智能防寒服裝研究進展

王宏付，張海棠，柯瑩

(江南大學 設(shè)計學院，江蘇 無錫 214122)

對于需要長期暴露于低溫環(huán)境的工作人員而言，御寒保暖是他們的首要需求。防寒服作為抵抗冷應激最直接有效的個體防護裝備，有著較高的研究價值。傳統(tǒng)的防寒服一般通過增大“人體-服裝-環(huán)境”系統(tǒng)的傳導熱阻、對流換熱熱阻、輻射換熱熱阻來減少人體散熱，從而實現(xiàn)保暖防寒功能[1-2]。此類防寒服的性能主要與面料厚度、質(zhì)量和層數(shù)等有關(guān)[3-4]。但是由于服裝的總熱阻值存在上限，一味地增加面料厚度和服裝層數(shù)，并不能提高服裝的保暖性[5]。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能防寒服也隨之興起，與傳統(tǒng)防寒服相比，智能防寒服通過外接加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)對人體的主動加熱，具有動態(tài)可調(diào)節(jié)性，能有效降低服裝的厚度和質(zhì)量，提高人體的活動自由度。

智能防寒服的外接熱源方式主要包括電加熱、流體加熱、化學加熱、相變材料加熱、太陽能加熱。電加熱防寒服因其發(fā)熱速度快、散熱均勻性好、效率高等特性成為學者研究的熱點。智能防寒服涉及多項核心技術(shù)，近年來，現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、材料科學的發(fā)展為新型智能防寒服的開發(fā)提供了新思路和技術(shù)支持，有關(guān)智能防寒服集成化、服用性的研究成果層出不窮[6]。目前，國內(nèi)外有關(guān)智能防寒服的研究主要集中在產(chǎn)品開發(fā)和服裝性能評價上。文中根據(jù)智能防寒服的熱源進行分類介紹，分析國內(nèi)外最新研究成果，為智能防寒服裝的進一步研究提供理論依據(jù)。

1 智能防寒服的分類

1.1 電加熱防寒服

電加熱防寒服一般由電源、發(fā)熱系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)和用戶界面4部分組成[7]，其原理是利用電源驅(qū)動將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而起到防寒保暖作用[8]，是目前技術(shù)較為成熟的一類智能防寒服裝。電加熱防寒服的電源通常采用兩種方式：外接電源和移動電池組。外接電源供電更穩(wěn)定、持久，但由于需要電源插座，限制了用戶的活動范圍，因此這類產(chǎn)品并不常見。相比而言，移動電池供電的方式更方便人們活動，但電池體積和耐用性影響了電加熱防寒服的穿著舒適度和防護性能。此外，移動電池無法彎折和擠壓，也降低了防寒服的舒適性。閆俁西[9]發(fā)明了一種可彎曲、擠壓的片狀柔性電池，將這種柔性電池置于電加熱服的護腰內(nèi)，美觀、便攜且不影響人體活動。但目前移動電池壽命、容量與質(zhì)量之間的有效平衡還有待進一步研究。

發(fā)熱元件通常分布在前胸、前腹、后腰、后背和關(guān)節(jié)等人體熱敏感部位[10]。常見的發(fā)熱材料包括金屬發(fā)熱材料、電熱膜和碳基發(fā)熱材料。金屬發(fā)熱材料和電熱膜材料因手感差、不易彎曲，導致穿著舒適度低，很少應用在服裝領(lǐng)域[11-12]；而碳基發(fā)熱材料的電熱轉(zhuǎn)化率高，柔軟、質(zhì)輕、耐用、可洗滌，因此成為目前市場上電加熱防寒服的主要發(fā)熱元件。

近幾年，隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展，其在智能服裝領(lǐng)域的應用成為研究熱點，石墨烯纖維導電、導熱性能好，強度較高且較柔軟，可用于導電織物、儲能材料等。崔志英等[13]從熱穩(wěn)定性能、功率密度、升溫速度、發(fā)熱均勻度和熱舒適性能等方面，對碳纖維發(fā)熱織物和石墨烯發(fā)熱織物進行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯發(fā)熱織物具有良好的熱穩(wěn)定性，功率密度高、升溫速度快、發(fā)熱均勻性好，在環(huán)境溫度為5 ℃和-5 ℃時，石墨烯電加熱服裝的加熱效率更高，保暖效果更好。圖1[14]為以石墨烯纖維為發(fā)熱材料開發(fā)的智能恒溫加熱服裝，不僅具有遠紅外理療功能，還能夠通過手機App調(diào)節(jié)服裝的加熱溫度。智裳科技團隊還開發(fā)了一種石墨烯加熱布，具有導熱性高、輕薄、耐彎折等性能，是目前市面上最薄的發(fā)熱片之一，可耐50次水洗?？梢?，石墨烯纖維在智能加熱服裝中的應用已得到廣泛關(guān)注。

