肖學(xué)良， 陳天驕， 謝云濤， 王?，?， 王志宇

(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

隨著科技進步與生活水平的提高，人們不再滿足于被動的保暖方式，開始研究主動產(chǎn)熱放熱的發(fā)熱材料，并探索主動保暖的途徑與方法。主動發(fā)熱面料柔軟、可設(shè)計、升溫迅速、溫度可控，與傳統(tǒng)厚重的保暖面料相比，主動發(fā)熱面料更加輕便雅觀、保暖效果好，除用于日常保暖外，還可應(yīng)用于防護急救、醫(yī)療衛(wèi)生、智能穿戴等領(lǐng)域。因此，開發(fā)發(fā)熱織物，在滿足人們保暖需求的同時，更有利于滿足人們的美觀需求，而進一步優(yōu)化和改善其發(fā)熱效果則利于開發(fā)功能性發(fā)熱面料，拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，文中綜述了發(fā)熱面料的研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展趨勢進行展望。

1 發(fā)熱纖維及其制備

發(fā)熱纖維是指能夠自行主動地產(chǎn)生或釋放熱量的纖維[1]。發(fā)熱纖維的發(fā)熱機理如圖1所示，根據(jù)發(fā)熱機理,一般將發(fā)熱纖維分為吸濕發(fā)熱、電能發(fā)熱、光能發(fā)熱、化學(xué)反應(yīng)放熱和相變放熱5種[1-2]。其中，吸濕發(fā)熱纖維綠色環(huán)保，但發(fā)熱時間長、纖維成本高；電能發(fā)熱纖維電熱轉(zhuǎn)換效率高、操作容易，但服用舒適性不高、電池不便捷；光能發(fā)熱纖維節(jié)能環(huán)保，可使用條件受限、成本高；化學(xué)反應(yīng)放熱纖維升溫快，使用便捷，但效果不持久且反應(yīng)不可逆；與其他發(fā)熱纖維相比，相變調(diào)溫纖維可雙向調(diào)節(jié)溫度，但調(diào)溫范圍窄[3]。

圖1 發(fā)熱纖維的發(fā)熱機理Fig.1 Exothermic mechanisms of different materials

1.1 發(fā)熱纖維的分類

1.1.1吸濕發(fā)熱纖維 一般認為，吸濕發(fā)熱纖維吸收外界環(huán)境或人體產(chǎn)生的水汽，形成氫鍵放出熱量，水分子動能也轉(zhuǎn)換為熱能[見圖1(a)]；但放出熱量的主要來源是液化還是動能轉(zhuǎn)化有待進一步論證[1-2,4]。日本的吸濕發(fā)熱纖維研究較為成熟，包括Softwarm纖維、N38纖維、EKS纖維等[5]；美國研發(fā)有Outlast纖維、Thermolite纖維等[6]；中國開發(fā)有共混紡吸濕發(fā)熱黏膠纖維[7]、改性發(fā)熱腈綸纖維[8]等。

1.1.2電能發(fā)熱纖維 電能發(fā)熱纖維利用電流熱效應(yīng)發(fā)熱，導(dǎo)電材料通電后，將電能轉(zhuǎn)化為熱能[9][見圖1(b)]。目前，具有優(yōu)良加工性和穩(wěn)定性的聚合物基電熱材料逐漸取代成本高、應(yīng)用條件嚴格的金屬類材料[9-10]。WANG C L等[11]采用熔融紡制備聚醚醚酮纖維，編織得到的PEEK電熱織物具有高斷裂強度(830～1 422 N)和高熱穩(wěn)定性；強丁丁[12]開發(fā)了適用于不同場景的不同溫度石墨烯基電熱產(chǎn)品(低溫在45 ℃左右，中溫在80～100 ℃)。

