防寒服用智能材料的研究进展

魏言格　李俊　苏云

摘要：近年来，对外界刺激具有感知或反应能力的智能材料逐渐进入人们的视野，本文对可用于提高防寒服保暖隔热性能的智能材料进行了分类概述。首先根据提高防寒服保暖隔热性能的作用方式将防寒服用智能材料分为蓄热材料、电加热材料、形状记忆材料三大类，并从隔热保暖、防水透湿、人体安全舒适等角度分析各类智能材料在防寒服中应用的可行性与不足，之后对防寒服的智能化发展存在的问题做了总结，指出在未来的研究中应解决防寒服用智能材料的使用安全性、效能持久性等问题，为智能材料和智能防寒服的研究提供参考。

关键词：智能材料;防寒服;保暖隔热;防水透湿

中图分类号：TS941.73

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）01-0054-08

Abstract：Inrecentyears，smartmaterialswiththeabilitytosenseorreacttoexternalstimuligraduallyemerged.Thisstudyintendstosummarizetheclassificationofsmartmaterialsforenhancingheatpreservationandinsulationofcoldweatherclothing.Firstly，smartmaterialsareclassifiedintothreetypesbytheactionmodeofheatpreservationandinsulation，namelythermalstoragematerial，electricheatingmaterial，andshapememorymaterial.Thefeasibilityandshortcomingsoftheapplicationofvarioustypesofsmartmaterialincoldweatherclothingareanalyzedfromtheperspectivesofthermalinsulation，waterproofandmoisturepermeabilityandsafetyandcomfortofhuman.Itispointedoutthattheproblemsofsmartmaterialsforcoldweatherclothingthatshouldberesolvedinfutureresearchincludeusesafetyandperformancepersistence，soastoprovidereferencefortheresearchofsmartmaterialsandsmartcoldweatherclothing.

Keywords：smartmaterial;coldweatherclothing;thermalinsulation;waterproofandmoisturepermeability

作者简介：魏言格（1996-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事服装舒适性与功能方面的研究。

防寒服是指在10℃以下的寒冷环境中可维持人体正常生理指标的服装[1]。如冲锋衣、滑雪服、登山服和冷库的工作服等。防寒服可有效减缓人体热量损失，维持人体代谢产热平衡，从而对人体起到冷防护的作用。防寒服一般是由具有一种或几种的防护性能（防水、防风、耐磨、抗撕裂等）的外层、具有保暖填料的中间层、柔软的内层三层缝合而成的服装[2]。

防寒服的保暖隔热性能往往是人们选择防寒服的首要关注点[3]。如果长时间暴露在冷环境下，人体的体温会降低，甚至遭受皮肤冻伤、组织坏死等冷伤害[4]，因此要求服装需有足够的隔热能力来阻隔人体热量的散失，维持人体核心温度，以免因体温过低造成人体机能紊乱，遭受冷伤害。服装的隔热能力与服装材料的基本性能（材料厚度、导热系数、组织结构等）和服装结构设计的手段有关[5]。此外，提升防寒服的防风、防水性能也可以提升隔热性能。在风冷环境下，防寒服需要有效阻隔寒风渗透到服装系统内，减少对流热损失[6]。滑雪服、登山服、极地服装、冷库工作服等防寒服还需具有防水的能力。防水是指织物可以在一定水压下防止水分（雨水、雪水等）浸入服装系统中，维持人体的热湿舒适的能力。水的比热容和导热系数比普通织物的大，外界雨、雪、水分渗入服装内部，会削弱服装系统的隔热性能及穿着舒适度[7]。

防寒服还需具有一定的散热能力，人体不断代谢产热，热量如果不能散失会使得人体不舒适。过度的防水、防风设计会导致服装隔热过度，散热能力减弱。服装的散热性能可通过提高服装的透湿性能，增加服装的通风设计等手段得到改善。透湿要求人体蒸发散热产生的潜汗、人体运动产生的显汗及时传递到外界环境，否则，会形成人体热负荷。此外汗液在服装内堆积冷凝会对人体造成冷伤害，因此要提高防寒服的透湿性能[8]。