圖1 智能恒溫加熱服裝Fig.1 Intelligent thermostatic heating garment

電加熱防寒服的調(diào)溫系統(tǒng)大多是通過電壓或熱功率進行分檔，手動調(diào)溫，也可以通過傳感器和溫控裝置隨時監(jiān)測衣下溫度的變化情況，智能調(diào)整能量輸入，實現(xiàn)智能化調(diào)溫。電加熱防寒服的用戶界面一般設(shè)置在胸口、袖口或下擺處，用戶利用該界面可以自行開啟和關(guān)閉能量輸入按鈕、改變加熱參數(shù)、測量皮膚或衣下空間溫濕度、存儲數(shù)據(jù)等。

電加熱防寒服裝中的加熱電路和電熱元件通常被置于服裝夾層中，用絎縫或壓膠的方式固定；控制鍵及顯示屏則被縫制在服裝表面；電源一般放置在內(nèi)部口袋中。這種電子元件與服裝的連接方式很大程度上影響了服裝的穿著舒適度。王家欣[15]利用導電布料和導電縫紉線實現(xiàn)電連接，制作的柔性電極觸點形狀多樣且更易于與服裝連接。電子器件的纖維化是智能服裝未來的主要發(fā)展趨勢之一，纖維狀電子器件柔韌性好、質(zhì)量輕，可直接編織成紡織品，使服裝本身成為電子器件[16]。

雖然電加熱防寒服各項性能優(yōu)異，穿著舒適度較高，但仍存在諸多不足。常見的電加熱防寒服多使用發(fā)熱片，其形狀、大小和位置可以按照需求進行個性化設(shè)計，但容易導致發(fā)熱不均勻。為了減輕質(zhì)量，電加熱防寒服的電源設(shè)計一直往微型化方向發(fā)展，但目前的微型化電源電壓低，持續(xù)時間短，在特別寒冷的情況下加熱功率不足[17-18]。

1.2 流體加熱防寒服

流體加熱防寒服分為氣體加熱和液體加熱兩種。氣體/液體加熱防寒服一般由基礎(chǔ)服裝、循環(huán)管路和體外加熱系統(tǒng)、控制裝置等組成，其中基礎(chǔ)服裝一般包括兩層保暖材料，將循環(huán)管路縫制在里面。流體加熱防寒服的原理是利用加熱循環(huán)系統(tǒng)對氣體/液體進行加熱，并通過管路吹向人體微氣候區(qū)或流經(jīng)人體，從而達到御寒保暖的目的。流體加熱防寒服最早應用于航天領(lǐng)域，為避免宇航員受到冷應激的傷害，會在艙外航天服內(nèi)設(shè)置微型空調(diào)系統(tǒng)，利用液體工質(zhì)之間的可逆化學反應產(chǎn)生熱量，維持人體熱平衡狀態(tài)。后期人們將這種航天服微型化之后應用于其他寒冷地區(qū)或特殊環(huán)境中。

駱雯等[19]設(shè)計了一種智能氣體式空調(diào)服，通過在衣服內(nèi)排布通風管和控制裝置，以及在衣服外設(shè)置N型、P型半導體冷源和熱源產(chǎn)生裝置，利用帕爾貼效應，在N型、P型半導體兩端分別實現(xiàn)制冷及制熱效果，并利用通風管回路及控制裝置對衣服進行制冷或制熱。該新型空調(diào)服可為戶外運動者和戶外工作群體提供防寒保障。劉洪濤等[20]利用水循環(huán)機構(gòu)開發(fā)了一款空調(diào)服。水循環(huán)機構(gòu)包括水箱、水泵和閉環(huán)管路，水箱和水泵均接通于閉環(huán)管路上，閉環(huán)管路的一部分設(shè)于服裝夾層內(nèi)(見圖2)。與氣體加熱防寒服相比，液體加熱防寒服體積更大，質(zhì)量更重。SKUBE M E等[21]設(shè)計了一款頭部液體加熱服，應用于需要全身麻醉的兒童外科手術(shù)中，以維持手術(shù)患者的核心體溫。結(jié)果顯示，0～3歲的患者在長時間手術(shù)中均可保持理想的核心溫度。流體加熱防寒服加熱效果好、時間持久、易于調(diào)節(jié)溫度，但裝置體積大且較復雜，管道的長度限制也阻礙了人體活動，因此流體加熱防寒服的應用范圍非常局限。

