保暖材料研究现状与发展前景

吴 波，汪泽幸，，，李 帅，李文辉，吴 璠，朱文佳

（1.湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭，411104；2.湖南省新型纤维面料及加工工程技术研究中心，益阳413000；3.湘潭市特种防护服装工程技术研究中心，湘潭，411101；4.深圳市微纳先材科技有限公司，深圳518035）

寒冷气候条件下，御寒保暖成为人们生活的最基本需求，保暖的主要目的是防止人体热量散失，使得人体自身产生的热量和向环境散失的热量之间的能量交换达到平衡，从而达到人体的热舒适感［1］.保暖材料作为抵御低温环境侵袭的必需品，在人们生活中一直发挥着十分重要的作用.

随着纺织科技的发展和生产技术的进步，保暖材料的发展非常迅速，原料从最初的棉、毛、丝、麻等天然纤维发展到如今各种的腈纶、粘胶、莫代尔、吸湿发热聚酯纤维、聚酰亚胺纤维等［2］.传统保暖材料，主要依靠增加织物的厚度和密度，以及提高纤维内部储存空气量来降低保暖材料的热传导和热对流，从而提高保暖性能，但是这样被动的保暖方式不仅会使服装穿着显得笨重、臃肿，影响服装的整体美感，还会产生过高的服装压力，导致穿着行动不便，产生心理和生理不舒适感［3］.为此，人们在传统材料保暖基础上开始追求另一种更加积极、智能化保温新材料并对其性能展开研究，如中空纤维、超细纤维、蓄热保暖纤维、发热纤维等.新型保暖材料将逐渐引领保暖材料市场的潮流，在提升保暖性能同时，向着更轻薄、舒适、健康方向发展，服装也从传统的消极保暖逐渐转向积极致暖.

1 保暖材料的分类

依据纤维隔热保暖方式方法的差异，目前，保暖材料可分为消极保暖材料和积极保暖材料两大类.

1.1 消极保暖材料

传统消极保暖材料，其利用材料所具有的低传热特性，阻止或减少人体热量向外扩散的原理而实现保暖的目的.其按原材料成分可分为天然纤维保暖材料、合成纤维保暖材料以及复合型保暖材料三类.

（1）天然纤维保暖材料

主要以棉纤维、羊毛、兔毛、羊绒、驼绒、羽绒、蚕丝等天然纤维素和蛋白质纤维为代表.

（2）合成纤维保暖材料.

以纯化纤纤维（如聚酯纤维、腈纶、丙纶等）制成的蓬松非织造材料为代表，如：热熔棉絮片、喷胶棉絮片、熔喷棉絮片、针刺和水刺絮片等［2］.

（3）复合型保暖材料.

其采用多种天然纤维、合成纤维或功能性纤维材料等保暖材料为基础，采用界面黏合、机械加固等方式制备的具有多层或多组分的保暖材料，如太空棉、南极棉、太阳绒等［4］.

1.2 积极保暖材料

新型积极保暖材料在消极保暖材料隔绝或减少人体热量散失的基础上，还具有吸收、存储外界热量并通过附加热效应向人体传递热量［5］，故其又称为能量收集与管理材料，如蓄热保暖纤维、适温型纤维、发热纤维、远红外类保暖纤维材料等.

目前，商业化的保暖产品大多采用属于消极保暖材料，主要是通过纤维材料的选用、纱线结构的优化、织物的组织结构的改变，在织物中尽可能容纳静止空气的数量，减少人体热量的损失，达到保暖的目的.

2 保暖材料性能特点

2.1 天然纤维保暖材料

天然纤维保暖材料可分为天然植物纤维和天然动物纤维两大类，天然植物纤维主要包括棉纤维、木棉纤维、麻纤维等纤维素纤维；动物纤维主要包括动物的毛纤维、羽绒、蚕丝等蛋白质纤维.

2.1.1 植物纤维保暖

棉纤维是人类应用时间最长的一种天然保暖材料，因其保暖性良好、资源丰富、价格大众化而成为使用最广泛的保暖材料，但是使用过程中吸湿性较强、易板结，保暖性和压缩弹性变差，舒适性下降［6］.

木棉纤维是一种质轻、薄壁、高中空度纤维材料，其独特的中空结构利于容纳更多的静止空气，同时兼备优异的导湿性能和保暖功能，是目前中空率最大的天然保暖材料，另外，因木棉纤维密度低、浮力大，常被用在救生衣等浮力材料中［7］.但是由于木棉纤维短、强度低、抱合力差、加工困难，大多只用作填充保暖材料，此外，因木棉纤维纤维素含量低且表面高度光滑导致木棉纤维染色率低，限制了木棉纤维在纺织、服饰领域广泛应用［8-9］.

