文章推荐丨用于个人热湿舒适管理的功能纺织品研究进展

研究篆刻印章，彰显个人品味 #生活乐趣# #生活艺术# #手工艺生活# #传统手工艺#

用于个人热湿舒适管理的功能纺织品研究进展

程宁波, 缪东洋, 王先锋, 王朝晖, 丁彬, 俞建勇

作者单位：东华大学服装与艺术设计学院、东华大学纺织科技创新中心、东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室

引文格式：程宁波, 缪东洋, 王先锋, 等. 用于个人热湿舒适管理的功能纺织品研究进展[J]. 纺织学报, 2022, 43(10): 200-208.

CHENG Ningbo, MIAO Dongyang, WANG Xianfeng, et al. Review in functional textiles for personal thermal and moisture comfort management[J]. Journal of Textile Research, 2022, 43(10): 200-208.

研究背景

服装作为人体的第2层皮肤,不仅对人体具有保护功能,而且可调节人体与环境的热平衡,给人带来舒适感。随着人们对舒适性的不断追求,供热通风与空气调节系统(HVAC),如空调,是用于建筑环境热调节的主要技术,该技术消耗能量多,且能耗占比逐年增大。国际能源署2020年数据显示,空调制冷占建筑能耗高达16%;国际能源署也表示,空调用电需求的增长是当今能源辩论中最关键的盲点之一,其中制冷产生的温室气体占全球排放总量7.8%。建筑环境空间大,空调能耗大使得资源得不到充分利用,此外,在相同热环境不同个体的舒适感是不同的,也难以满足个性化热舒适性和多样化场景应用。鉴于HVAC技术的缺陷和可持续发展战略,将具有个人热湿舒适管理功能的纺织品用于调节人体与服装微气候成为了一种极具吸引力的替代解决方案,得到了诸多学者的关注。具有热湿管理功能的智能服装成为了研究热点,该类服装在提高个体舒适及其在各种户外场景(军事、体育和特殊职业等)中的普遍适应性中极具潜力。

近年来,基于不同的热调节机制和制备方法,人们在开发具有热湿管理功能的纺织品上已做出许多研究,包括辐射调温织物、仿生调温织物、智能响应织物、相变材料、能量转换的可穿戴设备(如液体冷却、冷/热空气转换设备等)、防水透湿膜和单向导湿织物等,但这些工作只有部分得到真正应用,在舒适性、功能性、便携性和成本等多方面难以达到平衡。为促进具有热湿管理功能纺织品在个人热舒适调节领域的应用,以减少建筑能耗,本文将回顾热湿管理功能纺织品的最新研究进展,简述个体热湿舒适管理机制,介绍开发热湿管理功能纺织品的不同方法,主要包括辐射调温纺织品、相变调温纺织品、智能响应纺织品、导热纺织品、能量转换的调温纺织品和水分管理纺织品,并针对未来热湿管理功能纺织品的研究趋势和挑战提出一些观点,在提升个人热湿舒适和节约能源等方面具有重要的研究意义。

研究内容

1.个人热湿舒适管理机制

舒适性是一个复杂而模糊的概念,根据ISO 7730—2005《热环境的人类工效学》对热舒适的解释可知,热舒适主要是指人对热环境的主观满意程度评价,涉及物理、心理和生理3个方面,因环境、心理、年龄和性别等因素而存在差异,其中热湿舒适性对人体舒适感的贡献率约为61.5%。

在产热和散热的动态平衡下,人体核心温度维持在37 ℃左右,但人体的体温调节范围很窄(35~41 ℃),体温过高或过低会直接影响身体健康。人体体温调节和散热机制如图1所示。在静止状态下,人体大部分热量来源于人体新陈代谢,若从事体育活动时,骨骼肌产热大幅度增加。就散热而言,人体散热主要依靠皮肤,也有部分热量通过呼吸、排尿和排粪来散失。皮肤散热量高达90%,主要有热传导、对流、辐射和汗液蒸发4种途径。辐射、传导和对流称为干热交换,多数情况这3种散热方式协同作用,而蒸发是湿热交换,在高温或剧烈运动时汗液蒸发是人体散热最有效的方法也是主要途径。4种散热途径的热损失占比会因不同环境或场景而不同,如在高温高湿环境下,汗液蒸发冷却路径将被阻塞,人体会产生不适感,尤其在从事运动项目时,因此需要根据应用场景来设计材料或衣物以增强散热。

