(武漢紡織大學(xué)體育課部, 武漢, 430073)

自然界物質(zhì)存在三種基本狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，在一定溫度條件下這三種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過(guò)程稱之為“相變”[1]。物質(zhì)在三種狀態(tài)的相變過(guò)程中有吸熱和放熱的物理現(xiàn)象發(fā)生，并通過(guò)吸收、儲(chǔ)存和釋放能量改變相或狀態(tài)，這種材料稱為相變材料(Phase Change Materials,簡(jiǎn)稱PCM)。將相變材料技術(shù)與紡織品織造技術(shù)相結(jié)合可以開(kāi)發(fā)出一種智能相變調(diào)溫紡織品[2]，這種紡織品制成服裝后具有雙向溫度調(diào)節(jié)的作用。目前，相變調(diào)溫紡織品已成為國(guó)內(nèi)外紡織功能性產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)，但在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)熱量排放和溫度變化的特點(diǎn)，該紡織品在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域?qū)?huì)有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能相變調(diào)溫紡織品的作用機(jī)理

利用物質(zhì)相變的特性，在紡織品的制備過(guò)程中引入相變溫度適應(yīng)人體體溫變化的相變材料，賦予紡織品在設(shè)定溫度下吸收或釋放熱量的功能[3]。當(dāng)體表溫度升高時(shí)，紡織品中的相變材料從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量，從而降低體表溫度；相反，當(dāng)體表溫度降低時(shí)，紡織品中的相變材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，放出熱量，從而提高體表溫度，使人體體溫始終保持在舒適的范圍內(nèi)。智能相變調(diào)溫紡織品的調(diào)溫機(jī)理與傳統(tǒng)保溫衣物不同之處在于：傳統(tǒng)衣物主要是利用空氣熱傳導(dǎo)率極小的原理，采用提高織物內(nèi)部靜止空氣量的方法來(lái)隔絕熱傳導(dǎo)，絕熱效果主要取決于織物的密度和厚度；而智能相變調(diào)溫紡織品則是利用相變材料在相變過(guò)程中吸收或釋放的熱量使溫度保持恒定，是一種“熱”調(diào)節(jié)(圖1)。這體現(xiàn)在當(dāng)內(nèi)外環(huán)境溫度突變時(shí)，紡織品在一定時(shí)間內(nèi)可以保持人體“衣內(nèi)微氣候”的溫度基本恒定,從而可以防止熱應(yīng)激。將智能相變調(diào)溫紡織品的這一特性應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域，可以防止運(yùn)動(dòng)員因運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“熱量尖峰”和運(yùn)動(dòng)后身體過(guò)冷帶來(lái)的傷病。

2 運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品的相變材料應(yīng)具有的特點(diǎn)

相變材料有很多種，主要有無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三類。相變材料的溫度變化范圍較為寬泛，但由于人體體表及周圍的環(huán)境溫度有一個(gè)較穩(wěn)定的范圍，再加上服用紡織品加工和應(yīng)用的特殊要求，縮小了運(yùn)動(dòng)用相變材料的選

1——接觸 皮膚接觸對(duì)身體微氣候有影響的溫度變化；2——放熱 當(dāng)體溫太高時(shí)，身體會(huì)釋放多余的熱量；3——儲(chǔ)存 Outlast技術(shù)吸收多余的熱量，將其儲(chǔ)存在Outlast微膠囊材料里；4——再放熱 當(dāng)體溫開(kāi)始降低時(shí)，微膠囊材料會(huì)向身體釋放儲(chǔ)存的熱量；5——恒溫 上述過(guò)程的結(jié)果是使皮膚周圍始終有一個(gè)舒適區(qū)圖1 美國(guó)Outlast技術(shù)工作原理[4]

用范圍。因此，選擇應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的相變材料應(yīng)具備以下特點(diǎn):

(1)適合的相變溫度。應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)用紡織品中的相變材料，應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的季節(jié)和氣候、環(huán)境溫度以及具體應(yīng)用場(chǎng)合的不同進(jìn)行選擇。用于制備嚴(yán)寒氣候條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在18.33～29.44 ℃之間的材料；用于制備溫暖氣候條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在26.67～37.78 ℃之間的材料；用于制備炎熱地區(qū)或大運(yùn)動(dòng)量條件下的運(yùn)動(dòng)服裝，應(yīng)選用相變溫度在32.22～43.33 ℃之間的材料。