以往学者通过减小防寒服材料的导热系数、增大防寒服系统的厚度和静止空气含量，来提高防寒服系统的总热阻，改善保暖隔热性能[9-11]。传统的服装材料所能达到的保暖效果有限，且只能被動的保温，无法主动产热。目前学者正在研发不同种类的智能材料并用于优化防寒服的防护性能。智能材料能够感知外部环境的物理（光、热、电等）、化学刺激，并通过反馈机制对其做出主动的反应[12]。可应用于防寒服的智能材料大致上可以分为智能纺织材料和柔性电子元件两大类。其中智能纺织材料是指对外界刺激具有感知能力或兼具反应能力的纺织品，如蓄热材料、形状记忆材料等。柔性电子元件主要指金属丝、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等电加热材料加工而成的柔性发热元件，通过采用信息技术、微电子技术，与柔性电路、柔性电池共同作用给防寒服提供热源[13]。从提高防寒服保暖隔热性能的形式将防寒服用智能材料分为蓄热材料、电加热材料、形状记忆材料三大类。而从保暖隔热的角度还可将以上智能材料分为消极保温材料和积极发热材料。消极保温材料可通过增加防寒服静止空气层的含量、减小不同形式的热传递来提高防寒服的隔热性能，如形状记忆材料。积极发热材料是通过物理、化学变化产生热量来提高防寒服的保暖性能，如太阳能蓄热材料（光能转为热能）、相变蓄热材料（相变产热）、电加热材料（电能转为热能）等。但是这些智能材料大多不够成熟，未能市场化、标准化。

本文从提高防寒服保暖隔热性能的形式将防寒服用智能材料分为蓄热材料、电加热材料、形状记忆材料三大类，并从隔热保暖、防水透湿、人体安全舒适等角度分析各类智能材料在防寒服中应用的可行性与不足，并对防寒服的智能化发展进行了展望，为智能纺织材料和智能防寒服的研究提供参考。

1蓄热材料

蓄热材料可以自响应地提供人体所需热量，太阳能蓄热材料、相变蓄热材料是较为适合用于防寒服的智能材料。

1.1太阳能蓄热材料

太阳能蓄热材料通过吸收太阳辐射的近红外线，并反射人体自身产生的远红外线，达到蓄热保温的效果。可应用于防寒服的太阳能蓄热材料主要为第四族过渡金属碳化物，该类碳化物可吸收大于0.6eV的辐射线并转换成热能，而小于0.6eV的辐射线则被反射[14]。可以通过将该类碳化物如碳化锆（ZrC）微粒包埋在纤维或纱线内部，或在纤维纺丝时加入类碳化物微粒等方法制备太阳能蓄热纤维[15]。Li等[16]利用ZrC粒子包埋法制备了可发热的黏胶纤维，之后用红外线照射掺杂有2%ZrC的黏胶织物60s并测量其表面温度，其表面温度增加了近30℃。此外，Xu等[17]利用磁控管溅射技术将ZrC沉积在涤纶织物上制备太阳能蓄热织物，在太阳光照射时间为200s的条件下，织物温度上升27.0℃左右，可用于防寒服来提高保暖性能。

日本的三菱公司在腈纶纺丝原液中加入氧化锡、氧化锑微粒开发出太阳能蓄热纤维Thermocatch，该纤维制作的服装在阴天时也可使服装内部温度提高2～10℃[15]。此外钟纺公司的Ceramino、尤尼吉卡公司的Thermotron均是太能蓄热纤维，可用于制作毛衣、羽绒服、冬季运动服等防寒服。英国学者戴维等[18]利用ZrC合成纤维制作太阳能服装，可以将太阳的光能将转化成热能，并缓慢释放。但太阳能蓄热材料能量转化效率低，生产成本高，光源的依赖性强，阴天环境下使用效率较低。

