劉樹英

人體是一個恒溫機體，紡織服裝產品的重要作用之一是適溫保暖功能，傳統(tǒng)的適溫保暖方法是增加著裝的厚度，相應的是增加纖維材料的用量。據美國《Fiber Organon》統(tǒng)計，2013年世界纖維生產約為8949萬t，比上年增長2.9%，創(chuàng)歷史最高紀錄；2013年世界纖維實際需求為9090萬t，比2012年增加2.7%，首次突破了90000 kt大關。

可以想象，這樣巨大的材料生產導致的溫室氣體排放和能源消耗是驚人的，每年消耗與廢棄的纖維制品對環(huán)境產生的破壞也是不言而喻的。因此改善纖維材料的適溫保暖功能，減少纖維材料的用料或降低供暖能量，或者改善纖維的蓄溫、發(fā)熱與調溫等性能，達到在環(huán)境溫度較高時可降溫涼爽和環(huán)境溫度較低時可生熱保溫，以降低空調制冷或制熱的能耗，開發(fā)適溫型纖維必將是未來纖維材料的發(fā)展趨勢。

一、人體感受與適溫纖維面料

研究表明，當人體處于熱平衡時，感覺舒適的皮膚平均溫度在33.4℃左右，身體任何部位的皮膚溫度與皮膚平均溫度的差在1.5℃～3.0℃范圍內，人體感覺不冷不熱，超過±4.5℃范圍，人體將有冷暖感。人們著裝的第一舒適指標是既不感到熱也不覺得冷的狀態(tài)，因此要求制作服裝的纖維面料要具有適溫保暖的功能。

具有適溫型功能的纖維面料有三大類：一是蓄熱保暖類適溫纖維；二是用某種方法取得發(fā)熱類適溫纖維；三是自動調節(jié)溫暖（智能）類適溫纖維。而服裝的適溫保暖性能受以下幾種因素影響：纖維材料與紗線；紗線結構、織物結構、編織結構；后處理加工。但是，纖維材料和紗線中含有的空氣越多，保溫效果越好。通過纖維材料與紗線取得保暖效果時，還與空氣含有率、皮膚觸感、吸散濕性、吸濕發(fā)熱性、光吸收發(fā)熱性和遠紅外線放射性等功能性因素有關。

二、蓄熱保暖類適溫型纖維

服裝的傳統(tǒng)蓄熱保暖是以阻止身體所發(fā)出的熱量逃逸為主的。上世紀末以來，對于蓄熱保暖類纖維的開發(fā)，開始采用在紗線中加入二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦、陶瓷粉以及碳化鋯顆粒等遠紅外線放射功能粉體，并相繼開發(fā)出了電暈放電原理、異形差別化功能等蓄熱保暖類適溫型纖維。

1.紅外類蓄熱保暖纖維。人體是有一個恒溫發(fā)熱體，大部分的熱能以熱輻射的形式向環(huán)境散發(fā)，采用復合纖維與紅外材料復合制成的功能纖維服裝可吸收人體的熱輻射，發(fā)射極易被人體吸收的4～14微米的遠紅外線，促進血液循環(huán)，使皮下深層溫度升高。在相同著裝情況下，該功能性產品與常規(guī)纖維服裝相比，可使體溫提高2～4攝氏度，達到明顯蓄熱保暖的功效。

從上世紀80年代開始，紅外類適溫型纖維是采用在紗線中加入放射遠紅外線的陶瓷微粒，經后加工使陶瓷微粒附著紗線的技術來達到蓄熱保暖效果。后來采用在化纖中混入二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦等遠紅外線放射功能粉體，制造遠紅外輻射功能纖維，其中，日本公司以及各國紡織纖維廠商均進行了相關技術研究和開發(fā)。

日本鐘紡公司率先制成一種摻有陶瓷粒的纖維，可以把人體散發(fā)出的熱能轉化成光能，產生一種遠紅外線，使其具有保暖、促進血液循環(huán)的功能。由于它能促使身體內部發(fā)熱，以致在脫掉衣服后的一段時間內，身體仍然能夠保持余溫。

