保暖材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

吳 波，汪澤幸，，，李 帥，李文輝，吳 璠，朱文佳

（1.湖南工程學院 紡織服裝學院，湘潭，411104；2.湖南省新型纖維面料及加工工程技術研究中心，益陽413000；3.湘潭市特種防護服裝工程技術研究中心，湘潭，411101；4.深圳市微納先材科技有限公司，深圳518035）

寒冷氣候條件下，御寒保暖成為人們生活的最基本需求，保暖的主要目的是防止人體熱量散失，使得人體自身產(chǎn)生的熱量和向環(huán)境散失的熱量之間的能量交換達到平衡，從而達到人體的熱舒適感［1］.保暖材料作為抵御低溫環(huán)境侵襲的必需品，在人們生活中一直發(fā)揮著十分重要的作用.

隨著紡織科技的發(fā)展和生產(chǎn)技術的進步，保暖材料的發(fā)展非常迅速，原料從最初的棉、毛、絲、麻等天然纖維發(fā)展到如今各種的腈綸、粘膠、莫代爾、吸濕發(fā)熱聚酯纖維、聚酰亞胺纖維等［2］.傳統(tǒng)保暖材料，主要依靠增加織物的厚度和密度，以及提高纖維內(nèi)部儲存空氣量來降低保暖材料的熱傳導和熱對流，從而提高保暖性能，但是這樣被動的保暖方式不僅會使服裝穿著顯得笨重、臃腫，影響服裝的整體美感，還會產(chǎn)生過高的服裝壓力，導致穿著行動不便，產(chǎn)生心理和生理不舒適感［3］.為此，人們在傳統(tǒng)材料保暖基礎上開始追求另一種更加積極、智能化保溫新材料并對其性能展開研究，如中空纖維、超細纖維、蓄熱保暖纖維、發(fā)熱纖維等.新型保暖材料將逐漸引領保暖材料市場的潮流，在提升保暖性能同時，向著更輕薄、舒適、健康方向發(fā)展，服裝也從傳統(tǒng)的消極保暖逐漸轉(zhuǎn)向積極致暖.

1 保暖材料的分類

依據(jù)纖維隔熱保暖方式方法的差異，目前，保暖材料可分為消極保暖材料和積極保暖材料兩大類.

1.1 消極保暖材料

傳統(tǒng)消極保暖材料，其利用材料所具有的低傳熱特性，阻止或減少人體熱量向外擴散的原理而實現(xiàn)保暖的目的.其按原材料成分可分為天然纖維保暖材料、合成纖維保暖材料以及復合型保暖材料三類.

（1）天然纖維保暖材料

主要以棉纖維、羊毛、兔毛、羊絨、駝絨、羽絨、蠶絲等天然纖維素和蛋白質(zhì)纖維為代表.

（2）合成纖維保暖材料.

以純化纖纖維（如聚酯纖維、腈綸、丙綸等）制成的蓬松非織造材料為代表，如：熱熔棉絮片、噴膠棉絮片、熔噴棉絮片、針刺和水刺絮片等［2］.

（3）復合型保暖材料.

其采用多種天然纖維、合成纖維或功能性纖維材料等保暖材料為基礎，采用界面黏合、機械加固等方式制備的具有多層或多組分的保暖材料，如太空棉、南極棉、太陽絨等［4］.

1.2 積極保暖材料

新型積極保暖材料在消極保暖材料隔絕或減少人體熱量散失的基礎上，還具有吸收、存儲外界熱量并通過附加熱效應向人體傳遞熱量［5］，故其又稱為能量收集與管理材料，如蓄熱保暖纖維、適溫型纖維、發(fā)熱纖維、遠紅外類保暖纖維材料等.

目前，商業(yè)化的保暖產(chǎn)品大多采用屬于消極保暖材料，主要是通過纖維材料的選用、紗線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、織物的組織結(jié)構(gòu)的改變，在織物中盡可能容納靜止空氣的數(shù)量，減少人體熱量的損失，達到保暖的目的.

2 保暖材料性能特點

2.1 天然纖維保暖材料

天然纖維保暖材料可分為天然植物纖維和天然動物纖維兩大類，天然植物纖維主要包括棉纖維、木棉纖維、麻纖維等纖維素纖維；動物纖維主要包括動物的毛纖維、羽絨、蠶絲等蛋白質(zhì)纖維.

