疊加態材料在防寒服設計中的應用前景

毛敬 高楚

關鍵詞： 疊加態材料 防寒服 服裝設計 發展方向

中圖分類號： TS941.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0102-04

隨著全球氣候變化和極地探險等活動的日益增多，防寒服在人們生活中的重要性被不斷提高。防寒服的主要功能是在極端寒冷環境下保護人體，保持體溫，防止凍傷。傳統的防寒服通常使用羽絨、化纖等材料，雖然具備一定的保溫性能，但仍存在透氣性差、造型臃腫、防寒效果不好、穿著不舒適等問題［1］。疊加態材料具有特殊的物理特性，能夠通過不同材料的疊加組合，達到更優異的性能。近年來，疊加態材料因其獨特的物理特性在眾多領域中得到了廣泛應用，紡織領域也不例外。

1 疊加態材料概述

1.1 疊加態材料的定義與特性

疊加態材料，又稱為超材料，是一種具有特殊性能的人造材料。其特點是在原子尺度上具有疊加的物理特性，使其具有超越傳統材料的優越性能。例如：疊加態材料可以實現極低的熱導率，有高強度和高透氣性的特點［2］。

1.2 疊加態材料的分類及其應用領域

疊加態材料可以根據其特性、構造和應用領域進行分類。根據特性，疊加態材料可以分為負折射率材料、光學隱身材料、聲學隱身材料等。根據構造，疊加態材料可以分為層狀結構材料、立方體結構材料、納米復合材料等。根據應用領域，疊加態材料可以分為航空航天、建筑、醫療、電子、紡織等。

在航空航天領域，疊加態材料可應用于減輕重量、增強強度和降低熱傳導的復合材料中；在建筑領域，疊加態材料可應用于隔熱、隔音和抗震的建筑材料中；在醫療領域，疊加態材料可應用于生物傳感器、藥物遞送系統和生物成像技術中；在電子領域，疊加態材料可應用于高性能電磁屏蔽材料、太陽能電池等。在紡織領域中，疊加態材料可以用于增強保溫性能、優化透氣性與舒適性、改進輕便性與可穿戴性以及提高抗磨損性與耐用性等方面，有著廣泛的應用前景。

1.3 疊加態材料在紡織領域的研究進展

近年來，疊加態材料在紡織領域的研究取得了顯著進展。由于其獨特的物理特性，疊加態材料在服裝設計和制造中具有很大的應用潛力，以下是疊加態材料在紡織領域的部分研究進展。

疊加態保溫纖維：研究者通過將疊加態材料制成纖維，提高了紡織品的保溫性能。這些纖維具有低熱導率和優異的隔熱性能，可廣泛應用于戶外運動服裝、冬季服裝和防寒服等。

疊加態透氣薄膜：疊加態材料可用于制備具有高透氣性能的薄膜。這些薄膜具有優良的水汽傳輸性能，既能保持佩戴者的干爽舒適，又能阻擋外界水分侵入［3］。

疊加態柔韌紡織品：疊加態材料可制成具有良好柔韌性和可塑性的紡織品。這些紡織品不僅具有輕便、舒適的特點，還能適應各種復雜的形狀和環境。

疊加態抗磨損紡織品：疊加態材料可提高紡織品的抗磨損性能。這些紡織品具有較高的強度和耐磨性，延長了服裝的使用壽命［4］。

疊加態材料在紡織領域的研究取得了一系列重要進展，為紡織品的性能改進和功能拓展提供了新思路。這些研究成果為疊加態材料在防寒服設計中的應用奠定了基礎，有望在不久的將來實現廣泛應用。

2 防寒服設計中的需求與挑戰

防寒服作為一種在寒冷環境中使用的特殊服裝，其設計需滿足特定的需求。然而，在實現這些需求的過程中，防寒服設計也面臨著一系列挑戰。以下是防寒服設計中的主要需求與挑戰。

2.1 防寒性能

防寒性能是防寒服設計的核心需求之一。在寒冷環境中，防寒服需要有效地阻止熱量散失，以保持人體正常的生理活動。傳統防寒服采用羽絨、化纖等材料作為保溫層，但這些材料的熱導率相對較高，難以滿足日益嚴苛的防寒需求。因此，如何提高防寒服的防寒性能是服裝設計中的一大挑戰。

為了提高防寒服的防寒性能，疊加態材料提供了一種有效的解決方案。疊加態材料的多層結構可以通過合理選擇材料和層次設計實現更好的保溫效果。例如：可以在保溫層中引入高絕緣性能的材料，以減少熱量傳導，提高保溫效果［5］。同時，利用疊加態材料的獨特結構，可以實現多層隔熱，進一步減少熱量的散失。

2.2 透氣性與舒適性

透氣性與舒適性是防寒服設計的另一個重要需求。在戶外活動過程中，人體會產生大量的水分和熱量，需要通過防寒服迅速排出，以保持皮膚干爽。然而，許多傳統防寒服材料的透氣性較差，容易導致潮濕和不適。因此，在保證保溫性能的同時，提高防寒服的透氣性與舒適性是設計師需要克服的難題。

