用于个人热管理的被动调温服装材料研究进展

韩梦瑶，任 松，葛 灿，方 剑

(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215123)

纺织品在人类日常活动和社会发展中起着保暖御寒、蔽体遮羞、美观装饰和护体防御等作用。随着智能科技的发展和人们对服装功能性需求的日益增长，具有温度控制、传感监测、变色智能、数据传输、健康管理等新型智能功能的纺织品得到人们青睐[1]。其中调温型纺织品可以在人体体温调节机制的基础上有效调控人体温度及穿着热湿舒适性，已引起研究者的重视并被不断完善发展[2]。

由于大众环保意识的提高和对舒适健康的追求，人们希望可以通过纺织品自身创造一个舒适的微气候来调节温度，以取代目前造成巨大能源消耗的空间调温技术，因此关于个人热管理的研究逐渐兴起[3]。具有个人热管理性能的纺织品，按照能量来源可分为主动调温纺织品和被动调温纺织品两类[4]。调温纺织品在外接动力源的情况下进行降温或保暖工作，即为“主动”，相反，在无额外能源，仅依靠材料自身特征便可进行调温工作，即为“被动”。主动降温系统指采用气体或液体作为冷却源，在外加动力(例如通电)的情况下，冷却源发生流动，从而吸收人体热量达到降温的目的，包括各种液(气)体介质嵌入式降温系统等。同理，主动保暖系统，即加热源在外接动力源的驱动下进行保暖工作，比如电加热，太阳能加热、化学能加热、相变材料(PCM)加热等。被动降温系统是指调温时无需额外能源，其中被动降温主要有反射(辐射)降温、红外透明降温、相变材料降温等；被动保暖方式包括反射(辐射)保暖、降低热传导、光热转换等。值得注意的是，若将PCM看作动力源，即利用相变过程的热量变化来加热或降温调温材料，或将PCM(如水)置于主动系统中，从而进行调温工作时，则PCM属主动式，如果将相变材料看作调温材料本身，即冷却源，例如相变材料织物在高温状态下发生相变进行吸热降温，此时相变材料则作为冷却源属于被动式[5]。本文将重点介绍将PCM看作调温材料本身的被动调温方式。

在上述热管理方法中，被动调温服装材料可以在不消耗外来能源的前提下，利用服装材料本身性能调节人体热传导、热对流和热辐射损失的热量从而调节人体温度，达到人体热湿舒适性。由于其直接作用于人体皮肤进行热调控，而非对建筑物整体进行温度调节，因此可以显著降低建筑负荷，研究发现当建筑物室内温度取暖或降温设定点降低或提高2.2 ℃时，约可节省15%～60%的总能耗[6]，有利于节能环保及社会的可持续发展。目前被动调温服装种类繁多，其中新型的调温服装材料通过改变服装的发射率、反射率和透过率来实现不同的辐射热控制进而调控服装微气候，达到“全天候”热舒适状态而无需消耗额外的能量，即个人辐射热管理。

本文将重点阐述用于个人热管理的被动调温纺织品，归纳整理被动调温纺织品的种类，主要从保暖、降温以及双向调控3个方面进行总结，同时对被动调温纺织品的工作原理和最新的研究进展进行论述，并展望被动调温纺织品的发展方向和应用前景，以期促进被动调温纺织品以及个人热管理技术的持续发展。

1 被动保暖服装材料

由上述被动调温材料定义可知，被动保暖就是利用服装材料阻挡人体产生的热量通过热传导、热对流和热辐射而散失，从而实现人体保暖。被动保暖类服装可以有效地提高人体在寒冷环境下的活动自由度，同时无需附加能源，进一步节约浪费在空间调温上的能源，通过自身能“锁住”人体产生的热量，防止热量散失，这种轻便节能高效保暖的特点使其有广泛的应用领域[7]。

被动保暖主要有4种方式：a)高热阻、低传导：服装材料热阻高、热导低可以减少热传导损失，例如毛、绒、竹炭纤维等；b)高静止空气含量：增大纤维孔隙率、服装厚度与紧密度，提高静止空气含量，降低传导和对流散热，例如中空纤维、起毛起绒织物等；c)低发射高反射：分别改变服装材料内外表面的发射率和反射率，降低辐射散热，如镀银镀铝、表面涂层等；d)光热转换材料：吸收太阳能为人体保暖，如各种金属及其化合物、陶瓷等纳米颗粒制作的选择性光吸收涂层体系[8]。

