熱濕舒適性智能織物的研究進展

陳佳慧，梅 濤，趙青華，尤海寧，王雯雯，王 棟

(1.武漢紡織大學 紡織纖維及制品教育部重點實驗室，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200)

隨著社會的發展，人們對生活舒適性要求越來越高，其中包括人體自身的熱濕舒適性[1]。人體能感知的熱濕舒適范圍較窄，為調節自身舒適度，通?？咳梭w系統代謝、增減衣物、外界供暖或制冷3種方法調控。當僅靠自身系統代謝時，環境溫度過高或過低會導致人體無法正常調節體溫，造成生理傷害甚至死亡[2-3]，因此，為滿足現代社會人們對周圍溫度和濕度舒適性的要求，環境溫濕度調控設備隨處可見，且成為室內建筑的重要指標[4]。通過外部設備控制環境溫濕度需要消耗大量的電能，據統計每年建筑內的制冷和供暖耗能占全球電能消耗的20%～40%，溫室氣體排放占全球排放的30%[5-6]。電能的過度消耗及溫室氣體的排放對環境保護和可持續發展造成了巨大負擔。同時，當今社會人口的高速發展和化石能源的日益匱乏已成為制約全球經濟發展的重要因素，空調制冷與供暖中造成的能源消耗的激增與實現全球“雙碳”目標之間存在巨大矛盾[7]。在全球資源短缺的當下，實現最低能耗保證人體自身熱濕舒適性，成為亟需解決的問題。此外，由空調等設備對室內溫濕度的統一調控會由于個體差異難以滿足每個人的需求。在相同環境下，不同人對溫濕度的感覺存在差異[8]。在日常生活中，服裝同樣起到了調節體溫的作用，人們通常會依據外界溫度的變化改變服裝厚薄來維持正常體溫。然而傳統服裝也具有諸多缺點，如純棉衣物親水性較好，在夏季能較快吸收人體產生的汗液；但其被浸濕后，透氣性會受到極大影響，使穿著舒適性變差[9],因此，迫切需要開發一種適應個人喜好、可調控人體熱量和濕度的智能織物。

在近期研究中，各種主動、被動冷卻或加熱材料如光子晶體、超材料、吸濕性水凝膠等可通過吸收或反射紅外線、提高水分蒸發效率等方法實現對人體溫濕度的智能調節[6,10]。研究人員經過探索，制備了功能性紡織材料以提高織物對人體的熱濕調節效果，如高紅外線吸收率的聚乙烯(PE)織物[11-12]、高導熱的氮化硼(BN)/聚乙烯醇(PVA)復合纖維[13]、聚四氟乙烯(PTFE)涂層氧化鈦-聚乳酸(TiO2-PLA)機織紡織品[14]。然而，與高性能材料復合后織物的力學性能降低、涂層穩定性差、穿著舒適性差等諸多問題有待解決。此外，通過對纖維、織物組織結構的調控，也可構筑智能保暖、制冷、熱濕調節織物，但現階段研究仍存在材料成本過高、技術過于復雜、產業化生產困難等挑戰?；诖?，環境友好、效果優異、可大規模生產的調節人體熱濕舒適性的智能織物亟需開發。

本文綜述了熱濕舒適性智能織物的發展現狀，重點介紹了現階段熱濕舒適性智能織物的制備方法及原理，針對現階段面臨的困難和挑戰，展望了熱濕舒適性智能織物的發展方向和前景。

1 人體熱濕調節智能織物

織物的熱濕舒適性是服裝穿著舒適性中最基本、最核心的部分[9]。熱濕舒適性智能織物要求織物在環境溫濕度變化時可通過自身的結構、性能及時調控人體的溫度和濕度，保持人體舒適度。

人體熱量控制主要靠體內傳熱和體外傳熱2種，包括：由皮膚表面和環境溫濕度存在差異時形成的傳導、對流、輻射傳熱；皮膚表面汗液或水分蒸發、擴散造成的熱量改變；呼吸產生的散熱[15-17]。皮膚表面的汗液蒸發被認為是高效的冷卻方式，蒸發1 g水可產生約2.43 kJ的冷卻功率[18]。通過控制人體的熱傳導、輻射、對流以及汗液的蒸發，可達到調控人體熱濕舒適性的目的。人體在織物包覆下與環境的傳熱示意圖如圖1[6]所示，在不同傳熱條件下，可通過調節纖維及織物的性能調控人體熱濕舒適性[6]。隨著熱濕舒適性智能織物研究的深入，通過添加或涂層調節紅外線輻射[19-20]、熱傳導[21-22]的材料，或通過控制纖維自身結構[23]、織物組織結構[24]，已研制出許多智能溫控、濕控紡織品。

