熱管理服裝發(fā)展現(xiàn)狀

邱 圣

（香港理工大學(xué)，中國香港，999077）

人體具有一個(gè)精確可靠的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，可以通過出汗、顫抖、輻射和血液循環(huán)等對體溫進(jìn)行調(diào)控，但天氣條件的突然變化仍然會(huì)擾亂人體的熱舒適性，進(jìn)而損害人體的健康［1］。因此，為了使人體皮膚微氣候達(dá)到（33.4±3）℃的舒適溫度，熱管理織物服裝的開發(fā)在人體熱舒適研究領(lǐng)域具有十分重要的意義［2］。有效的熱管理服裝對于節(jié)能性和穿著舒適性顯得越來越重要［3］，此類服裝正在成為一種有效節(jié)能的方式。

特別是21世紀(jì)以來，熱管理服裝得到了快速的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)個(gè)人熱管理，控制傳熱是關(guān)鍵因素［4］。本研究基于傳導(dǎo)、對流和輻射3種基本傳熱機(jī)制［5］，將服裝的熱管理策略進(jìn)行簡單分類。第一種是通過控制衣服的導(dǎo)熱來控制熱量的損失或增加來保持皮膚附近微環(huán)境的溫度穩(wěn)定；第二種是基于皮膚和衣服之間空氣的熱對流；第三種是通過反射來自外環(huán)境或人體的熱輻射來隔離界熱源。依據(jù)這3種分類，簡要綜述先進(jìn)紡織品在個(gè)人熱管理方面最新進(jìn)展，并對熱管理服裝的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 熱管理服裝機(jī)制

人體在穿戴和接觸衣物時(shí)，熱量通過熱傳導(dǎo)在人體與環(huán)境之間的纖維和空氣中流動(dòng)。隨著身體的運(yùn)動(dòng)或周圍的氣流，人體與微環(huán)境間的對流通風(fēng)發(fā)生換熱，更快的氣流流速可以帶走更多的熱量。在沒有接觸的情況下，身體從外部熱物體（如太陽、電子加熱器或火）獲得熱量，并通過熱輻射將熱量傳遞給冷物體。一般來說，上述3種傳熱機(jī)制同時(shí)發(fā)生，當(dāng)皮膚溫度低于或與環(huán)境溫度相當(dāng)時(shí)，人體通過傳導(dǎo)、對流、輻射等方式獲得外界熱量，通過汗液蒸發(fā)排出多余熱量，達(dá)到熱平衡；如果皮膚的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境的溫度，身體通過傳導(dǎo)、對流和輻射的熱量損失就會(huì)受到衣服絕緣的阻礙。從平靜狀態(tài)到高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)和工作活動(dòng)，個(gè)人對傳熱的調(diào)節(jié)變得更具挑戰(zhàn)性，代謝熱產(chǎn)生的程度差別很大［6］。

2 制熱服裝進(jìn)展

當(dāng)前制熱服裝主要包括電加熱服裝和化學(xué)加熱服裝。電加熱服裝將電加熱元素嵌入到服裝中，為人體皮膚產(chǎn)生熱量，讓人們在寒冷的環(huán)境中感到熱舒適。電加熱元件使用的材料從最常用的電線到導(dǎo)電橡膠、聚合物和織物等［7］。雖然這些材料并不新鮮，但要制造一個(gè)功能完善的電加熱服裝的電源通常是復(fù)雜的，這對制造過程和產(chǎn)品安全性提出了很高要求。石墨烯憑借良好的導(dǎo)熱性，近年來成為制熱服裝的熱門材料，研究證明石墨烯的電熱轉(zhuǎn)換效能可達(dá)99%，且柔性輕便，與傳統(tǒng)材料相比更具優(yōu)勢。

相比之下，化學(xué)加熱服裝雖然不需要復(fù)雜的電路，但也有自己的局限性。化學(xué)加熱服產(chǎn)熱的化學(xué)反應(yīng)需要是絕對安全的，最高溫度應(yīng)該小于42℃，以避免發(fā)生燃燒事故。因此，在此類服裝內(nèi)應(yīng)加裝溫度監(jiān)測儀，對人體的體溫變化進(jìn)行精確監(jiān)測。此外，預(yù)防加熱墊內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的泄漏也是一個(gè)重要問題。在織物上的化學(xué)加熱墊中的化學(xué)劑量需要嚴(yán)格把控。