1.1.3光能發(fā)熱纖維 光能發(fā)熱纖維能夠吸收太陽輻射中不同波長光線的能量并轉(zhuǎn)化為熱能，或反射人體熱輻射[2][見圖1(c)[13]]。不同材料對不同波長光線的吸收和反射能力不同，IV族過渡金屬碳化物可吸收太陽光中的高能波長段(300～2 000 nm)和反射人體散發(fā)的低能輻射(1 000 nm),具有極佳的光熱效果[14]。梁佳璐等[15]通過共混紡絲制得納米陶瓷錦綸短纖，并編織得到吸光發(fā)熱性能良好的緯編織物。LI C L等[13]通過在黏膠紡絲液中添加ZrC，制備了新型光熱纖維，紡成的織物經(jīng)紅外光照射后表面溫度可升高近40 ℃。

1.1.4化學(xué)反應(yīng)放熱纖維 化學(xué)反應(yīng)放熱材料通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能[2]。如“暖寶寶”“速食飯”、自熱小火鍋等就是通過化學(xué)反應(yīng)放熱材料加熱升溫。但由于化學(xué)反應(yīng)放熱具有不可逆性，多用于一次性加熱，在發(fā)熱紗線、面料中的應(yīng)用較為少見。

1.1.5相變調(diào)溫纖維 相變調(diào)溫纖維通過物相變化吸收或放出熱量，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[2,16][見圖1(d)[16]]。李佳佳等[17]通過原位聚合和濕法紡絲制備石蠟/PVA儲能纖維，纖維相變焓值為45.39 J/g，具有優(yōu)良的儲能性及熱穩(wěn)定性。XUE F等[18]基于三聚氰胺泡沫、氧化石墨烯和石墨烯納米血小板合成了新型復(fù)合相變材料，具有優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換性能，在建筑節(jié)能保溫、微電子器件溫度保護等應(yīng)用中存在巨大潛力。

1.2 發(fā)熱纖維的制備

發(fā)熱纖維的發(fā)熱與保暖性能主要取決于纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成。與普通圓形截面纖維相比，異型纖維截面不規(guī)整，纖維不易聚集，纖維間空隙較大，有利于靜止空氣的儲存，從而降低織物導(dǎo)熱系數(shù)，提高織物的保暖性能，如啞鈴形的德絨纖維等[19]。因此，圓形中空滌綸纖維與扁平特殊黏膠纖維混紡時易于在纖維間形成空隙, 增加靜止空氣含量，阻隔內(nèi)外溫度交換，達到保溫作用[20]。同理，超細纖維間或超細纖維與其他纖維間的空隙同樣易于貯存靜止空氣。就吸濕發(fā)熱纖維而言，纖維表面的縱向溝槽可提升纖維表面性能，利于吸附水分子。如EKS纖維和舒熱絲纖維，與普通腈綸纖維相比，其表面溝槽更寬更深(見圖2[21])，在一定程度上增加了芯吸效應(yīng)，利于水分傳輸，增強吸濕發(fā)熱功能[21]。此外，當(dāng)纖維含有較多親水基團時，纖維具有較高的回潮率；當(dāng)氰基、酯基等向親水基團轉(zhuǎn)變時，分子間作用力減弱，結(jié)晶度下降，纖維吸濕性能改善[8]。

圖2 幾種吸濕發(fā)熱纖維的SEMFig.2 SEM photographs of several hygroscopic exothermic fibers

依據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對纖維發(fā)熱保暖性能的影響，采用化學(xué)改性、共混紡絲和靜電紡絲等方法也可以制備發(fā)熱纖維材料，具體如圖3所示。化學(xué)改性法通過聚合、交聯(lián)等反應(yīng)，改變纖維大分子組成與結(jié)構(gòu)，引入利于發(fā)熱性能的元素、基團等。馬正升[6]對聚丙烯腈進行交聯(lián)改性，提升親水基團含量，改性后纖維表面溝槽寬而深、比表面積增大，水分吸附與傳遞能力提升。共混紡絲法就是在聚合物熔體或溶液中加入發(fā)熱功能材料，紡制發(fā)熱纖維[16,22]。XIA W等[23]將納米相變材料加入紡絲熔體中制備PA6基相變調(diào)溫纖維[見圖3(a)[23]]，所得纖維的焓值高達137 J/g。JIANG Y J等[24]在濕法紡絲前將氧化石墨烯(GO)加入黏膠溶液中，制備了一種具有光熱轉(zhuǎn)換能力的新型黏膠纖維[見圖3(b)[24]]，結(jié)果表明，在相同的紅外曝光時間內(nèi)，氧化石墨烯分數(shù)為4%的黏膠織物溫升比純黏膠樣品高出81.2 ℃。靜電紡絲是一種制備超細纖維的便捷技術(shù)，常用于制備相變調(diào)溫纖維[25]。ZHU W T等[26]通過靜電紡制備了一種新型PEG/PVA復(fù)合相變纖維，取代了傳統(tǒng)的有機溶劑法，更為綠色經(jīng)濟。由發(fā)熱纖維紡制紗線再織成的面料，因纖維均勻分布在紗線、面料中，發(fā)熱面料發(fā)熱性能穩(wěn)定，溫度分布均勻。