2.1.1 植物纖維保暖

棉纖維是人類應用時間最長的一種天然保暖材料，因其保暖性良好、資源豐富、價格大眾化而成為使用最廣泛的保暖材料，但是使用過程中吸濕性較強、易板結(jié)，保暖性和壓縮彈性變差，舒適性下降［6］.

木棉纖維是一種質(zhì)輕、薄壁、高中空度纖維材料，其獨特的中空結(jié)構(gòu)利于容納更多的靜止空氣，同時兼?zhèn)鋬?yōu)異的導濕性能和保暖功能，是目前中空率最大的天然保暖材料，另外，因木棉纖維密度低、浮力大，常被用在救生衣等浮力材料中［7］.但是由于木棉纖維短、強度低、抱合力差、加工困難，大多只用作填充保暖材料，此外，因木棉纖維纖維素含量低且表面高度光滑導致木棉纖維染色率低，限制了木棉纖維在紡織、服飾領域廣泛應用［8-9］.

2.1.2 蛋白質(zhì)纖維保暖

羊毛、羊絨、駝絨等均為高檔天然動物纖維保暖材料，其中，羊毛纖維為天然動物纖維保暖材料的代表，其表層存在鱗片結(jié)構(gòu)，可存儲、吸附靜止空氣層，故羊毛纖維集合體的傳熱性能較低，此外，其具有的獨特的天然卷曲結(jié)構(gòu)可為保暖絮片提供優(yōu)秀的回彈性和蓬松性，其具有獨特的氈縮特性，有利于面料形成較為致密的表面結(jié)構(gòu)，可起到較好的防風效果，有效減少服裝與人體之間空氣的流動，故羊毛制品具有較好的保暖性能.但天然蛋白質(zhì)保暖材料，存在價高、易蟲蛀、異味、易滋生細菌、易起毛起球、后期養(yǎng)護要求和成本較高等缺點［6，10］.

羽絨具有其他天然保暖材料無法比擬的保暖性能，這主要是由于其具有獨特的“樹枝狀”分叉結(jié)構(gòu)和吸濕發(fā)熱功能，此外，羽絨填充物具有輕柔、保暖、高彈等特點，使用后經(jīng)過日曬以及機械拍打后可恢復其部分原有性能，這是其他保暖材料無法比擬的優(yōu)勢［11-12］.但是羽絨纖維也存在一些缺點，其在使用過程中鉆絨，拉伸強度與彎折強度低，散纖維不易裁剪，且羽絨制品價格昂貴、易蟲蛀，容易霉變、羽絨制品外形臃腫等.

蠶絲由包含人體所必需的18種氨基酸組成，對皮膚具有保健功能.蠶絲制品不僅具有良好的保暖性能，因組成成分與皮膚類似，與皮膚具有較好的親和力.但蠶絲易黃變、價高、養(yǎng)護要求高等導致其使用范圍受限［13-14］.

2.2 噴膠棉

噴膠棉是一種合成保暖材料，它是選用中空或高卷曲滌綸、腈綸為原料，利用噴灑粘合法生產(chǎn)的一種高蓬松、多孔非織造保暖絮片，根據(jù)對蓬松手感要求不同，在噴膠棉工藝基礎上，適當調(diào)整工藝，先制成軟棉，再用軋光機對其表面熨平，又可制成仿絲棉［15］.噴膠棉蓬松度高彈性好、手感柔軟、具有質(zhì)輕、防腐、防霉、不蛀、不爛、耐水洗等特點，特別是具有優(yōu)良的保暖性，大量代替了羽絨、羊毛等傳統(tǒng)保暖材料用于滑雪服、仿羽絨被和床罩睡袋等；缺點是透濕性差，靜電現(xiàn)象嚴重，易給穿戴者帶來不舒適感.

2.3 太空棉

太空棉又稱金屬棉或宇航棉，其通過在織物表面加入鋁鈦合金箔，將遠紅外輻射熱量的95%反射回人體，使織物的保暖率較原織物提高70%～80%［16］，但其手感硬，透氣透濕性差，穿著悶熱，易在皮膚下存積汗液，影響服裝舒適性.

