把科技穿在身上，既有溫度也有風度
2023-02-03 08:44 作者：陳 曦 來源：科技日報 閱覽：
在剛剛過去的春節假期，受寒潮天氣影響，全國部分地區氣溫大幅下降，處於「速凍」模式中。
來自中央氣象臺的資訊，節日期間，我國東北、華北部分地區，氣溫創今冬新低，黑龍江省漠河市最低溫度甚至跌至零下53攝氏度。
為了防寒，連不少「要風度、不要溫度」的年輕人，都穿上了厚實的外套。
不過，想禦寒保暖，不必非要把自己裹成「粽子」。如今，用在冬衣上的「黑科技」能夠幫助人們「既有風度、也有溫度」。
「人體熱量的散失是由於熱傳遞造成的，熱傳遞有3種基本方式：傳導、對流和輻射。」天津工業大學紡織科學與工程學院高級工程師、博士生導師夏兆鵬在接受科技日報記者採訪時介紹道，為了達到保溫效果，在設計上冬季防寒衣物要盡一切可能減少熱量經由這3種途徑流失，冬季保暖材料及保暖服裝也都是圍繞著這一原理進行研發和設計的。
仿造鵝絨：
即使被浸濕也能實現保暖效果
「冬天人體與外部低溫環境間存在巨大溫差，這就造成熱傳導，即熱量會從溫度高的地方傳導到溫度低的地方。如果在衣服中加入低導熱係數的高蓬鬆保暖填充物，就可以阻止熱傳導，進而減少人體熱量散失，達到保暖的目的。」夏兆鵬介紹道，這類保暖填充物主要起阻隔熱傳導的作用，目前比較常見的天然材料有棉、毛、羽絨等，比較常見的化學纖維材料有中空滌綸、噴膠棉等。
與傳統保暖填充材料相比，近年來出現了一些新型保暖填充材料，其中具有代表性的就是仿鵝絨結構高保暖絮片。這種填充材料不僅保暖性強、輕便，而且在潮濕的環境下依舊可以持續保暖。在2022年北京冬季奧運會上，中國運動員的防寒服中就用這種仿鵝絨結構高保暖絮片作為填充材料，其在完全浸濕的條件下仍然能夠達到98%的保暖率。
「仿鵝絨結構高保暖絮片的主要成分是與鵝絨纖維直徑長度相差不大的仿造鵝絨，同時混入遠紅外滌綸和熱熔滌綸。」夏兆鵬解釋，其中仿造鵝絨以中空滌綸和Y形滌綸為主體，這兩種滌綸可以最大限度地儲存靜止空氣，而靜止空氣可以較好地保存熱量。此外，即使是在被水浸濕的情況下，中空滌綸和Y形滌綸依然可以儲存一定的靜止空氣。
仿鵝絨結構高保暖絮片能夠克服天然鵝絨顯臃腫、有異味、易跑絨和價格高等缺點，同時具有超輕、超薄、濕態保暖、高蓬鬆度等特點，而且洗滌後回彈性好、不縮水、保暖率不降低。
碳納米管加熱膜：
通電即發熱，溫度可調控
採用加熱材料製作的電熱服是國內外研究最多的冬季服裝之一。
「常見的加熱材料有鎳鉻加熱絲、複合加熱絲、碳纖維加熱絲、碳納米管加熱膜等，這些材料被內置於衣服中製成電熱服，當電熱服連上充電設備後，電流經過衣服內部的加熱材料就會產生熱量，仿佛把電熱毯披在身上。」夏兆鵬介紹，除此之外，該類衣服還內置了傳感器，通過藍牙即可實現對衣服的智能控溫，用戶只需要下載一個App，就可以用手機隨時調整衣服的溫度。
其中，碳納米管加熱膜作為控溫加熱系統中的重要元件，具有非常好的應用前景。「碳納米管加熱膜可以反復水洗，耐彎折次數達到10萬次以上，而且薄膜厚度約為幾十微米，具有非常好的柔性，發熱效率大於65%。」夏兆鵬補充道。
除此之外，價格相對便宜的金屬絲線性加熱元件，如鎳鉻加熱絲、複合加熱絲等，也是加熱「能手」。
「金屬絲類材料具有高導電性、良好的電加熱性能，且具有傳感、電磁屏蔽等性能。以複合加熱絲為例，其是在金屬絲中添加了鉬，既減少了金屬的氧化，同時還可以提高金屬電加熱元件的耐用性。」夏兆鵬介紹道，將含有鉬的金屬絲，通過冷拉伸工藝變成微米級金屬微絲，使其由金屬絲轉變為纖維。該纖維可以與聚酯紗線混紡製備成紗線，用其製作出的織物具有導電性。