(2)儲(chǔ)熱能力強(qiáng)。選擇的相變材料既要相變潛熱大，又要單位質(zhì)量和單位體積材料儲(chǔ)存的熱量多。

(3)材料相變時(shí)體積和硬度變化小。如果在相變過(guò)程中相變材料的體積增大、硬度增強(qiáng)，會(huì)造成運(yùn)動(dòng)服裝的物理性能改變，影響運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮。

(4)相變過(guò)程中導(dǎo)熱快、可逆性好。 相變材料應(yīng)具有較強(qiáng)的傳熱能力，吸熱和放熱速度快，還必須能在恒定的溫度下很好地融化及固化。

(5)安全可靠。選用的相變材料有時(shí)會(huì)與人體的皮膚直接接觸，因此其化學(xué)性質(zhì)必須穩(wěn)定,對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害。

(6)重復(fù)使用性強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)服一般都要多次穿著使用，要耐清洗。

(7)價(jià)格低。只有價(jià)格適中，受眾面廣，市場(chǎng)推廣效果才會(huì)好。

3 智能相變調(diào)溫紡織品的制備方法

目前智能相變調(diào)溫紡織品的制備方法主要有纖維紡絲法和涂層法兩種。

3.1 纖維紡絲法

纖維紡絲法主要分為微膠囊紡絲法、復(fù)合紡絲法和中空纖維填充法等。需要注意的是用纖維紡絲法紡絲時(shí)因添加了相變材料，導(dǎo)致紡出的纖維強(qiáng)力較低，難于直接紡紗和織造，因此通常采用與其他纖維混紡成紗的工藝。

3.1.1 微膠囊紡絲技術(shù)

微膠囊紡絲法是目前加工相變纖維最先進(jìn)的方法之一。在聚丙烯腈系列纖維的溶液紡絲中加入平均直徑 1～5 μm的含有相變物質(zhì)的微膠囊(圖2), 可得到蓄熱能力顯著提高的相變纖維[5]。美國(guó)Outlast技術(shù)公司利用微膠囊技術(shù)專利，開(kāi)發(fā)出了滿足用于生產(chǎn)針織物和機(jī)織物要求的蓄熱調(diào)溫紡織品，其纖維線密度最低可達(dá)到2.2 dtex。

圖2 涂于織物表面含有Outlast技術(shù)的微膠囊[6]

3.1.2 復(fù)合紡絲技術(shù)

復(fù)合紡絲法是通過(guò)噴絲板擠出含有相變材料的高聚物紡絲液，得到具有并列結(jié)構(gòu)和皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維，相變材料直接嵌入纖維內(nèi)部，使纖維具有吸收和釋放熱量的功能。美國(guó)Outlast公司應(yīng)用復(fù)合紡絲技術(shù)制備出了相變調(diào)溫聚丙烯腈纖維，其線密度達(dá)到了2.2、3.3和5.0 dtex[7]。

3.1.3 中空纖維填充技術(shù)

在纖維織造前，為防止相變材料泄漏而降低調(diào)溫效果，采用將微型相變材料封裝充填到中空纖維的中空部分，并用樹(shù)脂將纖維包覆的方法來(lái)達(dá)到持久調(diào)溫的目的。Vigo等人利用相變鹽在室溫下發(fā)生熔融和結(jié)晶的特性，在中空纖維的中空部分充填帶有結(jié)晶水的無(wú)機(jī)鹽，獲得了具有吸熱和放熱功能的相變纖維[8]。

3.2 涂層法

將含有平均顆粒直徑為5 μm的智能調(diào)溫微膠囊相變材料(圖3)與消泡劑、黏合劑等混合制成涂層液，采用熱轉(zhuǎn)移涂層技術(shù)整理到織物或非織造布表面上，在一定溫度下干燥，并皂洗，可以獲得具有智能調(diào)溫功能的織物(圖4)。Harlan等人曾讓運(yùn)動(dòng)員穿著采用該織物制成的滑雪運(yùn)動(dòng)服進(jìn)行了滑雪運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，大部分運(yùn)動(dòng)員對(duì)該服裝的防風(fēng)效果和保暖效果表示認(rèn)可[7]。

圖3 相變材料微膠囊掃描電鏡照片[9]

圖4 涂層織物掃描電鏡照片[9]