2.4 搖粒絨

搖粒絨作為戶外保暖層的主體材料，是目前紡織面料中最暢銷的輕質(zhì)抓絨保暖材料，因其獨特的顆粒絨球狀結(jié)構(gòu)且纖維及紗線之間擁有較高孔隙率，能夾持更多的靜止空氣與普通機織物或非抓絨針織物相比手感更柔軟、蓬松度高、彈性好且具有卓越的保暖性，被廣泛用于家居服、休閑運動服以及沖鋒衣內(nèi)膽等.現(xiàn)市面上搖粒絨面料主要采用聚酯纖維（滌綸）為主，經(jīng)抓毛、梳毛、剪毛、搖粒等生產(chǎn)工藝制備后，存在掉毛問題，因品種單一且純滌制品存在著透濕性差、易靜電吸塵等問題，如果能在起絨整理技術上和原料上進行改進，定將為搖粒絨的生產(chǎn)和應用帶來更大的發(fā)展空間［17］.

2.5 超細纖維

隨著復合紡絲工藝的不斷進步，超細纖維可采用剝離型和海島型兩種復合紡絲工藝生產(chǎn)制備.超細纖維制品之所以具有良好的保暖性能，主要是它相對于常規(guī)纖維，纖度在1.0 dtex超細纖維具有較高的比表面積，與空氣的接觸面積較高，在高比表面能的作用下，可吸附較多的靜止空氣，阻滯空氣的流動，減少因空氣自然流動導致的熱量損失，有利于提高超細纖維集合體的隔熱性能.

近年來，超細纖維不僅用于高保暖絮片（如3M公司的新雪麗保暖絮片）的制備，還用于內(nèi)衣面料的制備.采用超細纖維制備的面料，具有質(zhì)感細膩、柔軟親膚、外觀雅致、自然塑身、不易變形、保暖、吸濕透氣等諸多優(yōu)點，此外，選用合適功能的纖維，還可獲得防紫外線和防靜電等特殊性能，是貼身服裝制備加工的優(yōu)選面料之一［18-19］.

2.6 中空纖維

美國杜邦公司受北極熊毛中空特性的啟發(fā)，研制出聚酯中空保暖纖維（Thermolite），其制備保暖材料具有絕佳保暖效果、優(yōu)良導濕性能、質(zhì)地輕盈、柔軟、舒適［16］.隨著噴絲板制造技術的深入研究和發(fā)展，異形纖維已從三角形、三葉形、中空等簡單異形截面發(fā)展到五角形、米字形、十字形等多種復雜異形纖維，目前十字中空、多角中空等復雜異形纖維還處于研發(fā)階段，十字形中空纖維集十字形截面纖維和中空纖維兩者的優(yōu)良性能于一體，具有導濕、透氣、蓬松、輕質(zhì)保暖、手感豐滿等諸多優(yōu)點［20-21］.隨著千差萬別纖維多元化的發(fā)展，中空纖維朝著異形狀空隙、多孔、高中空度以及基于復合紡絲方法或非對稱冷卻原理制備三維卷曲結(jié)構(gòu)纖維等方向發(fā)展.

2.7 發(fā)熱保暖纖維

發(fā)熱纖維是能自行產(chǎn)生熱量的保暖新型纖維，其不僅具有傳統(tǒng)纖維的阻止熱量散發(fā)特性，更可以吸收并保存外界的電能、化學能、太陽能，并根據(jù)人體的需要吸收或釋放熱量，使人體的熱量達到平衡以獲得熱舒適感［22-23］.日本在發(fā)熱纖維領域的研究較為深入，產(chǎn)品較為成熟，我國相對較晚并主要集中在發(fā)熱纖維紡紗工藝和針織面料開發(fā)方面.

發(fā)熱纖維主要可分為遠紅外纖維、調(diào)溫纖維、陽光蓄熱纖維等.

2.7.1 遠紅外纖維

遠紅外纖維主要指在紡絲過程中加入可輻射遠紅外的微粉，主動發(fā)射對紅外線有良好阻擋能力的遠紅外線，可將太陽光的大部分輻射能量吸收并存儲，并以遠紅外的形式向外發(fā)射，以實現(xiàn)保暖的目的.通過在紡織品中加入不同的陶瓷粉，可實現(xiàn)對太陽能的吸收并輻射遠紅外線等保暖功能，而且在遠紅外區(qū)有強烈的吸收，進而提高對熱輻射的反射和阻擋能力［24-25］.