1.2相变蓄热材料

相变蓄热材料（PCM）在一定温度下可以实现液相与固相之间的相互转变，当固相的PCM被加热到熔点时，会转变成液相并吸收热量，当环境温度低于PCM的冰点时，液相的PCM会转化为固相，并瞬间释放能量，直至全部凝固[19]。液相的相变材料可以用于防寒服，例如将其封装成加热袋[20]，使用时将其放在需要加热位置的防寒服中，但此方法会增加防寒服的重量与体积，影响防寒服的灵活性。此外还可以将PCM作为添加剂加入纺丝原液中纺成纤维，生产出温度可调节的智能相变纤维，用于滑雪服、内衣裤袜子等防寒服装[21]。Zhao等[22]通过乳液静电纺丝法成功地开发了形状稳定的正十八烷/丝复合相变超细纤维，该复合纤维表现出可逆的相变行为，具有較高的蓄热能力。目前最常用的方法是将PCM封装在微胶囊中制成相变微胶囊，微胶囊的直径1～100μm，可有效防止液态PCM流动泄漏[23]。可将相变微胶囊涂覆在织物表面，或将微胶囊混入纺丝液中进行纺丝制成纤维。张慧洁[24]采用石蜡类相变材料作为芯材，以三聚氰胺-甲醛-脲树脂作为壁材制备相变微胶囊，用浸轧法对织物进行后整理，制得具有5J/g热容的蓄热织物。

相变材料的发热性能取决于相变温度、被封装的PCM的量以及材料的热焓值[25]。在严寒气候下，相变温度一般设置为18.33～29.44℃（人体感到冷时服装外层到内层微气候的温度）[26]，当服装微气候的温度高于相变温度时，相变材料储蓄热量，当温度低于相变温度时，释放热量维持服装微气候的温度。陈旭[27]采用海藻酸钠作为壁材、将1∶1∶2配比的正十四烷、正十六烷、正十八烷作为芯材制备微胶囊，并整理至织物表面，制得分级相变低温防护复合织物，由于各相变材料的相变温度、热焓值均不同，增大了低温下的放热区间和相变潜热，其中正十八烷的储热相变温度在28℃左右。在温度为-15℃时，复合织物的低温抵抗时间为6.9min，具有优异的发热保暖性能，但此研究仅针对单层相变织物测试发热保暖性能。孙艳丽[28]以正十八烷为芯材，三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）树脂为壁材采用原位聚合法制备相变微胶囊，并用于制作相变微胶囊涂层织物，为增加相变持续时间，设计并制备了远红外织物层/相变微胶囊功能层/气凝胶隔热层的三层结构防寒织物系统，经过测试，在-40℃的环境温度下，织物系统包裹的内部微气候经870s由37℃降至0℃，其冷防护时间明显高于相同厚度的相变微胶囊或气凝胶织物。

早在20世纪相变蓄热材料便已经在防寒服中得到使用，1997年美国海军运用相变微胶囊蓄热纤维制作潜水服，此潜水服具有3h的保温时间，远高于普通潜水服[29]。美国Outlast技术公司生产的含有相变微胶囊的Outlast纤维，已被应用于制作调温内衣、滑雪服、袜子等防寒服饰。此外，国产的丝维尔纤维、SYCORE纤维也运用了相变蓄热技术。中国的猫人、sotx、比音勒芬等品牌采用“outlast”智能控温技术开发了恒温服饰，但据消费者反馈此类恒温服饰的保温效果并不理想。由于相变蓄热织物受PCM的相变温度的限制，在低于相变温度的环境下，当全部PCM凝固后，将不再释放热量;高于相变温度时，当PCM全部熔化，将不在吸收热量，相变蓄热织物对人体的热调节不会有进一步的影响。因此，限制了相变材料的服用发展。中国相变调温技术尚不成熟，生产的相变服装耐久性差，服用性能不佳，服用产品仍处于开发阶段，未能量产。

2电加热材料

电加热材料可有效解决自发热时间短的问题，通过将电能转化为热能，提供或维持人体所需的热量。电加热材料主要分为金属加热材料和碳基加热材料等，将其制备成电加热元件，通电后即可达到电加热的效果。电加热材料可控温，加热时间相对蓄热材料较长，且可针对身体部位进行局部加热，因此是目前最适用于提高防寒服保暖性能的智能材料。电加热防寒服一般由电加热元件、电源、温度控制线路、保护线路等电子元件及衣身构成。目前电加热技术已被用于户外防寒夹克、帽子、手套、靴子等服饰的开发，且得到了一定的商业化应用。

