凝膠纖維[12]。共軸紡絲法制備的醋酸纖維素/聚丙烯酸中空纖維具有多尺度多孔結(jié)構(gòu)，不僅有利于SF/GO氣凝膠芯的形成，而且有助于提高氣凝膠纖維的機械強度。此外，制備的氣凝膠纖維具有與醋酸纖維素/聚丙烯酸中空纖維相當?shù)目紫堵屎土�學性能。更重要的是，氧化石墨烯可以顯著改善紅外輻射加熱性能，在紅外輻射照射30 s后表面溫度提高2.6 ℃，大大高于中空纖維和SF氣凝膠纖維。此外，分層多孔中空纖維與SF/GO氣凝膠的集成，降低了熱傳導，抑制了熱對流和熱輻射散熱方式，使SF/GO氣凝膠纖維具有優(yōu)異的隔熱性能。該研究也為進一步研究人體與紡織品間微環(huán)境的傳熱機理，為研制高性能的個人熱管理用氣凝膠纖維奠定了基礎(chǔ)。

　　在利用太陽輻射能進行加熱策略方面，研究人員設(shè)計了高-中紅外反射率的紡織品。其中，LARCIPRETE M團隊報道了用純金屬纖維制成的紡織品[13]。雖然純金屬織物可以實現(xiàn)良好的熱反射，但這種類型的紡織品通常沉重堅硬，且易碎，在服用性方面存在極大不足。HSU P等人展示了用于個人熱管理的銀納米線嵌布(AgNW布)[14]。在此織物中，金屬納米線形成了一個導電網(wǎng)絡(luò)，不僅可以反射人體的紅外輻射，還可以使外接加熱電源來補充熱源。

　　3 制冷服裝進展

　　為了應(yīng)對外界炎熱的環(huán)境，近年來制冷服裝也成為了一大研究熱點。當前的制冷服裝主要包括風式制冷衣和液體式制冷衣。風式制冷衣是依靠電風扇或鼓風機將空氣吹向人體，通過增強汗蒸發(fā)和誘導強迫空氣對流來提取熱量。風式制冷衣是一種便攜式、輕量級、強力空氣級別的通風系統(tǒng)，可以通過對流和蒸發(fā)耗散來冷卻人體。由于水氣的巨大攜熱能力，蒸發(fā)是個人冷卻的一種有效方法。皮膚的溫度和濕度都決定了出汗的過程。大多數(shù)風式制冷衣包括兩層，即外部不滲透層和內(nèi)部滲透層。內(nèi)透層通過確�？諝夂推つw之間的接觸以直接冷卻，而外部不透層可以防止空氣通過外層逃逸。

　　與風式制冷衣類似，液體式制冷衣會將熱對流介質(zhì)從空氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗�和乙二醇等液體，并且通常配有循環(huán)管[15]。在液體式中，冷卻液在小管內(nèi)循環(huán)，當其溫度低于皮膚溫度時，它會吸收來自人體的熱量。通常配備散熱器或冷卻器來冷卻和回收加熱過的循環(huán)液體[16]。因此，液體式制冷衣需要額外的散熱器，比風式制冷衣更復雜。液體式制冷衣概念在1959年首次被提出，其第一個原型在1962年被制造出來�？茖W家在阿波羅飛船中應(yīng)用了最著名的制冷衣，這款服裝可以有效降低航空航天環(huán)境中的熱壓力。盡管液體式制冷衣的目的是保持人體在高溫下的熱舒適。然而，它也可能導致皮膚過冷，產(chǎn)生不適感。但是此類液體式制冷衣通常只適合高溫下的外部穿戴者，如消防員、交警和建設(shè)性工人，并不適合室內(nèi)穿戴者。

　　相變材料與冷卻用液體類似，但是制冷功效更強[17]。個人冷卻服裝(PCGs)已經(jīng)被開發(fā)出來，以減少熱應(yīng)力和提高人類在熱環(huán)境中的熱舒適性。在本研究中，開發(fā)了一種新型的個人冷卻服裝，一種PCM-液式冷卻背心(PLV)，以提高相變材料(PCM)服裝的應(yīng)用性。PLV分別采用PCM與PCM內(nèi)埋水管相結(jié)合的方案。背心中的PCM用于冷卻軀干，研究表明，高密度、高電熱率、高冷水流量、多根平行水管排列的PCM類制冷體系效果最佳。而且，調(diào)整密封性和佩戴絕緣背心分別是提高PLV舒適性和延長使用時間的有效方法。這款PLV可以為在室內(nèi)工作人員提供至少2 h的有效冷卻。冷卻儲存可以在冷卻儲存模式的40 min內(nèi)完成，在冷卻儲存和磨損組合模式下60 min內(nèi)完成。