2.1.2 蛋白质纤维保暖

羊毛、羊绒、驼绒等均为高档天然动物纤维保暖材料，其中，羊毛纤维为天然动物纤维保暖材料的代表，其表层存在鳞片结构，可存储、吸附静止空气层，故羊毛纤维集合体的传热性能较低，此外，其具有的独特的天然卷曲结构可为保暖絮片提供优秀的回弹性和蓬松性，其具有独特的毡缩特性，有利于面料形成较为致密的表面结构，可起到较好的防风效果，有效减少服装与人体之间空气的流动，故羊毛制品具有较好的保暖性能.但天然蛋白质保暖材料，存在价高、易虫蛀、异味、易滋生细菌、易起毛起球、后期养护要求和成本较高等缺点［6，10］.

羽绒具有其他天然保暖材料无法比拟的保暖性能，这主要是由于其具有独特的“树枝状”分叉结构和吸湿发热功能，此外，羽绒填充物具有轻柔、保暖、高弹等特点，使用后经过日晒以及机械拍打后可恢复其部分原有性能，这是其他保暖材料无法比拟的优势［11-12］.但是羽绒纤维也存在一些缺点，其在使用过程中钻绒，拉伸强度与弯折强度低，散纤维不易裁剪，且羽绒制品价格昂贵、易虫蛀，容易霉变、羽绒制品外形臃肿等.

蚕丝由包含人体所必需的18种氨基酸组成，对皮肤具有保健功能.蚕丝制品不仅具有良好的保暖性能，因组成成分与皮肤类似，与皮肤具有较好的亲和力.但蚕丝易黄变、价高、养护要求高等导致其使用范围受限［13-14］.

2.2 喷胶棉

喷胶棉是一种合成保暖材料，它是选用中空或高卷曲涤纶、腈纶为原料，利用喷洒粘合法生产的一种高蓬松、多孔非织造保暖絮片，根据对蓬松手感要求不同，在喷胶棉工艺基础上，适当调整工艺，先制成软棉，再用轧光机对其表面熨平，又可制成仿丝棉［15］.喷胶棉蓬松度高弹性好、手感柔软、具有质轻、防腐、防霉、不蛀、不烂、耐水洗等特点，特别是具有优良的保暖性，大量代替了羽绒、羊毛等传统保暖材料用于滑雪服、仿羽绒被和床罩睡袋等；缺点是透湿性差，静电现象严重，易给穿戴者带来不舒适感.

2.3 太空棉

太空棉又称金属棉或宇航棉，其通过在织物表面加入铝钛合金箔，将远红外辐射热量的95%反射回人体，使织物的保暖率较原织物提高70%～80%［16］，但其手感硬，透气透湿性差，穿着闷热，易在皮肤下存积汗液，影响服装舒适性.

2.4 摇粒绒

摇粒绒作为户外保暖层的主体材料，是目前纺织面料中最畅销的轻质抓绒保暖材料，因其独特的颗粒绒球状结构且纤维及纱线之间拥有较高孔隙率，能夹持更多的静止空气与普通机织物或非抓绒针织物相比手感更柔软、蓬松度高、弹性好且具有卓越的保暖性，被广泛用于家居服、休闲运动服以及冲锋衣内胆等.现市面上摇粒绒面料主要采用聚酯纤维（涤纶）为主，经抓毛、梳毛、剪毛、摇粒等生产工艺制备后，存在掉毛问题，因品种单一且纯涤制品存在着透湿性差、易静电吸尘等问题，如果能在起绒整理技术上和原料上进行改进，定将为摇粒绒的生产和应用带来更大的发展空间［17］.

2.5 超细纤维

随着复合纺丝工艺的不断进步，超细纤维可采用剥离型和海岛型两种复合纺丝工艺生产制备.超细纤维制品之所以具有良好的保暖性能，主要是它相对于常规纤维，纤度在1.0 dtex超细纤维具有较高的比表面积，与空气的接触面积较高，在高比表面能的作用下，可吸附较多的静止空气，阻滞空气的流动，减少因空气自然流动导致的热量损失，有利于提高超细纤维集合体的隔热性能.

近年来，超细纤维不仅用于高保暖絮片（如3M公司的新雪丽保暖絮片）的制备，还用于内衣面料的制备.采用超细纤维制备的面料，具有质感细腻、柔软亲肤、外观雅致、自然塑身、不易变形、保暖、吸湿透气等诸多优点，此外，选用合适功能的纤维，还可获得防紫外线和防静电等特殊性能，是贴身服装制备加工的优选面料之一［18-19］.