2.1金属加热材料

金属加热材料是最早应用于电加热防寒服的电加热材料。第二次世界大战期间，美国的轰炸机机组人员穿着的飞行夹克，装有与电热毯中类似的金属丝发热元件[46]。金属加热材料有金属丝、金属涂层纱线等。金属丝加热材料包括铁、银、铜等，其加热效果好，但不够柔软服帖，服用效果差。金属涂层纱线主要是镀银纱线，采用电镀、化学镀或真空镀的方法，将纯银镀在普通纱线或纤维上所得到的导电纱线[30]。Doganay等[31]运用浸渍干燥法制备新纳米线（AgNWs）涂层棉织物，并测试了织物的加热性能与耐用性。在1～6V的电压下，可将织物表面加热至30～120℃，因此可通过施加电压设置所需温度。另外在经5000次弯曲后，织物的加热性能保持不变。但经多次洗涤后，AgNWs的3D导电网络被破坏，加热性能下降。

人体皮肤最舒适的温度在32～37.5℃，温度低于32℃会有冷感，高于37.5℃会有热感。因此用于防寒服的发热织物，其自发热的温度不可太高，以免影响人体热舒适[32]。许静娴等[32]制作了镀银长丝和涤纶短纤喂入比为3∶7的双罗纹织物，在6V电压下，以该试样为发热元件的服装面料系统表面可获得35℃的加热温度，足以起到发热保暖效果且能保证人体热舒适性。

2.2碳基加热材料

碳基加热材料，主要指碳纤维、碳纳米管、石墨烯等材料。碳纤维是目前市场上主流的电加热服装的发热元件，是指以腈纶或黏胶纤维为原料，经高温氧化、碳化而成的含碳量高于90%的高模高强纤维。其升温快、功效高、成本低，发热转化率可达99.9%以上[33]。然而碳纤维织物具有纤维丝易断裂、温度分布不均的缺点。Pang等[34]使用湿法造纸工艺将碳纤维制成非织造布，并将其夹在聚四氟乙烯粘片上制造加热织物，该织物结实柔软，导电率为2.8×103S/m，能承受3000次的弯折，在13V电压下表面温度达94.6℃，可用于制作柔性加热元件。但对于用在防寒服上的柔性加热元件需考虑加热温度的安全阈值，过高的发热温度会对人体造成热危害，与人体接触的加热元件外表面的温度建议在35～50℃之间[35]。此外，为加热元件供电的电压要采用12V以下人体安全直流电压。张颖[36]研究了碳纤维丝的电热性能，生成碳纤维发热元件的发热温度模型，可根据人体所需的加热温度进行所需电压及碳纤维丝长度的计算。吴官正等[37]通过将碳纤维发热层线路设计成“∞”字型和“井”字型的串并联网格模型，设计了串、并联式碳纤维服装用发热片，发现在6V直流电压下，6K、14K碳纤维束的串、并联发热片均有优异的发热效能，平均发热温度在50℃以下，且可维持在一定温度范围内，提高了发热面料的发热效率和发热均匀性。

碳纳米管和石墨烯相比于碳纤维丝不易折断、温度分布更均匀。碳纳米管是由碳原子以sp2杂化成蜂窝状后经卷曲形成的中空管状结构[38]。肖渊等[39]针对现有发热丝柔性差、不耐水洗等问题，提出在涤纶纱线表面均匀涂覆碳纳米管的柔性發热丝制备方法，并对所制备的发热丝耐水洗性能及发热性能进行测试。结果表明，洗涤2次后，发热丝电阻的变化率基本稳定，在施加36V电压下由发热丝构建的并联网状结构表面4min内可获得50.3℃的加热温度，可用于制作加热元件。Sadi等[40]以水性碳纳米管油墨分散体为载体，经丝印技术开发出多功能棉织物复合材料，并研究了复合材料作为可穿戴加热元件的电加热性能，在3V的电压下，仅需30s即可加热到46.3℃。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，具有高的弹性模量和拉伸强度，且可弯曲、可折叠[41]，是制作电加热元件的理想材料。Miankafshe等[42]对聚酯织物用壳聚糖（CS）、水氯化十六烷基吡啶（HDPC）等阳离子进行试剂处理，并采用氧化石墨烯（GO）分散剂对其进行浸涂。经CS和HDPC处理的织物的电阻值分别为2.7kΩ和0.59kΩ，并具有良好的热量传播和良好的温度分布。施加10V电压，CS和HDPC处理的织物的稳态温度分别为28℃和33℃。此氧化石墨烯改性纺织品是纺织应变传感器和电热元件的良好选择。徐霞等[43]采用石墨烯纳米片（GNSs）作为发热材料，水性丁苯橡胶为基体，制备出具有优异导电性的石墨烯/丁苯橡胶复合材料（AGSC）。发现材料施加电压后的稳态温度与GNSs含量、电压成正相关。含0.5%GNSs的复合材料在8～12V电压下，经过60s加热后的稳态温度可到26～30.5℃。含1%GNSs在相同电压下，稳态温度可达40.5～66.5℃。在低电压下此柔性复合材料可作为可穿戴的柔性发热元件。