圖1 人體、織物與環境之間的傳熱方式示意圖

2 熱濕舒適性智能織物的材料

由于人體主要熱濕變化途徑是熱輻射、熱傳導、熱對流以及水分蒸發，因此通過對織物的調節只改變其中任意一種方式造成的熱濕傳導時，可實現對人體熱濕舒適性的控制[17]。近年來，各種高性能材料的研發和制備推進了人體熱濕舒適性調節織物的發展。利用不同高性能材料如近紅外線反射材料[25-26]、高導熱材料[27-28]、高紅外線吸收或透過材料[20-23]，織物可達到明顯的冷卻或保暖的效果。通過加入高性能材料制備熱濕舒適性智能織物被認為是一種新興方式，可有效提高人體舒適感以及減輕能耗負荷。

2.1 高紅外線反射材料

自然界中的紅外線，尤其是太陽光中的近紅外線是人體熱量的主要來源。當太陽光中的紅外線無法穿過織物進入人體時，可有效降低熱量。在自然界中，許多動植物也利用反射紅外線達到降溫效果。例如：覆蓋在楊樹葉背面的反光白色纖維，對太陽光的反射達到55%，可有效保護植物避免受太陽直曬而枯萎[29]；撒哈拉銀蟻的銀色毛發可反射高達67%的太陽光中的近紅外線，避免自身被太陽曬傷[30]。由此可見，阻擋太陽光中的紅外線透過織物可有效達到制冷效果。受自然界中動植物的啟發，利用高紅外線反射材料，可成功構筑智能調溫織物。通過這一概念，將具有紅外線反射作用的材料如過渡金屬(Ag、Ti和Al等)、無機或有機化合物(TiO2、摻銻氧化錫和偶氮顏料等)和天然化合物(葉綠素等)用于冷卻涂層涂覆在織物上，可有效反射來自外界的紅外線，減少由紅外線帶來的熱量[31-35]。

以此方法制備智能調溫織物多以涂層的方式涂覆于織物表面，而涂層織物耐洗性能通常較差。雖然通過黏結劑、織物表面的預處理及對涂層材料的改性可明顯改善織物的耐洗性能，但仍難以從根本上解決問題。同時，過多的黏結劑會降低織物的透氣性，從而使穿著舒適性變差，因此，對利用紅外線反射材料制備熱濕舒適性智能織物仍有待進一步探究。

2.2 高導熱材料

通過改變織物的熱傳導性能同樣能實現對人體的熱濕調控?？椢锏臒醾鲗阅苁懿牧献陨淼膶嵯禂涤绊戄^大，大多數傳統紡織材料的導熱系數都較低，如棉、羊毛、聚酯纖維和錦綸的導熱系數分別只有0.07、0.05、0.25和0.14 W/(m·K)[36-37]。研究發現，通過向織物中添加碳納米管、氮化硼(BN)等高導熱材料可有效提高織物的散熱，快速將人體熱量導出，達到人體降溫[6]。Abbas等[28]通過在棉纖維中添加多壁碳納米管，使織物具有快速冷卻的效果。當添加多壁碳納米管的質量分數達到11.1%時，復合纖維的熱導率可提高78%。在50 ℃條件下對純棉纖維和棉/碳納米管復合纖維進行測試發現，純棉纖維在5 s內的溫度達到了45.2 ℃，而分別添加了質量分數為11.1%、50%多壁碳納米管的棉織物其溫度降低2、3.9 ℃，達到43.2、41.3 ℃。Gao等[13]利用氮化硼納米片(BNNSs)和聚乙烯醇(PVA)制備復合纖維，如圖2[13]所示，由于氮化硼優異的導熱性和牽伸過程中BNNSs的定向排列使制備的復合纖維織物具有較高的熱導率，能快速導出人體熱量。利用紅外成像相機對相同條件下BN/PVA復合纖維織物和棉織物的熱成像進行對比發現，BN/PVA復合纖維織物和棉織物的最高溫度分別達到39.8、55.9 ℃[13]，可見BN/PVA復合纖維織物的散熱效果明顯優于純棉織物。

圖2 氮化硼/聚乙烯醇復合纖維作為制冷織物的結構與散熱示意圖

綜上，通過使用高導熱材料可實現將人體熱量快速導出到外界環境中，起到降溫作用。但在纖維或織物中添加高導熱材料會直接影響織物的透氣性和手感；同時，復合纖維的生產工藝復雜同樣成為高導熱織物發展的重大挑戰。