2.6 中空纤维

美国杜邦公司受北极熊毛中空特性的启发，研制出聚酯中空保暖纤维（Thermolite），其制备保暖材料具有绝佳保暖效果、优良导湿性能、质地轻盈、柔软、舒适［16］.随着喷丝板制造技术的深入研究和发展，异形纤维已从三角形、三叶形、中空等简单异形截面发展到五角形、米字形、十字形等多种复杂异形纤维，目前十字中空、多角中空等复杂异形纤维还处于研发阶段，十字形中空纤维集十字形截面纤维和中空纤维两者的优良性能于一体，具有导湿、透气、蓬松、轻质保暖、手感丰满等诸多优点［20-21］.随着千差万别纤维多元化的发展，中空纤维朝着异形状空隙、多孔、高中空度以及基于复合纺丝方法或非对称冷却原理制备三维卷曲结构纤维等方向发展.

2.7 发热保暖纤维

发热纤维是能自行产生热量的保暖新型纤维，其不仅具有传统纤维的阻止热量散发特性，更可以吸收并保存外界的电能、化学能、太阳能，并根据人体的需要吸收或释放热量，使人体的热量达到平衡以获得热舒适感［22-23］.日本在发热纤维领域的研究较为深入，产品较为成熟，我国相对较晚并主要集中在发热纤维纺纱工艺和针织面料开发方面.

发热纤维主要可分为远红外纤维、调温纤维、阳光蓄热纤维等.

2.7.1 远红外纤维

远红外纤维主要指在纺丝过程中加入可辐射远红外的微粉，主动发射对红外线有良好阻挡能力的远红外线，可将太阳光的大部分辐射能量吸收并存储，并以远红外的形式向外发射，以实现保暖的目的.通过在纺织品中加入不同的陶瓷粉，可实现对太阳能的吸收并辐射远红外线等保暖功能，而且在远红外区有强烈的吸收，进而提高对热辐射的反射和阻挡能力［24-25］.

2.7.2 调温纤维

20世纪80年代中后期，人们开发了一种可根据环境温度的变化，在一定范围内自由调节温度的纤维.当环境温度升高，贮存能量，降低体温，当环境温度降低，释放能量，升高体温.目前，调温纤维主要有相变物质类、塑性晶体类、添加溶剂类、电发热等类型.目前，纺织领域主要采用相变物质类调温纤维，基于相变控温原理，采用涂层法、填充法、浸轧法、微胶囊法等将相变物质处理到纤维或纤维织物中，以达到蓄热调温的目的.美国Outlast公司将利用装有碳氢化腊的微胶囊植入到纤维中，制备出Outlast调温纤维等［26-27］.

2.7.3 阳光蓄热纤维

阳光蓄热纤维是基于光热转换原理，在纺丝过程中加入化合物微粒（如碳化锆系）制备而成，其可吸收太阳辐射中的可见光与近红外线，并反射人体热辐射，阻止热量散失，因而具有良好的保暖性能.如近红外吸收纤维Thermocatch（日本三菱公司）等［22，28］.

3 保暖材料的保暖性能研究现状

保暖材料的保暖性能研究一直是纺织行业研究的重点.材料保暖性能的好坏通常以传热系数、克罗值、保温率等指标来衡量.传热系数表示样品在热量交换过程中传递热量的多少，克罗值表示热量通过织物时所遇到的热阻，保温率以无试样时散热量和有试样时散热量之比的百分率表示.样品传热系数越小，克罗值越大，即表示样品发生热量传递时遇到的阻碍越大，热量越不容易散失，保暖性能越好，反之，保暖性能越差.

顾闻彦等［29］研究了熔喷保暖材料的透气率、克罗值、热导率、传导系数与其厚度及单位面积质量之间的关系，发现厚度对其透气性和保温性有较大影响.透气性随着厚度的增加，先增大后减小，保暖性随厚度、单位面积质量的增加而呈现先增加后基本不变的变化趋势.

陆英［30］通过对羽绒纤维保暖性研究，发现羽绒纤维的特殊皮芯结构，以及芯层空腔使其具有优良的保暖性及蓬松性能.其中，不同的羽绒填充量对保暖性能的影响较大，且保暖性随羽绒填充量的增加而增加，当填充量达到一定值后，保暖性下降，由于随着羽绒含量增加，羽绒纤维保持的静止空气量增多，而静止空气的传热系数最小，使得羽绒在开始时具有良好保暖性，但当羽绒填充超过一定限度后，羽绒纤维密度增加，此时通过纤维传导散失的热量越多，样品保暖性下降.

周觅［31］以木棉、三维卷曲中空涤纶、ES纤维为原料通过非织造技术制备非织造复合保暖材，并研究了不同纤维配比对热风非织造材料的保暖性能、蓬松性能的影响，由于木棉纤维线密度低、中空率高（高达80%～90%），纤维含有的大量静止空气，使其具有优越的保暖性［32］，而三维卷曲结构可以为保暖材料提供良好的蓬松性能，所以木棉含量越高，非织造保暖材料保暖性能越好，同时由于三维卷曲中空涤纶含量相对较少时导致材料的蓬松性稍差，研究发现当三种纤维混合比为40∶40∶20，所制备的非织造材料保暖性及其他方面性能均较好.