通過保溫及儲熱策略也是實(shí)現(xiàn)熱管理的一個(gè)有效方式。在冬季，人們通常采用較粗的紗和緊密編織的織物結(jié)構(gòu)，以盡量減少熱對流。然而，這種傳統(tǒng)熱對流管理策略的能力非常有限。最近，CUI Y等從北極熊的毛發(fā)中獲得靈感，通過“冷凍紡絲”的方法實(shí)現(xiàn)了仿生纖維的大規(guī)模制造，這種仿生纖維模仿了北極熊毛發(fā)的結(jié)構(gòu)，具有排列的多孔微結(jié)構(gòu)，其孔隙率高達(dá)87%，利用空隙中靜止空氣的熱對流效應(yīng)有效實(shí)現(xiàn)隔熱功能［8］。

值得注意的是，一些可以在一定時(shí)間內(nèi)吸收熱量的相變材料同樣是一種新的低導(dǎo)熱性材料，盡管它們的工作時(shí)間相對有限，但在熱儲能方面同樣擁有不錯(cuò)的市場前景。相變材料相當(dāng)于低導(dǎo)熱材料，在相變過程中通過吸收和釋放熱量來保持溫度恒定。而且，相變材料可以包裝進(jìn)可穿戴的袋子里，放進(jìn)衣服的口袋里能夠在寒冷的環(huán)境中保持人體溫暖，或者阻擋熱環(huán)境中的熱量。衣物冷凍2 h后，降溫效果持續(xù)時(shí)間可超過4 h［9］。然而，這種情況下服裝的重量往往大大增加，限制了在各種工作場所（如火災(zāi)現(xiàn)場）的應(yīng)用，并且必須避免在高工作負(fù)載下泄漏相變材料。SUNDARAM O L S團(tuán)隊(duì)以聚乙二醇為芯材，脲醛為殼材，采用原位聚合法制備了新型納米包覆相變材料。將制備的納米膠囊采用“鋪網(wǎng)-烘干-固化”的方法涂覆在棉織物上，并通過調(diào)節(jié)納米膠囊與黏結(jié)劑可以對織物的儲能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控［10］。

氣凝膠是近年來熱管理紡織品方面的另外一種新興材料。氣凝膠通常由微孔固體組成，以氣體為分散相的凝膠。氣凝膠具有重量輕、半透明，導(dǎo)熱系數(shù)低［0.015 W/（m·K）］，納米級孔隙率極高（90%），高比表面積（600 m2/g），低氣體傳導(dǎo)和低密度（0.08 g/cm3～0.2 g/cm3）等特點(diǎn)。其中，研究人員利用氫氧化鋁氣凝膠通過溶膠-凝膠工藝成功地組裝在聚磺酰胺（PSA）納米纖維網(wǎng)絡(luò)上，以提高其隔熱性和阻燃性［11］。與原PSA織物［導(dǎo)熱系數(shù)0.051 3 W/（m·K）］相比，該復(fù)合織物的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.030 1 W/（m·K）。

氣凝膠纖維具有超高孔隙率和超低密度。安徽工程大學(xué)通過同軸濕紡和冷凍干燥制備了具有高強(qiáng)度、優(yōu)異輻射加熱性能和隔熱性能的連續(xù)多孔絲素/氧化石墨烯（SF/GO）氣凝膠纖維［12］。共軸紡絲法制備的醋酸纖維素/聚丙烯酸中空纖維具有多尺度多孔結(jié)構(gòu)，不僅有利于SF/GO氣凝膠芯的形成，而且有助于提高氣凝膠纖維的機(jī)械強(qiáng)度。此外，制備的氣凝膠纖維具有與醋酸纖維素/聚丙烯酸中空纖維相當(dāng)?shù)目紫堵屎土W(xué)性能。更重要的是，氧化石墨烯可以顯著改善紅外輻射加熱性能，在紅外輻射照射30 s后表面溫度提高2.6℃，大大高于中空纖維和SF氣凝膠纖維。此外，分層多孔中空纖維與SF/GO氣凝膠的集成，降低了熱傳導(dǎo)，抑制了熱對流和熱輻射散熱方式，使SF/GO氣凝膠纖維具有優(yōu)異的隔熱性能。該研究也為進(jìn)一步研究人體與紡織品間微環(huán)境的傳熱機(jī)理，為研制高性能的個(gè)人熱管理用氣凝膠纖維奠定了基礎(chǔ)。