2.3 高紅外線透過材料

除來自外界的紅外線熱源，人體自身也會產生紅外線輻射，成為穩定的熱源?？椢锟赏ㄟ^促進或抑制人體輻射的紅外線導出，起到制冷或保暖的效果。當織物擁有高紅外線透過率時，紅外線可穿過織物將熱量傳遞到環境中，起到降溫效果；反之，當織物的紅外線透過率低時，人體產生的紅外線會被織物有效阻擋難以散失，達到保暖的效果?；诖?，通過調節織物的紅外線透過率，可實現織物的制冷或保暖功能。經研究發現，聚乙烯(PE)纖維具有高紅外線透過率，平均值高達87%，因此，利用PE纖維開發的紡織品可促使人體散熱，達到冷卻的效果。Hsu等[19]通過實驗證明了納米孔徑PE膜對中紅外線和人體輻射的紅外線都具有高透過的效果，用納米孔徑PE膜制備的織物相比常規織物，在相同情況下使人體降溫2.7 ℃左右。鑒于PE纖維優異的紅外線透過性能，Yang等[38]制備了錦綸6/銀/納米PE復合膜，如圖3所示。將復合膜附著在口罩上佩戴時，可觀察到復合膜口罩溫度相較普通商業口罩有明顯降低。除薄膜材料的制備，Tong等[39]基于PET/PE材料設計了一種高紅外線透過織物，對遠紅外線透過率高達97.2%，尤其對中、遠紅外線幾乎透明，可應用于熱管理織物。然而，在現階段研究中，除PE纖維外，鮮有文獻報道可直接用于柔性高紅外線透過織物的材料，因此，單純靠材料自身不同的紅外線透過性能決定織物的智能熱濕調節局限性大，需要開發不同紅外線透過率的新型紡織材料彌補技術空白。此外，在利用高紅外線透過材料制備復合材料時，仍需要考慮復合織物的調溫穩定性、力學性能和透氣性等性能，這也成為制約其發展以及大規模應用的重要因素。

圖3 PE/PA6復合織物的制備及應用

3 熱濕舒適性智能織物的結構

除通過材料的功能性制備熱濕調節織物，研究人員試圖通過對纖維或織物結構的控制，達到調節人體熱濕舒適性的目的?；诖耍鼭窨旄?、智能熱濕調節織物受到人們的廣泛關注[21]。

3.1 異形結構纖維

纖維自身結構會影響其導熱、吸濕等各項性能，如由相同材料制備的常規、中空、多孔纖維具有不同的熱導率和親水性，因此，通過對纖維結構的控制可調控纖維性能，改變織物的熱導率和親水性等，從而達到調節人體熱濕舒適性的目的。Cui等[21]根據北極熊毛發的保溫性能開發了一種仿生纖維，利用凍干技術制備了一種多微孔纖維，通過冷凍干燥纖維中存在大量的孔隙結構，調控不同冷凍溫度、定向與非定向手段可調節纖維孔徑(如圖4(a)[2]所示)，可限制空氣的流動，由于空氣的熱導率比纖維小，仿生纖維導熱性差而具有保暖性能。將仿生多孔纖維織成織物后穿于兔子身上，通過紅外成像儀可明顯觀察到仿生織物具有良好的熱隱身性能，可以在不同外界環境中(10、15和40 ℃)很好地隱藏兔子(如圖4(b)所示)。這是由于兔子體內的熱量被仿生多孔纖維阻擋，無法通過織物傳遞，因此無法被紅外成像儀探測。綜上，通過制備異形結構纖維來調控熱導率，可實現通過改變織物保暖性能來調節人體熱濕舒適性的目的。

圖4 仿生多孔纖維的微觀形貌圖及保暖織物的應用

3.2 非對稱結構織物

除人體熱舒適性外，人們對濕舒適性的要求也日益增高，如劇烈運動后織物會被大量汗液浸濕導致透氣性變差[9]，影響穿著舒適性，因此，透濕性也是影響織物舒適性的重要因素?？椢锿笣襁^程中也伴隨著熱量的變化，如汗液蒸發時會帶走部分體內熱量，使人體體溫發生變化。