圖3 制備發(fā)熱纖維的不同紡絲方法Fig.3 Different spinning methods for preparing exothermic fibers

2 發(fā)熱紗線的開發(fā)

類似于纖維，紗線發(fā)熱效果也受形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的影響，因此可利用紡紗方法，通過改變紗線化學(xué)組成或形態(tài)結(jié)構(gòu)來制備發(fā)熱紗線。一般情況下，線密度較大的紗線織成的織物結(jié)構(gòu)更松散，內(nèi)部空隙大，利于靜止空氣儲存和濕氣傳遞。制備發(fā)熱紗線可以采用混紡的方法，在混紡紗中加入發(fā)熱纖維組分或利于發(fā)熱保暖的纖維組分，適當(dāng)調(diào)節(jié)混紡比，使材料獲得良好的發(fā)熱性能[19]。杜凱[4]紡制了混紡比不同的發(fā)熱腈綸/中空滌綸混紡紗并分別編織雙羅紋織物，研究發(fā)現(xiàn)隨著混紡紗中發(fā)熱腈綸纖維含量的增加，織物的吸濕發(fā)熱性能逐漸提升，見表1[3]。發(fā)熱纖維也可與超細纖維、異型纖維或表面粗糙的纖維混紡，所制紗線孔隙率較大，易儲存靜止空氣和吸濕導(dǎo)濕，發(fā)熱保暖效果良好，如日本由銅氨絲和超細腈綸混紡成的Thermogear R[27]。除混紡紗外還有包芯紗、包覆紗等，都能夠結(jié)合發(fā)熱材料制備發(fā)熱紗線。沈文濤等[28]紡制了PorelR吸濕發(fā)熱氨綸包芯紗，開發(fā)的無縫針織物具有吸濕發(fā)熱、透濕透氣、產(chǎn)品輕薄等特點。龐欣[29]以氨綸與聚酯發(fā)熱長絲為原料，以1∶3的氨綸牽伸比制備氨綸包覆紗用于開發(fā)高彈護膝。

表1 紗線混紡比對織物發(fā)熱性能的影響

紗線、金屬絲等發(fā)熱材料通過編織、刺繡、縫紉等方式應(yīng)用到面料中，簡單方便。嚴陶海等[30]將碳纖維發(fā)熱線作為緯紗與棉紗按照3種不同排列比編織平紋機織物。CHEN H J等[31]將不銹鋼紗線刺繡、縫紉到棉織物上，利用熱變色材料展現(xiàn)刺繡、縫紉的圖案，具體如圖4所示[31]。

圖4 利用熱變色效應(yīng)顯示太極的背光圖Fig.4 Thermochromic effects of the "Tai Chi" pattern with backlighting

3 發(fā)熱面料的開發(fā)

3.1 基于組織結(jié)構(gòu)的發(fā)熱面料開發(fā)

發(fā)熱面料分為針織和機織兩種組織結(jié)構(gòu)，其中，針織面料蓬松柔軟、保暖、透氣透濕、服用性能良好。因此，目前關(guān)于發(fā)熱面料的研究中，針織組織較機織組織更受歡迎[21]。