在利用太陽輻射能進(jìn)行加熱策略方面，研究人員設(shè)計(jì)了高-中紅外反射率的紡織品。其中，LARCIPRETE M團(tuán)隊(duì)報(bào)道了用純金屬纖維制成的紡織品［13］。雖然純金屬織物可以實(shí)現(xiàn)良好的熱反射，但這種類型的紡織品通常沉重堅(jiān)硬，且易碎，在服用性方面存在極大不足。HSU P等人展示了用于個(gè)人熱管理的銀納米線嵌布（AgNW布）［14］。在此織物中，金屬納米線形成了一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅可以反射人體的紅外輻射，還可以使用外接加熱電源來補(bǔ)充熱源。

3 制冷服裝進(jìn)展

為了應(yīng)對外界炎熱的環(huán)境，近年來制冷服裝也成為了一大研究熱點(diǎn)。當(dāng)前的制冷服裝主要包括風(fēng)式制冷衣和液體式制冷衣。風(fēng)式制冷衣是依靠電風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)將空氣吹向人體，通過增強(qiáng)汗蒸發(fā)和誘導(dǎo)強(qiáng)迫空氣對流來提取熱量。風(fēng)式制冷衣是一種便攜式、輕量級、強(qiáng)力空氣級別的通風(fēng)系統(tǒng)，可以通過對流和蒸發(fā)耗散來冷卻人體。由于水氣的巨大攜熱能力，蒸發(fā)是個(gè)人冷卻的一種有效方法。皮膚的溫度和濕度都決定了出汗的過程。大多數(shù)風(fēng)式制冷衣包括兩層，即外部不滲透層和內(nèi)部滲透層。內(nèi)部滲透層通過確保空氣和皮膚之間的接觸以直接冷卻，而外部不滲透層可以防止空氣通過外層逃逸。

與風(fēng)式制冷衣類似，液體式制冷衣會(huì)將熱對流介質(zhì)從空氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗鸵叶嫉纫后w，并且通常配有循環(huán)管［15］。在液體式中，冷卻液在小管內(nèi)循環(huán)，當(dāng)其溫度低于皮膚溫度時(shí)，它會(huì)吸收來自人體的熱量。通常配備散熱器或冷卻器來冷卻和回收加熱過的循環(huán)液體［16］。因此，液體式制冷衣需要額外的散熱器，比風(fēng)式制冷衣更復(fù)雜。液體式制冷衣概念在1959年首次被提出，其第一個(gè)原型在1962年被制造出來。科學(xué)家在阿波羅飛船中應(yīng)用了最著名的制冷衣，這款服裝可以有效降低航空航天環(huán)境中的熱壓力。盡管液體式制冷衣的目的是保持人體在高溫下的熱舒適。然而，它也可能導(dǎo)致皮膚過冷，產(chǎn)生不適感。但是此類液體式制冷衣通常只適合高溫下的外部穿戴者，如消防員、交警和建筑工人，并不適合室內(nèi)穿戴者。

相變材料與冷卻用液體類似，但是制冷功效更強(qiáng)［17］。個(gè)人冷卻服裝（PCGs）已經(jīng)被開發(fā)出來，以減少熱應(yīng)力和提高人類在熱環(huán)境中的熱舒適性。在本研究中，開發(fā)了一種新型的個(gè)人冷卻服裝，一種PCM-液式冷卻背心（PLV），以提高相變材料（PCM）服裝的應(yīng)用性。PLV分別采用PCM與PCM內(nèi)埋水管相結(jié)合的方案。背心中的PCM用于冷卻軀干，研究表明，高密度、高電熱率、高冷水流量、多根平行水管排列的PCM類制冷體系效果最佳。調(diào)整密封性和佩戴絕緣背心分別是提高PLV舒適性和延長使用時(shí)間的有效方法。這款PLV可以在室內(nèi)工作人員提供至少2 h的有效冷卻。冷卻儲存可以在冷卻儲存模式的40 min內(nèi)完成，在冷卻儲存和磨損組合模式下60 min內(nèi)完成。