为保障加热元件在防寒服中的安全使用，除了研究适宜人体的稳态加热温度外，还需要研究加热元件在服装中的位置以及加热的方式。Shin等[44]将石墨烯发热元件嵌在保暖内衣的上胸部和上背部的弹性口袋里，比较间断和连续加热两种加热方法对人体热舒适的影响。发现在寒冷多风的环境，上背部采暖比胸部采暖能有效保持热舒适。间歇加热比连续加热可节省电能71%，但两者对人体的热舒适影响没有较大差异，其中有些受试者在采用间歇性加热方案时感到更舒适。而连续加热会因加热时间延长导致低温烧伤。吴戴维等[45]在-11.8℃的环境温度下进行暖体假人着装测试，探究石墨烯发热元件与防寒服系统的最佳最优组合方式。结果表明：前胸、肩部、腹部、前臂和小腿这5个部位最适宜放置加热元件，为满足人体的热舒适需求，加热元件的加热温度推荐范围为腹部37～40℃、肩部40～44℃、前胸44～49℃、前臂和小腿49℃以上。后续还可以针对加热元件的个数、间断加热的时间配置与人体热舒适的关系进行研究。

市面上常见的加热服饰大多采用碳纤维制作的电加热元件，如美国的VentureHeat、Anseris，日本的Makita，英国的BlazeWear，中国的南耀、ZHAPPY等公司均采用碳纤维加热元件开发电加热服饰产品。而碳纳米管、石墨烯凭借优良的结构稳定性、柔软性逐渐受到市场追捧。中国风谜FOOXMET公司利用碳纳米管发热膜作为发热元件开发了电加热背心，背心仅需10s即可加热到35℃，衣重仅为220g[47]。中国的小米、森马公司均采用碳纳米管发热膜研发了电加热防寒服。2018年，参演平昌冬奥会闭幕式节目“北京8分钟”的演员们穿着石墨烯电加热防寒服来抵御寒冷。北京爱家科技公司将水性石墨烯附着在起到骨架作用的纤维上制备石墨烯复合纤维，并与导电纤维混纺，制备出具有良好的柔韧度、可裁剪的石墨烯复合织物，并以此研发石墨烯电加热防寒服，穿着者可借助手机APP对服装进行温度控制[48]。

电加热防寒服在服用性能上仍存在一些问题：例如，加热温度过高会导致人体出汗，而加热元件往往透气、透湿性不高，易使汗液堆积;电加热元件的防水防湿要求与服装的透气透湿需求之间的矛盾[49]。另外电加热防寒服的电源同样影响服用性能，电源的体积与质量过大制约了服装的穿着舒适与便携性能，电源的电容量不足限制了加热时长。随着柔性电子技术的发展，由柔性电池、柔性电路、柔性电子元件构成的高度集成的柔性化电加热防寒服将成为电加热防寒服开发的热点。

3形状记忆材料

形状记忆材料（SMM）是具有形状记忆效应的智能纺织材料，在受到热、机械、磁或电刺激等外界刺激时能够恢复初始形状[50]。由于对多种刺激自响应的能力，形状记忆材料可以在许多技术中使用来响应环境变化，使其恢复到原来的形状、位置、应变、刚度等。防寒服设计中可用的形状记忆材料有形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）。

3.1形状记忆合金（SMA）

形状记忆合金（SMA）是通过将两种或更多种金属混合在一起的金属化合物[51]。将合金训练成预定的形状，当受到一定的热刺激和弯曲、拉伸或其他机械变形后，如果达到其致动温度，就会恢复到预定的形状。温度响应型SMA可以应用在防寒服系统中，在低温下服装中的SMA被激活，服装相邻层之间的空气间隙增大，静止空气的含量增加，从而提高防寒服的隔热性能。