　　最近，智能熱對流管理策略在制冷調(diào)溫織物方面也逐漸受到重視。Nafion是一種能吸水的刺激響應(yīng)材料，在高濕度下可以彎曲，水釋放后又能恢復原狀[18]。Nafion織物表面存在幾個預(yù)切褶葉。當人們在炎熱的環(huán)境中出汗導致濕度增加時，預(yù)先切割的薄膜就會打開，在Nafion薄膜中產(chǎn)生氣孔，具有更多的空氣對流通道。因此，該纖維通過降低濕度水平和表面溫度讓用戶感到更涼爽。另一方面，這些褶葉可以在出汗后自動閉合，讓穿著者保暖。Nafion襟翼可以根據(jù)濕度打開和關(guān)閉。一旦排出利用的熱量和汗水后，濕度的平衡將會恢復，可以往復進行工作。

　　此外，東華大學朱美芳教授團隊還嘗試利用驅(qū)動器在商業(yè)全氟磺酸離聚物(PFSA)膜內(nèi)增加納米級分子通道[19]。這種薄膜材料制作工藝簡便，但可以實現(xiàn)快速響應(yīng)，具有穩(wěn)定的自適應(yīng)和驅(qū)動能力。該產(chǎn)品可通過宏觀幾何設(shè)計功能應(yīng)用于個人濕度和熱量管理，或提供具有多色切換能力的雙層刺激響應(yīng)致動器。然而，這種智能設(shè)計的局限性是它只對小氣候中的濕度變化作出反應(yīng)。因此，只有當人類出汗時，襟翼才能打開，從而無法在一開始為用戶提供舒適的小氣候。此外，這種紡織品雖然能很好地管理熱對流，但其成本高、反應(yīng)速度慢、穿著時感覺僵硬等問題也阻礙了其發(fā)展。

　　輻射制冷策略是另外一種近年來新興的制冷策略。該策略是將自身熱量以特定波段的輻射波散發(fā)到絕對低溫的太空環(huán)境中的一種散熱方式。相關(guān)研究人員用聚乙烯(PE)薄膜和錦綸-6納米纖維制作了雙層結(jié)構(gòu)織物，以提高可見光反射率和紅外輻射，用于個人冷卻[20]。除此之外，甲氧基-聚(乙二醇)氨基乙基/聚多巴胺顆粒(mPPDAPs)/納米聚乙烯/聚酯復合織物[21]，AgNW/聚多巴胺納米復合布[22]，ZnO雜化嵌套聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物/棉織物等其他織物材料也被提出用于制冷服裝方面的應(yīng)用[23]。值得注意的是，對于多層織物，當高發(fā)射層在最外面表面時用于個人冷卻，反之用于個人加熱。這是雙模紡織品的基本思想，皮膚溫度可以降低到33.8 ℃或提高到40.3 ℃。

　　崔毅教授團隊通過纖維擠壓工藝制備了納米PE纖維，然后通過工業(yè)針織工藝高效地獲得了納米PE紡織品，納米PE織物不僅能保持較高的紅外透光率和可見光反射率，還可以有效提高織物的耐磨性[24]。通過對納米PE薄膜、針織納米PE紡織品和棉花的紅外光譜測定，表明納米PE薄膜和織物具有良好的熱輻射透光性，有利于個人散熱。覆蓋納米PE紡織品后，設(shè)定溫度下降2.3 ℃，相當于室內(nèi)制冷節(jié)能20%。

　　鑒于大多數(shù)報道的冷卻紡織品只涉及熱輻射，胡良兵教授團隊采用了另一設(shè)計于個人降溫用的導熱紡織品策略[25]。通過3D打印技術(shù)，合成了一種具有高度定向氮化硼/聚乙烯醇(BN/PVA)復合纖維的熱調(diào)節(jié)紡織品。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)纖維截面對熱輻射也有影響。三角聚酰胺(PA)纖維織成的織物輻射發(fā)射率達到了91.85%，優(yōu)于圓形纖維的81.72%[26]。這是因為三角形纖維在單一紗線內(nèi)部具有不同的取向，有利于不同方向入射紅外輻射的發(fā)射，效率更高。