疊加態材料的多層結構為改善防寒服的透氣性和舒適性提供了可能。將透氣性較好的材料作為防寒服的內層，以便濕氣能夠快速排出［6］。同時，在設計過程中，還可以考慮采用特殊的紡織技術和材料處理方法，如微孔處理、納米涂層等，進一步提高材料的透氣性和排濕效果。

2.3 輕便性與可穿戴性

輕便性與可穿戴性是防寒服設計中的另一個關鍵需求。在寒冷環境中進行戶外活動或工作時，輕便、舒適的防寒服能夠減輕負擔，提高活動效率。然而，傳統防寒服往往采用厚重的材料進行保溫，使防寒服的重量和體積較大。因此，在減輕重量和提高可穿戴性的同時，保持防寒服的保溫性能成為設計過程中的一大挑戰［7］。

疊加態材料通過合理選擇輕質材料和優化層次結構，可以減輕防寒服的重量，使其更加輕便。另外，疊加態材料的柔性和可塑性也使得防寒服更具舒適度，能更好地貼合人體曲線，滿足人們的活動需求。

2.4 抗磨損性與耐用性

抗磨損性與耐用性是防寒服設計中需要考慮的另一個因素。戶外活動或極地探險等場景對防寒服的耐用性要求較高，然而，許多傳統防寒服材料在滿足保溫、透氣等性能的同時，容易出現磨損和損壞。因此，在設計防寒服時，如何確保其具有良好的抗磨損性與耐用性是一大挑戰。

疊加態材料可以通過在設計中引入高強度、耐磨損的材料層來增強防寒服的抗磨損性能。另外，通過優化材料的結構和紡織工藝，還可以提高防寒服的抗撕裂性能和耐用性。

為了滿足防寒服的設計需求，設計師需要尋找新的材料和技術，以提高防寒服的整體性能。在這方面，疊加態材料憑借其獨特的物理特性，為防寒服的設計提供了新的可能。在實際應用中，設計師需要克服這些挑戰，才能充分發揮疊加態材料的優勢，為防寒服設計帶來革新。

3 疊加態材料在防寒服設計中的應用

3.1 保溫性能的提升

3.1.1 疊加態纖維的熱導率特性

疊加態纖維具有極低的熱導率，能有效降低熱量的傳導損失，從而提高防寒服的保溫性能。與傳統材料如棉、羊毛和合成纖維相比，疊加態纖維在保溫效果上具有顯著優勢，這是因為疊加態纖維結構獨特，其微觀空間可以限制氣體分子的流動，減緩熱量的傳遞。此外，疊加態纖維在不同溫度下具有穩定的保溫性能，適用于各種氣候條件［8］。根據先防寒后保暖的原則，在設計防寒服時，需要考慮到防風、保暖和透氣等因素，以提供更好的保溫性能和舒適度。

3.1.2 疊加態材料在保溫層的應用

通過將疊加態材料制成纖維、紡織品或復合材料，可以廣泛應用于防寒服的保溫層。疊加態材料在保溫層中的應用，可有效提高防寒服的保溫性能，滿足不同環境下的需求；可以與其他紡織材料復合使用，如將疊加態纖維與羽絨、仿羽絨或其他合成填充物相結合，以實現更高的保溫性能和更佳的舒適度。同時還能為防寒服設計師帶來更多的設計靈感和可能性。

3.2 透氣性與舒適性的優化

3.2.1 疊加態材料的透氣性能

在防寒服設計中，透氣性是一個關鍵問題。防寒服需要具備良好的透氣性，以便人體的汗水和濕氣能夠及時排出，避免濕熱引起的不舒適和健康問題。疊加態材料通過合理選擇透氣性較好的纖維材料，采用適當的紡織結構，實現透氣性與保溫性的平衡，可以保證防寒服在保溫的同時，有效排放體內產生的水分，提高防寒服的透氣性與舒適性。

3.2.2 疊加態材料對濕氣的調節作用

由于疊加態材料具有較高的水汽傳輸性能，可以有效調節濕氣，使防寒服在不同環境下都能保持舒適的穿戴體驗。這一特性尤其適用于極端天氣條件下的戶外活動，如登山、滑雪等。隨著冬奧時代的中國冰雪運動科技創新與數字體育發展，應關注全球科技前沿以及冰雪項目科技應用中還未被涉及的方面，如人工智能自動化智能交互可穿戴技術、滑雪杖微觀結構、滑雪鞋捆綁單元創新等，都可以與疊加態材料相結合，為奧運新科技提供可持續發展路徑［9］。疊加態材料在透氣性與舒適性方面的表現，為防寒服設計提供了全新的解決方案，有望改變傳統防寒產品的局限性。

3.3 輕便性與可穿戴性的改進

3.3.1 疊加態材料的質量優勢

疊加態材料具有低密度和輕質特性，可用于制作輕便的防寒服。相較于傳統的防寒服材料，疊加態材料能夠顯著減輕防寒服的重量，提高其可穿戴性，使人在戶外活動中更加自由舒適。