Yoo等[52]将NiTi形状记忆合金（SMA）弹簧置于防寒服系统的外层和保暖层之间，可智能地感应低温并做出响应。如图1，彈簧在温暖条件下为扁平的状态，在低温下会弹起10mm或15mm的高度，在服装层之间形成足够的空气层，经测试，防寒服系统的隔热性能得到提高，服装与人体间的微气候温度的下降得到缓冲，且弹簧弹起的高度越高效果越好。进一步对受试者穿着带有与不带有10mmSMA的防寒服进行比较，发现受试者仅在转变温度下（热环境至冷环境）穿着SMA防寒服感到更温暖，在其他状态下穿着两种防寒服没有大的热感觉差异。这可能是由于10mm弹簧的弹起高度不够高，以及防寒服系统层间压力压缩了弹簧的高度，导致没有产生有效的空气层厚度。可通过加大弹簧的直径来增加弹簧的强度，减小压缩形变。通常，织物层中2.5cm以上的气隙会造成对流热损失[53]，因此通过SMA增加的空气层间隙不得大于2.5cm。Lee等[54]为了确定SMA在寒冷天气中感知和驱动的最佳温度，让受试者穿着测试服装（内衣、拉链衬衫、保暖背心、防水透气夹克），暴露在17、14、11、8℃和5℃的温度下，受试者在17℃和14℃时不感觉冷，但在11℃时觉得阴冷，8℃和5℃时感到寒冷，经测试在8℃时外层夹克和背心间的微气候温度为24.5℃。因此将SMA弹簧的响应温度设在24.5℃，此温度刚好与寒冷气候下使用的PCM的相变温度（18.33～29.44℃）在同一范围内[26]。进一步地将SMA弹簧缝在夹克与背心之间，对受试者进行低温运动测试。结果表明，嵌入SMA的防寒服比对照组更温暖、更干燥、更舒适。与同重量的鹅绒背心进行比较，其热感觉不如后者，但湿感觉比后者好。这是因为SMA产生的气隙更易于水分的扩散[53]，但在有风条件下如果服装收口部位未能收紧也增大了热对流。

3.2形状记忆聚合物（SMP）

可用于防寒服的形状记忆聚合物（SMP）主要是指热敏型形状记忆聚氨酯（TSPU），是具有自响应调湿功能的智能调湿材料。其含有两种不完全相容的两个相态，即保持形状不变的固相与随温度变化而软/硬相转变的可逆相，可逆相在其临界转变温度Tc（即材料的玻璃化温度Tg或结晶融熔温度Tm）上下发生明显变化，表现出明显的温敏特性，当外界温度高于Tc时，分子微布朗运动加剧，分子间距离增大，水蒸气分子可透过分子间的间隙，从而使透湿量与散热量迅速增加;而在Tc以下时，分子微布朗运动减慢，分子链间排列紧密，阻止水分子与空气的通过，减少人体热量散失[55]。因此，将TSPU薄膜与织物层压制成复合织物，在低温下可保持身体温暖。同时，它在高温下有更好的透气性，保持身体舒适。三菱重工开发的户外防寒服系列“DiAplex”便是采用这种技术[56]。

在任何温度下，TSPU薄膜分子间隙远小于水滴直径，水滴无法透过聚氨酯膜，从而达到防水的目的。李淑华等[57]对TSPU薄膜及传统微孔型薄膜的防水透湿性能进行了比较，发现TSPU薄膜防水、透湿性能均优于传统微孔薄膜，但实验是在25℃以上的环境下测试的，不能表征TSPU薄膜低温时的防水透湿性能。

Wang等[58]将两种具有较低和较高临界溶解温度的聚合物涂敷在预处理的棉织物的两侧，开发了可根据温度变化自适应地调节透湿性和液态水传递性能的Janus纺织品。当温度变化时，可以在织物两侧实现可逆的湿性梯度。高温时水分可从疏水的内侧输送到亲水的外侧快速蒸发为人体降温。低温时发生转逆变，织物内侧亲水，外侧疏水，约束水分和热量散失，维持服装与人体之间的微气候的温暖。

