三維間隔織物隔熱性能的研究進展

芮 珂，何佳臻,2

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州 215021； 2.浙江省服裝工程技術研究中心，杭州 310018)

隨著工業化進程的不斷推進，能源緊缺問題日益凸顯，使用隔熱材料是減少能量損耗的重要方法。隔熱材料一般指對熱流有阻滯作用的材料或材料復合體，它通過阻礙物體和環境間的熱量傳遞以達到減少能耗、隔熱、保溫或保冷等目的，所以隔熱材料又被稱為保溫或保冷材料[1-3]。建筑行業利用隔熱材料減少建筑物內部在夏季降溫和冬季保暖過程中的能源耗費[4]，石油工業在儲油罐外部使用隔熱材料以降低由溫差和作業導致的油品蒸發來節約能源[5-6]。纖維類隔熱材料是較為常見的隔熱材料，由于其制品具有較好的成形性，并且能夠與其他材料復合使用，從而被廣泛應用在建筑、冶金工業、機械制造、航空航天等領域。為了進一步擴大纖維類隔熱材料的應用范圍，對纖維制品隔熱性能的研究就顯得尤為重要。

三維間隔織物又稱三明治織物，它是由若干間隔紗連接上下兩個表面織物層組成的三維立體結構織物[7]。間隔紗將兩個表面織物層撐起從而形成一定厚度的間隔層，這種特殊的立體結構讓間隔層內儲存了大量靜止空氣，而靜止空氣為自然界中導熱系數最小的介質[8]，使其比普通單層織物具有更好的隔熱性能，作為高性能隔熱材料有很大發展空間[9-10]。現有研究多關注間隔織物及其復合材料的機械性能，忽視了間隔織物在隔熱方面占據的優勢。為了拓寬間隔織物隔熱性能的應用范圍，本文對三維間隔織物進行概述，分析了影響間隔織物隔熱性能的因素，總結了間隔織物復合隔熱材料的種類，為間隔織物隔熱性能的后續研究提供參考。

1 三維間隔織物隔熱性能的應用

在擁有較好隔熱性能的同時，間隔織物還具有質量輕、吸濕透氣性優異、抗壓縮、強度高等特點，常被用于制作文胸、鞋墊、床墊、汽車座椅等[11-13]。由于前期研究重點關注的是三維間隔織物的機械性能，關于其隔熱性能的應用研究很多尚處于實驗室階段。國外已有高校建立了三維間隔織物的專項研究，例如法蘭克福大學和亞琛大學致力于開發抗壓、隔熱的輕質間隔織物復合材料以用于建筑、航空航天等領域[14-15]。隨著國內外學者對間隔織物的不斷探索，織物的應用范圍也在不斷擴大，使其在醫療用品、個體防護裝備、智能紡織品和能源資源節約等領域具有廣闊的應用前景。

在醫療用品方面，使用間隔織物制作的傷口敷料、醫用襯墊等具有隔熱、吸濕透氣、柔軟、保型性好等諸多優點[16]。Yang等[17]使用吸濕性能不同的紗線研制出四種高吸濕緯編間隔織物傷口敷料，通過測量發現間隔織物敷料的保溫率比市面上部分普通泡沫敷料的保溫率高了約10%，能夠減少傷口的熱量損失，有利于傷口恢復。

間隔織物在個體防護裝備領域也極具應用潛力，Heide等[18]為了探究間隔織物在熱防護服上的應用可行性，將聚酯纖維、尼龍纖維和芳綸纖維(Nomex?)的混紡紗以及100%芳綸加捻紗作為間隔紗原料織造了阻燃經編間隔織物，阻燃間隔織物的可燃性和熱平板測試結果均滿足現行防護服的防火標準。李紅燕等[19]對阻燃經編間隔織物進行了熱防護性能(TPP)測試，結果表明阻燃經編間隔織物的TPP值分別比間位芳綸(Nomex?)針刺氈和聚酰胺酰亞胺纖維(Kermel?)針刺氈提升了約66.7%和84.2%，織物還兼具質量輕、透濕性好的優點，將其應用在熱防護服中能夠減輕穿著者的熱負荷。除了提高熱防護服的熱防護性能，間隔織物還能在滿足抗沖擊防護裝備對抗壓性能需求的同時，改善防護裝備的熱濕舒適性[20-21]。