3.1.1針織發(fā)熱面料 針織組織結(jié)構(gòu)由線圈單元相互串套形成[32]，孔隙率高、結(jié)構(gòu)蓬松，因此靜止空氣含量高，保暖性能較好，同時透氣透濕性能也較好[21]。其中，雙羅紋組織和襯緯組織在發(fā)熱面料的研究中應(yīng)用較多。雙羅紋組織具有雙面結(jié)構(gòu)，織物厚實，保暖性能良好，常用于制作冬季保暖服裝。襯緯組織是沿地組織緯向襯入輔助紗線的組織[32]，適于將發(fā)熱材料作為輔助紗線引入。許靜嫻等[33]織造了6款組織結(jié)構(gòu)不同的電熱針織物，發(fā)現(xiàn)雙羅紋織物發(fā)熱性能最優(yōu)，因其組織內(nèi)部紗線接觸點多、總電阻小，所以升溫效果好，且溫度分布均勻。陳莉等[34]研究了4種不同鍍銀長絲針織物的導(dǎo)熱發(fā)熱性能，結(jié)果表明襯緯織物電路清晰，電阻易于控制，溫度分布均勻且發(fā)熱效果良好。除此之外，還有半螺紋空氣層[35]等多種針織面料在發(fā)熱面料的開發(fā)與應(yīng)用中也具有較大優(yōu)勢。

3.1.2機織發(fā)熱面料 在機織的三元組織織物中，平紋織物較緊密，芯吸效果最差；緞紋織物結(jié)構(gòu)蓬松，孔隙率較大，透氣透濕性能最好；斜紋織物孔隙、厚度適中，克羅值最大，升溫效果優(yōu)于易散熱的緞紋織物。雙層機織物單位面積所含發(fā)熱材料多，發(fā)熱保暖效果比單層織物更優(yōu)，但其透濕導(dǎo)濕性不如單層織物[21]。機織面料結(jié)構(gòu)及其溫度分布如圖5[36]所示。機織面料因紗線間存在大量的交叉接觸點[圖5(a)]，熱量傳導(dǎo)與分布更均勻[圖5(b)]，尤其是電流分布均勻的電熱機織織物[36]。

圖5 紡織結(jié)構(gòu)及其對溫度分布的影響Fig.5 Textile structure and its effect on temperature distribution

3.2 基于表面處理技術(shù)的發(fā)熱面料開發(fā)

借助表面處理技術(shù)，通過物理或化學(xué)方法可使面料獲得發(fā)熱功效?；瘜W(xué)方法包括電鍍、離子鍍、接枝聚合及化學(xué)氣相沉積等；物理方法包括表面涂覆改性、真空鍍、濺射、噴射及物理氣相沉積等，運用不同表面處理技術(shù)開發(fā)的發(fā)熱面料如圖6所示。XIE J等[37]利用原位聚合法將聚丙烯添加到棉織物上[見圖6(a)[37]]，制成的聚丙烯/棉復(fù)合材料性能優(yōu)異，電壓為5 V時可在3 min內(nèi)達到168.3 ℃，且拉伸強度達到 58 MPa，是理想的加熱元件。LU Y W等[38]利用鍍銀、聚氨酯(PU)涂層和熱致變色涂層制備了基于錦綸織物的熱致變色多層復(fù)合織物，該織物具有良好的加熱效果和熱穩(wěn)定性?；谙嘧兾⒛z囊的浸軋整理，可使相變材料均勻分布于織物表面與紗線內(nèi)部[39-40]。ALAY S等[41]通過浸軋的方式將相變微膠囊整理到棉、滌等織物上，結(jié)果表明不同織物的焓值較浸軋整理前都有明顯提升。

采用表面處理方法制備發(fā)熱面料，高效快捷,發(fā)熱效果優(yōu)良，但對織物的透氣性、柔軟性等會有所影響；并且由于材料多涂覆或沉積在織物表面，易損耗影響持久穩(wěn)定性。莫崧鷹等[42]借助等離子體金屬鍍膜技術(shù)開發(fā)了具有納米級厚金屬膜的柔軟發(fā)熱功能服裝，具有輕薄可折耐用等優(yōu)點。ZHANG L等[43]采用改進的氣相沉積法在織物表面涂覆PEDOT聚合物薄膜[見圖6(b)[43]和圖6(c)[43]]，幾乎沒有改變織物的手感、質(zhì)量和透氣性能。此外，絲網(wǎng)印刷[44]、油墨打印[45]等方法也可用于制備發(fā)熱面料。