自然界中一些動植物，如蝴蝶翅膀、蜘蛛絲和仙人掌刺，均具有不對稱的潤濕梯度和Janus潤濕性，可將水分從疏水層導出并防止反向滲透[4]?；诖?，研究者設計了具有非對稱結構的吸濕快干織物。這種織物親膚一側由孔隙較大的超疏水纖維構成，另一側由孔隙較小的超親水纖維構成。當人體出汗后，汗液由疏水一側向親水一側滲透，并在親水層蒸發。通過對織物兩側親疏水性、孔隙大小和結構設計，實現水分的定向傳輸，防止其反向滲透，從而達到長期保持人體干爽舒適的目的。然而，當吸濕快干織物所吸收的水分達到親水層的極限值后，水分難以由疏水一側滲透到親水一側。近年來，研究者通過三維織物技術對吸濕快干織物進行了改進。Fan等[40]用滌綸緯紗層、棉經紗層和粘膠緯紗層構筑了一種三維正交機織物(如圖5(a)所示)。通過滌綸、棉和粘膠3種纖維親水性的差異，結合等離子體技術，得到了性能更加優異的單向導濕織物。同時，用具有高親水性的CoolMax異形纖維在Z軸將纖維層固定，得到結構穩定的三維正交織物，實現優異的單向導濕性能(如圖5(b)所示)。

圖5 三維結構吸濕快干織物結構示意圖

3.3 智能孔徑調節織物

近期，研究人員發現，在外界溫濕度不同的條件下，改變織物的孔隙結構，同樣可調節人體熱濕舒適性。

Iqbal等[41]在對羊毛針織物研究時發現，外界濕度不同時，針織物線圈結構會發生變化從而影響人體體溫。如圖6(a)所示，羊毛織物結構不同時，織物在外界濕度變化下會發生不同的孔徑結構變化，從而引起人體散熱的改變。根據不同變化，緯平針織物可制備制冷織物，雙面針織物可制備保暖織物。這是由于隨著織物吸濕率變大，緯平針織物孔隙變大，雙面針織物孔隙變小，如圖6(b)所示。

圖6 羊毛織物隨外界濕度變化時織物孔隙結構的變化

除纖維自身響應不同熱濕刺激外，Wang等[24]通過織物正反兩面涂覆2種親疏水性不同的聚合物，制備了快速響應環境溫濕度的智能織物。當外界溫度較高時，織物表現為外層親水、內層疏水，能有效地將皮膚表面的多余水分導出。當外界溫度變低時，織物親疏水性改變，外層疏水、內層親水，從而保存人體皮膚表面的水分和熱量。同時織物的孔隙結構也會隨著外界溫度的變化而變化，織物的孔隙在高溫時打開而在低溫時關閉，因此，在溫度較高時，織物表現出優異的散熱性能，而在低溫時轉換成優異的保暖性能，可有效地根據外界環境溫濕度變化調節人體的溫濕度。

此外，Zhang等[23]利用纖維結構隨外界環境變化時的改變，制備了智能熱濕調節織物。在紗線外層涂覆一層碳納米管，當外界環境溫度較高時，紗線結合緊密，單根纖維間距離變小，纖維表面的碳納米管出現共振電磁耦合，改變織物的紅外線發射率，并匹配人體的熱輻射，促進人體的輻射冷卻，從而有效地增強熱交換，達到散熱效果。當外界環境溫度較低時，紗線結構松散，隨著單根纖維間距的變化，纖維外層碳納米管的間距改變，輻射冷卻作用減弱，有助于織物保暖。同時，在外界溫度變化時，織物的孔徑隨著纖維間距的變化而變化，有助于織物的熱交換，起到了協同冷卻和保溫的作用。

4 結束語

近年來，隨著人們生活質量的提高，對環境友好、可持續發展的大力倡導，熱濕舒適性智能織物的快速研發勢在必行?，F階段對熱濕舒適性智能織物的研究主要是通過在纖維或織物中添加或涂層功能性材料，達到改變織物熱傳導、輻射、對流和水分蒸發的效果，從而改變織物的散熱，實現人體熱濕舒適，但涂層穩定性、添加材料的相容性會直接影響織物的穿著穩定性和舒適性，均為亟需解決的重要問題。同時，通過對纖維或織物的結構調控也可實現對織物的冷卻和保暖調控，但現階段織物結構、材料的局限性導致這種功能性纖維無法大規模商業化生產，且在現階段的研究中仍然存在許多挑戰，如熱濕舒適性調節的穩定性及織物的力學性能與透氣性能等較差。

對此，若能進一步開發新型纖維，通過改變纖維結構賦予纖維熱濕響應的功能，可促進熱濕舒適性智能織物的發展。例如，制備功能異形纖維以及可智能驅動的新型纖維，通過改變纖維各項性能從而實現織物對人體熱濕舒適性的控制。此外，纖維材料的發展為織物的多樣性提供了更大的可能。同時，開發新型纖維更容易滿足大規模生產，極大地推動熱濕舒適性智能織物的制備和實際應用。