在智能紡織品領域，Schmidl等[22]利用間隔織物透氣、輕便、導熱系數低等特點開發出柔性熱電系統，在345 K的溫度條件下持續加熱20 min后，該熱電系統兩側的溫差達到18.5 K，能夠作為可穿戴智能紡織品以調節人體溫度。間隔織物在能源資源領域也得到了廣泛應用。由間隔織物制作的保溫隔熱板材應用在飛機、汽車等運輸工具上能夠減輕自重，并提高燃油利用率[23-24]。在清潔能源利用方面，Wang等[25]利用間隔織物制備了太陽能蒸汽發電光熱材料。在1 kW/m2的光照條件下，材料上下表面的溫差接近20 ℃，蒸發效率高達86%。在節能材料領域，Jia 等[26]開發了經編間隔織物復合材料作為節能建筑中的透明隔熱材料，其傳熱系數為1.92 W/(m2·K)，比傳統玻璃透明隔熱材料的傳熱系數低了約2.73 W/(m2·K)左右。同時該材料還具有較強的太陽能收集能力，在能源收集及利用方面具有廣闊的應用前景。

2 三維間隔織物的隔熱機理

熱在織物中傳遞的基本方式有3種，分別是熱傳導、熱輻射和熱對流[27]。間隔織物阻礙熱量傳遞的能力是評價其隔熱性能優劣的標準。

熱傳導是指高溫物體將熱量傳遞給低溫物體的過程[28]，根據熱量的傳遞介質，間隔織物中的熱傳導方式包括固體熱傳導和氣體熱傳導。織物中的固體熱傳導是指熱量在纖維之間進行傳遞，間隔織物的纖維沿平面和厚度方向排列，與普通平面織物相比較，沿厚度方向排列的纖維使固體熱傳導的傳熱路徑變長，所以間隔織物的隔熱性能更好。同時，纖維的導熱系數也是影響固體熱傳導的重要因素。固體熱傳導以聲子為載體，增強聲子在纖維表面的散射能夠降低織物的導熱系數，增強其隔熱性能[29-30]。Sudanresan等[31]分別使用氧氣、氬氣等離子體處理技術對間隔織物表面進行改性，等離子體改性的刻蝕效應提高了織物表面的粗糙程度，聲子在粗糙表面的散射增強，織物的導熱系數降低，隔熱性能有所提升。氣體熱傳導在氣體和氣體之間以及氣體和纖維之間進行，Dehghan等[32]基于間隔織物的結構參數建立了預測織物導熱系數的模型，結果顯示孔隙率最高的織物具有最低的導熱系數。這是因為間隔織物的多孔和立體結構使其含有大量靜止空氣，靜止空氣在常溫常壓下的導熱系數約為0.0267 W/(m·K)，僅為羊毛導熱系數的二分之一，織物中靜止空氣含量的提高能夠有效減少熱量傳遞，降低熱傳導。

熱輻射發生在所有溫度大于絕對零度的物體上，它以電磁波的形式進行傳播[33]。輻射到達織物表面后一部分被織物吸收或反射到環境中，另一部分則穿過織物繼續傳播[34-35]，所以織物的輻射反射率和孔隙率是影響輻射傳熱的重要因素[36-37]。由于間隔織物擁有兩個織物層和一個間隔層，這使得它在單位面積內比普通單層織物擁有更多的纖維數量，從而能夠吸收或反射更多的輻射熱，最終擁有更好的隔熱性能。

