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

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；2.东华大学 纺织科技创新中心，上海 200051；3.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

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[1-3]。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[4-5]。国际能源署2020年数据显示，空调制冷占建筑能耗高达16%[6]；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[7]，其中制冷产生的温室气体占全球排放总量7.8%[8-9]。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[10-11]，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[12-13]。

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。

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[14-16]，其中热湿舒适性对人体舒适感的贡献率约为61.5%[17]。

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[18]。人体体温调节和散热机制如图1[19]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[20]。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[21]。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[22]。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[23]，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[18,24]。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[25]。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[26-27]。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[13,28-29]。根据人体温度调节机制，人体的总热量可用下式计算，热量用P表示，其中后文对热湿管理纺织品的研究也通过是控制热量来源和散热量来实现个人热舒适。

Pt=Pi+Psun-Prad-Pcond-Pconv-Pevp

式中：Pt为总热量；Pi为人体代谢产热量；Psun为来自太阳光的热量；Prad为辐射散热量；Pcond为传导散热量；Pconv为对流散热量；Pevp为汗液蒸发散热量。单位均为J。

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 衣物热辐射调控机制

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。2014年，Tong等[30]提出了一种具有热和光学性能的红外(IR)透明可见光不透明织物的重要设计概念，认为聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA)等聚合物是辐射散热纺织品的优选材料，可用于开发可穿戴的个人热湿管理纺织品从而减少HVAC能耗。传统的棉麻等织物对MIR几乎不透明，Hsu等[31]提出最常见的PE薄膜对人体MIR透明，是辐射降温纺织品的理想选择，但PE薄膜对可见光是透明的且不透气。为满足基本服用性能，Hsu设计了纳米多孔聚乙烯(nanoPE)纺织品，nanoPE可同时满足MIR透明、可见光不透明和透气的要求，孔径在 100～1 000 nm 范围，呈白色，并对nanoPE进行了聚多巴胺和棉网夹层后处理，提升了织物的亲水性和机械强度。随后该团队将PE和石蜡油混合，通过大规模挤出工艺生产了均匀连续的纳米多孔PE超细纤维，兼具降温、柔软和MIR透明性能[32]。这一系列工作开辟了个人散热方式研究的新思路：在零能耗的情况下通过调控纺织品的红外辐射透明来达到一定的降温效果，但其穿着舒适性仍是个挑战。

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。Cai等[33]利用太阳辐射、人体辐射和大气窗口的波谱继续对纳米多孔PE进行改进，通过将氧化锌(ZnO)纳米颗粒嵌入纳米多孔PE中开发了一种具有光谱选择性的新型纺织品，研究表明ZnO纳米颗粒可反射超过90%的太阳热辐射，且纳米孔聚乙烯对MIR透明，与普通纺织品(如棉)相比，这种纺织品可使模拟皮肤在日光下降温5～13 ℃。这一研究吸引了诸多学者对降温材料展开了系列研究，如表1所示。辐射降温纺织品的制备大致可分为纺丝法、涂层法和微冲压法。这些织物通过反射太阳光来减少太阳热辐射吸收，常用微纳米孔结构、负载粒子的散射作用来增强太阳光反射，允许人体MIR透过或是具有MIR高发射率，将MIR辐射到宇宙空间来达到散热效果，与传统织物相比具有良好的降温效果。为了提高服用性能，学者们也对织物的透气性、强力、芯吸高度和耐磨性等物理性能进行测试，进一步扩大了个人降温纺织品的应用场景，在户外运动服装、遮阳伞、帐篷、可穿戴设备、建筑等领域具有广阔前景。

表1 辐射降温材料

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[31]，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。Hsu等[40]基于减少人体热量耗散和降低对环境供热需求这一理念，将银纳米线(AgNWs)和碳纳米管(CNTs)涂覆在织物上形成金属传导网络，金属网络在人体辐射光谱中都具有很高的反射率和隔热性能，同时又保留原面料的透气性。此外AgNWs和CNTs也能进行电阻加热，具有良好的保暖效果，可为个体节省约354.7 W的室内供暖功率，是一种制备简单且有效的可穿戴热湿管理技术。Ag涂层也经常被用于辐射保暖织物，如口罩和服装[41]。利用不同辐射性能，Hsu 等[42]提出了一种C(高发射率)/Cu(低发射率)/nanoPE(高透过率)分层结构用于个人热湿管理的双向调温织物，与传统织物比较，扩大了人体热舒适区范围(13.9～24.3 ℃)，在个人热湿舒适表现出良好的应用前景。