3.3.2 疊加態材料的柔韌性與可塑性

疊加態材料可制成具有良好柔韌性和可塑性的紡織品，以便適應各種復雜的環境。通過采用彈性纖維材料、彈性薄膜或彈性復合材料等，防寒服能更好地貼合人體曲線，滿足人們的活動需求，穿著也更舒適。

3.4 抗磨損性與耐用性的提高

3.4.1 疊加態材料的高強度特性

疊加態材料具有較高的強度，可以提高防寒服的抗磨損性與耐用性。相比傳統材料，疊加態材料能夠更好地抵抗磨損和撕裂，延長防寒服的使用壽命。

3.4.2 疊加態材料在防寒服面料中的應用

通過將疊加態材料與其他紡織材料復合或者以纖維形式應用在防寒服的外層，可以顯著提高防寒服面料的抗磨損性與耐用性，能夠有效抵御戶外環境中的各種磨損和損傷。

4 實際案例分析

下面通過兩個具體案例，分析疊加態材料在防寒服設計中的應用，以展示其優勢和潛力。

案例一：AeroGel 防寒服。

AeroGel 是一種具有低密度、低熱導率和良好透氣性的疊加態材料。近年來，AeroGel 已被廣泛應用于航天、建筑和紡織領域。AeroGel 防寒服采用了氣凝膠（aerogel）作為保溫層，有效提高了保溫性能。與傳統的羽絨、化纖等保溫材料相比，AeroGel 具有更低的熱導率，能夠有效降低熱量散失。此外，AeroGel 的低密度和良好透氣性使得防寒服更輕便、舒適。AeroGel 防寒服在極地探險、登山運動等戶外活動中得到了廣泛應用，受到了消費者的一致好評。

案例二：GraPheneX 防寒夾克。

GraPheneX 防寒夾克采用石墨烯（graphene）疊加態材料為基礎，具備出色的保溫、透氣和抗磨損性能。石墨烯被認為是一種理想的疊加態材料，具有高強度、低密度、高熱導率和良好的電導性。GraPheneX 防寒夾克利用石墨烯的高熱導率，實現了有效的熱量分布，從而提高了保溫性能。同時，石墨烯的高強度和耐磨性使防寒夾克具有更長的使用壽命。GraPheneX 防寒夾克在戶外運動、冬季滑雪等活動中表現出色，深受用戶喜愛。

通過上述兩個案例，可以看出疊加態材料在防寒服設計中的應用前景廣闊。疊加態材料不僅能夠提高防寒服的保溫性能、透氣性和輕便性，還能提高其抗磨損性和耐用性。未來疊加態材料在防寒服領域的應用將會越來越成熟，為人們提供更加舒適、高性能的防寒服裝。此外，疊加態材料的發展還將促進相關領域的創新，如生產工藝、設計理念等方面。

5 面臨的挑戰與未來發展方向

盡管疊加態材料在防寒服設計中具有廣泛的應用前景，但在實際推廣過程中，仍面臨一些挑戰和問題。以下將從生產成本、環境影響、可持續性、創新與多樣性等方面探討疊加態材料在防寒服設計中的挑戰與未來發展方向。

5.1 疊加態材料的生產成本降低

目前，疊加態材料的生產成本相對較高，這在一定程度上限制了其在防寒服設計領域的廣泛應用。為了實現疊加態材料在防寒服領域中的大規模應用，未來需要針對其生產工藝進行優化，以降低生產成本，提高生產效率。

5.2 疊加態材料對環境的影響與可持續性研究

在推廣疊加態材料的過程中，必須充分考慮其對環境的影響和可持續性問題。未來三維研究需要關注疊加態材料的生產、使用和處置過程中的環境影響，以實現環保和可持續發展。此外，還可以通過發展循環利用技術和生物降解材料技術，提高疊加態材料的環保性能。

5.3 疊加態材料在防寒服設計中的創新與多樣性

為了滿足不同消費者的需求，疊加態材料在防寒服設計中應不斷創新。設計師可以嘗試將疊加態材料與其他紡織材料進行復合，充分發揮疊加態材料的優勢，創造出具有獨特性能和風格的防寒服。未來的研究需要關注生產工藝的優化、環保性能的提高和設計創新等方面，通過克服這些挑戰，疊加態材料在防寒服設計領域有望實現廣泛應用，為人們提供更加舒適、高性能的防寒產品。

6 結語

疊加態材料在防寒服設計中的發展面臨一定的挑戰，但其優越性能在防寒服設計中具有巨大潛力和廣泛的應用前景。通過不斷優化生產工藝、關注環境影響和可持續性發展問題，發揮創新和多樣性，提升人們在極寒環境中的生活質量和安全保障。疊加態材料在防寒服領域的應用將越來越廣泛，同時，也將推動相關產業的發展和升級，促進環保和可持續發展。