热管理服装发展现状

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发布时间：2021-11-30 17:33:07  更新时间：2021-11-30 17:33:07

　　人体具有一个精确可靠的体温调节机制，可以通过出汗、颤抖、辐射和血液循环等对体温进行调控，但天气条件的突然变化仍然会扰乱人体的热舒适性，进而损害人体的健康[1]。因此，为了使人体皮肤微气候达到(33.4±3)℃的舒适温度，热管理织物服装的开发在人体热舒适研究领域具有十分重要的意义[2]。有效的热管理服装对于节能性和穿着舒适性显得越来越重要[3]，此类服装正在成为一种有效节能的方式。

　　特别是21世纪以来，热管理服装得到了快速的发展。要实现个人热管理，控制传热是关键因素[4]。本研究基于传导、对流和辐射3种基本传热机制[5]，将服装的热管理策略进行简单分类。第一种是通过控制衣服的导热来控制热量的损失或增加来保持皮肤附近微环境的温度稳定;第二种是基于皮肤和衣服之间空气的热对流;第三种是通过反射来自外环境或人体的热辐射来隔离界热源。依据这3种分类，简要综述了先进纺织品在个人热管理方面最新进展，并对热管理服装的未来发展方向进行了展望。

　　1 热管理服装机制

　　人体在穿戴和接触衣物时，热量通过热传导在人体与环境之间的纤维和空气中流动。随着身体的运动或周围的气流，人体与微环境间的对流通风发生换热，更快的气流流速可以带走更多的热量。在没有接触的情况下，身体从外部热物体(如太阳、电子加热器或火)获得热量，并通过热辐射将热量传递给冷物体。一般来说，上述3种传热机制同时发生，当皮肤温度低于或与环境温度相当时，人体通过传导、对流、辐射等方式获得外界热量，通过汗液蒸发排出多余热量，达到热平衡;如果皮肤的温度远远高于周围环境的温度，身体通过传导、对流和辐射的热量损失就会受到衣服绝缘的阻碍。从平静状态到高强度的运动和工作活动，个人对传热的调节变得更具挑战性，代谢热产生的程度差别很大[6]。

　　2 制热服装进展

　　当前制热服装主要包括电加热服装和化学加热服装。电加热服装将电加热元素嵌入到服装中，为人体皮肤产生热量，使人们在寒冷的环境中感到热舒适。电加热元件的范围从最流行的电线到导电橡胶、聚合物和织物[7]。虽然这种概念并不新鲜，但制造一个不可避免的电源通常是复杂的，这对制造过程和产品安全性提出了很大要求。石墨烯凭借良好的导热性，近来成为制热服装的热门材料，研究证明石墨烯的电热转换效能可达99%，且柔性轻便，与传统材料相比更具优势。

　　相比之下，化学加热服装虽然不需要复杂的电路，但也有自己的局限性。化学加热服产热的化学反应需要是绝对安全的，最高温度应该小于42 ℃，以避免燃烧事故。因此，在此类服装内应加装温度监测仪，对人体的体温变化进行精确检测。此外，预防加热垫内化学物质的泄漏是另外一个重要问题。在织物上的化学加热垫中的化学剂量需要严格把控。

　　通过保温及储热策略也是实现热管理的一个有效方式。在冬季，人们通常采用较粗的纱和紧密编织的织物结构，以尽量减少热对流。然而，这种传统热对流管理策略的能力非常有限。最近，浙江大学柏浩教授从北极熊的毛发中获得灵感，通过“冷冻纺丝”的方法实现了仿生纤维的大规模制造，这种仿生纤维模仿了北极熊毛发的结构，具有排列的多孔微结构，其孔隙率高达87%，利用空隙中静止空气的热对流效应有效实现隔热功能[8]。