图1 人体体温调节和散热机制

若产热和散热不能平衡,衣物不仅会影响人的舒适感、心理情绪和工作效率,甚至会威胁生命健康。据报道,高温引起的热应激是危害人类健康最严重的气候威胁之一。已有研究表明改变空调设定值可节省部分能源,升高或降低1 ℃可节约10%左右的能源。若将空调设定值提高或降低一点,同时又不牺牲人体的热舒适,就可达到满足舒适性要求与节约能源的双重目的。许多学者也提出了新型的个人热湿管理概念,该目标是仅对人体微环境提供制热或降温,而不需浪费过多能源用于建筑供暖和制冷。

2.热湿管理功能纺织品的研究进展

近年来,HVAC被广泛应用于环境热调节,以改善满足人体热湿舒适,却引发了一些相关能源和环境问题。传统的热调节方式是通过增减衣物(如棉、毛和尼龙纺织品等)来防止冬天的热量散失或增强夏天热量散出,此法存在穿着不便和笨重等问题,另一方面,普通棉、涤纶等织物在炎热的夏季也无法管理红外辐射和汗液蒸发;因此,可用于人体热湿管理的辐射调温纺织品、相变调温纺织品、智能响应纺织品、导热纺织品、能量转换的调温纺织品和水分管理纺织品等成为了未来个人热湿舒适管理和建筑环境节能的重要研究热点。

2.1 辐射调温纺织品

温度高于绝对零度的物体都能以电磁波的形式向外传送热量,称之为辐射。人体最舒适的皮肤温度范围为33~34 ℃,皮肤具有高发射率(为0.98),红外辐射波长范围为7~14 μm,在中红外波段(MIR, 2.5~25 μm)范围内。同时地球大气拥有一个透明的辐射窗口(又称“大气窗口”),窗口波段为8~13 μm; 与人体红外辐射波段重叠,可允许8~13 μm 红外波段透过传达至宇宙空间(温度3 K)。若人体MIR可透过衣物,向天空发射并透过大气窗口传到宇宙空间,从而实现辐射降温效果,或是减少人体热辐射的散失达到保暖目的。对于户外环境,太阳是一种强烈的热辐射源,太阳光谱主要由紫外线(UV)、 可见光(VIS)和近红外线(NIR)多种波段组成,90%以上的热辐射集中在0.2~2.5 μm范围内,若衣物能减少太阳热辐射吸收则可实现有效降温。因此,具有热辐射调控性能的织物可成为改善热舒适的有效手段,在热-冷环境下衣物热辐射调控机制如图2所示。主要是通过调控织物对人体红外的透过率、织物向天空的中红外发射率和太阳光的反射率来管理人体-服装-环境的热辐射。

图2 人体体温调节和散热机制

辐射是散热的一种形式,织物允许人体MIR透过是降温的一种重要途径,反之就减少人体热辐射散出。

为更好适应户外日照环境,尤其在炎热的阿拉伯地区,减少太阳热辐射的吸收是降温的另一种途径,主要是通过提高中红外发射率和太阳光反射率来实现散热增强。

对于 辐射保暖织物,主要是通过最小化辐射热量的散失来达到保暖目的。一般情况下衣物和人体间会产生孔隙,通常是采用防风材料来减少对流的热损失或是采用低导热材料减少传导的热损失,往往忽略了人体的热辐射 调控。传统织物的发射率较高 ,会导致热辐射的损失。常见的方法是采用金 属涂层来提高人体MIR辐射的反射,以减少热量的散出。

2.2 相变调温纺织品

相变材料(PCM)是个人热湿管理重要的功能材料之一,以潜热形式吸收或释放大量能量为人体降温或加热予以缓冲作用。相变材料种类很多,常见的是固-液相变材料,利用因温度变化PCM转变物理性质过程中吸收或释放热量来维持体表的舒适感。

目前对PCM的研究集中在通过涂覆或是封装PCM在织物中制成具有温度调控的纺织品。PCM与织物结合技术包括涂覆技术、纺丝技术和层压技术。

2.3 智能响应纺织品

智能响应纺织品是将刺激响应性聚合物(SRP)集成到织物的一种先进纺织品。SRP随着环境刺激的变化,其性能也会发生变化,有热响应性聚合物、水分响应性聚合物、pH值响应性聚合物和光响应性聚合物等。这里用于个人热舒适管理的智能响应织物是指在温度和湿度(汗液)刺激下诱导纤维、纱线和织物结构变化来增强热交换的动态织物,这些动态织物能够响应环境变化进行双向调节从而改善服装热湿舒适性。