4 相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用

4.1 人體運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系

在正常條件下，人體機(jī)體深部的體溫較為恒定和均勻，一般在36～37 ℃(腋下)之間，而體表皮膚的溫度受多種因素影響，變化和差異較大。人體舒適的環(huán)境平均溫度在33.4 ℃左右。一般情況下，皮膚溫度與環(huán)境溫度差若在1.5～3.0 ℃范圍內(nèi)時(shí)，人體對(duì)溫度的變化感覺(jué)不明顯；但若該溫度差超過(guò)±4.5 ℃范圍時(shí)，人體就會(huì)感知溫度的變化[8]，這時(shí)人體將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)出汗、擴(kuò)展體表毛細(xì)血管來(lái)散發(fā)熱量；當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，通過(guò)收縮血管、肌肉緊張、戰(zhàn)栗等自身調(diào)節(jié)行為調(diào)節(jié)產(chǎn)熱量。應(yīng)激反應(yīng)可使人體核心溫度維持在基本正常范圍內(nèi)，但是若皮膚溫度與環(huán)境溫度差嚴(yán)重偏離時(shí)，人體就必須依靠服裝來(lái)控制人體與環(huán)境之間的熱交換。

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)皮膚的溫度變化較大。運(yùn)動(dòng)中身體產(chǎn)熱量最多，可以高達(dá)安靜狀態(tài)的10～15倍，皮膚溫度會(huì)快速升高。例如，400 m快跑時(shí)腋下的溫度可能升高到37.5 ℃。雖然運(yùn)動(dòng)中身體會(huì)在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)之下加強(qiáng)散熱，通過(guò)蒸發(fā)汗液來(lái)散熱，但是散熱過(guò)程總是落后于產(chǎn)熱過(guò)程，所以運(yùn)動(dòng)中體溫還是會(huì)逐漸升高。這時(shí)，運(yùn)動(dòng)員如果沒(méi)有得到及時(shí)的降溫、休息，就會(huì)感到頭暈、渾身乏力，甚至休克。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，人體皮膚溫度快速降低，這時(shí)身體最需要的是保溫，否則人體容易患傷病，也不利于運(yùn)動(dòng)后疲勞的恢復(fù)。

4.2 運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響

智能調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服具有可逆的貯存熱量和釋放熱量的功能。調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)能吸收運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)多熱量，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)員的體溫；當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后釋放熱量，保持人體的溫度。因此，調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服可以避免身體的過(guò)熱與發(fā)冷。

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮膚溫度升高的程度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)環(huán)境和身體素質(zhì)等有關(guān)。雖然環(huán)境溫度對(duì)于皮膚溫度有影響，但是運(yùn)動(dòng)中身體的溫度在更大程度上還是取決于運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間。因?yàn)槿梭w在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)熱加強(qiáng)，即使是在低溫環(huán)境下進(jìn)行10 km的滑雪運(yùn)動(dòng)，由于時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，人們的身體又裹在厚厚的衣服里，散熱困難，腋下溫度還是可以升高到36.89 ℃。采用智能相變調(diào)溫紡織品制成的智能運(yùn)動(dòng)服裝可主動(dòng)、智能地控制身體體表的溫度。當(dāng)皮膚溫度升高時(shí)，體表多余的熱量被相變材料主動(dòng)吸收，降低體表溫度；當(dāng)皮膚溫度降低時(shí), 相變材料放出熱量,以保持人體舒適的體表溫度。通過(guò)智能調(diào)節(jié)服裝內(nèi)溫度的方式，可以保證人體特定的部位處于恒定的微氣候，使運(yùn)動(dòng)員的身體始終保持較舒適的狀態(tài)，有利于提高其運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

同時(shí)，人體是一個(gè)散熱散濕體，運(yùn)動(dòng)時(shí)身體會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致體溫升高，此時(shí)人體會(huì)通過(guò)皮膚排汗來(lái)散發(fā)熱量，維持體溫的恒定。而人體出汗會(huì)導(dǎo)致服裝內(nèi)濕度上升，如果服裝的包裹阻止了快速的散熱散濕，就會(huì)形成“熱量尖峰”，給人體帶來(lái)不適感，從而影響運(yùn)動(dòng)水平的發(fā)揮。因此，智能相變調(diào)溫紡織品在注意服裝的吸熱和放熱功能的同時(shí)，還應(yīng)使用含有Cool-max、Cool-plus等有吸濕排汗功能纖維的混紡紗，使人體在穿著運(yùn)動(dòng)時(shí)有一個(gè)干爽舒適的“衣內(nèi)微氣候”環(huán)境，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)的舒適感和運(yùn)動(dòng)成績(jī)有較大的幫助。