传统服装的保暖主要采取前两种方式，寒冷环境下人体主要散热方式是无感蒸发，服装保暖性能与其热阻、厚度以及微气候区静止空气含量有关，降低热传导和热对流，起到隔热层的作用，但是一味增加面料厚度和服装层数，只会降低服装的透气透湿性而破坏服装微气候湿平衡，影响服装保暖性能以及穿着舒适性[9]。因此开发具有透气性、蓬松度和保暖性的新型服装保暖材料至关重要，例如复合纤维絮片[10]、仿生纤维、功能性复合保暖材料等。Cui等[11]受北极熊中空和定向外壳毛发的微结构和隔热功能的启发，制备出具有定向多孔微结构的仿生纤维。用此纤维编织的纺织品具有优异的隔热性能、良好的耐磨性和透气性，掺杂碳纳米管后具有主动电加热能力，与被动保暖技术结合，是非常有前景的隔热和个人热管理材料。

被动保暖服装可以满足人们对服装保暖御寒功能的高需求，有效减缓人体热量损失，维持人体热平衡。目前被动保暖服装主要应用于防寒服领域，如滑雪登山服、极地服、海军舰艇服等。随着被动保暖服装与柔性电子器件的结合和智能可穿戴技术的发展，温度控制、传感监测、健康管理等功能也将逐渐应用于智能被动保暖服中。表1中列举了被动保暖材料的主要分类、原理以及不同材料的主要优点。

表1 被动保暖服装材料分类

1.1 反射(辐射)保暖材料

反射(辐射)保暖材料的机制是阻隔人体热辐射的向外传输，包括服装内层的高红外反射率和服装外层的低红外发射率，减少辐射热损失和热量的散失。高红外反射率材料主要是将银、铝等纳米金属或金属氧化物纳米粒子经过处理后，利用纺织方法制备功能型纤维材料或将功能性涂层直接涂覆在纤维材料表面，并将其复合在服装内层，由于金属对太阳辐射与人体红外热辐射的反射率均较高，因此通过反射人体自身产生的热辐射，极大地提升服装的保暖性能。热反射(辐射)调控材料因其节能高效、低成本等优点逐渐成为被动保暖服装的研究热点。Hsu等[12]开发了一种使用银纳米线嵌入织物的个人热管理系统，如图1所示。这种银纳米线形成的导电网络不仅反射人体红外辐射，高度绝热，还能结合焦耳加热(主动加热)，提升保暖效率。

图1 纳米线布概念图及人手佩戴正常手套和AgNW手套热图像对比

在使用高红外反射率服装材料阻挡人体热辐射逸出的同时，通过减小服装外层材料的红外发射率，抑制热辐射损失，可以进一步提高面料的隔热保暖性能。Cai等[13]提出皮肤与纺织品内表面之间的传热主要是导热而不是辐射，织物外表面的红外发射率对织物的保暖性能起着决定性的作用。并设计了一种纳米多孔金属化聚乙烯织物，使用化学镀方法在纳米聚乙烯薄膜上涂覆纳米多孔银膜，然后层压到棉织物外层使得纳米聚乙烯位于外层(棉花/银/聚乙烯)。所制得的金属化织物具有质轻透气的优点，由于银膜的高红外反射率和PE薄膜的低红外发射率，与传统棉织物相比能够将环境温度的设定点降低7.1 ℃，建筑供暖节能超过35%。

目前热能反射(辐射)材料主要应用于户外运动服装中，常见的有应急保温毯[14]、户外极寒羽绒服等，可以在寒冷环境为人体提供保暖功能。应急保温毯重量轻且保暖性好，其银色镀膜绝缘防水且可以反射热量，夏季使用时银色镀膜可以反射阳光使人体凉爽，在冬季使用时银色镀膜可以反射人体散热而保暖。哥伦比亚(Columbia)品牌的冬季羽绒服里布中的银色热能反射圆点可以有效反射人体自身产生的热量，提升保暖性能，使人体始终保持在温暖舒适状态。骆驼(CAMEL)品牌的冬季羽绒服里布中的银色覆膜可以高效聚热，高效锁温从而减缓热量流失。