2.4 导热纺织品

材料导热系数决定了织物的导热性能,导热系数越小,织物的热绝缘性和保暖性能越高。空气的导热系数只有0.092 W/(m·K),静止空气常用于保暖织物中。多数传统织物的导热系数非常低,如棉和毛类,且由于自身结构可储存静止空气,是冬季服装最常用的材料。对于降温服装而言,这些传统的低导热材料阻碍了人体产生的热量快速散发到环境中,导致冷却效果不良。热传导与其他几种散热方式一样重要,导热系数的提高有助于提高热传导的速率。导热最常见的有金属导热(如Cu、Ag 、Al等)、无机非金属纺织品导热(如氮化硼、碳纳米管、石墨烯等)、高分子聚合物导热(如聚酰胺6、聚乙烯醇、超高分子量聚乙烯等)。增强织物冷却效果的方法之一就是加快对环境的散热速度。除了导热系数本身的影响,传热通道也很关键,关系着热量传递过程中的损失和速度。除了受环境因素的影响,导热系数和传热通道是热传导速度的主要影响因素。

将导热材料涂层在纤维表面上或嵌入纤维结构中是一种非常简便的方法,如在棉纤维上涂覆常用的低导热系数材料,与纯棉织物相比,涂层棉织物的导热系数可降低19.1%~44.5%,提高了棉织物的保暖性能;将 Al 2O 3 和醋酸纤维素混合溶液涂覆在纺织品上可达到降温效果,但仍然存在一些缺点,包括涂覆时间,涂覆方法、耐水洗性和柔软性等对衣物服用性能的影响。纳米技术的进步提供了不同材料类型和拓扑形状的高导热率填料。许多学者引入高导热填料同时使得导热填料在基体形成高效的导热通道,大量热量以热传导的方式传递,改变了热量的传递路径和传递速度,从而提高织物整体的热传导效率。

2.5 能量转换装置集成的调温纺织品

与基于纺织品的热湿管理概念不同,能量转换的调温纺织品是将微型能量转换装置集成在织物中,是发展个人热湿管理可穿戴技术的重要途径。将微型风扇或液体等集成在服装不同部位是一种较早的方式,通过增强热对流或是热传导来达到降温效果,目前已经得到市场初步应用,但体积大、穿着笨重且舒适性欠缺。

2.6 水分管理纺织品

织物水分传输影响着人体的生理舒适性,人体产生的汗液会与织物发生润湿、渗透、传输和蒸发4个过程,环境的温度、湿度和风速会影响湿热交换。传统织物存在汗液渗透速度慢和容易发生回渗等问题,无法对汗液进行较好管理。棉纤维吸收汗液会发生溶胀,阻塞纤维之间的气孔,影响人体与外界环境之间的热湿交换,导致产生黏体感和湿冷感,影响舒适性且容易引发感冒。近些年来,关于纺织品汗液传输的研究层出不穷,例如吸湿快干织物、单向导湿织物等。

研究结论

具有热湿管理的先进功能纺织品在个人热湿管理技术领域具有广阔应用前景,若能通过服装调控人体局部热湿实现舒适性,从而减少空调系统的使用,能够节约能源又满足个性化热湿舒适性,适应多样环境又有灵活性。虽然用于个人热湿管理系统的先进功能纺织品得到了一定的发展,但目前仍存在一些问题:上述多数纺织品大规模制备困难,且难以解决热量和汗液二者的优化平衡,不足以适应极端环境或是特殊场景,实际市场应用不够成熟;目前绝大多数纺织品的降温/保暖评价多是采用实验室模拟皮肤测试的,而实际穿着的热舒适性受多因素影响,对个人热湿管理的评价体系还不够完善;使用功能单一化,智能化设计不足。

通过总结和分析认为未来相关研究发展方向可从以下几个方面展开:1)集成多功能,将个人热湿管理技术和功能防护服装(防水、防风、阻燃和抗菌等)结合起来,以适应更多的应用场景,如进一步提高野外作战服、医用防护服、户外运动服和消防服等实际应用;2)完善个人热湿管理系统评价体系,开发新型变温暖体假人或采用真人着装试验法进一步评价织物降温/保暖效果;3)随着智能可穿戴技术的发展,可将用于个人热量管理的高级纺织品、能量收集技术和柔性电子设备集成在一起,可监测各种的生物信号(温度、肌电图,心电图和皮肤电活动等)以进行后续控制和调整,实现具有多种功能的下一代智能服装。

网址：文章推荐丨用于个人热湿舒适管理的功能纺织品研究进展 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/950115

相关内容

纺织品异味及除异味技术研究现状及进展
第六届(2019)国际功能性纺织品及提高纺织品附加值技术研讨会
抗菌防螨多功能纺织品的性能研究与产品开发 －挑战杯
纺织化学品应用创新
植物染在纺织领域的研究进展及应用情况分析
棉质纺织品创新与应用
传统文化元素在现代纺织品设计中的创新路径研究
现代家庭中多功能卧室纺织品的创新设计.docx
《今日材料》子刊发表杨荣贵教授团队关于个人热管理的研究成果
智能化家庭纺织品设计

随便看看