智能相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用研究*

(武漢紡織大學(xué)體育課部, 武漢, 430073)

自然界物質(zhì)存在三種基本狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，在一定溫度條件下這三種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過程稱之為“相變”[1]。物質(zhì)在三種狀態(tài)的相變過程中有吸熱和放熱的物理現(xiàn)象發(fā)生，并通過吸收、儲(chǔ)存和釋放能量改變相或狀態(tài)，這種材料稱為相變材料(Phase Change Materials,簡(jiǎn)稱PCM)。將相變材料技術(shù)與紡織品織造技術(shù)相結(jié)合可以開發(fā)出一種智能相變調(diào)溫紡織品[2]，這種紡織品制成服裝后具有雙向溫度調(diào)節(jié)的作用。目前，相變調(diào)溫紡織品已成為國(guó)內(nèi)外紡織功能性產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)，但在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚不多見。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)熱量排放和溫度變化的特點(diǎn)，該紡織品在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域?qū)?huì)有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能相變調(diào)溫紡織品的作用機(jī)理

利用物質(zhì)相變的特性，在紡織品的制備過程中引入相變溫度適應(yīng)人體體溫變化的相變材料，賦予紡織品在設(shè)定溫度下吸收或釋放熱量的功能[3]。當(dāng)體表溫度升高時(shí)，紡織品中的相變材料從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量，從而降低體表溫度；相反，當(dāng)體表溫度降低時(shí)，紡織品中的相變材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，放出熱量，從而提高體表溫度，使人體體溫始終保持在舒適的范圍內(nèi)。智能相變調(diào)溫紡織品的調(diào)溫機(jī)理與傳統(tǒng)保溫衣物不同之處在于：傳統(tǒng)衣物主要是利用空氣熱傳導(dǎo)率極小的原理，采用提高織物內(nèi)部靜止空氣量的方法來隔絕熱傳導(dǎo)，絕熱效果主要取決于織物的密度和厚度；而智能相變調(diào)溫紡織品則是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放的熱量使溫度保持恒定，是一種“熱”調(diào)節(jié)(圖1)。這體現(xiàn)在當(dāng)內(nèi)外環(huán)境溫度突變時(shí)，紡織品在一定時(shí)間內(nèi)可以保持人體“衣內(nèi)微氣候”的溫度基本恒定,從而可以防止熱應(yīng)激。將智能相變調(diào)溫紡織品的這一特性應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域，可以防止運(yùn)動(dòng)員因運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“熱量尖峰”和運(yùn)動(dòng)后身體過冷帶來的傷病。

2 運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品的相變材料應(yīng)具有的特點(diǎn)

相變材料有很多種，主要有無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三類。相變材料的溫度變化范圍較為寬泛，但由于人體體表及周圍的環(huán)境溫度有一個(gè)較穩(wěn)定的范圍，再加上服用紡織品加工和應(yīng)用的特殊要求，縮小了運(yùn)動(dòng)用相變材料的選

1——接觸 皮膚接觸對(duì)身體微氣候有影響的溫度變化；2——放熱 當(dāng)體溫太高時(shí)，身體會(huì)釋放多余的熱量；3——儲(chǔ)存 Outlast技術(shù)吸收多余的熱量，將其儲(chǔ)存在Outlast微膠囊材料里；4——再放熱 當(dāng)體溫開始降低時(shí)，微膠囊材料會(huì)向身體釋放儲(chǔ)存的熱量；5——恒溫 上述過程的結(jié)果是使皮膚周圍始終有一個(gè)舒適區(qū)圖1 美國(guó)Outlast技術(shù)工作原理[4]

用范圍。因此，選擇應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的相變材料應(yīng)具備以下特點(diǎn):

(1)適合的相變溫度。應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)用紡織品中的相變材料，應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的季節(jié)和氣候、環(huán)境溫度以及具體應(yīng)用場(chǎng)合的不同進(jìn)行選擇。用于制備嚴(yán)寒氣候條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在18.33～29.44 ℃之間的材料；用于制備溫暖氣候條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在26.67～37.78 ℃之間的材料；用于制備炎熱地區(qū)或大運(yùn)動(dòng)量條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在32.22～43.33 ℃之間的材料。

