相變材料調溫服裝調溫性能研究進展

賀潤音 吳雨曦 王朝暉 張關涵 褚奧軒

東華大學 服裝與藝術設計學院(中國)

相變材料(PCM，Phase Change Material)是一種對外界冷暖刺激做出雙向溫度調節(jié)的新型材料，其技術核心是將微膠囊包裹的改性材料涂覆于織物表面或植入織物的纖維內，在固液態(tài)相互轉化中吸收或儲存能量以調節(jié)外界溫度。相變材料能極大地改善傳統(tǒng)服裝的舒適性和人類對環(huán)境溫度的適應性。Outlast纖維是美國率先開發(fā)的一種技術較為成熟的相變調溫纖維。目前Outlast調溫纖維占全球市場份額80%以上。日本小松精練公司在聚酯纖維等合成纖維表面鍍上具有調節(jié)溫度功能的特殊蛋白微粒子超薄膜，獲得具有保持服裝內舒適溫度功能的Air-Techno纖維材料[1]。目前，日本市場已推出較成熟的相變調溫襯衫、西服及保暖內衣等產品。Nike、ReeBook、Polo等40余家國際知名體育運動用品公司在開發(fā)新產品過程中也使用了PCM。在中國，絲維爾智能調溫纖維和上海三十六棉紡針織廠研制的SL 調溫纖維已進入產業(yè)化研究及市場推廣階段。中國福建浩沙實業(yè)有限公司已開發(fā)出舒適型溫控瑜伽服[2]。

盡管PCM調溫紗線及織物已投向市場，但目前相關研究多集中于PCM調溫纖維的前端開發(fā)，主要研究纖維制作工藝、材料配比、特殊防護等，鮮有從成衣角度考慮其調溫性能的具體實效。本文對PCM調溫服裝的工藝參數、溫度調節(jié)能力評價指標、相關測試方法及影響因素等內容進行探討，并對PCM服裝的實效性做初步評價，以期為開發(fā)PCM調溫服裝提供相關參考。

1 不同類型PCM調溫服裝

1.1 PCM織造服裝

PCM織造服裝，即將調溫紗線和彈性紗線或天然纖維混合紡織成織物，再用其制作成的調溫服裝。PCM織造服裝已走向市場，常見產品包括內衣、襯衫、女裝、睡衣、工作服和運動服裝。Outlast公司目前開發(fā)的Outlast?丙烯酸纖維、Outlast?黏膠纖維及Outlast?聚酯纖維是調溫織造服裝的主流纖維材料。在PCM織物制造工藝上，相關學者不斷探究織物組織結構以提升服裝的調溫能力。CHERIF等[3]利用熔融紡絲機，成功地將相變材料用于紡織纖維中，在工業(yè)規(guī)模上實現了穩(wěn)定、可重復的雙組分熔融紡絲工藝；研究發(fā)現，PCM對熔融紡絲過程的溫度和停留時間非常敏感，PCM的最佳工藝溫度為210 ℃。TYURIN等[4]采用后期注射法將質量為纖維總質量5%～10%的相變微膠囊材料注射裝入纖維中，使微膠囊完全被鎖定在纖維中，不影響纖維的紡絲、針織及染色等后續(xù)加工。

實際調溫紗線加工過程中通常將調溫纖維與其他纖維混紡，若二者質量比不合適，會導致調溫紗線的調溫功能下降。只有選擇合適的調溫纖維與其他纖維的質量配比，調整織物組織結構，才能提高紗線的調溫性能，進而改善服裝的調溫實效。BARTKOWIAK等[5]設計制作了3種PCM針織物及其內衣，并測試了這3種針織內衣的熱濕舒適性。3種PCM針織物及其內衣如圖2所示。與傳統(tǒng)棉針織內衣相比，PCM大膠囊背心與PCM細紗長袖內衣能降低內衣的小氣候2～4 ℃，并保持衣內相對舒適微氣候環(huán)境約50 min，使服裝調溫能力大大增強。PCM膠囊化的目的是防止相變過程中PCM的遷移，確保其可被再利用。

圖1 后期注射法注入PCM的纖維照片

微膠囊化PCM的優(yōu)點：增加熱交換面積和熱導率；減少主要聚合物的反應性，并為相變材料提供保護，使其免受環(huán)境影響和其他活性成分的不良作用；保持織物表面的初始狀態(tài)；促進液態(tài)與固態(tài)之間的轉變。根據膠囊的大小，有3種不同的摻入方式：納米膠囊化(膠囊尺寸<1 μm)，微膠囊化(膠囊尺寸為2～900 μm)，大膠囊化(膠囊尺寸>1 000 μm)。研究表明1～10 μm的微膠囊最適合覆蓋于織物表面。