1.2 远红外发射材料

远红外发射材料可以吸收人体或外界环境的热量，将能量转换成3～15 μm波长的远红外线，使其渗入人体皮下组织产生热效应，激发机体细胞活性，有效改善人体微循环和新陈代谢，增强免疫力等。当人们穿着使用远红外纺织品时，其可吸收太阳光等并将其转换成远红外线辐射为人体保暖，也可将人体的热量反射而获得保暖效果，是理想的保暖健身纺织品[15]。

目前远红外发射材料主要由陶瓷微粉构成，包括各种金属和非金属的氧化物、氮化物以及复合物等。主要采用直接共混纺丝、全造粒法混纺、湿法粘胶纺丝等纤维加工法或涂层、浸渍、浸轧法使其掺杂复合于纤维或纺织品中。与反射保暖材料相似，远红外非织造材料也应置于复合服装材料的底层即靠近皮肤一侧，便于起到远红外功能。远红外功能纺织品主要应用于医用品、内衣、护膝、护腕等产品中[16]。

1.3 光热转换材料

经过大气层中臭氧层、水汽等的吸收后，照射到地球地面的太阳辐射波段包括5%的紫外线区、46%的可见光区和49%的近红外区。光热转换材料可以依据相应转换机制，选择性或完全将上述波段光转换为热能。生活在极度寒冷环境中的动物，如北极熊，其强大的保暖能力除了隔热性能高外，中空的毛发还能通过空气将阳光中的紫外线捕获，转换成热能运送到北极熊的黑色皮肤上，然后被脂肪层储存。同时，白色毛皮的红外发射率较低，抑制了红外辐射热损失。Yan等[17]提出一种生物制造策略，通过给家蚕喂食光热纳米复合材料来赋予蚕丝光热性能。然后将此种光热丝编织为光热平纹组织，在激光照射下纺织品能将光能迅速转化为热能。该设计为开发利用光热效应达到最大保暖效果的新一代服装提供了思路途径。

金属及各种金属化合物纳米颗粒等由于其基于金属表面等离子体共振、金属氧化物子带跃迁的高效光吸收特性，以及与光相匹配的陶瓷固有频率，被广泛用于研究光热太阳能转换面料基材中[18]。碳化锆(ZrC)是目前最常用的太阳能光热陶瓷材料之一。纺织上常用方法是将ZrC纳米颗粒嵌入纤维或在纺织品上涂覆ZrC涂层制备光热转换功能复合织物。Xu等[19]以磁控溅射的方式将不同厚度的ZrC薄膜涂覆在聚酯衬底表面。结果表明ZrC复合织物在红外光照射下，可加热至52.5 ℃，在100 s内温度提高了27.5 ℃，升温速率为11.0 ℃/min，光热转换效率较高。光热转换复合织物在光热理疗服装、运动服装、冬季保暖服装等领域表现出潜在的应用价值。

2 被动降温服装材料

被动降温就是利用服装材料加快人体产生的热量通过热传导、热对流和热辐射散失，或避免人体从外界吸热，或使用冷却源从人体吸热，从而实现人体冷却降温。降温服装材料主要用于夏季炎热情况下为工作者提供降温保护，是保护人体免受高温伤害的有效防护用品。一般来说，热传导、热对流和热辐射3种传热机制同时发生，当人体皮肤温度与环境温度相当时，人体可通过上述3种传热方式与外界进行热量交换，并通过呼吸、蒸发等方式排热，达到热平衡状态，但当人体处于高温环境时，蒸发成为人体唯一的散热方式[20]，此时为辅助人体保持热平衡状态，可以通过凉感织物增强人体穿着舒适感，提高服装材料热传导或热对流蒸发带走更多的热量。基于个人热管理技术的被动降温服装材料可以在温度超过人体可调节范围时，利用服装特点避免人体被加热或为人体降温，从而维持热平衡[21]。表2列举了被动降温服装材料分类、原理及不同材料的优点。