相較普通導電織物，這種導電織物的柔性及舒適性都有所提昇。「其柔性及形態與傳統纖維及紗線十分接近，舒適性也得到提昇。」夏兆鵬表示，不過，這類製衣材料仍然存在不耐長時間水洗、比較重等缺點。
人體紅外反射材料：
人體熱輻射反射率可達60%
紅外熱輻射是人體熱量損失的另一種形式，傳統紡織品的紅外輻射率高、熱量損失快，有研究指出棉花不可避免地會以中紅外形式輻射出人體50%以上的熱量。而人體紅外反射材料則可以通過將人體發出的紅外波反射回人體的方式減少紅外熱輻射損失，以達到保暖的效果。
「人體紅外反射材料多數由金屬顆粒構成，這些顆粒以一種微結構形式存在，將此材料附在織物上，便形成了紅外波反射層。該反射層可以把人體輻射的大部分紅外波都反射回來，從而達到保溫效果。」夏兆鵬補充道。
「人體紅外反射材料通常被用來製作冬裝外衣的內襯，一般其人體熱輻射反射率可以達到60%，提高服裝防寒保暖效果比較明顯。」夏兆鵬表示，不過，如果長時間處在超低溫環境下，由於人體輻射的熱量有限，因此該材料或無法達到理想的保暖效果。
聚四氟乙烯微孔膜：
低溫環境下既透氣又防水
冬季戶外可能會出現下雨、降雪、霜凍等天氣，通過高密防水層阻擋雨、雪、霜的侵入，可避免因衣物內層保暖材料被浸濕而導致保暖係數降低、保暖效率下降甚至失效。
「防水材料是在高密織物外面附上一層聚四氟乙烯微孔膜、水性聚氨酯膜或者聚氨酯膜。」夏兆鵬解釋道，聚四氟乙烯微孔膜每平方厘米有十多億個孔，在低溫環境下，這些孔洞的開孔率可以達到80%。該孔的直徑比水蒸氣分子的直徑大700倍，因此人體產生的汗蒸汽可以從中通過，從而保持衣服的透氣性。聚四氟乙烯微孔膜上孔的直徑比一般水的直徑小很多倍，因此外面的液態水無法通過，從而達到了防水的目的。
來自中央氣象臺的資訊，節日期間，我國東北、華北部分地區，氣溫創今冬新低，黑龍江省漠河市最低溫度甚至跌至零下53攝氏度。
為了防寒，連不少「要風度、不要溫度」的年輕人，都穿上了厚實的外套。
不過，想禦寒保暖，不必非要把自己裹成「粽子」。如今，用在冬衣上的「黑科技」能夠幫助人們「既有風度、也有溫度」。
「人體熱量的散失是由於熱傳遞造成的，熱傳遞有3種基本方式：傳導、對流和輻射。」天津工業大學紡織科學與工程學院高級工程師、博士生導師夏兆鵬在接受科技日報記者採訪時介紹道，為了達到保溫效果，在設計上冬季防寒衣物要盡一切可能減少熱量經由這3種途徑流失，冬季保暖材料及保暖服裝也都是圍繞著這一原理進行研發和設計的。
仿造鵝絨：
即使被浸濕也能實現保暖效果
「冬天人體與外部低溫環境間存在巨大溫差，這就造成熱傳導，即熱量會從溫度高的地方傳導到溫度低的地方。如果在衣服中加入低導熱係數的高蓬鬆保暖填充物，就可以阻止熱傳導，進而減少人體熱量散失，達到保暖的目的。」夏兆鵬介紹道，這類保暖填充物主要起阻隔熱傳導的作用，目前比較常見的天然材料有棉、毛、羽絨等，比較常見的化學纖維材料有中空滌綸、噴膠棉等。
與傳統保暖填充材料相比，近年來出現了一些新型保暖填充材料，其中具有代表性的就是仿鵝絨結構高保暖絮片。這種填充材料不僅保暖性強、輕便，而且在潮濕的環境下依舊可以持續保暖。在2022年北京冬季奧運會上，中國運動員的防寒服中就用這種仿鵝絨結構高保暖絮片作為填充材料，其在完全浸濕的條件下仍然能夠達到98%的保暖率。