　　采用磁控濺射法在聚酯織物上沉積了摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，利用X射線衍射、X射線光電子能譜、場發(fā)射掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜對涂層織物樣品進行了系統(tǒng)研究，對織物樣品上的AZO薄膜厚度、拒水性能、紫外線防護系數(shù)(UPF值)和紅外發(fā)射率進行了評價。結(jié)果表明，偶氮類涂層織物具有較高的拒水性能，接觸角為146°，紫外透過率顯著降低，UPF值為362。當涂層厚度為450 nm時，偶氮涂層聚酯織物的紅外發(fā)射率降低到91.6%，而未處理織物的紅外發(fā)射率為97.9%[27]。磁控濺射工藝也被廣泛應(yīng)用于制備防止紅外滲透的紡織品[28]。但是當前基于薄涂層內(nèi)熱反射材料的熱管理服的熱反射率(約30%)較低，需要亟待提升。

　　4 雙功能冷熱溫控織物

　　隨著科技的進步，為了進一步拓寬服裝所能調(diào)控的溫度范圍，人們對同時滿足制熱制冷的雙功能織物的要求也日益增強。崔毅教授團隊通過雙向調(diào)控人體紅外輻射同時實現(xiàn)了紡織品加熱和冷卻兩項功能。憑借獨特的紅外透明納米孔聚乙烯涂層中的雙層發(fā)射器，這種雙模紡織品可以在沒有任何能量輸入的情況下完成被動輻射加熱和冷卻。研究結(jié)果表明，可以憑借不同的輻射系數(shù)和納米聚乙烯厚度的不對稱特性，通過由內(nèi)到外的方式實現(xiàn)加熱或冷卻功能。

　　東華大學王宏志教授團隊研發(fā)了一種柔性可折疊、可穿戴的用于加熱的超薄石墨烯紙。石墨烯紙憑借良好的導電性，使用3.2 V左右的低電壓便可迅速達到42 ℃穩(wěn)定[29]。此外，石墨烯紙基于其超高的導熱性，通過人體到環(huán)境的熱傳輸在7 s內(nèi)提供被動冷卻。石墨烯紙的冷卻效果優(yōu)于普通棉纖維，且隨著厚度差的增大，這一優(yōu)勢將更加突出。目前的雙功能石墨烯紙在500次以上的彎曲循環(huán)和1 500 min以上的洗滌時間中具有很高的耐久性，表明其在可耐磨熱管理服裝方面具有巨大的潛力。

　　5 展望

　　近年來熱管理服裝得到了迅速的發(fā)展，但制定更為合理的熱管理策略來改善人體熱舒適控制是非常有益的、必要的。基于以上綜述，在材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)用一些創(chuàng)造性的工藝及方法可以顯著提高服裝的熱管理性能，但在未來熱管理服裝的研發(fā)方面仍需進一步加強。當前市場上的熱管理服裝多以導熱機理為基礎(chǔ)，此類服裝的熱管理性能與穿著舒適性平衡性較差，如透氣性、柔韌性、耐洗性、吸濕性等方面性能有待提升。另外，采用先進材料制作熱管理服工藝復雜，成本較高;在不同環(huán)境和條件下，智能熱管理服裝的自我調(diào)節(jié)能力和對溫度變化的快速響應(yīng)能力有待進一步完善。3種熱管理機制優(yōu)化結(jié)合的服裝面料有待研發(fā)，并實現(xiàn)服裝的雙面雙功能性是未來熱管理服裝發(fā)展的必經(jīng)之路。

　　參考文獻

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　　[2]任萍,劉靜.可加熱服裝技術(shù)的研究進展[J.紡織科學研究,2008(3)-12-18.

　　[3] HSU P, LIU C, SONG A,et al.A Dual-mode Textile for Human Body Radiative Heating and Cooling[J] Science Advances ,2017,3(11):1700895.

　　《熱管理服裝發(fā)展現(xiàn)狀》來源：《棉紡織技術(shù)》，作者：邱圣

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