圖2 不同PCM紗線織物及其針織成衣

1.2 PCM涂層服裝

將PCM微膠囊和助劑混合，配成整理液，采用涂覆或浸軋工藝，將PCM微膠囊整理在織物上，制得具有蓄熱調溫功能的織物[6]，使用該織物制作的服裝為PCM涂層服裝。采用涂覆工藝所得涂層織物表面粗糙，不能直接與皮膚接觸，且存在織物上的涂層在被反復使用及洗滌中易破損等缺點。Outlast公司采用涂覆工藝得到的普通涂層布與采用浸軋整理工藝得到的基質浸漬涂層布如圖3所示，后者比前者更輕薄，手感更好，在提高蓄熱和放熱反應的靈敏性方面有較大改善，并可貼身穿著。

圖3 Outlast公司PCM調溫織物

PCM涂層織物多用于鞋襪、家紡、特殊防護服上。FONSECA等[7]研究了消防服裝用PCM涂層織物的熱防護性能，獲得PCM防護的最佳質量參數，以最大限度地減少消防員工作中所承擔的熱負荷。SHEMSHADI等[8]將PCM微膠囊、石墨烯混合，以PCM微膠囊為動態(tài)改性劑，石墨烯為靜態(tài)改性劑，制備PCM石墨烯復合聚丙烯酰胺織物，其熱性能測試結果表明，復合聚丙烯酰胺織物的熱導率比純聚丙烯酰胺涂層織物提高2.0～2.5倍，還原氧化石墨烯在一定程度上改善了相變材料微膠囊的吸熱性能。與PCM織造成型相比，PCM涂層能在很大程度上改善服裝的調溫性能，增強穿著調溫服裝的實效性。

1.3 PCM材料包服裝

將PCM材料包嵌入服裝，成衣制作簡便，但該類服裝耐用性不佳，透氣性較差，柔軟度低且形態(tài)不易于改變，并且只能針對人體特定部位進行相變調溫。服裝的調溫效果與PCM材料包的面密度、融點等參數密切相關。由于此類服裝能最大限度地增加PCM含量，調溫性能常優(yōu)于PCM織物及PCM涂層服裝。多數PCM試驗研究表明[9-10]，對于有效緩解人體熱應變，使用PCM材料包是提高冷卻效果和冷卻持續(xù)時間的有效方法。因此制備家用調溫紡織品及特殊調溫防護服，常應用PCM材料嵌入包。圖4所示為外科醫(yī)生手術室相變冷卻背心。其在人體前胸、后背、腰圍等易出汗部位覆蓋PCM材料包，大體積下的PCM材料包極易發(fā)揮吸熱相變功效，可使人體皮膚表面溫度保持舒適狀態(tài)。

圖4 相變冷卻背心

2 PCM織物的溫度調節(jié)能力及測試方法

2.1 熱力學測試

基于熱力學原理及物質熱力學性質，采用熱力學測試方法評價PCM纖維或織物調溫性能，一般需要借助溫度控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及記錄系統(tǒng)。針對不同調溫材料及試驗環(huán)境，PCM調溫性能研究的熱力學測試方法各不相同，其測試指標、適用對象及測量儀器如表1所示。

2.2 暖體假人測試

利用暖體假人可整體測試PCM調溫服裝的熱阻、濕阻，或根據 ASTM F 273l-16Standardtestmethodformeasuringtheheatremovalrateofpersonalcoolingsystemsusingasweatingheatedmanikin測量調溫服的散熱率以評價其升降溫效應。GAO等[17]的研究結果表明，PCM的融化溫度與暖體假人表面的溫度梯度越大，暖體假人軀干散熱率越高。暖體假人測試中測試環(huán)境溫度可調，尤其適用于具有防護功能的調溫服裝的評價。

2.3 真人試穿評價測試

真人著裝評價作為服裝熱調節(jié)性能評價的最后一級，可通過模擬動態(tài)或靜態(tài)著裝，測量人體產生的熱量、體溫、出汗量、服裝相對濕度等參數，獲得熱舒適性、熱敏感性和濕感等主觀感受，從而評價PCM調溫服裝的應激性和舒適性。例如SAFAVI等[18]研究了不同熔點下PCM防護服系統(tǒng)的熱調節(jié)性能，測試受試者在行走、靜止狀態(tài)下的皮膚溫度、熱舒適性。結果表明在行走和休息過程中，PCM防護服的散熱調節(jié)效果顯著。綜合以上，真人試穿與暖體假人測試方法都適用于PCM調溫服裝的評價。