　　值得注意的是，一些可以在一定时间内吸收热量的相变材料同样是一种新的低导热性材料，尽管它们的工作时间相对有限，但在热储能方面同样拥有不错的市场前景。相变材料相当于低导热材料，在相变过程中通过吸收和释放热量来保持温度恒定。而且，相变材料可以包装进可穿戴的袋子里，放进衣服的口袋里能够在寒冷的环境中保持人体温暖，或者阻挡热环境中的热量。衣物冷冻2 h后，降温效果持续时间可超过4 h[9]。然而，这种情况下服装的重量往往大大增加，限制了在各种工作场所(如火灾现场)的应用，并且必须避免在高工作负载下泄漏相变材料。SUNDARAM O L S团队以聚乙二醇为芯材，脲醛为壳材，采用原位聚合法制备了新型纳米包覆相变材料。将制备的纳米胶囊采用“铺网-烘干-固化”的方法涂覆在棉织物上，并通过调节纳米胶囊与黏结剂可以对织物的储能进行精准调控[10]。

　　气凝胶是近年来热管理纺织品方面的另外一种新兴材料。气凝胶通常由微孔固体组成，以气体为分散相的凝胶。气凝胶具有重量轻、半透明，导热系数低[0.015 W/(m·K)]，纳米级孔隙率极高(90%)，高比表面积(600 m2/g)，低气体传导和低密度(0.08 g/cm3~0.2 g/cm3)等特点。其中，研究人员利用氢氧化铝气凝胶通过溶胶-凝胶工艺成功地组装在聚磺酰胺(PSA)纳米纤维网络上，以提高其隔热性和阻燃性[11]。与原PSA织物[导热系数0.051 3 W/(m·K)]相比，该复合织物的导热系数仅为0.030 1 W/(m·K)。

　　气凝胶纤维具有超高孔隙率和超低密度，是一种很有前途的个人热管理方法。安徽工程大学通过同轴湿纺和冷冻干燥制备了具有高强度、优异辐射加热性能和隔热性能的连续多孔丝素/氧化石墨烯(SF/GO)气凝胶纤维[12]。共轴纺丝法制备的醋酸纤维素/聚丙烯酸中空纤维具有多尺度多孔结构，不仅有利于SF/GO气凝胶芯的形成，而且有助于提高气凝胶纤维的机械强度。此外，制备的气凝胶纤维具有与醋酸纤维素/聚丙烯酸中空纤维相当的孔隙率和力学性能。更重要的是，氧化石墨烯可以显着改善红外辐射加热性能，在红外辐射照射30 s后表面温度提高2.6 ℃，大大高于中空纤维和SF气凝胶纤维。此外，分层多孔中空纤维与SF/GO气凝胶的集成，降低了热传导，抑制了热对流和热辐射散热方式，使SF/GO气凝胶纤维具有优异的隔热性能。该研究也为进一步研究人体与纺织品间微环境的传热机理，为研制高性能的个人热管理用气凝胶纤维奠定了基础。

　　在利用太阳辐射能进行加热策略方面，研究人员设计了高-中红外反射率的纺织品。其中，LARCIPRETE M团队报道了用纯金属纤维制成的纺织品[13]。虽然纯金属织物可以实现良好的热反射，但这种类型的纺织品通常沉重坚硬，且易碎，在服用性方面存在极大不足。HSU P等人展示了用于个人热管理的银纳米线嵌布(AgNW布)[14]。在此织物中，金属纳米线形成了一个导电网络，不仅可以反射人体的红外辐射，还可以使外接加热电源来补充热源。

　　3 制冷服装进展

　　为了应对外界炎热的环境，近年来制冷服装也成为了一大研究热点。当前的制冷服装主要包括风式制冷衣和液体式制冷衣。风式制冷衣是依靠电风扇或鼓风机将空气吹向人体，通过增强汗蒸发和诱导强迫空气对流来提取热量。风式制冷衣是一种便携式、轻量级、强力空气级别的通风系统，可以通过对流和蒸发耗散来冷却人体。由于水气的巨大携热能力，蒸发是个人冷却的一种有效方法。皮肤的温度和湿度都决定了出汗的过程。大多数风式制冷衣包括两层，即外部不渗透层和内部渗透层。内透层通过确保空气和皮肤之间的接触以直接冷却，而外部不透层可以防止空气通过外层逃逸。