最近，智能熱對流管理策略在制冷調(diào)溫織物方面也逐漸受到重視。Nafion是一種能吸水的刺激響應(yīng)材料，在高濕度下可以彎曲，水釋放后又能恢復(fù)原狀［18］。Nafion織物表面存在幾個(gè)預(yù)切褶葉。當(dāng)人們在炎熱的環(huán)境中出汗導(dǎo)致濕度增加時(shí)，預(yù)先切割的薄膜就會(huì)打開，在Nafion薄膜中產(chǎn)生氣孔，具有更多的空氣對流通道。因此，該纖維通過降低濕度水平和表面溫度讓穿著者感到更涼爽。另一方面，這些褶葉可以在出汗后自動(dòng)閉合，讓穿著者保暖。Nafion襟翼可以根據(jù)濕度打開和關(guān)閉。一旦排出利用的熱量和汗水后，濕度的平衡將會(huì)恢復(fù)，可以往復(fù)進(jìn)行工作。

此外，MU J等還嘗試?yán)抿?qū)動(dòng)器在商業(yè)全氟磺酸離聚物（PFSA）膜內(nèi)增加納米級分子通道［19］。這種薄膜材料制作工藝簡便，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，具有穩(wěn)定的自適應(yīng)和驅(qū)動(dòng)能力。該產(chǎn)品可通過宏觀幾何設(shè)計(jì)功能應(yīng)用于個(gè)人濕度和熱量管理，或提供具有多色切換能力的雙層刺激響應(yīng)致動(dòng)器。然而，這種智能設(shè)計(jì)的局限性是它只對小氣候中的濕度變化作出反應(yīng)。因此，只有當(dāng)人類出汗時(shí)，襟翼才能打開，從而無法在一開始為用戶提供舒適的小氣候。此外，這種紡織品雖然能很好地管理熱對流，但其成本高、反應(yīng)速度慢、穿著時(shí)感覺僵硬等問題也阻礙了其發(fā)展。

輻射制冷策略是另外一種近年來新興的制冷策略。該策略是將自身熱量以特定波段的輻射波散發(fā)到絕對低溫的太空環(huán)境中的一種散熱方式。相關(guān)研究人員用聚乙烯（PE）薄膜和錦綸-6納米纖維制作了雙層結(jié)構(gòu)織物，以提高可見光反射率和紅外輻射，用于個(gè)人冷卻［20］。除此之外，甲氧基-聚（乙二醇）氨基乙基/聚多巴胺顆粒（mPPDAPs）/納米聚乙烯/聚酯復(fù) 合織物［21］，Ag NW/聚多巴胺納米復(fù)合布［22］，ZnO雜化嵌套聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物/棉織物等其他織物材料也被提出用于制冷服裝方面的應(yīng)用［23］。值得注意的是，對于多層織物，當(dāng)高發(fā)射層在最外面表面時(shí)用于個(gè)人冷卻，反之用于個(gè)人加熱。這是雙模紡織品的基本思想，皮膚溫度可以降低到33.8℃或提高到40.3℃。

PENG Y C等通過纖維擠壓工藝制備了納米PE纖維，然后通過工業(yè)針織工藝高效地獲得了納米PE紡織品，納米PE織物不僅能保持較高的紅外透光率和可見光反射率，還可以有效提高織物的耐磨性［24］。通過對納米PE薄膜、針織納米PE紡織品和棉花的紅外光譜測定，表明納米PE薄膜和織物具有良好的熱輻射透光性，有利于個(gè)人散熱。覆蓋納米PE紡織品后，設(shè)定溫度下降2.3℃，相當(dāng)于室內(nèi)制冷節(jié)能20%。