美國StandardTextileCo公司最近推出一種多原子高輻射紅外陶瓷纖維內褲，這種內褲能使腰部發(fā)熱，而且是遠紅外線從內部發(fā)熱，從而促進腰部血液循環(huán)。其秘密在于內褲采用ZrO2、FeO3、MnO2和增強劑的超細粉末與多原子高分子聚合物制成母粒及熔融紡絲合成遠紅外陶瓷化學纖維的特殊織物，這種織物能將人體身上的體溫轉化為光能，放出遠紅外線，而遠紅外線浸透到腰的深部時具有改善微循環(huán)、活化細胞的作用，并有蓄熱保暖的適溫效果。

“Ceramino”是鐘紡合纖公司開發(fā)的儲熱保暖聚酯纖維材料。該公司采用在后加工過程中將遠紅外吸收大分子物質均勻地滲透到纖維分子的內部結構（無定形區(qū)）的技術，以提高對陽光等外界紅外線的吸收率。該纖維應用于內衣、襪子、運動服、泳衣和外衣，能起到儲熱保暖效果。

巴西Rhodia公司新開發(fā)的遠紅外碳化鋯化學纖維，是包括丙烯腈、丙烯酸甲酯和甲基丙烯磺酸鈉共聚而成，其纖維中分散有直徑為0.1μm～4μm的遠紅外陶瓷粉以及直徑為0.01μm～1μm的碳化鋯顆粒，質量比為100∶6～14∶0.1～1，細度為1.2D～5D，具有良好的可紡性能。該纖維具有遠、近紅外的吸收能量的功能，因而能夠將陽光轉換為遠紅外線，并可在低溫（接近體溫）下輻射遠紅外線，從而達到蓄熱保暖，促進血液流動，改善新陳代謝等功效。

2.導電類蓄熱保暖纖維。導電纖維的抗靜電機理是使導電纖維之間產生電暈放電。電暈放電是一種很緩和的放電形式，當靜電壓達到一定的數(shù)值后，即產生無火花的電暈放電使靜電消除。這種現(xiàn)象通常認為是織物中的導電纖維，在靜電場的作用下，使周圍的空氣產生電離作用而形成正負離子，正負離子中的一種與織物所帶靜電荷相反而中和，另一種則與環(huán)境或大地中和，從而消除了靜電。由于在纖維中加入光電熱轉變特性的無機高分子微粒，在光電作用中可使織物具有蓄熱保暖功能

三菱人造絲公司運用電暈放電原理開發(fā)的“THERMOCATCH” 蓄熱保暖的白色導電纖維已引起生產廠家的普遍關注。由于該纖維制造中選用了蓄熱保暖功能劑和抗靜電功能劑，并運用了復合化技術及導電層成形技術，因而使得白色導電性陶瓷微粒子能夠均勻地分散于纖維內部，經紡絲加工后既可制成性能超群，白度、風格、絲質、染色性能等各項指標均能達到耐久性多功能纖維材料的使用要求，還具有較好的蓄熱保暖性能?！癟HERMOCATCH”主要用于工作服、外衣、裙褲、防塵服、遮罩材料、毛巾、地毯等領域。

倉麗公司新開發(fā)的“Autumn orchid seoul”導電適溫型纖維，具有中空三層構造，最內層的中空化使重量減輕且產生獨特的挺括度；中層摻入高分子導電材料線型聚苯粉末、產生超無光和高導電功能，最外層摻入特殊陶瓷粉可阻斷太陽光紫外線達90%以上，并產生高蓄熱效果，使該纖維外觀呈松散粉狀和獨特觸感，中空率高達15%～20%，既重量輕又提高保暖性。這種新合纖已開始應用于男女外衣、運動衣、制服、內衣、家用裝飾紡織品等。endprint

3.差別化異形類蓄熱保暖纖維。差別化異形纖維也被用于新型保暖織物，如采用超細型、異形截面型、織物孔眼型以及纖維態(tài)異形、多腔、中空型等制作的化學纖維，可使織物的含氣量大大增加并有極好的穩(wěn)定性，從而達到保暖、蓄熱的目的。

最近，杜邦公司推出一種新型的滌綸空心長纖維，被稱為用于保暖性內、外衣的“終極纖維”。該纖維由一種共聚物紡成，具有很高的保暖性能。它的空腔比以往的Thermax滌綸空芯短纖維大23%，其透氣性能也大于聚丙烯纖維和涂層滌綸。它的第一批產品包括運動式冬裝，高密內衣、手套、帽子和短襪等。