　　与风式制冷衣类似，液体式制冷衣会将热对流介质从空气转变为水和乙二醇等液体，并且通常配有循环管[15]。在液体式中，冷却液在小管内循环，当其温度低于皮肤温度时，它会吸收来自人体的热量。通常配备散热器或冷却器来冷却和回收加热过的循环液体[16]。因此，液体式制冷衣需要额外的散热器，比风式制冷衣更复杂。液体式制冷衣概念在1959年首次被提出，其第一个原型在1962年被制造出来。科学家在阿波罗飞船中应用了最着名的制冷衣，这款服装可以有效降低航空航天环境中的热压力。尽管液体式制冷衣的目的是保持人体在高温下的热舒适。然而，它也可能导致皮肤过冷，产生不适感。但是此类液体式制冷衣通常只适合高温下的外部穿戴者，如消防员、交警和建设性工人，并不适合室内穿戴者。

　　相变材料与冷却用液体类似，但是制冷功效更强[17]。个人冷却服装(PCGs)已经被开发出来，以减少热应力和提高人类在热环境中的热舒适性。在本研究中，开发了一种新型的个人冷却服装，一种PCM-液式冷却背心(PLV)，以提高相变材料(PCM)服装的应用性。PLV分别采用PCM与PCM内埋水管相结合的方案。背心中的PCM用于冷却躯干，研究表明，高密度、高电热率、高冷水流量、多根平行水管排列的PCM类制冷体系效果最佳。而且，调整密封性和佩戴绝缘背心分别是提高PLV舒适性和延长使用时间的有效方法。这款PLV可以为在室内工作人员提供至少2 h的有效冷却。冷却储存可以在冷却储存模式的40 min内完成，在冷却储存和磨损组合模式下60 min内完成。

　　最近，智能热对流管理策略在制冷调温织物方面也逐渐受到重视。Nafion是一种能吸水的刺激响应材料，在高湿度下可以弯曲，水释放后又能恢复原状[18]。Nafion织物表面存在几个预切褶叶。当人们在炎热的环境中出汗导致湿度增加时，预先切割的薄膜就会打开，在Nafion薄膜中产生气孔，具有更多的空气对流通道。因此，该纤维通过降低湿度水平和表面温度让用户感到更凉爽。另一方面，这些褶叶可以在出汗后自动闭合，让穿着者保暖。Nafion襟翼可以根据湿度打开和关闭。一旦排出利用的热量和汗水后，湿度的平衡将会恢复，可以往复进行工作。

　　此外，东华大学朱美芳教授团队还尝试利用驱动器在商业全氟磺酸离聚物(PFSA)膜内增加纳米级分子通道[19]。这种薄膜材料制作工艺简便，但可以实现快速响应，具有稳定的自适应和驱动能力。该产品可通过宏观几何设计功能应用于个人湿度和热量管理，或提供具有多色切换能力的双层刺激响应致动器。然而，这种智能设计的局限性是它只对小气候中的湿度变化作出反应。因此，只有当人类出汗时，襟翼才能打开，从而无法在一开始为用户提供舒适的小气候。此外，这种纺织品虽然能很好地管理热对流，但其成本高、反应速度慢、穿着时感觉僵硬等问题也阻碍了其发展。

　　辐射制冷策略是另外一种近年来新兴的制冷策略。该策略是将自身热量以特定波段的辐射波散发到绝对低温的太空环境中的一种散热方式。相关研究人员用聚乙烯(PE)薄膜和锦纶-6纳米纤维制作了双层结构织物，以提高可见光反射率和红外辐射，用于个人冷却[20]。除此之外，甲氧基-聚(乙二醇)氨基乙基/聚多巴胺颗粒(mPPDAPs)/纳米聚乙烯/聚酯复合织物[21]，AgNW/聚多巴胺纳米复合布[22]，ZnO杂化嵌套聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物/棉织物等其他织物材料也被提出用于制冷服装方面的应用[23]。值得注意的是，对于多层织物，当高发射层在最外面表面时用于个人冷却，反之用于个人加热。这是双模纺织品的基本思想，皮肤温度可以降低到33.8 ℃或提高到40.3 ℃。

　　崔毅教授团队通过纤维挤压工艺制备了纳米PE纤维，然后通过工业针织工艺高效地获得了纳米PE纺织品，纳米PE织物不仅能保持较高的红外透光率和可见光反射率，还可以有效提高织物的耐磨性[24]。通过对纳米PE薄膜、针织纳米PE纺织品和棉花的红外光谱测定，表明纳米PE薄膜和织物具有良好的热辐射透光性，有利于个人散热。覆盖纳米PE纺织品后，设定温度下降2.3 ℃，相当于室内制冷节能20%。