(2)儲(chǔ)熱能力強(qiáng)。選擇的相變材料既要相變潛熱大，又要單位質(zhì)量和單位體積材料儲(chǔ)存的熱量多。

(3)材料相變時(shí)體積和硬度變化小。如果在相變過程中相變材料的體積增大、硬度增強(qiáng)，會(huì)造成運(yùn)動(dòng)服裝的物理性能改變，影響運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮。

(4)相變過程中導(dǎo)熱快、可逆性好。 相變材料應(yīng)具有較強(qiáng)的傳熱能力，吸熱和放熱速度快，還必須能在恒定的溫度下很好地融化及固化。

(5)安全可靠。選用的相變材料有時(shí)會(huì)與人體的皮膚直接接觸，因此其化學(xué)性質(zhì)必須穩(wěn)定,對(duì)人體無毒無害。

(6)重復(fù)使用性強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)服一般都要多次穿著使用，要耐清洗。

(7)價(jià)格低。只有價(jià)格適中，受眾面廣，市場(chǎng)推廣效果才會(huì)好。

3 智能相變調(diào)溫紡織品的制備方法

目前智能相變調(diào)溫紡織品的制備方法主要有纖維紡絲法和涂層法兩種。

3.1 纖維紡絲法

纖維紡絲法主要分為微膠囊紡絲法、復(fù)合紡絲法和中空纖維填充法等。需要注意的是用纖維紡絲法紡絲時(shí)因添加了相變材料，導(dǎo)致紡出的纖維強(qiáng)力較低，難于直接紡紗和織造，因此通常采用與其他纖維混紡成紗的工藝。

3.1.1 微膠囊紡絲技術(shù)

微膠囊紡絲法是目前加工相變纖維最先進(jìn)的方法之一。在聚丙烯腈系列纖維的溶液紡絲中加入平均直徑 1～5 μm的含有相變物質(zhì)的微膠囊(圖2), 可得到蓄熱能力顯著提高的相變纖維[5]。美國(guó)Outlast技術(shù)公司利用微膠囊技術(shù)專利，開發(fā)出了滿足用于生產(chǎn)針織物和機(jī)織物要求的蓄熱調(diào)溫紡織品，其纖維線密度最低可達(dá)到2.2 dtex。

圖2 涂于織物表面含有Outlast技術(shù)的微膠囊[6]

3.1.2 復(fù)合紡絲技術(shù)

復(fù)合紡絲法是通過噴絲板擠出含有相變材料的高聚物紡絲液，得到具有并列結(jié)構(gòu)和皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維，相變材料直接嵌入纖維內(nèi)部，使纖維具有吸收和釋放熱量的功能。美國(guó)Outlast公司應(yīng)用復(fù)合紡絲技術(shù)制備出了相變調(diào)溫聚丙烯腈纖維，其線密度達(dá)到了2.2、3.3和5.0 dtex[7]。

3.1.3 中空纖維填充技術(shù)

在纖維織造前，為防止相變材料泄漏而降低調(diào)溫效果，采用將微型相變材料封裝充填到中空纖維的中空部分，并用樹脂將纖維包覆的方法來達(dá)到持久調(diào)溫的目的。Vigo等人利用相變鹽在室溫下發(fā)生熔融和結(jié)晶的特性，在中空纖維的中空部分充填帶有結(jié)晶水的無機(jī)鹽，獲得了具有吸熱和放熱功能的相變纖維[8]。

3.2 涂層法

將含有平均顆粒直徑為5 μm的智能調(diào)溫微膠囊相變材料(圖3)與消泡劑、黏合劑等混合制成涂層液，采用熱轉(zhuǎn)移涂層技術(shù)整理到織物或非織造布表面上，在一定溫度下干燥，并皂洗，可以獲得具有智能調(diào)溫功能的織物(圖4)。Harlan等人曾讓運(yùn)動(dòng)員穿著采用該織物制成的滑雪運(yùn)動(dòng)服進(jìn)行了滑雪運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，大部分運(yùn)動(dòng)員對(duì)該服裝的防風(fēng)效果和保暖效果表示認(rèn)可[7]。

圖3 相變材料微膠囊掃描電鏡照片[9]

圖4 涂層織物掃描電鏡照片[9]