表2 被动降温服装材料分类

传统降温纺织品主要包括丝绸和麻纺织品。丝绸纺织品光泽好，散热快，具有接触凉感使人感觉凉爽。麻纺织品透气性好，具有优异的吸湿、散热、凉爽特点[22]。此后增大人体蒸发散热为人体降温的方式引起人们关注，如汗水响应型降温织物[23]等。汗水响应型降温织物通过芯吸效应、亲/疏水性改性、不同毛细度梯度互联孔隙等实现定向输水控制，将汗液输送到织物表面加快蒸发，提高降温效果。Peng等[24]使用铜(Cu)基体和尼龙6纳米纤维设计了一种集成冷却(i-cool)纺织品(见图2)，将静电纺丝生成的尼龙6纳米纤维转移到导热铜基体上，使导热矩阵和汗液输送通道集成在一起。由于纳米纤维之间的空隙小于Cu基体纳米纤维的空隙，这种形态差异导致的毛细作用差异有利于汗水从内表面向外表面的单向定向输送，不仅可以快速排汗，而且蒸发降温能力和效率双倍提升。此纺织品在人工排汗皮肤试验中有约3 ℃的降温效果，其人体出汗量相较于棉织物大大降低。

图2 冷却(i-cool)纺织品结构及工作机制

由于传统纺织品热导率偏低，不能将人体皮肤热量快速传导到织物外表面并散发，由此会产生热不适。此后，高热导率服装材料开始被研究，将具有良好热导率的金属、催冷剂[25]、玉石粉末[26]等与纤维或织物相结合，通过制作金属环点混纺或封装在纱线或者织物表面，使人体热量通过金属点快速散发而感到凉爽舒适。除了上述方法外，在纺织品制造中改进面料生产工艺[27-28]或引入功能性助剂[29]，也可以提高人体与织物的接触凉感而感到凉爽。目前凉感面料主要应用于家纺产品、夏季防晒服、运动休闲服等领域，各大品牌均已推出相关产品。随着人们对降温服装研究的不断深入，“接触凉感”织物及蒸发散热、吸湿快干织物等散热织物已不能满足人们日常需求，减少降温服装材料的辐射吸热引起人们兴趣，如增大太阳辐射反射、提高红外辐射透过等，反射及辐射降温材料[30]逐渐成为人们的研究重点。降温服应用领域十分广泛，目前主动降温服如风冷、液冷降温服与凉感织物在市场上应用较多，但被动降温服装材料随着发展已逐渐应用到市场中，如夏季防晒服、T恤衬衫、防护服等。哥伦比亚(Columbia)品牌的衬衫外表面加入具有日光反射作用的小圆点用来反射阳光射线，有效阻挡太阳光并隔离紫外线，实现高效防晒降温保护功能。

2.1 相变降温材料

与汗液蒸发带走人体热量为人体降温类似，由于PCM在一定温度或温度范围内相转变时吸收、储存和释放的热量可对人体进行温度调节，因此也被用于个人热管理领域。PCM(如冰、凝胶、石蜡或盐)作为被动降温服装的典型冷却源，可被制成相变材料袋，放置在特定服装内部的口袋中为人体降温。相变材料袋大都被集成到人体发热量较大的胸部和背部，直接从皮肤吸收热量或将热量释放到皮肤。发生相变时产生的相变潜热与相变材料的相变温度有关，因此不同环境需选择相应的相变材料[31]。

用于被动降温的相变微胶囊技术解决了相变材料袋易泄露腐蚀的问题，其尺寸一般为微米级，通过密封袋法、纺丝法、中空纤维填充法或基于微胶囊技术的织物后整理法等方法添加到服装材料表面或纤维内部。当采用熔融共混纺丝法时，为保持微胶囊相变材料的热稳定性，微胶囊壳层和芯部材料中需添加热稳定剂，保证相变调温效果和耐久性[32]。Wu等[33]以蚕丝蛋白为原料制备了微结构调温纤维，用聚乙二醇(PEG)填充后包覆聚二甲基硅氧烷涂层，使其具有良好的疏水性和稳定性。研究人员将纤维织物嵌入手套中进行测试，当佩戴手套进入温度高于37.7 ℃环境中时，固体PEG开始融化吸收热量阻碍温度上升，防止皮肤温度过高；当降温过程中温度低于31.5 ℃时，纺织品温度变高，融化的PEG开始凝固并释放热量，防止皮肤温度过低。同时此纤维织物缓慢的加热和降温速度可以明显延长皮肤舒适时间。但由于相变材料相变温度的限制，相变材料降温服的使用范围有限且温度不可调，覆盖部位透气性差，持续时间较短，在极端情况下无法达到降温效果。目前相变降温材料主要应用于航空航天、消防服、医疗卫生用品等领域。