除直接對織物進行表面處理制備發(fā)熱面料外，還可將面狀發(fā)熱面料(如電熱膜、電加熱織物等)通過夾層、黏合等方式與面料結(jié)合形成發(fā)熱面料。張阿真[46]借助黏合襯，在兩面分別黏合銅絲和涂層織物制作發(fā)熱材料，制備雙層柔性加熱織物。

圖6 運用不同表面處理技術(shù)開發(fā)的發(fā)熱面料Fig.6 Exothermic fabrics developed by different surface treatment techniques

4 發(fā)熱面料應(yīng)用研究

發(fā)熱面料具有主動產(chǎn)熱供熱等特點，且相較于傳統(tǒng)保暖面料更為輕薄美觀，多被用于防寒保暖服裝的制備。又因柔性、可設(shè)計、發(fā)熱的可控性等特點，發(fā)熱面料除應(yīng)用于日常保暖外，還可應(yīng)用于防護急救、醫(yī)療保健和智能穿戴等領(lǐng)域。

4.1 防護急救

發(fā)熱面料制備的防護服可幫助低溫作業(yè)和急救工作正常進行，抵御寒冷。楊志堅等[47]設(shè)計了基于原電池原理的供暖救生衣，落水人員拉動充氣閥，使空氣與鐵粉等填充物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放熱供暖，避免凍傷等。

4.2 醫(yī)療保健

發(fā)熱面料能夠產(chǎn)生輻射熱量，可用于制作理療服裝，輔助疾病治療與人體保健，具體如圖7所示。ZHAO Y F等[48]利用鍍銀導(dǎo)電紗織制導(dǎo)電機織物，開發(fā)出針對女性痛經(jīng)的熱功能服，在服裝腹部位置導(dǎo)電發(fā)熱緩解人體疼痛[見圖7(a)[48]]；洪文進等[49]設(shè)計了基于納米增強遠紅外技術(shù)的理療內(nèi)褲[見圖7(b)[49]]，發(fā)熱膜被加熱直至人體臨界舒適溫度,增強遠紅外線能夠深入皮膚內(nèi)部，對人體進行熱敷按摩和慢性疾病治療等。

4.3 智能穿戴

使用發(fā)熱面料制備柔性傳感元件等，在智能穿戴設(shè)備及通信、監(jiān)測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。YANG M Y等[50]采用浸漬干燥法將單壁碳納米管涂覆在針織棉織物表面，制備了具有較強電加熱效果的導(dǎo)電棉織物，如圖8所示[50]；由該織物制成的柔性應(yīng)變傳感器可工作應(yīng)變范圍大(0近似于100%)、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，可實時監(jiān)測人體站立、行走等運動。

圖7 發(fā)熱面料的應(yīng)用Fig.7 Applications of exothermic fabrics

圖8 導(dǎo)電棉織物及其電熱效果Fig.8 Conductive cotton fabric and tis electrothermal effect

5 結(jié)語

發(fā)熱面料因主動產(chǎn)熱、輕薄便捷、美觀智能等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前雖已有大量可觀研究成果，但仍存在一些需要解決的問題。

1)發(fā)熱效果。目前許多發(fā)熱面料已能達到較好的發(fā)熱效果，但發(fā)熱速率、能量轉(zhuǎn)換效率、溫度分布均勻度等均需進一步優(yōu)化。

2)服用性能。利用表面處理方法制成的發(fā)熱面料服用性能較差，限制了發(fā)熱面料的實際應(yīng)用。研究人員可在電池便攜性、可紡柔性材料、熱濕舒適性等方面做進一步發(fā)展研究，改善服用性能。

3)力學(xué)性能。開發(fā)發(fā)熱面料使用的化學(xué)改性、涂層等方法會在一定程度上損傷纖維、紗線等的力學(xué)性能，影響面料的耐用性及穩(wěn)定性。