4 相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用

4.1 人體運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系

在正常條件下，人體機(jī)體深部的體溫較為恒定和均勻，一般在36～37 ℃(腋下)之間，而體表皮膚的溫度受多種因素影響，變化和差異較大。人體舒適的環(huán)境平均溫度在33.4 ℃左右。一般情況下，皮膚溫度與環(huán)境溫度差若在1.5～3.0 ℃范圍內(nèi)時(shí)，人體對(duì)溫度的變化感覺不明顯；但若該溫度差超過±4.5 ℃范圍時(shí)，人體就會(huì)感知溫度的變化[8]，這時(shí)人體將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。當(dāng)溫度過高時(shí)，通過出汗、擴(kuò)展體表毛細(xì)血管來散發(fā)熱量；當(dāng)溫度過低時(shí)，通過收縮血管、肌肉緊張、戰(zhàn)栗等自身調(diào)節(jié)行為調(diào)節(jié)產(chǎn)熱量。應(yīng)激反應(yīng)可使人體核心溫度維持在基本正常范圍內(nèi)，但是若皮膚溫度與環(huán)境溫度差嚴(yán)重偏離時(shí)，人體就必須依靠服裝來控制人體與環(huán)境之間的熱交換。

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)皮膚的溫度變化較大。運(yùn)動(dòng)中身體產(chǎn)熱量最多，可以高達(dá)安靜狀態(tài)的10～15倍，皮膚溫度會(huì)快速升高。例如，400 m快跑時(shí)腋下的溫度可能升高到37.5 ℃。雖然運(yùn)動(dòng)中身體會(huì)在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)之下加強(qiáng)散熱，通過蒸發(fā)汗液來散熱，但是散熱過程總是落后于產(chǎn)熱過程，所以運(yùn)動(dòng)中體溫還是會(huì)逐漸升高。這時(shí)，運(yùn)動(dòng)員如果沒有得到及時(shí)的降溫、休息，就會(huì)感到頭暈、渾身乏力，甚至休克。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，人體皮膚溫度快速降低，這時(shí)身體最需要的是保溫，否則人體容易患傷病，也不利于運(yùn)動(dòng)后疲勞的恢復(fù)。

4.2 運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

智能調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服具有可逆的貯存熱量和釋放熱量的功能。調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)能吸收運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過多熱量，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)員的體溫；當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后釋放熱量，保持人體的溫度。因此，調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服可以避免身體的過熱與發(fā)冷。

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮膚溫度升高的程度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)環(huán)境和身體素質(zhì)等有關(guān)。雖然環(huán)境溫度對(duì)于皮膚溫度有影響，但是運(yùn)動(dòng)中身體的溫度在更大程度上還是取決于運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間。因?yàn)槿梭w在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)熱加強(qiáng)，即使是在低溫環(huán)境下進(jìn)行10 km的滑雪運(yùn)動(dòng)，由于時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，人們的身體又裹在厚厚的衣服里，散熱困難，腋下溫度還是可以升高到36.89 ℃。采用智能相變調(diào)溫紡織品制成的智能運(yùn)動(dòng)服裝可主動(dòng)、智能地控制身體體表的溫度。當(dāng)皮膚溫度升高時(shí)，體表多余的熱量被相變材料主動(dòng)吸收，降低體表溫度；當(dāng)皮膚溫度降低時(shí), 相變材料放出熱量,以保持人體舒適的體表溫度。通過智能調(diào)節(jié)服裝內(nèi)溫度的方式，可以保證人體特定的部位處于恒定的微氣候，使運(yùn)動(dòng)員的身體始終保持較舒適的狀態(tài)，有利于提高其運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

同時(shí)，人體是一個(gè)散熱散濕體，運(yùn)動(dòng)時(shí)身體會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致體溫升高，此時(shí)人體會(huì)通過皮膚排汗來散發(fā)熱量，維持體溫的恒定。而人體出汗會(huì)導(dǎo)致服裝內(nèi)濕度上升，如果服裝的包裹阻止了快速的散熱散濕，就會(huì)形成“熱量尖峰”，給人體帶來不適感，從而影響運(yùn)動(dòng)水平的發(fā)揮。因此，智能相變調(diào)溫紡織品在注意服裝的吸熱和放熱功能的同時(shí)，還應(yīng)使用含有Cool-max、Cool-plus等有吸濕排汗功能纖維的混紡紗，使人體在穿著運(yùn)動(dòng)時(shí)有一個(gè)干爽舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)的舒適感和運(yùn)動(dòng)成績(jī)有較大的幫助。