鑒于大多數(shù)報(bào)道的冷卻紡織品只涉及熱輻射，GAO T等采用了另一設(shè)計(jì)于個(gè)人降溫用的導(dǎo)熱紡織品策略［25］。通過3D打印技術(shù)，合成了一種具有高度定向氮化硼/聚乙烯醇（BN/PVA）復(fù)合纖維的熱調(diào)節(jié)紡織品。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)纖維截面對熱輻射也有影響。三角聚酰胺（PA）纖維織成的織物輻射發(fā)射率達(dá)到了91.85%，優(yōu)于圓形纖維的81.72%［26］。這是因?yàn)槿切卫w維在單一紗線內(nèi)部具有不同的取向，有利于不同方向入射紅外輻射的發(fā)射，效率更高。

采用磁控濺射法在聚酯織物上沉積了摻鋁氧化鋅（AZO）薄膜，利用X射線衍射、X射線光電子能譜、場發(fā)射掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜對涂層織物樣品進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對織物樣品上的AZO薄膜厚度、拒水性能、紫外線防護(hù)系數(shù)（U P F值）和紅外發(fā)射率進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，偶氮類涂層織物具有較高的拒水性能，接觸角為146°，紫外透過率顯著降低，U P F值為362。當(dāng)涂層厚度為450 nm時(shí)，偶氮涂層聚酯織物的紅外發(fā)射率降低到91.6%，而未處理織物的紅外發(fā)射率為97.9%［27］。磁控濺射工藝也被廣泛應(yīng)用于制備防止紅外滲透的紡織品［28］。但是當(dāng)前基于薄涂層內(nèi)熱反射材料的熱管理服的熱反射率（約30%）較低，需要亟待提升。

4 雙功能冷熱溫控織物

隨著科技的進(jìn)步，為了進(jìn)一步拓寬服裝所能調(diào)控的溫度范圍，人們對同時(shí)滿足制熱制冷的雙功能織物的要求也日益增強(qiáng)。崔毅教授團(tuán)隊(duì)通過雙向調(diào)控人體紅外輻射同時(shí)實(shí)現(xiàn)了紡織品加熱和冷卻兩項(xiàng)功能。憑借獨(dú)特的紅外透明納米孔聚乙烯涂層中的雙層發(fā)射器，這種雙模紡織品可以在沒有任何能量輸入的情況下完成被動(dòng)輻射加熱和冷卻。研究結(jié)果表明，可以憑借不同的輻射系數(shù)和納米聚乙烯厚度的不對稱特性，通過由內(nèi)到外的方式實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻功能。

GUO Y等研發(fā)了一種柔性可折疊、可穿戴的用于加熱的超薄石墨烯紙。石墨烯紙憑借良好的導(dǎo)電性，使用3.2 V左右的低電壓便可迅速達(dá)到42℃，并穩(wěn)定［29］。此外，石墨烯紙基于其超高的導(dǎo)熱性，通過人體到環(huán)境的熱傳輸在7 s內(nèi)提供被動(dòng)冷卻。石墨烯紙的冷卻效果優(yōu)于普通棉纖維，且隨著厚度差的增大，這一優(yōu)勢將更加突出。目前的雙功能石墨烯紙?jiān)?00次以上的彎曲循環(huán)和1 500 min以上的洗滌時(shí)間中具有很高的耐久性，表明其在可耐磨熱管理服裝方面具有巨大的潛力。

5 展望

近年來熱管理服裝得到了迅速的發(fā)展，但制定更為合理的熱管理策略來改善人體熱舒適控制是非常有益的、必要的?；谝陨暇C述，在材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)用一些創(chuàng)造性的工藝及方法可以顯著提高服裝的熱管理性能，但在未來熱管理服裝的研發(fā)方面仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)前市場上的熱管理服裝多以導(dǎo)熱機(jī)理為基礎(chǔ)，此類服裝的熱管理性能與穿著舒適性兼顧性較差，如透氣性、柔韌性、耐洗性、吸濕性等方面性能有待提升。另外，采用先進(jìn)材料制作熱管理服工藝復(fù)雜，成本較高；在不同環(huán)境和條件下，智能熱管理服裝的自我調(diào)節(jié)能力和對溫度變化的快速響應(yīng)能力有待進(jìn)一步完善。3種熱管理機(jī)制優(yōu)化結(jié)合的服裝面料有待研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)服裝的雙面雙功能性是未來熱管理服裝發(fā)展的必經(jīng)之路。