2.7.2 調(diào)溫纖維

20世紀80年代中后期，人們開發(fā)了一種可根據(jù)環(huán)境溫度的變化，在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)溫度的纖維.當環(huán)境溫度升高，貯存能量，降低體溫，當環(huán)境溫度降低，釋放能量，升高體溫.目前，調(diào)溫纖維主要有相變物質(zhì)類、塑性晶體類、添加溶劑類、電發(fā)熱等類型.目前，紡織領域主要采用相變物質(zhì)類調(diào)溫纖維，基于相變控溫原理，采用涂層法、填充法、浸軋法、微膠囊法等將相變物質(zhì)處理到纖維或纖維織物中，以達到蓄熱調(diào)溫的目的.美國Outlast公司將利用裝有碳氫化臘的微膠囊植入到纖維中，制備出Outlast調(diào)溫纖維等［26-27］.

2.7.3 陽光蓄熱纖維

陽光蓄熱纖維是基于光熱轉(zhuǎn)換原理，在紡絲過程中加入化合物微粒（如碳化鋯系）制備而成，其可吸收太陽輻射中的可見光與近紅外線，并反射人體熱輻射，阻止熱量散失，因而具有良好的保暖性能.如近紅外吸收纖維Thermocatch（日本三菱公司）等［22，28］.

3 保暖材料的保暖性能研究現(xiàn)狀

保暖材料的保暖性能研究一直是紡織行業(yè)研究的重點.材料保暖性能的好壞通常以傳熱系數(shù)、克羅值、保溫率等指標來衡量.傳熱系數(shù)表示樣品在熱量交換過程中傳遞熱量的多少，克羅值表示熱量通過織物時所遇到的熱阻，保溫率以無試樣時散熱量和有試樣時散熱量之比的百分率表示.樣品傳熱系數(shù)越小，克羅值越大，即表示樣品發(fā)生熱量傳遞時遇到的阻礙越大，熱量越不容易散失，保暖性能越好，反之，保暖性能越差.

顧聞彥等［29］研究了熔噴保暖材料的透氣率、克羅值、熱導率、傳導系數(shù)與其厚度及單位面積質(zhì)量之間的關系，發(fā)現(xiàn)厚度對其透氣性和保溫性有較大影響.透氣性隨著厚度的增加，先增大后減小，保暖性隨厚度、單位面積質(zhì)量的增加而呈現(xiàn)先增加后基本不變的變化趨勢.

陸英［30］通過對羽絨纖維保暖性研究，發(fā)現(xiàn)羽絨纖維的特殊皮芯結(jié)構(gòu)，以及芯層空腔使其具有優(yōu)良的保暖性及蓬松性能.其中，不同的羽絨填充量對保暖性能的影響較大，且保暖性隨羽絨填充量的增加而增加，當填充量達到一定值后，保暖性下降，由于隨著羽絨含量增加，羽絨纖維保持的靜止空氣量增多，而靜止空氣的傳熱系數(shù)最小，使得羽絨在開始時具有良好保暖性，但當羽絨填充超過一定限度后，羽絨纖維密度增加，此時通過纖維傳導散失的熱量越多，樣品保暖性下降.

周覓［31］以木棉、三維卷曲中空滌綸、ES纖維為原料通過非織造技術制備非織造復合保暖材，并研究了不同纖維配比對熱風非織造材料的保暖性能、蓬松性能的影響，由于木棉纖維線密度低、中空率高（高達80%～90%），纖維含有的大量靜止空氣，使其具有優(yōu)越的保暖性［32］，而三維卷曲結(jié)構(gòu)可以為保暖材料提供良好的蓬松性能，所以木棉含量越高，非織造保暖材料保暖性能越好，同時由于三維卷曲中空滌綸含量相對較少時導致材料的蓬松性稍差，研究發(fā)現(xiàn)當三種纖維混合比為40∶40∶20，所制備的非織造材料保暖性及其他方面性能均較好.

楊莉等［33］對聚酰亞胺纖維的熱舒適性進行研究，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)對聚酰亞胺織物的保暖性影響較大，結(jié)構(gòu)稀松的織物，透氣量增加，保暖性下降，在一定條件下織物的保暖性還受織物厚度的影響，隨著織物厚度的增加，保暖性增強，另外，在相同組織規(guī)格的條件下，聚酰亞胺針織物的保暖性能優(yōu)于羊毛針織物.

Varshney［34］研究了纖維截面形狀對材料隔熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)在單位面積質(zhì)量相同時，三葉形、四葉形截面纖維制成的材料比普通圓形截面纖維制成的材料具有更大的孔隙率和厚度，因而具有更高的熱阻.

Lee［35］通過實驗證實，在體積密度和絮片厚度相同時，超細纖維最高能比普通纖維、細纖維分別多提供25%和10%的熱阻.