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[43]、纺丝技术[44-46]和层压技术[47]。Wu 等[43]采用蚕丝蛋白为原料通过冷冻纺丝方法制备出具有良好隔热性能的微结构纤维，将聚乙二醇(PEG)相变材料填充在纤维微结构中，纤维内部的孔被PEG填充并覆盖，得到相变微结构复合纤维(PCMF)，再用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行涂层处理，成功制备具有调节人体温度功能的复合温控纤维(PCMF/PDMS)，该织物在20～90 ℃范围内表现出优异的温度调控性能，推动了节能经济可穿戴热湿管理技术的发展并为个人热湿管理纺织品的实际应用奠定了基础。Babapoor等[45]采用静电纺丝方法制备了PA6-PEG纳米纤维，将PEG相变材料作为芯层，得到的复合纺织品表现出可靠的热性能。也有学者直接将PCM封装在传统的纤维素纤维(kapok)中空结构中，制备的复合材料(kapok/PET/PCM)在24～42.3 ℃ 的舒适温度范围可吸收76.8 J/g潜热，在10.5～29.7 ℃可释放77.4 J/g潜热，是动态热调节纺织品的理想材料[46]。Su等[47]通过涂覆和层压技术将PCM复合在织物上并应用于消防服，提高了消防服的热防护性能。PCM集成到纺织品中还存在一些挑战，如目前PCM多应用于常温环境，无法满足极端环境要求；PCM安全问题仍存在隐患；相关测试(如在纤维内部的相变过程)和评价都需进一步改善；以及在真实情况下的使用和效果仍需进一步研究和评估。

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[48]。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。Zhang 等[49]发明了一种红外光辐射动态“门控”织物，该织物由亲水和疏水2种不同的合成材料制成，在汗液刺激下纤维翘曲使得纱线紧密结合在一起，不仅打开织物孔隙，而且改变了纱线的电磁耦合作用，进而增加其辐射率，从而有效增强了人体和环境的热交换作用，为热湿调节衣物的舒适性提供了新思路。Yao等[50]利用微生物细胞吸/脱水产生张力的原理制备了一种新型乳胶织物，当微生物受到汗液刺激时可诱导织物发生可逆弯曲转变，使得该织物制备的运动衣在热和出汗情况下将通风口打开，反之则会关闭该通风口，该工作为开发热湿响应织物提供了多个领域交叉融合的新思路。Wang等[51]研究了一种冬暖夏凉自适应智能Janus纺织品，以实现温度变化下可逆的单向导湿与热对流调节。Hu等[52]开发了水驱动形状记忆羊毛织物，在出汗情况下羊毛纱线变细使得织物孔隙增大，进而增强热量和湿度的释放。Zhong等[53]报道了湿敏智能调温织物，湿度可诱导织物通风口和厚度改变进而促进湿热交换效率。Nike AeroReact开发了一种全新的响应性轻质面料，该材料的双组分纱线能够感知到汗液，纱线粗细的可逆变化诱导织物孔隙结构的改变，促进人体自身的体温调节能力。智能响应织物作用机制见表2，此系列研究对高性能运动服装的开发和人体热湿调节具有重大意义。

表2 用于热湿管理的智能响应织物

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)[54-55]。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[56]；将Al2O3和醋酸纤维素混合溶液涂覆在纺织品上可达到降温效果[38]，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[57-58]。

Miao等[59]仿植物蒸腾作用以聚氨酯/氮化硼纳米片(PU/BNNS)高导热取向纤维为材料制备了具有多级互连网孔结构的吸湿凉爽纺织品，高度取向的BNNS沿着互连的纤维网络构建了丰富的传热通道，在干燥和润湿状态下均可实现优异的散热性能，与传统织物相比展现出了明显的提升。