圖2 一款液體加熱防寒服Fig.2 A liquid-warming cold protective clothing

1.3 化學加熱防寒服

化學加熱防寒服是一類利用化學反應產(chǎn)生熱量，為人體加熱的服裝，其發(fā)熱材料一般由鐵粉、硅藻土、活性炭、木粉、鹽類、高吸水性樹脂等組成，利用鐵粉生銹、氧化放熱的原理達到加熱目的[22]。CHAN C Y L等[23]發(fā)現(xiàn)化學加熱片能夠為淺水區(qū)作業(yè)的潛水員提供足夠熱量，因此其被廣泛應用于潛水服的設(shè)計中。化學加熱片最高溫度可達68 ℃，平均溫度為52 ℃，可連續(xù)12 h保持40 ℃以上，因此化學加熱片不宜和人體皮膚直接接觸。在設(shè)計化學加熱防寒服時，一般會在服裝內(nèi)部設(shè)計放置化學加熱片的口袋，口袋設(shè)有開口，方便及時更換化學加熱片。

SONG W等[24]研究了寒冷教室環(huán)境下，化學加熱服對學生熱舒適性的改善情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)穿著化學加熱服顯著提高了人體整體的熱舒適性及四肢等局部熱舒適性。賴丹丹等[1]采用暖體假人實驗對比了冷環(huán)境下化學加熱和電加熱服裝的舒適性能。結(jié)果顯示，在(0.4±0.1) m/s的風速下，化學加熱服裝的總熱阻及化學加熱片的有效加熱功率均顯著低于電加熱服裝，而在(1.0±0.1) m/s的風速下，兩者沒有顯著差異。此外，化學加熱片的加熱效率低于電加熱片，而化學加熱服裝的表面溫度高于電加熱服裝。由此可知，化學加熱防寒服雖然成本低，操作容易，但其缺點也十分明顯，例如溫度不可控、適用范圍小、不可重復使用、易發(fā)生化學泄漏等[25]。

1.4 相變材料加熱防寒服

相變材料加熱服利用相變材料在環(huán)境溫度低于相變點時凝固放熱，高于相變點時融化吸熱的特性，實現(xiàn)熱能儲存和溫度調(diào)控[26-27]。相變材料加熱防寒服一般被設(shè)計成類似防彈衣的形式，在服裝內(nèi)部設(shè)置有用來裝相變材料的口袋。微膠囊技術(shù)解決了傳統(tǒng)相變材料液相易泄漏、腐蝕封裝容器的問題，使智能調(diào)溫纖維及其紡織品得到廣泛應用。LIU W等[28]建立數(shù)學模型研究微膠囊相變材料所制成服裝的熱性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：低溫環(huán)境下，微膠囊相變材料可以延遲服裝和人體皮膚溫度下降的時間；高溫環(huán)境下，可以延遲服裝升溫的時間，降低人體溫度和出汗量。

相變材料加熱防寒服可以根據(jù)環(huán)境溫度，智能調(diào)節(jié)服裝溫度，且具有雙向溫度調(diào)節(jié)性和環(huán)境適應性，可以在溫度振蕩環(huán)境中反復循環(huán)使用。但由于材料相變溫度的限制，相變材料加熱防寒服的使用范圍有限，在極端情況下無法達到加熱保暖效果。CHOI K等[29]發(fā)現(xiàn)當人體在溫度為5℃，濕度為65%的環(huán)境下靜坐時，與穿著普通防寒服相比，穿著相變材料加熱防寒服時人體熱舒適性更高，但人體體溫和平均皮膚溫度沒有明顯提高。因此尋找能夠適應相變溫度大范圍變化的服用材料，是未來的發(fā)展方向。