銳步運動衣公司利用“熱水瓶原理”新推出的Hydromove差別化異形纖維，其中空造型兼具排汗及恒溫的調節(jié)功能。這種纖維的中空率高達35%～40%，在天冷時會在皮膚與布料之間產生濕氣層，達到保溫功能；當氣溫升高皮膚出汗后，則能利用纖維固有的靜電反應以易吸水超細纖維的“毛細管性能”將汗氣排出，并調節(jié)穿著的溫度。

日本帝人有限公司利用水汽含量僅0.5%的聚酯類開發(fā)出一種名為威爾基的吸汗快干又保溫空芯型纖維。其外緣有許多微小孔與中間的空腔連通，能夠產生毛細管現(xiàn)象，以加快蒸發(fā)，因而它具有納涼吸濕和快干性能，穿著舒適。

日本尤尼吉可公司研究的超空密度微纖維運用精細差別化異形工藝制成的LLD織物，具有防水防雨與透氣保溫的優(yōu)良效果。其奧秘是LLD織物仿造了自然界荷葉對水的排斥效應，能使落在織物上的雨水形成閃動的小水珠而滾落。這是因為織物中卷曲的纖維將空氣圍在紗線內，而空氣對水的排斥性很強，當雨水落在織物上時，紗線內貯存的空氣不僅保持溫度，還會使水珠滾落不使它潤濕。

美國肖氏產業(yè)公司新開發(fā)的Stretching memory insulation纖維，它是一種異形截面型記憶適溫纖維。其工藝是運用高分子合成改性技術，對聚異戊二烯材料進行分子組合及分子結構調整制成能自動調溫的化學纖維，它對周圍的溫度反應將特別敏感，可隨溫度的變化而變化，使服裝內形成一個小氣候環(huán)境。在酷暑季節(jié)，該纖維的異形截面自行收縮使編織物的孔眼張開而通風透氣，大大提高服裝散熱能力；在寒冬臘月，該纖維的異形截面又自行膨脹，使編織物的孔眼閉合而阻止空氣流通，從而提高了服裝的保暖能力。

日本東麗與法國合資企業(yè)Soficar新生產開發(fā)的Automatic temperature control纖維，是利用一種天氣狀況記憶聚合物包著尼龍及聚酯的新纖維衣料。當天氣炎熱時，這種纖維會自動張開，讓汗水排出，當天氣寒冷時，衣料纖維則會緊閉，產生保暖作用。制造該新衣料的秘訣在于那層天氣狀況記憶聚合物及包覆技術。其聚合物分為晶體和非晶體兩部分微粒，當溫度升至25℃以上時，非晶體部分的微粒分子會出現(xiàn)變動，使分子間的距離擴大，便于汗水排出；若氣溫降至25℃以下，微粒分子則會收縮，纖維間的距離縮短，從而起到吸濕保暖效果。尼龍及聚酯纖維即藏于厚度僅5～10微米的聚合物內。用該新衣料制成能自動調節(jié)溫度的運動服，能迅速吸收汗水和幫助汗水蒸發(fā)，不會粘著皮膚，運動員的體溫可得到自動調節(jié)。

三、發(fā)熱類適溫型纖維

所謂發(fā)熱類適溫型纖維，是指自行發(fā)熱而溫暖身體的一種全新材料，其發(fā)熱機理主要有光熱轉換類、吸濕類、導電類等。

目前所謂的自發(fā)熱纖維在發(fā)熱方面的功能是有限的，因為從物質守恒定律出發(fā)，出現(xiàn)的熱能只能從人體的皮膚呼吸中獲得。目前作為保暖內衣的發(fā)熱度，大約在3℃～8℃左右。發(fā)熱類適溫纖維的特點：

★發(fā)熱性：利用吸收人體的皮膚呼吸產生的濕氣來達到發(fā)熱的效果。

★保濕性：纖維中間部分含有靜態(tài)的空氣，產生良好的隔溫效果，不僅讓面料本身重量減少，而且靜態(tài)空氣的保溫性也極佳。

★調濕性：利用纖維表面細微的溝槽所產生的毛細現(xiàn)象和特殊紡紗工藝，使多余的水分經蕊吸、擴散、傳輸?shù)茸饔醚杆傥詹⑸l(fā)，使身體保持干爽。

★柔軟性：模仿自然生態(tài)中的天然纖維，賦予纖維表面無數(shù)可呼吸的微孔，達到天然纖維的柔軟和舒適感。

★良好的抗起球性：利用特殊的紡紗技術，使其比同類紗線抗起球性提高很多。

1.光熱轉換類發(fā)熱纖維。日常生活和工作中，人體大部分時間處于各種光源的照射之中，而光熱轉換材料的特征就是將太陽光的能源轉換成熱能，并儲存在材料之中。黑色吸收面吸收太陽光輻 射，可以將光能轉換成熱能，其吸收性能好，但輻射熱損失大，所以黑色吸收面不是理想的光能吸收面。選擇太陽光吸收率高和發(fā)射比較低的化合材料，是制作比較理想光熱轉換的發(fā)熱纖維。