Gao等[60]从导热填料和导热通道两方面研究了3D打印热调节取向氮化硼(BN)/聚乙烯醇复合材料(a-BN/PVA)，以改善纺织品的热传递性能。该复合材料制备过程如下：首先将高导热BN超细粉和PVA混合处理得到BN/PVA溶液，再将均匀BN/PVA分散体3D打印得到BN/PVA纤维，随后在200 ℃的温度下加热并拉伸使得BN纳米片高度取向，形成有效传热通道，最终得到具有高度取向的a-BN/PVA复合纤维。用激光红外热成像系统对纤维热性能进行定性分析，用波长为810 nm的激光作为点热源向织物提供恒定输入功率，由于纤维导热系数不同，红外测温显示a-BN/PVA复合纤维织物局部最高温度(39.8 ℃)远低于商品棉(55.9 ℃)，表明a-BN/PVA织物具有优异的热传导性能。采用a-BN/PVA纤维编织织物可将人体热量有效地传导到环境中实现降温。

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[61-63]，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。近年，Zhao等[64]报道了一种便携式热电能量转换单元(TECU)的个人热湿管理器，TECU单元能够将电能转换为冷却和加热能，环境空气被转换为冷空气(在冷却模式下)或暖空气(在加热模式下)实现人体热舒适，其中冷或热空气是通过编织成温度调节内衣的树状橡胶管网络供应，可实现24.6 W的个人冷却功率和18.5 W的个人供暖功率，这种个人热湿管理方法在建筑热调节中显示出巨大的节能潜力，为其他散热器设计提供了研究参考。Hong等[65]提出了一种柔性可穿戴热电设备(TED)设计，这种设计最大化了设备的灵活性，薄(6 mm)且轻(0.56 g/cm2)，TED集成到服装中可提供超过10 ℃的降温效果，与传统的集中空间冷却方式相比，TED和自动化的冷却能力为个性化降温提供了巨大的节能潜力。近年，导电纱线(不锈钢纱线、石墨烯、碳纤维和镀金属纱线等)由于其柔韧性和可编织性，在智能可穿戴中得到了广泛应用，也是电加热式个人热湿管理的理想纺织品。许静娴等[66]采用镀银纱线织造了6款保暖服用电加热针织物，该面料在6 V电压下获得了35 ℃的加热温度，起到一定的发热保暖效果并能保证人体热舒适性。Zhang等[67]通过热拉伸制造的柔性超长热电纤维，具有高度柔性性、力学稳定性和较高的热电性能，集成的可穿戴冷却织物实现了最高 5 ℃ 的冷却。这些工作能够为未来智能服装的广泛应用提供坚实的基础。

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[68]。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。彭蕙等[69]阐述了出汗速度、温度、湿度、纤维组成、纤维形貌、织物结构等因素对织物散湿性能的影响，为吸湿排汗织物研究提供了研究脉络。然而，在汗液输送过程中，对热量的散失并没有给予太多的关注。已有研究表明1 g水分蒸发时，可从人体表面带走2.4 kJ潜热，训练有素的运动员出汗率高达3.5 L/h，当处于高温高湿环境或剧烈运动过程中，出汗对人体体温调节至关重要[23]。

单向导湿织物内外层具备不同的润湿性，由此产生的差动毛细效应可单向导走皮肤表面汗液从而保持皮肤表面干爽。构筑阵列孔径是制备单向导湿织物的一种方式，Dai等[70]报道了一种具有非对称亲水性圆锥形微孔的疏水/超亲水Janus聚酯/硝化纤维素织物，该织物嵌入具有亲水性内表面的锥形微孔阵列，可单向将过量汗液从疏水层运输到超亲水层，实现定向液体传输并可以保持人体温度稳定(比棉织物高2～3 ℃)。Wang等[71]制备了一种具备大孔-微米孔-亚微米孔多级连通孔道的仿生多孔Murray单向导湿纤维膜，具有自驱动可逆重力定向导水、快速吸放湿以及优异的内层速干性能。随后在亲疏水层中间引入导流层以加快水分吸收和防止汗液回渗，用静电纺丝技术制备了具有单向导湿功能的3层纤维膜功能性吸湿排汗纺织品，表现出优异的单向导湿和快干性能，可为穿着者提供一个干燥舒适的微气候[72]，该研究为吸湿快干织物的开发提供了新思路。目前市场较为成熟的单向导湿产品主要是通过不同亲疏水性原纱的制备和吸湿排汗整理剂进行后整理得到的，但单向导湿指数仍有待提升。

3 结束语

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。