　　鉴于大多数报道的冷却纺织品只涉及热辐射，胡良兵教授团队采用了另一设计于个人降温用的导热纺织品策略[25]。通过3D打印技术，合成了一种具有高度定向氮化硼/聚乙烯醇(BN/PVA)复合纤维的热调节纺织品。此外，研究人员发现纤维截面对热辐射也有影响。三角聚酰胺(PA)纤维织成的织物辐射发射率达到了91.85%，优于圆形纤维的81.72%[26]。这是因为三角形纤维在单一纱线内部具有不同的取向，有利于不同方向入射红外辐射的发射，效率更高。

　　采用磁控溅射法在聚酯织物上沉积了掺铝氧化锌(AZO)薄膜，利用X射线衍射、X射线光电子能谱、场发射扫描电镜和傅里叶变换红外光谱对涂层织物样品进行了系统研究，对织物样品上的AZO薄膜厚度、拒水性能、紫外线防护系数(UPF值)和红外发射率进行了评价。结果表明，偶氮类涂层织物具有较高的拒水性能，接触角为146°，紫外透过率显着降低，UPF值为362。当涂层厚度为450 nm时，偶氮涂层聚酯织物的红外发射率降低到91.6%，而未处理织物的红外发射率为97.9%[27]。磁控溅射工艺也被广泛应用于制备防止红外渗透的纺织品[28]。但是当前基于薄涂层内热反射材料的热管理服的热反射率(约30%)较低，需要亟待提升。

　　4 双功能冷热温控织物

　　随着科技的进步，为了进一步拓宽服装所能调控的温度范围，人们对同时满足制热制冷的双功能织物的要求也日益增强。崔毅教授团队通过双向调控人体红外辐射同时实现了纺织品加热和冷却两项功能。凭借独特的红外透明纳米孔聚乙烯涂层中的双层发射器，这种双模纺织品可以在没有任何能量输入的情况下完成被动辐射加热和冷却。研究结果表明，可以凭借不同的辐射系数和纳米聚乙烯厚度的不对称特性，通过由内到外的方式实现加热或冷却功能。

　　东华大学王宏志教授团队研发了一种柔性可折叠、可穿戴的用于加热的超薄石墨烯纸。石墨烯纸凭借良好的导电性，使用3.2 V左右的低电压便可迅速达到42 ℃稳定[29]。此外，石墨烯纸基于其超高的导热性，通过人体到环境的热传输在7 s内提供被动冷却。石墨烯纸的冷却效果优于普通棉纤维，且随着厚度差的增大，这一优势将更加突出。目前的双功能石墨烯纸在500次以上的弯曲循环和1 500 min以上的洗涤时间中具有很高的耐久性，表明其在可耐磨热管理服装方面具有巨大的潜力。

　　5 展望

　　近年来热管理服装得到了迅速的发展，但制定更为合理的热管理策略来改善人体热舒适控制是非常有益的、必要的。基于以上综述，在材料合成和结构设计方面应用一些创造性的工艺及方法可以显着提高服装的热管理性能，但在未来热管理服装的研发方面仍需进一步加强。当前市场上的热管理服装多以导热机理为基础，此类服装的热管理性能与穿着舒适性平衡性较差，如透气性、柔韧性、耐洗性、吸湿性等方面性能有待提升。另外，采用先进材料制作热管理服工艺复杂，成本较高;在不同环境和条件下，智能热管理服装的自我调节能力和对温度变化的快速响应能力有待进一步完善。3种热管理机制优化结合的服装面料有待研发，并实现服装的双面双功能性是未来热管理服装发展的必经之路。

　　参考文献

　　[1] KWON J,CHOl J.Clothing Insulation and Temperature, Layer and Mass of Clothing under Comfortable Environmental Conditions[J].Journal of Physiological Anthropology,2013,32(1):11.

　　[2]任萍,刘静.可加热服装技术的研究进展[J.纺织科学研究,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.

　　《热管理服装发展现状》来源：《棉纺织技术》，作者：邱圣