「仿鵝絨結構高保暖絮片的主要成分是與鵝絨纖維直徑長度相差不大的仿造鵝絨，同時混入遠紅外滌綸和熱熔滌綸。」夏兆鵬解釋，其中仿造鵝絨以中空滌綸和Y形滌綸為主體，這兩種滌綸可以最大限度地儲存靜止空氣，而靜止空氣可以較好地保存熱量。此外，即使是在被水浸濕的情況下，中空滌綸和Y形滌綸依然可以儲存一定的靜止空氣。
仿鵝絨結構高保暖絮片能夠克服天然鵝絨顯臃腫、有異味、易跑絨和價格高等缺點，同時具有超輕、超薄、濕態保暖、高蓬鬆度等特點，而且洗滌後回彈性好、不縮水、保暖率不降低。
碳納米管加熱膜：
通電即發熱，溫度可調控
採用加熱材料製作的電熱服是國內外研究最多的冬季服裝之一。
「常見的加熱材料有鎳鉻加熱絲、複合加熱絲、碳纖維加熱絲、碳納米管加熱膜等，這些材料被內置於衣服中製成電熱服，當電熱服連上充電設備後，電流經過衣服內部的加熱材料就會產生熱量，仿佛把電熱毯披在身上。」夏兆鵬介紹，除此之外，該類衣服還內置了傳感器，通過藍牙即可實現對衣服的智能控溫，用戶只需要下載一個App，就可以用手機隨時調整衣服的溫度。
其中，碳納米管加熱膜作為控溫加熱系統中的重要元件，具有非常好的應用前景。「碳納米管加熱膜可以反復水洗，耐彎折次數達到10萬次以上，而且薄膜厚度約為幾十微米，具有非常好的柔性，發熱效率大於65%。」夏兆鵬補充道。
除此之外，價格相對便宜的金屬絲線性加熱元件，如鎳鉻加熱絲、複合加熱絲等，也是加熱「能手」。
「金屬絲類材料具有高導電性、良好的電加熱性能，且具有傳感、電磁屏蔽等性能。以複合加熱絲為例，其是在金屬絲中添加了鉬，既減少了金屬的氧化，同時還可以提高金屬電加熱元件的耐用性。」夏兆鵬介紹道，將含有鉬的金屬絲，通過冷拉伸工藝變成微米級金屬微絲，使其由金屬絲轉變為纖維。該纖維可以與聚酯紗線混紡製備成紗線，用其製作出的織物具有導電性。
相較普通導電織物，這種導電織物的柔性及舒適性都有所提昇。「其柔性及形態與傳統纖維及紗線十分接近，舒適性也得到提昇。」夏兆鵬表示，不過，這類製衣材料仍然存在不耐長時間水洗、比較重等缺點。
人體紅外反射材料：
人體熱輻射反射率可達60%
紅外熱輻射是人體熱量損失的另一種形式，傳統紡織品的紅外輻射率高、熱量損失快，有研究指出棉花不可避免地會以中紅外形式輻射出人體50%以上的熱量。而人體紅外反射材料則可以通過將人體發出的紅外波反射回人體的方式減少紅外熱輻射損失，以達到保暖的效果。
「人體紅外反射材料多數由金屬顆粒構成，這些顆粒以一種微結構形式存在，將此材料附在織物上，便形成了紅外波反射層。該反射層可以把人體輻射的大部分紅外波都反射回來，從而達到保溫效果。」夏兆鵬補充道。
「人體紅外反射材料通常被用來製作冬裝外衣的內襯，一般其人體熱輻射反射率可以達到60%，提高服裝防寒保暖效果比較明顯。」夏兆鵬表示，不過，如果長時間處在超低溫環境下，由於人體輻射的熱量有限，因此該材料或無法達到理想的保暖效果。
聚四氟乙烯微孔膜：
低溫環境下既透氣又防水
冬季戶外可能會出現下雨、降雪、霜凍等天氣，通過高密防水層阻擋雨、雪、霜的侵入，可避免因衣物內層保暖材料被浸濕而導致保暖係數降低、保暖效率下降甚至失效。
「防水材料是在高密織物外面附上一層聚四氟乙烯微孔膜、水性聚氨酯膜或者聚氨酯膜。」夏兆鵬解釋道，聚四氟乙烯微孔膜每平方厘米有十多億個孔，在低溫環境下，這些孔洞的開孔率可以達到80%。該孔的直徑比水蒸氣分子的直徑大700倍，因此人體產生的汗蒸汽可以從中通過，從而保持衣服的透氣性。聚四氟乙烯微孔膜上孔的直徑比一般水的直徑小很多倍，因此外面的液態水無法通過，從而達到了防水的目的。