人体在不同状态下的排汗量[59]见表1，在0℃时从事重劳动的排汗量为1030g/（m2·24h），冬季穿着的防水透湿服装的透湿量应大于这个数值。Shi等[60]使用热湿敏热塑性聚氨酯（THSPU）和二氧化硅气凝胶颗粒（SAs）制备了具有较强的防水性和自适应透湿性的智能混合膜，并采用层压法制成防水透湿织物。在环境为5℃时，织物的WVT为1000g/（m2·24h）。在室温为25℃时，WVT则显著增加到4200g/（m2·24h）。可以看出织物在低温下的透湿量可以达到坐、爬、步行时的透湿要求，但未能达到中度劳动时的需求。

TSPU调湿织物虽可以智能地调节透湿性能，在寒冷环境下减缓人体的热量损失。但此织物制作的服装仅是通过减少人体与外界热对流来提高服装的保暖性能，保暖效果还有待考证。此外，与传统的层压、涂层类防水透湿面料相比，TSPU织物虽然可以根据环境温度主动调节透湿量，但在活动量较大的低温条件下使用时，仍无法满足人体的排汗需求，可能会造成汗液凝结，导致织物的导热系数增大，加快人体与织物间的热传导。

智能材料的研发推动了防寒服的智能化发展，目前服装市场已涌现各式各样的智能化防寒服饰，如智能冲锋衣、滑雪服、手套、鞋子、帽子等。其中主要以蓄热材料、电加热材料制作的防寒服饰为主，而形状记忆材料在低温环境下虽可以自响应地调节形状起到保温作用，但无法主动产热，且形状记忆合金较硬，内置在防寒服中影响服装的穿着舒适性能，形状记忆聚氨酯織物技术加工难度大，保暖效果有限，低温下穿着透湿性能欠佳，因此除了三菱重工开发的户外防寒服系列“DiAplex”外，市场上鲜有运用形状记忆材料的防寒服饰产品。

4结语

防寒服作为寒冷环境下工作、运动、生活必需的服饰，其保暖隔热、防水透湿性能一直受到人们广泛关注。智能材料由于其自感知、自响应、自隔离的特点，未来可运用在防寒服保暖性能、防水透湿性能的改进中去。但智能材料大多还不够成熟，直接用于防寒服还存在大量的问题。防寒服作为贴身穿着的服饰，第一要解决的是材料的使用安全问题。例如自加热材料如何有效避免加热导致人体低温烫伤;电加热一般将发热电子元件与织物结合，在加热过程中如何避免因短路造成的织物起燃;相变材料的相变芯材是否对人体无毒无害[61]。第二要解决材料的穿着舒适性问题。如电加热元件的透气性和柔软度亟待改善;形状记忆合金的形变对肢体活动的限制问题仍未解决;热敏型形状记忆聚氨酯在低温下的透湿性也有待提高。第三要解决材料的效能持久性问题。太阳能加热材料在阴天时效果大幅减弱;相变加热材料仅有短暂的发热时间，且需要特定温度来激活;电加热材料受电源电量的制约，还不能做到持续发热;形状记忆材料受外力易弯折变形，导致隔热性能下降。第四要解决服装可维护性问题。多数智能材料水洗后，效用会大幅度减弱，特别是相变微胶囊材料，经多次水洗，微胶囊的残留率逐渐降低[62]。而对于电加热元件、形状记忆合金，需将其拆下后再对服装进行水洗。第五要解决环保性问题。目前部分智能材料的生产伴随着环境污染。例如防水透湿复合面料，大多为溶剂基聚合物经层压或涂覆而成，在膜形成或涂覆过程中，释放出大量的溶剂，即造成了严重的环境污染[63]。第六要解决标准欠缺问题。智能材料作为新兴的服装材料，发展还未成熟，亟需标准规范各种智能材料的服用安全性、舒适性、可维护性等问题。因此，智能材料与防寒服的有效结合还需要大量的研究。智能纺织品发展前景可观，它将呈现智能化、柔性化、产业化、安全化的发展趋势[64]。防寒服作为保护人体免受冷伤害的服饰，如何实现与智能纺织材料有机结合制作适合于人体穿着的智能防寒服，实现防寒服自主感知寒冷环境（温度、冷风、水分），自主响应为人体提供热量，自主隔离人体热量散失、外接水分侵入等功能，将成为未来持续研究的方向。

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