受北極熊毛光熱轉換的啟發(fā)，20世紀80年代，日本帝人公司開發(fā)了一系列利用儲存太陽光和人體輻射放熱的纖維產品。例如復合纖維陽光a，它的芯組分聚合物里含有吸光蓄熱性能的碳化鋯類化合物微粒，皮組分則為聚酯或聚酰胺。絲的規(guī)格有5.5tex、16.5tex滌綸和3.3tex、7.7tex錦綸。陽光a纖維具有杰出的吸收可見光和近紅外線的功能。制成服裝穿著后，在有陽光的日子里，服裝內的溫度比普通服裝高2℃～8℃，陰天時也可高2℃左右，保溫效果明顯提高。該纖維已被用來制作滑雪服、運動衫、緊身衣等多種產品。

日本omikenshi公司新開發(fā)具有發(fā)熱與保溫效果的solar touch纖維，是摻入了微粒子金屬氧化物的人造短纖維。該纖維的微粒子金屬氧化物吸收太陽光時，其分子產生共鳴使分子運動變得活潑，并在物質內相互產生撞擊，使纖維本體的溫度上升變成熱能自行發(fā)熱。solar touch就是利用了這一原理的機能性纖維。它和吸濕發(fā)熱纖維不同，即使在干燥的狀態(tài)下也能發(fā)熱，所以無須出汗。另外，solar touch還具有利用人體放出的微量遠紅外線進行發(fā)熱、蓄熱的“solar touch”特殊機能。在該公司的測試中，solar touch的發(fā)熱量高于棉織物。solar touch使用棉30%混紡的針織布料，發(fā)熱量仍很高，所以保溫性持續(xù)較長。endprint

目前所知的具有良好光熱轉換的功能材料是碳化鋯，這種材料對占太陽光能量95%、波長在2微米以下的光線有很強的吸收作用，并將吸收的光能轉換成熱能，使體系溫度升高。

尤尼吉可公司最新推出的Thermotron纖維，具有發(fā)熱與保濕優(yōu)越性能。每根Thermotron單纖維的芯部均溶有碳化鋯的微小粒子，使該纖維可以吸收所有可見光和太陽光，并把吸收的光能轉換成為熱能，同時還具有反射人體發(fā)出的遠紅外線的功能。通過“吸收光-熱/轉換”和“遠紅外-熱反射/轉換”的發(fā)熱與蓄熱機理，使人體得到所需的舒適、保暖溫度。該纖維材料剛問世時主要用于滑雪服，目前被作為針織產品的內里選材受到關注。

日本鐘紡公司新開發(fā)的Sunshine fever纖維，它是利用納米碳化鋯與錦綸復合的芯殼結構長絲，用它加工而成的服裝在有陽光時，具有高效率的“光-熱/轉換”功能，讓服裝內的溫度比相同的普通服裝高5～8攝氏度，即使在陰天也比普通服裝高2攝氏度。

日本東麗工業(yè)公司推出的一種新功能纖維Heat release，是用碳化鋯的聚合體做芯，聚酯或尼龍做鞘的復合絲。Heat release纖維不但具有高溫性能，而且能把太陽光變成熱貯藏起來，當氣溫下降時，再把熱量釋放出來，以達到“保暖”的目的。

具有良好光熱轉換的功能材料還有金屬化合物。日本帝人公司新研制成功的MPTE纖維，是在纖維的中空部分充入金屬化合物的Gold nanoparticles納米材料，由于纖維空腔結構所形成的大吸收截面以及空腔中Gold nanoparticles納米材料具有獨特的表面等離子體增強效應，從而使熱轉換效率明顯提高。因此這種纖維產品在吸收陽光中的熱能時有很強的發(fā)熱、保溫功能。這種衣料制成的衣服適宜中、小學的學生在氣溫較低的日子上游泳課時穿。