表1 PCM調溫性能研究的熱力學測試方法

3 PCM調溫服裝調溫性能影響因素

3.1 PCM相變焓與PCM含量

相變焓值指單位質量的相變材料在相變過程中吸收或釋放的熱量[19]。固液相變的焓差越大，則每單位質量可以儲存或釋放的能量越多，從而提供越長時間的冷卻和升溫效果。但是PCM的調溫性能不僅取決于相變過程中的相變焓。多數研究表明[20-22]，PCM的含量對相變儲存的潛熱、調溫速度和持續(xù)時間有顯著影響。為給人體提供一定的溫度調節(jié)能力，PCM質量通常需占服裝質量的20%以上。

表2[23]所示為服裝中PCM在人體不同活動強度下的調溫時效。假設一套服裝質量為800 g，織物中PCM含量為160 g，PCM的相變焓為200 J/g，則調溫服裝的總調溫能量為32 kJ。人體在休息時的代謝率約為115 J/s，假設人體的皮膚溫度恒定，且PCM調溫服裝在人體休息時能產生30%的冷卻率，即34.5 J/s的功耗，則PCM在服裝中的冷卻效果可持續(xù)約15.5 min。但如果人體的代謝率增加，則PCM的冷卻效果持續(xù)時間減少，如表2所示。據此推斷，相變材料的冷暖持續(xù)響應有限，從人體活動需求來看，目前調溫服裝產品的調溫時效并不理想。學界嘗試通過微膠囊化、分子熒光技術、涂層或層壓技術，將足夠質量的PCM糅合在服裝中以提高調溫產品的時效性。

表2 服裝中PCM在人體不同活動強度下的調溫時效

3.2 PCM相變點

除了PCM的含量和相變焓，PCM的熱性能還取決于相變點，即熔化/結晶溫度。CHOI等[24]發(fā)現PCM服裝和普通服裝之間的服裝微氣候溫度差異在溫度下降約35 min時才開始顯現。這是因為PCM材料的相變需要一個過程，只有相變完成后，服裝溫度才會上升或下降，而相變點的高低將影響其調溫速率。因此，根據相變溫度和應用環(huán)境選擇適合熔點或結晶溫度的PCM材料非常重要。GAO等[25]研究了不同熔化溫度的PCM，測試得PCM調溫背心的冷卻速率與PCM熔化溫度和暖體假人溫度之間的溫度梯度呈正相關。

一般而言，結晶溫度為31～43 ℃的有機碳氫化合物CnH2n+2(n=20～22)比較適合產生加熱效果；CnH2n+2(n=14～19)的熔化溫度為5～33 ℃，更適于產生冷卻效果[26]。在服裝應用中，SARIER等[27]指出，熔化溫度為18～35 ℃的PCM適用于改善服裝的熱舒適性。

3.3 PCM與人體微氣候系統(tǒng)

人體微氣候是一個動態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，人體與外界、服裝的濕熱能量交換必將影響PCM的實際功效。LIU等[28]采用改進的Stolwijk模型模擬人體溫度調節(jié)過程，在服裝模型中考慮了包括纖維吸濕、脫濕在內的熱濕耦合傳遞和相變溫度范圍對相變過程的影響，討論了人體熱響應與服裝熱濕傳遞之間的相互作用，并比較了纖維吸濕性對服裝和人體熱反應的影響。其結果表明，與無PCM微膠囊的服裝相比，帶有PCM微膠囊的服裝可有效延長溫度變化的時間，降低皮膚表面上的汗水堆積速率和在環(huán)境改變時的熱損失，但纖維吸濕性降低了PCM微膠囊的作用。ITANI等[29]建立了PCM織物生理熱模型，確定了8個PCM區(qū)域的最佳分布。對冷卻更敏感的身體區(qū)域，如人體的腹部、背部，可適當增加PCM用量。通過合理的PCM分布可提高人體舒適性。

3.4 PCM與人體的軀干配置

由于人體各個部位的血管收縮和血管擴張能力不同，在PCM服裝中的微膠囊顆粒與人體進行動態(tài)熱交換的過程中，不同人體部位的皮膚溫度與PCM熔化或結晶溫度之間的溫度梯度、PCM覆蓋的人體面積等都會影響實際調溫效率。