1.5 太陽能加熱防寒服

太陽能加熱防寒服是將太陽能作為熱源的一類加熱服裝，可以利用柔性太陽能電池或太陽能蓄熱保溫纖維達到加熱效果。利用柔性太陽能電池實現(xiàn)加熱的原理是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并進行儲存，電能再以熱量的形式釋放。目前，應用較多的柔性太陽能電池有柔性太陽能電池板、柔性塑膠太陽能電池、基于Power Plastic TM的柔性太陽能電池、染料敏化太陽能電池、膠體量子點太陽能電池等[30]。太陽能蓄熱保溫纖維是指添加第Ⅳ族過渡金屬碳化物的纖維，其工作原理為：當陽光照射時，第Ⅳ族過渡金屬元素碳化物吸收大于0.6 eV的高能輻射線并轉(zhuǎn)換成熱能；而小于0.6 eV的輻射線則被反射[31]。

趙欲曉等[32]設(shè)計的柔性薄膜太陽能可調(diào)溫發(fā)熱服，利用太陽能電池加熱電熱片實現(xiàn)調(diào)溫發(fā)熱效果。電子元件與服裝的連接方式采用紐扣和粘貼扣的設(shè)計，方便電子元件拆裝，避免各個電子元件在拆裝時過度拉扯而破壞電路，影響使用壽命。服裝內(nèi)部整體接線情況如圖3所示。用面料將薄膜太陽能電池組封裝成片，通過拉鏈的形式裝在發(fā)熱服背部，具體如圖4所示。德國華裔設(shè)計師錢依然設(shè)計的太陽能帽子和手套，利用像紙一樣薄的太陽能吸熱板，將太陽能高效率地轉(zhuǎn)化為熱能，再通過內(nèi)部傳熱導線，將熱量均勻地傳遞到各個部分[33]。

太陽光蓄熱保暖材料可以吸收太陽輻射的可見光與近紅外線，同時又能反射人體熱輻射，具有良好的保溫功能，其典型代表如碳化鋯。太陽能加熱防寒服節(jié)能環(huán)保，但成本較高，光電轉(zhuǎn)換率低，且受太陽光強度制約，目前仍處于初步應用階段。

表1為5種智能防寒服的特性對比，總結(jié)了各自的原理及優(yōu)缺點。在實際應用中，可以根據(jù)不同的使用場合和具體需求，結(jié)合不同智能防寒服的優(yōu)缺點進行合理選擇。

圖3 太陽能加熱服內(nèi)部接線情況Fig.3 Internal wiring of solar heating suit

圖4 薄膜太陽能可調(diào)溫發(fā)熱服Fig.4 Thin-film solar heating suit with adjustable temperature

表1 5種智能防寒服的特性對比

2 智能防寒服性能評價

智能防寒服裝的性能評價包括織物層面的性能評價和服裝層面的舒適性評價。目前，智能防寒服裝的性能測試評價還沒有統(tǒng)一的方法和標準。

2.1 織物性能評價

對于電加熱防寒服和太陽能加熱防寒服，一般對其織物的電熱性能進行評價，評價指標包括織物的電阻、溫度、導熱系數(shù)和發(fā)熱功率等[34-35]。張妍[22]為比較石墨烯發(fā)熱織物和碳纖維發(fā)熱織物的性能，測量織物的電阻和表面溫度，計算織物的電阻變化率，發(fā)現(xiàn)電阻變化率越小，加熱元件的熱穩(wěn)定性越好；通過測量經(jīng)過織物的電壓、電流以及織物表面積，計算發(fā)熱功率密度，得出密度越大，發(fā)熱性能越優(yōu)異；利用紅外熱像儀測量織物表面溫度，計算織物的升溫速度和發(fā)熱均勻度。對于微膠囊相變材料加熱防寒服，一般對其織物的熱濕舒適性、物理機械性能等進行評價，評價指標包括織物的透氣性、透濕性、吸水性、保溫性、頂破強力、厚度等。魏冰艷[36]采用交聯(lián)法將相變材料添加在棉織物和滌/棉織物上，通過分析織物的熱活性、物理機械性能和熱濕舒適性，驗證棉織物和滌/棉織物的各項性能是否滿足織物的服用要求。