2.2 反射降温材料

照射到地球的太阳辐射含有大量能量，在室外仅需1%的太阳热辐射就可以抵消智能降温服装产生的降温效果，因此户外降温服装的关键是减少太阳热辐射的吸收。用于反射降温的方式主要有以下几种：不规则截面反射、金属反射、孔隙散射、涂层反射等。部分天然纤维的不规则截面使其具有天然反射阳光性能，例如蚕丝的截面类似三角形，由于棱镜效应可以透过一部分光线同时反射一部分光线，具有很强的内部反射光和较低的表面反射光，从而使得蚕丝面料呈现出其独特且柔和的光泽。撒哈拉银蚁的三角形毛发使其具有银色外表，提高了蚂蚁体表在可见光和近红外波段的反射率，有效降低了热量的吸收，因而能在炎热的沙漠中生存[34]。

光洁度高的金属表面对太阳辐射与红外辐射的反射率均较高，将银、铝等金属颗粒或氧化物纳米粒子经过处理后，混纺、涂覆在到服装纱线中或直接涂覆在服装外表面形成涂层，可以有效反射太阳光，防止服装材料吸热，在户外高温环境下使人体免受伤害。Wei等[35]使用氧化铝-醋酸纤维素涂层得到可以使模拟皮肤温度降低约2～8 ℃的改性T恤。此改性T恤太阳能反射率提高20%左右，避免人体皮肤升温约1.0 ℃，相应的织物内表面温度降低约 3 ℃。Jing等[36]采用静电纺丝方法制备了一种由直径为0.5～2.5 μm的聚偏氟乙烯/氧化铝纤维组成的用于日间辐射冷却的混合薄膜。该复合薄膜的平均太阳反射率为0.97，平均净辐射冷却功率为82.7 W/m2，在阳光直射下的降温温度可达4.0 ℃。

2.3 中红外高透过辐射降温材料

中红外高透过辐射降温材料几乎对7～14 μm中红外波长的人体热辐射透明，人体发出的热辐射可以无障碍或几乎没有障碍地通过材料防止热量积聚，而对人体产生降温效果。在室内环境下，人体红外辐射热量可以占到人体总散失热量的50%，因此设计一种高效散失人体红外辐射热量的服装材料对于实现人体降温具有重要意义。Hsu等[37]研究出纳米孔聚乙烯(NanoPE)膜，在室内炎热环境下维持人体热舒适时，其空调设定制冷温度比穿戴棉织物时设定的温度提高1～4 ℃，可节省至多45%的能源，有利于节约能源，减少二氧化碳排放。由于聚乙烯(PE)材料只有碳碳双键和碳氢键，远离人体主要红外辐射谱，因此对中红外人体辐射透明。在对其一系列改进之后提高了其吸湿性、透气性、耐磨性等，使其具有良好的穿着舒适性。如图3所示，只有NanoPE同时满足红外透明、可见光不透明和空气对流。

图3 正常织物(棉织物)，NanoPE和普通PE的温度调节机制比较

由于普通NanoPE膜穿着不舒适，不能直接作为织物材料使用，因此Peng等[38]设计出一种制造NanoPE纤维的新工艺，将石蜡油作为高分子聚乙烯的溶解剂，由挤出机生产挤出纤维并编织为织物，然后在PE超细纤维中嵌入纳米孔洞，即使其对可见光不透明，又十分柔软。室内佩戴此种织物可使空调温度设定制冷值增加 2.3 ℃，节约能耗约20%。在此基础上，各种类型红外透明纺织品被开发，在室内降温测试中表现出良好的冷却性能。为了实现人体在室外着装条件下的降温，研究者Cai等[39]将ZnO纳米粒子嵌入纳米多孔聚乙烯纺织品中，并改进穿着舒适性，通过反射阳光和透过人体热辐射实现室外辐射降温。在夏季晴朗户外，此种织物与棉织物等传统纺织品相比，避免皮肤模拟器升温 10 ℃，对应冷却功率超过200 W/m2。同时，大量的研究学者仍在不断探索中红外高透过辐射降温材料在服装上的运用，所制造的各种红外透明纺织品在室内或室外都达到了令人满意的降温能力。