4.3 智能相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用前景

目前，在美國(guó)和歐洲市場(chǎng)上開始出現(xiàn)用Outlast、Cool-max 混紡紗線織出的面料制作的運(yùn)動(dòng)服，該運(yùn)動(dòng)服具有良好的調(diào)溫性能、保暖性能和吸濕排汗功能。近幾年，我國(guó)上海三十六棉紡針織服裝廠也對(duì)智能調(diào)溫纖維、智能調(diào)溫功能紗線、調(diào)溫功能面料及調(diào)溫功能性服裝進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)與創(chuàng)新工作，形成了4個(gè)系列紗線:智能保暖系列、運(yùn)動(dòng)系列、涼爽系列和多功能調(diào)溫系列。用此類紗線織成的面料已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化研究及市場(chǎng)推廣階段，但這些面料主要還是應(yīng)用于制備戶外服裝和內(nèi)衣，而在眾多系列的運(yùn)動(dòng)服中應(yīng)用較少，因此應(yīng)加大智能相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用[10]。

4.3.1 選擇適合運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目要求的相變材料

運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目按競(jìng)技能力的主導(dǎo)因素分類可分為體能主導(dǎo)類(包括田徑、自行車、劃船、滑雪、滑冰等)和技能主導(dǎo)類(包括體操、球類、擊劍、射擊、射箭等)。各個(gè)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)時(shí)身體的熱量排放不盡相同，尋找和選擇在某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中適合人體運(yùn)動(dòng)時(shí)熱量排放和溫度變化的相變材料，研究材料的蓄熱能力、熱傳導(dǎo)能力、安全性和可重復(fù)使用性等應(yīng)作為運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品研究的重點(diǎn)。

4.3.2 選擇適合智能相變調(diào)溫紡織品的制備工藝

智能相變調(diào)溫紡織品最重要的是調(diào)溫能力，夏季奧運(yùn)會(huì)和冬季奧運(yùn)會(huì)所設(shè)項(xiàng)目對(duì)服裝調(diào)溫性能的要求有較大不同。紡織品中相變材料的添加量是體現(xiàn)調(diào)溫能力的重要指標(biāo)。在制備工藝中對(duì)調(diào)溫材料添加比例的控制需作進(jìn)一步的探索。

此外，運(yùn)動(dòng)服裝一般要求具有透濕、排汗、抗撕破、易洗和耐磨等特點(diǎn)，而單純用相變材料制成的纖維盡管調(diào)溫效果不錯(cuò)，但纖維強(qiáng)度低、易斷裂，紡紗較困難。采用混紡比為50%的相變調(diào)溫纖維與Cool-max紗線混紡工藝，織出的面料具有良好的調(diào)溫性能、保暖性能和吸濕排汗功能，抗斷裂能力也很強(qiáng)。

4.3.3 加大智能相變調(diào)溫紡織品在各運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中應(yīng)用的研究力度

不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)環(huán)境和運(yùn)動(dòng)時(shí)身體熱量排放各不相同，因此對(duì)服裝的要求也不盡相同。冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目要求保溫效果好，要求服裝有一定厚度，層次多；夏季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目則要求降溫效果好，要求服裝薄，吸濕排汗效果好。因此，開發(fā)適合不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的智能相變調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服非常必要。同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)相變調(diào)溫紡織品的蓄熱調(diào)溫性能的測(cè)試研究，測(cè)定相變材料吸熱時(shí)溫度變化程度和相變影響的持久性，以及其對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的影響。這是拓展運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品在更多系列運(yùn)動(dòng)服中應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。

5 結(jié)語

智能相變調(diào)溫紡織品作為一種新型智能紡織品，由于其相變材料吸收或釋放熱量的特點(diǎn)能使人體體表溫度保持相對(duì)恒定，應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域?qū)⒂兄谶\(yùn)動(dòng)員更好地發(fā)揮運(yùn)動(dòng)水平，防止因“衣內(nèi)微氣候”的溫度過高或過低給人體造成的傷害。因此，研究用于運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的相變材料及其制備方法，開發(fā)制備適合不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的智能相變調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服非常重要。加強(qiáng)此類新型材料的性能測(cè)試及該類服裝對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的影響的研究，將大大拓展運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品在更多系列運(yùn)動(dòng)服中的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。

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