按照熱對流的傳熱形式，可將其分為自然對流和強迫對流[38]。間隔織物的立體結構使其容納了大量靜止空氣，在強迫對流的條件下，織物中的靜止空氣會加速熱對流，織物的隔熱性能也隨之降低[39]。Mao等[40]利用水刺技術在間隔織物的一側覆蓋羊毛，由于羊毛堵塞了織物表面的網孔，織物的透氣性能降低，對流傳熱也隨之減少，更多的靜止空氣被截留在間隔織物內，織物的隔熱性能提高。研究表明，織物的熱阻會隨著透氣性的增加而降低[41]，所以減少對流傳熱的主要途徑是通過降低間隔織物的透氣性能，達到增強其隔熱性能的目的。

3 三維間隔織物隔熱性能的影響因素

根據三維間隔織物的織造工藝，可將其分為針織、機織、編織和非織4種，其中編織和非織的生產工藝較復雜，目前尚無學者對它們的隔熱性能開展研究。針織間隔織物和機織間隔織物的工藝難度及生產成本較低，能夠快速響應市場需求，使得它們的研究和發展較為成熟[42- 43]。機織間隔織物多作為復合材料的增強體，其本身的隔熱性能沒有得到學者的廣泛關注，黃曉梅等[44]比較了機織間隔織物的間隔紗密度、高度和原料對織物保暖性能的影響。結果表明間隔紗高度對織物的保暖性能影響最大，原因是間隔紗高度在一定程度上影響織物的厚度，而厚型織物通常具有較好的保暖性能。該研究使用的試驗樣本較少，所以未來對機織間隔織物的隔熱性能進行系統性研究十分有必要。綜合而言，有關間隔織物隔熱性能的研究主要針對針織間隔織物展開。針織間隔織物按照生產方式可分為經編間隔織物和緯編間隔織物，隨著織造設備的不斷完善和發展，間隔織物表層的花型、緊密度和間隔紗的連接方式、傾斜角等都可以通過織造工藝改變，間隔織物也能滿足更多性能和應用需求[45- 46]。影響針織間隔織物隔熱性能的因素較為復雜，目前學者多從織物的原料和結構這兩個方面分析間隔織物隔熱性能的影響因素。

3.1 間隔織物原料

在間隔織物結構參數固定的條件下，不同的織造原料會由于其物理參數的差異而對織物的隔熱性能造成影響。根據間隔織物的隔熱機理，使用導熱系數低或反射率高的紗線作為織造原料能夠增強織物的隔熱性能。Arumugam等[47]分別以滌綸和間位芳綸為原料織造了經編間隔織物，結果顯示滌綸間隔織物的導熱系數約為0.044 W/(m·K)，而芳綸間隔織物的導熱系數約為0.054 W/(m·K)，這是因為滌綸的導熱系數較低[48]，所以以其為原料織造的間隔織物具有較低的導熱系數。與合成纖維相比，金屬纖維的熱輻射反射能力能夠對間隔織物的隔熱性能起到積極作用[49]。Silva等[50]在經編間隔織物的外表層加入金屬紗線，與未添加金屬紗線的間隔織物相比，其熱阻提高了27%。

3.2 間隔織物結構

不同的織物結構會導致織物厚度發生變化，厚型織物通常具有較高的熱阻[51]，Chen等[27]的研究表明間隔織物的隔熱效果比普通單層織物高 5～16倍。Ertekin等[52]通過調節兩個針床的距離改變緯編間隔織物的厚度，研究發現織物厚度的增加會導致其體積和重量隨之增加，織物單位面積內的纖維數量增多，靜止空氣含量減少，織物的導熱系數和熱阻隨之增加。一般而言，導熱系數與熱阻呈反比，但如果織物厚度的增加程度大于導熱系數的增加程度，熱阻則會增大。Arumugam等[47]在評價厚度對經編間隔織物熱性能的影響中也得出了相同的結論。