4.3 智能相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用前景

目前，在美國(guó)和歐洲市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)用Outlast、Cool-max 混紡紗線織出的面料制作的運(yùn)動(dòng)服，該運(yùn)動(dòng)服具有良好的調(diào)溫性能、保暖性能和吸濕排汗功能。近幾年，我國(guó)上海三十六棉紡針織服裝廠也對(duì)智能調(diào)溫纖維、智能調(diào)溫功能紗線、調(diào)溫功能面料及調(diào)溫功能性服裝進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)與創(chuàng)新工作，形成了4個(gè)系列紗線:智能保暖系列、運(yùn)動(dòng)系列、涼爽系列和多功能調(diào)溫系列。用此類紗線織成的面料已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化研究及市場(chǎng)推廣階段，但這些面料主要還是應(yīng)用于制備戶外服裝和內(nèi)衣，而在眾多系列的運(yùn)動(dòng)服中應(yīng)用較少，因此應(yīng)加大智能相變調(diào)溫紡織品在運(yùn)動(dòng)服上的應(yīng)用[10]。

4.3.1 選擇適合運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目要求的相變材料

運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目按競(jìng)技能力的主導(dǎo)因素分類可分為體能主導(dǎo)類(包括田徑、自行車、劃船、滑雪、滑冰等)和技能主導(dǎo)類(包括體操、球類、擊劍、射擊、射箭等)。各個(gè)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)時(shí)身體的熱量排放不盡相同，尋找和選擇在某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中適合人體運(yùn)動(dòng)時(shí)熱量排放和溫度變化的相變材料，研究材料的蓄熱能力、熱傳導(dǎo)能力、安全性和可重復(fù)使用性等應(yīng)作為運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品研究的重點(diǎn)。

4.3.2 選擇適合智能相變調(diào)溫紡織品的制備工藝

智能相變調(diào)溫紡織品最重要的是調(diào)溫能力，夏季奧運(yùn)會(huì)和冬季奧運(yùn)會(huì)所設(shè)項(xiàng)目對(duì)服裝調(diào)溫性能的要求有較大不同。紡織品中相變材料的添加量是體現(xiàn)調(diào)溫能力的重要指標(biāo)。在制備工藝中對(duì)調(diào)溫材料添加比例的控制需作進(jìn)一步的探索。

此外，運(yùn)動(dòng)服裝一般要求具有透濕、排汗、抗撕破、易洗和耐磨等特點(diǎn)，而單純用相變材料制成的纖維盡管調(diào)溫效果不錯(cuò)，但纖維強(qiáng)度低、易斷裂，紡紗較困難。采用混紡比為50%的相變調(diào)溫纖維與Cool-max紗線混紡工藝，織出的面料具有良好的調(diào)溫性能、保暖性能和吸濕排汗功能，抗斷裂能力也很強(qiáng)。

4.3.3 加大智能相變調(diào)溫紡織品在各運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中應(yīng)用的研究力度

不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)環(huán)境和運(yùn)動(dòng)時(shí)身體熱量排放各不相同，因此對(duì)服裝的要求也不盡相同。冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目要求保溫效果好，要求服裝有一定厚度，層次多；夏季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目則要求降溫效果好，要求服裝薄，吸濕排汗效果好。因此，開(kāi)發(fā)適合不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的智能相變調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服非常必要。同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)相變調(diào)溫紡織品的蓄熱調(diào)溫性能的測(cè)試研究，測(cè)定相變材料吸熱時(shí)溫度變化程度和相變影響的持久性，以及其對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響。這是拓展運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品在更多系列運(yùn)動(dòng)服中應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

智能相變調(diào)溫紡織品作為一種新型智能紡織品，由于其相變材料吸收或釋放熱量的特點(diǎn)能使人體體表溫度保持相對(duì)恒定，應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域?qū)⒂兄谶\(yùn)動(dòng)員更好地發(fā)揮運(yùn)動(dòng)水平，防止因“衣內(nèi)微氣候”的溫度過(guò)高或過(guò)低給人體造成的傷害。因此，研究用于運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的相變材料及其制備方法，開(kāi)發(fā)制備適合不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的智能相變調(diào)溫運(yùn)動(dòng)服非常重要。加強(qiáng)此類新型材料的性能測(cè)試及該類服裝對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響的研究，將大大拓展運(yùn)動(dòng)用智能相變調(diào)溫紡織品在更多系列運(yùn)動(dòng)服中的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。

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