2.2 服裝舒適性評價

智能防寒服裝的舒適性評價主要有兩種測試方法：暖體假人實驗和人體穿著實驗。暖體假人實驗是利用暖體假人模擬人體與環(huán)境之間的熱交換過程，通過記錄假人的皮膚溫度、服裝熱阻和加熱功率來評價智能防寒服裝的加熱性能和舒適性能。暖體假人實驗可以表征極端環(huán)境，實驗重復性好，效率高，穩(wěn)定且安全，但比人體穿著實驗精確度低。賴丹丹等[1]通過暖體假人測試，研究化學加熱和電加熱服裝的總熱阻、有效加熱功率和加熱效率，并結(jié)合紅外熱像儀研究服裝表面的溫度分布。PARK H等[37]同樣采用暖體假人，探究兩種環(huán)境溫度下多層電加熱服的加熱裝置與人體距離對隔熱和加熱效率的影響。

人體穿著實驗相較于暖體假人實驗，可以更直觀地評價智能防寒服的綜合性能，但因受個體差異影響較大，實驗結(jié)果誤差大，且成本較高，還無法表征極端環(huán)境。人體穿著實驗一般通過監(jiān)測受試者皮膚表面溫濕度、體核溫度、衣下空間溫濕度、身體含熱量變化、心率等生理指標以及主觀舒適感來評價服裝的整體舒適性。UDAYRAJ等[38]通過人體穿著實驗探究電加熱服和外界加熱設(shè)備對人體熱舒適性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種環(huán)境溫度下，電加熱服的加熱效果均更顯著，人體舒適度更高。SHIN S等[39]通過人體穿著實驗評估石墨烯加熱服間歇加熱和持續(xù)加熱對人體的防護效果，探究如何在節(jié)省電力和提高寒冷環(huán)境下的熱舒適性之間尋找平衡點。李佳怡等[40]研制了多層可調(diào)溫戶外防寒服，通過暖體假人和人體穿著實驗評價防寒服裝在兩種狀態(tài)(加熱和不加熱)、兩種風速(0.4 m/s和1.5 m/s)下的保暖性能。

3 智能防寒服發(fā)展趨勢

智能防寒服是一個多層織物系統(tǒng)，服裝、環(huán)境、人體影響著智能防寒服裝的熱濕傳遞性能。智能防寒服的設(shè)計應在提升性能的同時，注重其安全性、耐久性和舒適性，其未來發(fā)展方向包括以下3個方面。

3.1 符合個性化需求

目前，智能防寒服的溫度設(shè)定和加熱部位調(diào)節(jié)仍未實現(xiàn)完全智能控制。根據(jù)用戶自身熱感特征，實現(xiàn)加熱部位和加熱溫度的個性化調(diào)節(jié)，在不同環(huán)境溫度下保證人體各部位均處于舒適的服裝溫度范圍內(nèi)，這是智能防寒服未來的發(fā)展方向之一。實現(xiàn)個性化調(diào)節(jié)及人衣交互需要結(jié)合傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)[41]。

3.2 電子元件與服裝一體化集成

目前的智能防寒服加熱元件與服裝的結(jié)合方式還是外置式，一般采用普通絕緣導線連接電路，運用壓膠、拉鏈、紐扣等方法固定電路和元件，未能實現(xiàn)一體化集成。未來需要不斷改善服裝集成技術(shù)，使智能防寒服實現(xiàn)真正的智能化。

3.3 更高的安全舒適性

智能防寒服裝的服用安全性越來越得到人們的重視，未來的智能防寒服還需要進一步從醫(yī)學角度探究其對人體血液微循環(huán)、體表神經(jīng)系統(tǒng)、排汗系統(tǒng)等微觀生理系統(tǒng)的影響[6]。通過元件的微型化、柔性化以及服裝結(jié)構(gòu)的合理化等方式，提高智能防寒服裝的舒適性，是未來的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，服裝傳統(tǒng)的保暖御寒功能已經(jīng)無法滿足人們的需求，尤其是低溫作業(yè)人員，對服裝的冷防護性能和舒適性能有著更高的要求。因此，智能加熱技術(shù)應運而生。近年來，國內(nèi)外學者已從加熱材料、加熱部位、加熱溫度、服裝組合方式等方面對智能防寒服展開大量研究，并取得重要進展。然而，智能防寒服在個性化設(shè)計方面仍未完全實現(xiàn)智能控制，電子元件與服裝的集成技術(shù)不夠成熟，智能防寒服的安全舒適性有待進一步提高。