新型保溫調溫紡織品及其檢測方法

張 鵬，余 弘，李衛(wèi)東，毛志平，徐 紅

0 引言

人體為了維持體溫穩(wěn)定需要不斷攝入食物并和外部環(huán)境進行能量交換[1]。服裝除了起到裝飾作用外，還可以將人體的表面溫度維持在一定范圍。當外部環(huán)境的溫度降至人體正常體溫水平以下時，傳統(tǒng)服裝一般通過增加厚度來減少人體與外界環(huán)境的熱量交換。這種方式不僅會降低人體靈活度，給運動出行帶來不便，而且會使人顯得臃腫，影響美觀。近年來，戶外運動受到越來越多人的青睞，但一些極端氣候條件對紡織品的保溫和調溫功能提出了更高要求。因此，具備保溫調溫功效的新型功能性紡織品擁有良好的發(fā)展前途和廣闊的應用前景。

1 保溫調溫紡織品的研究現(xiàn)狀

保溫調溫紡織品可以通過控制織物與皮膚間的接觸溫度來提高人體舒適程度[2]。保溫紡織品只具有使織物內溫度升高的單向溫度調節(jié)功能；調溫紡織品可在不同溫度環(huán)境中進行雙向溫度調節(jié)，即當溫度高于一定界限時吸收熱量，溫度低于一定界限時放出熱量，這一特性極大改善了服裝對環(huán)境溫度的適應性以及人體穿著服裝時的舒適性。

1.1 保溫紡織品

熱量可通過傳導、對流和輻射三種方式在紡織材料中進行傳遞。當織物密度較高時，熱傳導和紅外輻射是織物與外界進行熱量交換的主要形式；當織物密度較低時，熱量可通過空氣對流在織物兩側進行傳遞。依據(jù)保溫隔熱機理的不同，保溫紡織品可分為消極性保溫紡織品和積極性保溫紡織品[3]。

消極性保溫紡織品開發(fā)較早，它可通過減少人體熱量向外界環(huán)境的散失來達到保暖效果?？諝庖蚱鋬?yōu)良的絕熱性能而成為理想的介質。人們?yōu)榱颂岣呒徔椘分徐o止空氣的含量而開發(fā)出中空纖維[4]。Sunlite公司研制了一種結構中包含了大量靜止空氣的中空纖維，該纖維相比原料纖維的質量減輕20%，因此在具備蓬松輕便性能的同時，還有效減少人體熱量通過傳導向環(huán)境散失的比例，其保溫性比普通同質非中空纖維面料提高了65%，可應用于各類服裝[5]。

積極性保溫紡織品可通過吸收人體表面或外部環(huán)境的能量再將熱量給予人體的方式來提高保溫性能。陽光蓄熱保溫纖維作為一種可吸收太陽輻射中可見光與近紅外線的新型保溫材料，在陽光照射時，纖維中的過渡金屬碳化物可將能量在0.6 eV以上的輻射線吸收，能量低于0.6 eV的輻射線則被反射[6]。日本德山都和尤尼吉卡公司聯(lián)合研制的陽光蓄熱保溫纖維“Solar-α”是一種皮芯復合式的纖維，內部芯層為含碳化鋯的聚酞胺或聚酯材質，外部皮層則為一般的成纖高聚物。由這種纖維加工制成的服裝在陽光照射下可吸收大部分陽光電磁波輻射線，并轉化為熱能放出，因此服裝內溫度比普通服裝高2～8℃，保溫效果顯著[6]。

當環(huán)境溫度低于人體體溫時，人體散熱量的30%～50%以波長為4～14 μm遠紅外線的形式向外界輻射[7]。天然纖維、人造纖維和合成纖維都無法有效地控制或降低這一輻射比例。遠紅外紡織品可通過兩種方式起到保溫效果，一種是吸收外界電磁波輻射的能量，另一種是反射人體本身發(fā)射的遠紅外光[8]。陶瓷微粉因其具備反射人體遠紅外線的獨特功效，常被用來制備遠紅外保溫纖維。帝人公司的“Opt、Sensor”、東陽公司的“Entrant Sunlok”、旭化成公司的“Sere V”等產品均利用陶瓷微粉反射遠紅外的特點，采用各自不同加工方法研制出來的，其保溫效果比普通織物要高3～5℃[9]。