在實際穿著PCM服裝的軀干配置測試中，近年來學者們做了進一步研究。HAN等[30]對受試者服裝表面的8個部位(左胸、右胸、左腹、右腹、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂)的溫度進行了測試。結果表明，與普通織物服裝相比，PCM服裝的保溫系數從1.05%提高到32.20%。HAN等建議在低產熱部位使用PCM微膠囊負載量大的織物，以避免寒冷地區(qū)對四肢等產熱率較低的部位造成低溫損傷。馬箖珺[31]采用局部皮膚貼絮片方式，模擬受試者冷感狀態(tài)下身體局部位置上相變材料的保溫性能，得到相變材料對局部皮膚及整體舒適性的影響。晏葉[16]52研究發(fā)現穿著PCM防護服時，不同部位的平衡熱流密度差異顯著，由大到小排序依次為胸部、腹部、肩胛、后腰。YE等[32]為研究服裝中PCM對人體體溫反應的影響，建立了PCM在服裝中的熱濕傳遞數學模型。結果表明，與不含PCM的服裝相比，加PCM的服裝可顯著減少溫差約2 ℃，服裝有無PCM對人體溫度調節(jié)預測模擬結果如圖5所示，該試驗在溫度為43 ℃、相對濕度80%的條件下進行。此外，與四肢相比，人體軀干部位的PCM調節(jié)作用更顯著。

圖5 服裝及人體皮膚溫度變化

不同位置的PCM配置試驗結果表明，由于人體各部位的產熱率不同，其出汗量、熱量傳輸影響PCM的調溫效果。因此改變服裝中PCM的含量與分布，可在一定程度上調節(jié)人體的熱應力，并改善服裝穿著的舒適性。

3.5 PCM聯合其他調溫手段

由于單一水平的PCM調溫效果并不顯著，在特殊防護領域，PCM調溫服常通過聯合其他調溫措施提升服裝整體的調溫性能。UDAYRAJ等[33]研究了4種降溫系統(tǒng)的性能，分別為PCM、PCM加絕緣材料(PCM+INS)、PCM加通風機(PCM+HYB)、PCM加通風機和絕緣材料(PCM+HYB+INS)。人體試驗在溫度為36 ℃，相對濕度為59%條件下進行。結果表明，PCM+HYB+INS降溫服可顯著降低皮膚/軀干溫度升高幅度。推薦在高溫條件下進行適度體力活動的職業(yè)工人使用PCM+HYB+INS的混合式降溫服，因為它可延長PCM冷卻的時間，從而降低身體的溫度熱應變上升速率，為穿著者的身體提供一個相對涼爽的小氣候。MCFARLIN等[34]利用PCM/ACC(活性碳酸鈣)多級相變材料創(chuàng)建了一種具有多級冷卻效果的T恤衫。結果發(fā)現，含有PCM/ACC的T恤衫可提高8%的運動能力，尤其是對于提高中高強度的運動具有較大影響，其研究成果對生理散熱系統(tǒng)衰退的老年運動人群的運動服裝具有一定的應用價值。LU等[35]開發(fā)了一種通風機和相變材料協同工作的新型混合動力冷卻服，如圖6所示。結果表明，在干熱條件下，PCM調溫服裝提供了19～39 min的冷卻效率；在熱濕條件下，PCM調溫服裝提供了54～78 min的冷卻效率。此外，在PCM調溫服聯合其他調溫系統(tǒng)下，通風風扇大幅提高了熱量的蒸發(fā)，在熱濕和熱干的環(huán)境條件下都能提供連續(xù)3 h的冷卻效果。ITANI等[36]進一步對該混合動力系統(tǒng)下的熱損失、軀干溫度和熱舒適性進行了穩(wěn)態(tài)預測，針對高濕環(huán)境，推薦使用PCM干燥劑，可用于減輕高溫高濕作業(yè)環(huán)境中工作人員的濕熱應激影響。

圖6 新型混合動力冷卻服示意

4 結語

服裝中的相變材料在人體活動時可為人體提供一個暫時的熱或冷緩沖期，而溫度調節(jié)能力是其實效性的重要表征。目前PCM調溫服裝的開發(fā)主要通過紡紗織造、織物整理或嵌入材料包3種方式獲得，針對不同工藝方式獲得的PCM調溫服裝，其溫度調節(jié)能力的測試方法與評價指標各不相同?？紤]到人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)作為一個整體，改變PCM的相變焓、含量、相變點等內在條件，以及PCM在服裝中的放置部位，或聯合其他調溫手段，都可影響或改善最終調溫材料的冷卻/加熱速率、調溫效率和持續(xù)時間。從目前的研究成果看，調溫服裝產品的調溫時效并不理想。為此，在制備PCM調溫服裝產品時，應充分考慮到調溫性能的各類影響因素，選擇適當的PCM原材料，并進行軀干位置合理配置，或聯合其他調溫方法，更大限度地發(fā)揮調溫材料的功能，以達到PCM冷卻和升溫的預期效果。