間隔織物的結構變化會影響織物的結構密度，從而改變織物中靜止空氣的含量，最終影響織物的隔熱性能[53]。間隔織物的表面層結構和間隔紗結構均會對其隔熱性能造成影響。Arumugam等[54]發現網孔結構的表面層會增大經編間隔織物的孔隙率，使織物獲得較低的導熱系數。Arumugam等[47]通過進一步探究發現，雙面網口結構的經編間隔織物比單面網孔結構和平針結構的經編間隔織物具有更低的導熱系數。為了增強間隔織物的隔熱性能，后續應該針對間隔織物表面層結構的孔型、緊密度等做進一步研究。

間隔紗的結構如圖1所示，按照間隔紗與表面層的連接方式可分為垂直型、交叉型和垂直交叉型3種。間隔紗結構會對織物容納靜止空氣的能力產生影響，Crina等[55]的研究發現間隔紗傾斜角大的緯編間隔織物具有較低的導熱系數。間隔紗的傾斜角是指間隔紗與表面層織物之間的夾角，傾斜角大的間隔紗與表面層織物的連接次數少，間隔層內的間隔紗數量也相應下降，這讓間隔層有更大的空間容納靜止空氣，從而提高間隔織物的隔熱性能。間隔紗的細度也會影響間隔織物容納靜止空氣的能力，Arumugam等[54]發現與復絲間隔紗相比較，使用單絲間隔紗的經編間隔織物體積大且密度低，間隔層能夠容納更多的靜止空氣，織物的隔熱性能更好。但間隔紗的細度并不是越細越好，Ertekin等[56]研究了單絲間隔紗的細度對緯編間隔織物傳熱能力的影響，隨著單絲間隔紗的細度從3 mm增加至3.5 mm，織物的熱阻顯著提高。所以未來有必要進一步研究間隔紗的細度對間隔織物隔熱性能的影響，以織造隔熱性能優異的間隔織物。

圖1 間隔紗結構

4 三維間隔織物復合隔熱材料

纖維隔熱材料具有低密度和高孔隙率的特點[57]，相較于同等厚度的傳統纖維隔熱材料，間隔織物的立體結構使其具有更低的密度和更高的孔隙率，從而擁有更好的隔熱性能。但單一的纖維隔熱材料并不能滿足不同領域對材料隔熱性能的需求，為了增強間隔織物的隔熱性能從而擴大其應用領域，研究者開始探索間隔織物與其他隔熱材料復合后的隔熱性能變化。根據現有間隔織物復合隔熱材料的研究，可將隔熱材料按照隔熱機理分為阻隔型材料、反射型材料和輻射性材料三類。

4.1 三維間隔織物與隔熱材料的復合方式

現階段的研究中，間隔織物與隔熱材料的復合方式有涂層、浸漬和填充3種，表1總結了這3種復合方式及其分類。涂層法是指使用隔熱材料涂覆間隔織物的表面層[58]，這種方法的隔熱原理是利用導熱系數低的涂料減少熱傳導或使用反射率高的涂料反射熱輻射，從而增強間隔織物的隔熱性能。浸漬法是將間隔織物浸漬在配置好的溶液中，經過高溫固化后制成間隔織物復合材料[59]。該方法通過將隔熱材料浸入纖維來降低熱傳導或反射熱輻射，但復合材料的隔熱性能易受浸漬時間、次數等因素的影響。涂層法和浸漬法會降低織物的透氣和透濕能力，能夠在一定程度上減少熱量通過對流的方式傳遞，這兩種方法還具有操作簡單、生產效率高等優點，但這類復合材料會在干燥和使用的過程中出現老化、碎裂等問題[60]。填充法是將導熱系數低的填料填充到間隔織物的間隔層[61]，該方法能夠有效減少熱傳導，同時還能提高間隔織物的力學性能，但在填充過程中容易出現填充材料在間隔層內分布不均勻的問題。

表1 間隔織物與隔熱材料的復合方式及分類

4.2 三維間隔織物復合隔熱材料的類型

4.2.1 阻隔型

阻隔型的隔熱材料主要通過降低熱量傳導以及減少熱量對流的方式來實現隔熱目的[69]。這類材料通常具有較低的導熱系數，與間隔織物復合后能夠增強其隔熱性能。阻隔型隔熱材料能分為無機材料、有機材料和氣凝膠材料3類。