徐智泉［36］對三維卷曲滌綸中空纖維針刺絮片保暖性能研究，由于三維卷曲中空纖維的空腔結(jié)構(gòu)能保持大量靜止空氣，使其具有良好的保暖性和蓬松性，并發(fā)現(xiàn)絮片的保暖性能受纖維的細度、纖維的中空度、纖維原料配比、絮片的疊加層數(shù)、單位面積質(zhì)量以及厚度等多方面因素的影響，在同種絮片情況下，絮片的厚度越大，保暖性能越好，在單位面積質(zhì)量和厚度都接近時候，纖維細度越細，保暖性能越好，但單一細度纖維制品保溫效果不如混紡纖維制品.另外，在同種絮片相同單位面積質(zhì)量情況下，絮片保暖性能隨著絮片層數(shù)疊加而提高，隨著單位面積質(zhì)量增加而增加.

綜上所述，材料的保暖性能受到多種因素影響，如纖維原料、成分含量、截面形狀、纖維細度、材料厚度、蓬松度以及織物結(jié)構(gòu)等均對保暖性能有較大影響，其中，纖維原料、纖維細度、材料厚度是影響材料保暖性能的最主要因素.如何在具備最佳保暖性能前提下，提高織物舒適性能、減小厚度、減輕重量，對輕薄型保暖材料的開發(fā)具有重要意義.

4 保暖材料發(fā)展方向

隨著高新技術的發(fā)展與進步，服用保暖材料的品種與日俱增，新型復合功能保暖材料的研發(fā)日益受到重視，體現(xiàn)為更保暖、更輕薄同時兼?zhèn)渫笟庑院蛯裥?，并由傳統(tǒng)單一保暖型轉(zhuǎn)向集舒適性、功能性和健康性為一體的方向發(fā)展.

未來，保暖材料發(fā)展方向：

（1）保暖方式積極化.選用積極式保暖纖維作為原料，并利用其材料的自身特性增強保暖材料保暖性能，纖維從傳統(tǒng)的棉、毛、羽絨等消極式保暖方式逐漸轉(zhuǎn)向為積極式保暖，如蓄熱保暖纖維、適溫型纖維、發(fā)熱纖維、遠紅外類保暖纖維材料等.

（2）保暖結(jié)構(gòu)復合化.保暖材料從傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)逐漸被復合結(jié)構(gòu)替代，合理選用適當?shù)牟牧线M行復合，可以獲得良好的保暖性能，優(yōu)化復合結(jié)構(gòu)又可以使厚重的材料變得輕薄，且能實現(xiàn)多種材料性能的互補增強.

（3）功能多元化.除了確保保暖性能外，還應具備某些特定的、優(yōu)異的物理或化學性能，如保健和防護功能、壓縮彈性、水洗性能、透氣和透濕性能、抗靜電和抗菌除臭性能等［37］，以達到多功能目的，滿足消費者的多元化需求.

（4）舒適、環(huán)?；?在強調(diào)保暖的同時，進一步協(xié)調(diào)好舒適性與功能性之間的關系，在體現(xiàn)更保暖、更輕薄的同時兼?zhèn)渫笟庑院蛯裥?另外，隨著人們環(huán)保意識增強，綠色環(huán)保的材料也成為保暖材料開發(fā)的大趨勢，在生產(chǎn)開發(fā)時，還需關注材料的可降解性、綠色安全性及環(huán)境保護性.

5 結(jié)語

雖然傳統(tǒng)的棉、毛、羽絨等保暖材料吸濕、透濕性好、保暖性能優(yōu)異，穿著舒適、但“以厚制暖”的消極保暖方式，使得服裝肥大、笨重，不僅影響美觀還給穿著者帶來不良感受，另外，其保暖性能受潮濕環(huán)境影響較大，環(huán)境越潮濕保暖性下降.化纖制保暖材料，耐用性強、保暖性好，回潮率低，受干濕環(huán)境影響較小，缺點是吸濕性、透濕性差，而且穿著過程中易產(chǎn)生靜電，舒適性差.

隨著保暖材料性能的改進，具有較高科技含量的保暖材料仍然成為目前保暖市場的競爭點，越來越多新型保暖材料逐漸被開發(fā)及應用.同時由于工藝難度和生產(chǎn)成本等原因一些積極保暖材料離規(guī)模生產(chǎn)還有段距離，未來保暖材料仍朝著輕薄、舒適、多功能性、健康方向發(fā)展，如何提高保暖功能持久性與穩(wěn)定性仍是未來研究的主要方向.