日本Kuroki 紡織廠和美國航天管理局合作研制成功的新型Reflect sunlight運動服。其織物纖維的制作方法是，在聚酯、再生纖維的混紡面料上真空蒸鍍一層在高溫下能熔化的鋁化合物。因此，它對太陽光中的紅外線，可比一般棉布服裝多反射50%，這就為長跑運動員帶來了福音。運動員穿上這種新型服裝，可以控制衣服內部溫度的升高而保持舒適感。

2.電熱轉換類發(fā)熱纖維。杜邦公司最近試制的一種用于適溫型服裝的電熱轉換類發(fā)熱纖維，是利用新型電熱材料DZR參與組成的Withstand the cold復合纖維，Withstand the cold原理如同電熱毯，利用導電纖維通電使纖維發(fā)熱，以達到取暖的效果。用該纖維制成的服裝，外形似一件薄薄的單衣，其實為一件電熱衣，能源來自隨身攜帶的可充電電池，在寒冷的冬季里，其源源不斷的熱量，足以抵御嚴寒。

日本東邦公司采用具有優(yōu)異導電性能的納米碳纖維，制成了通電后具有良好保暖性的Nano carbon source發(fā)熱纖維。這種纖維織成的織物除可用于保暖服裝、醫(yī)療保健服裝外，還可以用于電熱地毯、加熱床單、車輛加熱墊的制作。

日本東麗公司還用聚乙烯和炭黑粉末混合的方法制成了EHSCB發(fā)熱纖維。對這種電熱類發(fā)熱纖維的研究表明，當聚乙烯中混入10%炭黑制成直徑1 mm、長度10mm的纖維產品時，這種纖維約有500N的電阻，在40V的電壓下其表面發(fā)熱溫度可達到5℃～8℃，是高寒區(qū)服裝、戶外運動服與滑雪服的理想用料。

日本三菱公司新開發(fā)的Wen Changsi發(fā)熱長絲纖維，是采用棉、聚酯或芳族聚酰胺等有機纖維做纖芯，以樹脂做表質，并包覆導體碳纖之類的導電質而構成，施加適當電壓后，因焦耳熱使織物升溫生熱。

韓國HFG公司最近研制出一種名稱“Light wave effect”的碳磷型導電纖維；用它制作的織物與服裝，可以直接利用太陽光中的紅外光做熱源。這是一種對人體極為有益的自然熱源，通過光熱轉換機制將熱源傳到人體身上。同時，當太陽光中的紅外光波觸及人體與皮膚時，可以經過衣服穿透人的肌體40毫米之下，起到促進血液循環(huán)、新陳代謝與活化細胞組織等醫(yī)療效果。

3.化學熱能轉換類發(fā)熱纖維。在化學熱能轉換類發(fā)熱纖維中，碳纖維是一種新型的高性能發(fā)熱纖維材料，其升溫速率能產生人體需要的生命之光遠紅外線8μm～15μm，因此用碳纖維作為服裝材料，有著金屬、PTC等電熱體所不可比擬的諸多優(yōu)異性能。

據了解，聚酯類纖維通常會添加炭黑等導電劑，但聚酯導電劑的分散性差，如果大量添加則黏度增高，不能穩(wěn)定地制造出均質的絲。日本東麗公司最近采用兼?zhèn)涓咦冃胃櫺院透邔щ娦缘幕瘜W聚酯聚合物與納米炭黑粒子合成Gao Fare纖維，開發(fā)出具有世界先進水平的聚酯化學發(fā)熱纖維，其1厘米纖維絲電阻為800～1000萬歐姆，并已經為開發(fā)新型防高寒服裝提供了樣品。

英國Essentra纖維公司最近利用一種新型化學方法制取成功一種發(fā)熱調溫纖維。其奧秘是纖維內附有一層不透水的薄膜，內裝硫酸鈉粉末，當硫酸鈉受熱后會液化貯熱，其貯熱能力比水強60倍，從而使體感溫度下降；而遇冷時硫酸鈉會固化，同時將吸收的熱量散發(fā)出來。用其纖維制成的面料可用于服裝和窗簾。（未完待續(xù)）

譯據美國佛瑞斯特研究院的院刊《佛瑞斯特經濟》雜志2015年9月號～10月號

原文作者：佛瑞斯特研究院產業(yè)首席研究員約翰·格雷斯博士endprint