無機材料具有較好的溫變穩定性和防火阻燃性，同時還具有綠色環保等優點[70]。與間隔織物復合不僅能夠增強織物的隔熱性能，還能提高織物的回收利用率。無機材料用作間隔織物的織造原料能夠增強織物的強度和耐熱性。王漢玉等[68]設計織造了一種玻璃纖維機織間隔織物，并使用白炭黑填充織物的間隔層，在100、200 ℃和300 ℃的恒溫加熱條件下，填充白炭黑的間隔織物表面溫度比未填充的低約20 ℃，織物的隔熱性能得到增強。雖然無機纖維的隔熱性能優于天然纖維和其他合成纖維，但纖維的耐扭曲性較差，織物的織造難度較大[71]。所以未來在利用無機纖維織造間隔織物時要根據材料特點采用合適的生產工藝，提高間隔織物的生產效率和使用壽命。

與無機材料相比，有機材料的密度和導熱系數較低，其與間隔織物復合能在增強織物隔熱性能的同時保持織物質輕的優勢。Wang等[63]設計了幾種玻璃纖維/環氧樹脂機織間隔織物復合材料，在 90 ℃ 的熱平板上加熱10 min后，材料表面的溫度保持在56.2～63.2 ℃之間，復合材料的隔熱效果與木材相當。但這種復合隔熱材料的力學性能會隨著溫度的升高而降低，為了削弱高溫對復合材料力學性能的影響，葛東升[65]利用手糊成型工藝制備了芳綸/聚酰亞胺間隔織物復合材料，其在190 ℃條件下的比強度保持率達到92.7%，而玻璃纖維/環氧樹脂間隔織物復合材料在相同條件下的比強度保持率僅為51.3%。這說明間隔織物與有機材料復合不僅具有質輕、保溫隔熱的特點，其在高溫條件下還能保持較好的力學性能，是增強間隔織物隔熱性能的優選材料。但有機材料的防火性能較差[72]，燃燒時易產生有毒物質危害人體健康和環境安全，所以提高其防火性能是未來間隔織物復合有機隔熱材料的發展趨勢。

氣凝膠是一種納米多孔固體材料，它具有質量輕、密度低、比表面積高、導熱系數低等特點，與間隔織物復合制作隔熱材料具有廣闊的應用前景[73]。王漢玉[74]將二氧化硅氣凝膠填充到以玻璃纖維為原料的雙層機織間隔織物中，與填充白炭黑的間隔織物復合材料相比較，二氧化硅氣凝膠間隔織物復合材料的隔熱性能更好。Islam等[64]研究了緯編間隔織物表面在涂覆二氧化硅氣凝膠前后隔熱性能的變化，發現氣凝膠在不影響織物厚度的同時會將織物的導熱系數降低23%～31%，說明氣凝膠是增強間隔織物隔熱性能的理想材料。為了使間隔織物復合隔熱材料滿足高效隔熱、阻燃、質輕、力學性能優異等要求，董淼軍[67]根據復合材料性能疊加效應設計織造了短玻璃纖維機織間隔織物，在織物表面涂覆環氧樹脂使其成為增強復合材料，接著在間隔層內填充二氧化硅氣凝膠增強其隔熱性能。測試結果顯示二氧化硅氣凝膠使間隔織物的導熱系數從0.0887 W/(m·K)下降至0.064 W/(m·K)，材料的力學性能也得到了提高。