杨莉等［33］对聚酰亚胺纤维的热舒适性进行研究，发现织物结构对聚酰亚胺织物的保暖性影响较大，结构稀松的织物，透气量增加，保暖性下降，在一定条件下织物的保暖性还受织物厚度的影响，随着织物厚度的增加，保暖性增强，另外，在相同组织规格的条件下，聚酰亚胺针织物的保暖性能优于羊毛针织物.

Varshney［34］研究了纤维截面形状对材料隔热性能的影响，发现在单位面积质量相同时，三叶形、四叶形截面纤维制成的材料比普通圆形截面纤维制成的材料具有更大的孔隙率和厚度，因而具有更高的热阻.

Lee［35］通过实验证实，在体积密度和絮片厚度相同时，超细纤维最高能比普通纤维、细纤维分别多提供25%和10%的热阻.

徐智泉［36］对三维卷曲涤纶中空纤维针刺絮片保暖性能研究，由于三维卷曲中空纤维的空腔结构能保持大量静止空气，使其具有良好的保暖性和蓬松性，并发现絮片的保暖性能受纤维的细度、纤维的中空度、纤维原料配比、絮片的叠加层数、单位面积质量以及厚度等多方面因素的影响，在同种絮片情况下，絮片的厚度越大，保暖性能越好，在单位面积质量和厚度都接近时候，纤维细度越细，保暖性能越好，但单一细度纤维制品保温效果不如混纺纤维制品.另外，在同种絮片相同单位面积质量情况下，絮片保暖性能随着絮片层数叠加而提高，随着单位面积质量增加而增加.

综上所述，材料的保暖性能受到多种因素影响，如纤维原料、成分含量、截面形状、纤维细度、材料厚度、蓬松度以及织物结构等均对保暖性能有较大影响，其中，纤维原料、纤维细度、材料厚度是影响材料保暖性能的最主要因素.如何在具备最佳保暖性能前提下，提高织物舒适性能、减小厚度、减轻重量，对轻薄型保暖材料的开发具有重要意义.

4 保暖材料发展方向

随着高新技术的发展与进步，服用保暖材料的品种与日俱增，新型复合功能保暖材料的研发日益受到重视，体现为更保暖、更轻薄同时兼备透气性和导湿性，并由传统单一保暖型转向集舒适性、功能性和健康性为一体的方向发展.

未来，保暖材料发展方向：

（1）保暖方式积极化.选用积极式保暖纤维作为原料，并利用其材料的自身特性增强保暖材料保暖性能，纤维从传统的棉、毛、羽绒等消极式保暖方式逐渐转向为积极式保暖，如蓄热保暖纤维、适温型纤维、发热纤维、远红外类保暖纤维材料等.

（2）保暖结构复合化.保暖材料从传统单一结构逐渐被复合结构替代，合理选用适当的材料进行复合，可以获得良好的保暖性能，优化复合结构又可以使厚重的材料变得轻薄，且能实现多种材料性能的互补增强.

（3）功能多元化.除了确保保暖性能外，还应具备某些特定的、优异的物理或化学性能，如保健和防护功能、压缩弹性、水洗性能、透气和透湿性能、抗静电和抗菌除臭性能等［37］，以达到多功能目的，满足消费者的多元化需求.

（4）舒适、环保化.在强调保暖的同时，进一步协调好舒适性与功能性之间的关系，在体现更保暖、更轻薄的同时兼备透气性和导湿性.另外，随着人们环保意识增强，绿色环保的材料也成为保暖材料开发的大趋势，在生产开发时，还需关注材料的可降解性、绿色安全性及环境保护性.

5 结语

虽然传统的棉、毛、羽绒等保暖材料吸湿、透湿性好、保暖性能优异，穿着舒适、但“以厚制暖”的消极保暖方式，使得服装肥大、笨重，不仅影响美观还给穿着者带来不良感受，另外，其保暖性能受潮湿环境影响较大，环境越潮湿保暖性下降.化纤制保暖材料，耐用性强、保暖性好，回潮率低，受干湿环境影响较小，缺点是吸湿性、透湿性差，而且穿着过程中易产生静电，舒适性差.

随着保暖材料性能的改进，具有较高科技含量的保暖材料仍然成为目前保暖市场的竞争点，越来越多新型保暖材料逐渐被开发及应用.同时由于工艺难度和生产成本等原因一些积极保暖材料离规模生产还有段距离，未来保暖材料仍朝着轻薄、舒适、多功能性、健康方向发展，如何提高保暖功能持久性与稳定性仍是未来研究的主要方向.