1.2 調溫紡織品

當人體皮膚表面的平均溫度約為34℃時，心理會感覺舒適。當身體任何部位的表面溫度與皮膚平均溫度的差值超過4.5℃時，人體將有冷暖感[10]。調溫紡織品可以根據(jù)環(huán)境溫度的改變，適當?shù)匚栈蚍懦鰺崃浚谷梭w表面的溫度維持在正常范圍內，因此具有雙向溫度調節(jié)功能。

目前主要的調溫紡織品為介質相變型調溫紡織品，是將一定量的相變材料通過不同的加工方式加入紡織品中。當環(huán)境溫度變化時，相變材料可進行固液或液固相轉變來吸收或放出熱量，從而起到溫度調節(jié)的作用。德國一家公司在面料中加入硫酸鹽微膠囊型蓄熱材料，當氣溫升高時硫酸鹽會逐漸變成液體，儲存大量的熱量；當氣溫降低時會逐漸固化并釋放原來積蓄的熱量。這種面料可用于制作窗簾和服裝[11]。北京巨龍博方科學技術研究院研究了相變材料微膠囊制作技術，其相變微膠囊壁材為高分子化合物復合膜，芯材為鏈烷烴，相變溫度為-24～52℃，該研究院還與河北吉藁化纖有限公司合作開發(fā)出名為絲維爾的智能調溫粘膠纖維[12]。

另一類調溫紡織品同樣采用具備溫度調節(jié)功能的材料，但其在調溫過程中并未伴隨介質相的轉變。智能型水凝膠就是一種能對外界刺激發(fā)生敏感響應的新型功能性材料。溫敏水凝膠可以對溫度的改變產生積極響應，由其制成的纖維可以在臨界溫度以下發(fā)生溶脹，在臨界溫度以上發(fā)生收縮，且這種隨著溫度的升降而變化的特性是可逆的，因此由其制成的紡織品具有溫度調節(jié)的功能[13]。

2 保溫調溫紡織品檢測方法現(xiàn)狀

2.1 保溫性能檢測方法

對于紡織品保溫性能的測試方法主要分為恒溫型和散熱型兩種。恒溫型測試方法是將試樣包裹在加熱體外，保持加熱體溫度恒定，測定在一定時間內消耗的熱量。散熱型測試方法也是將試樣包裹在一定溫度的熱體上，測定規(guī)定時間內熱體的降溫程度或熱體降低至規(guī)定溫度所用的時間。目前，人們常用熱阻（R）、保溫率（%）、傳熱系數(shù)（K）和克羅值（Clo）四個指標來表征紡織品的保溫性能[14]。熱阻是織物兩面溫度差與熱源功率之間的比值，表征的是材料對熱流傳導的阻礙能力。傳熱系數(shù)與熱阻在數(shù)值上呈倒數(shù)關系，指的是紡織品兩側溫差為l℃時通過單位面積紡織品的熱流量。保溫率測定的是熱體包覆織物前后的耗電功率之差與未包覆織物前的耗電功率所得的比值。克羅值指在21℃的環(huán)境中人體在休息狀態(tài)下感覺舒適時所需的保溫值。

我國目前對紡織品保溫性能測定標準大多使用熱平板式儀器在恒定溫差條件下測試紡織品的保溫性能。GB/T 11048─2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定A型儀器—蒸發(fā)熱板法》A法中用熱阻、克羅值和熱導率來表征紡織品的保溫性能；GB/T 11048─2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定B型儀器—靜態(tài)平板法》B法與A法相比增加了保溫率的測定。國外的檢測標準則大多用熱阻來評價，如ISO 11092─2014《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定蒸發(fā)熱板法》和ASTMD1518─2014《棉絮體系熱阻測試方法熱板法》都只將熱阻作為檢測指標[15]。保溫率作為紡織品保溫性能的指標之一，只是表示一個比率關系，而不能表征紡織品本身固有的性質。熱阻是由組成紡織品纖維的熱性能和紡織品本身的織物結構所決定的，所以熱阻是紡織品自身所具有的性質。當紡織品的厚度增加時，熱阻也隨之增大，而保溫率則會在織物厚度達到一定程度后基本保持不變，因此當紡織品的保溫性能達到一定程度后，其保溫率的靈敏度遠低于熱阻。此外保溫率測試要求嚴格，重復性差，易受環(huán)境因素影響，且費時費力。熱阻測試時雖然織物兩面溫差固定，但測試結果不能表征試樣在較大溫差環(huán)境下的保溫性能，即缺乏對非穩(wěn)態(tài)（變化溫差）條件下紡織品的保溫性能檢測。