4.2.2 反射型

反射型隔熱材料主要通過反射輻射能量來減少織物吸收的輻射熱量[75]，一般使用涂層或浸漬的方式將反射型隔熱材料與間隔織物復合，復合后間隔織物表面層的反射率增高，織物吸收的熱量減少，Silva等[50]就利用了金屬纖維具有高紅外反射率的特點增強間隔織物的隔熱性能。目前關于間隔織物與反射型隔熱材料復合的應用研究較少，但從反射型隔熱材料與普通織物復合后的隔熱性能研究來看，利用該類材料增強間隔織物的隔熱性能具有很大應用潛力。例如Peng等[76]制備了一種TiO2/Cu/TiO2(TCT)涂料，并將其涂覆在滌綸上進行紅外反射性能實驗。滌綸在經300 nm厚TCT涂料涂層處理后，其紅外反射率比未經涂層處理的滌綸高30%。所以未來有必要針對反射型隔熱材料在間隔織物上的應用做深入研究。

4.2.3 輻射型

與反射型隔熱材料的隔熱原理不同，輻射型隔熱材料通過吸收輻射熱量后將其轉化成紅外輻射并發射到環境中的方式進行隔熱[77]。輻射型隔熱材料可以通過涂層或浸漬的方法與間隔織物復合，Sankauskaite等[62]將含鈦生物陶瓷粉末添加劑涂覆在經編間隔織物表面，織物在功率為250 W的紅外線發射燈下方25 cm處加熱4 min，測量結果顯示織物的發射率增加了4.4%～6.5%，織物的導熱系數從0.043 W/(m·K)降低至0.036 W/(m·K)，隔熱性能有所改善。為了獲得隔熱性能更加優異的材料，研究者將反射型和輻射型隔熱材料的優點結合并開發出了反射/輻射隔熱材料，這種材料既能反射輻射熱，部分被吸收的熱量也能轉化成紅外輻射發射到環境中，與織物復合后能進一步增強其隔熱性能[78]。現階段還未出現間隔織物與反射/輻射隔熱材料復合的相關研究，后續研究可以針對反射/輻射隔熱材料進行展開。

5 結論與展望

擁有立體結構的三維間隔織物內含有大量靜止空氣，織物隔熱性能優良，同時還具有吸濕透氣、吸能緩沖等特點，可以滿足不同領域對功能織物的需求。根據對間隔織物隔熱性能的分析，未來對間隔織物隔熱性能的研究可以從以下幾個方面展開：

a) 深入研究機織間隔織物的隔熱性能。較針織間隔織物而言，機織間隔織物的剛度、強度、尺寸穩定性更好，常被用作三維間隔復合隔熱材料的增強體，但其本身的隔熱性能并未得到充分研究。所以探究機織間隔織物隔熱性能的影響因素，利用其優越的機械性能制作質輕且強度高的隔熱材料，是擴大其應用范圍的關鍵。

b)基于三維間隔織物結構特征建立傳熱模型。間隔織物是由不均勻的纖維和空氣組成的非均勻材料，間隔層和兩個表面層使其結構比普通織物更復雜，現有研究多是在將織物視為連續均勻整體的前提下建立傳熱模型，這使得模型僅能針對織物厚度、體積、孔隙率等因素進行傳熱分析。所以未來應該從間隔織物的微觀結構出發，基于間隔絲結構、間隔絲細度、表面層孔型等結構特征建立傳熱模型，幫助研究者優化間隔織物結構以增強隔熱性能。

c) 研發高性能間隔織物隔熱材料。目前間隔織物復合隔熱材料的研究還處于起步階段，還有較多性能優異的纖維和隔熱材料沒有被用于增強間隔織物隔熱性能的研究。在纖維原料方面，使用異形纖維能夠增加間隔織物的空氣含量，進而增強其隔熱性能；還可以基于刺激響應型材料制備智能紡織品，例如使用熱致型形狀記憶材料作為間隔織物的間隔絲原料，使織物根據不同的環境溫度智能調節厚度，以在不同的溫度條件下提供合適的隔熱效果。在隔熱材料方面，反射/輻射型隔熱材料、相變材料、中空玻璃微球等材料對間隔織物隔熱性能的增強效果還有待研究。最后，間隔織物與隔熱材料的復合方式也需要根據其使用場景進行改善。積極研發防火阻燃、強度高、使用壽命長、綠色環保的高性能間隔織物隔熱材料，并將其應用于工業、軍事、航空航天等領域。