針對上述測試方法中不完善的地方，我國紡織工作者做了研究工作。張文[16]采用恒溫差和恒速度的熱風吹向被測紡織品，當織物兩面達到熱平衡后，測量熱風溫度與被測紡織品背風一側表面的溫差，溫差越大，則表示該紡織品的保溫性能越好，且經初步嘗試證明該方法切實可行。段宏強[17]研制的紡織品熱傳遞性能測試裝置可以測試環(huán)境溫度改變的條件下（即動態(tài)升溫過程中）織物兩側的溫度變化，并通過對測試曲線分析，說明該方法能夠反映織物的隔熱保溫性能，且結構簡單、成本低、試驗操作方便。

2.2 調溫紡織品檢測方法

調溫紡織品最重要的功能指標是溫度調節(jié)能力，但是目前國內對于調溫紡織品的調溫能力表征尚無統(tǒng)一的測試方法和評價標準，現(xiàn)行的傳熱性和保溫性測試方法并不適用于調溫紡織品。當前國內外相關企業(yè)和研究人員多采用熱分析法、溫度調節(jié)因素測試法和暖體假人法對紡織品調溫性能進行測試[18]。

2.2.1 熱分析法

熱分析法是通過測量材料在相變過程中的相變點、相變焓、溫度變化范圍、能量損耗等參數(shù)來研究材料在升溫或降溫過程中其性質和狀態(tài)的變化情況。該方法測試手段成熟，簡單易行，但測試條件與紡織品實際使用情況不符，因此難以模擬紡織品在實際使用過程中的性能和效果所受影響的環(huán)境[19]。

2.2.2 溫度調節(jié)因素法

溫度調節(jié)因素法首先模擬皮膚的溫度，然后使環(huán)境溫度和能量連續(xù)變化的情況下測定皮膚溫度隨外界能量變化的波動狀況。該法適用于在實驗室模擬人體真實生活狀況的生理測試。

2.2.3 暖體假人法

暖體假人測試法模擬真人的幾何造型，可以維持表面溫度與人體平均皮膚溫度接近，假人皮膚表面有多個獨立的溫度控制和測量裝置。測試時將假人放置在溫度可變化的環(huán)境中，通過溫度傳感器測得假人表面的熱量損失來評價紡織品的調溫性能。該方法考慮因素全面，試驗結果穩(wěn)定，測量精確合理，但設備結構復雜，檢測成本較高[20]。

此外，張海霞[21]研究了一種測試相變紡織品調溫性能的方法，該方法包含降溫和升溫兩種實驗方案，且兩種方案均可以采用溫度變化速率和溫度變化時間作為測定標準。通過對幾種性能差異明顯的相變紡織品的調溫性能進行測試分析，發(fā)現(xiàn)測試結果與規(guī)律基本保持一致。李程遠[22]自制調溫紡織品測試儀，在橡膠管內維持水循環(huán)模擬人體血液循環(huán)，并將水溫控制在30℃。將兩橡膠圓柱管表面溫度傳感器分別包覆待測樣和對比樣，密閉裝置內的升降溫系統(tǒng)可調節(jié)環(huán)境溫度變化范圍為0～50℃，溫度傳感器與電腦連接，在軟件上記錄傳感器溫度變化并繪制溫度隨時間變化的曲線，再參考相變微膠囊的調溫性能，將紡織品調溫性能劃分為若干等級，根據(jù)溫度變化曲線對紡織品調溫性能進行評級。經多次試驗證明該裝置測試結果重復性較好，建立的評級標準適用于各種類型的調溫紡織品。

3 結論

隨著人們對紡織品面料差別化研究日益深入，具有溫控功能的新型紡織品檢測方法也需要更加細化。當前對紡織品保溫性能的檢測大多是穩(wěn)態(tài)條件下進行的，缺乏對非穩(wěn)態(tài)條件下樣品保溫能力的表征。對于調溫紡織品，雖然檢測方法較多，但并未形成確定的方法標準，因此有待于對紡織品調溫性能測試方法作進一步研究，使其趨于完善，從而引領紡織品生產企業(yè)生產出高效的調溫紡織品。

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