2.4 中红外高发射辐射降温材料

由于红外透明的纺织品不能隔绝外部中红外辐射进入，导致人体可能从外部吸收热量，因此人们逐渐研究红外发射材料来解决这一问题。人体皮肤就是一个很好的红外发射体，室内人体正常皮肤温度约为 33.5 ℃，发出波长范围为 7～14 μm的中红外热辐射。与高透过辐射降温材料不同，中红外高发射辐射降温材料具有高中红外发射率，可以使人体热辐射通过8～13 μm的大气红外透明“窗口”传输到寒冷的外层空间(3 K)。普通高发射辐射降温材料在夜间利用辐射降温效应可产生高效降温效果，如何提高高发射率材料在日间的降温效果，增加服装材料对阳光的反射，同时增强其红外发射性能，越来越吸引研究者们的兴趣。受生物界撒哈拉银蚁毛发以及野生蚕蛾(彗星蛾)茧纤维结构[40]的启发，人们不断展开对高发射辐射降温材料的探究，研发出许多柔性的被动日间辐射降温膜或发射体。

Jeong等[41]模拟撒哈拉银蚁毛发提出一种几何改性聚合物基日间被动辐射冷却器。由两层组成，顶层是由PDMS和SiO2组成的中红外发射层，辐射强度为8～13 μm，底层是由Ag组成的反射层，太阳反射率高达95%以上。在PDMS层上制备了三角棱柱毛，提高了中红外发射率从而提高降温效果。Zhang等[42]受可反射阳光并发出热辐射天牛甲虫三角形横截面绒毛启发，制备了一种由微金字塔阵列聚合物基体和随机陶瓷颗粒组成的光子薄膜。可反射95%的太阳辐射，红外发射率超0.96，在阳光直射下温度下降高达 5.1 ℃。Xiao等[43]开发了一种红外辐射增强纳米纤维膜，能选择性地将人体的热辐射辐射到寒冷的外层空间。它由聚酰胺6(PA6)纳米纤维和随机分布的SiO2亚微米球组成，PA6纳米纤维具有红外高透明性，SiO2亚微米球增加了红外辐射(约9 μm)的共振吸收，提高了其红外发射率。晴空下，此纳米纤维膜温度比商用纺织品低0.4～1.7 ℃，当封闭装置中导热和对流隔离时，其温度比环境温度低1.0～2.5 ℃。

3 双向调温服装材料

传统纺织品不能随环境变化而变化进行人体热管理，而双向调温服装材料经过自身或人为干预后能对环境变化做出相应变化以进行热管理，是一种具有保暖和降温双向温度调节作用、以改善舒适性为主要目的的新型材料。双向调温服装材料主要包括自适应双向调温服装材料和双面调温服装材料等，通过服装材料调节人体热辐射、增强人体热对流等[44]。

3.1 自适应双向调温服装材料

多模态自适应材料在不同环境可自动进行动态热辐射、热对流控制，也可兼具两者调控，有效调节人体与环境间热传递从而调控人体体温。Li等[45]设计出一种湿响应皮瓣、多模态自适应可穿戴设备，如图4所示，可以同时调节人体对流、汗液蒸发和中红外发射，相比传统纺织品热舒适区域扩大了30%左右。当处于高温环境人体出汗时，具有湿度敏感性的尼龙襟翼的打开和关闭可以调节人体热对流和蒸发热交换，使人体降温；在寒冷环境下，尼龙襟翼关闭，顶部SEBS纳米复合材料的红外低发射率可以有效抑制辐射热损失实现保暖。Zhang等[46]设计出的超纤维，由疏水性三醋酸酯和亲水性纤维素基材料组成，它们对湿度具有不同的膨胀系数，因此可以在“打开”和“关闭”状态之间切换以调整传统热交换，例如对流和蒸发，最大限度地提高个人在炎热出汗环境下的降温或在寒冷干燥环境下的保暖。

图4 多模态自适应可穿戴设备的工作原理及可穿戴式运动前、运动中、运动后照片

相变材料也可用于自适应个人热管理领域，相变微胶囊是一种典型的自适应双向调温服装材料，具有双向温度调节性和环境适应性，可以根据环境温度智能调节服装温度，集降温保暖于一体，使人体适应多变的环境温度。其利用相变材料随外界环境温度变化而发生液-固相转变可逆变化，即当环境温度升高时吸收储存热量，自身由固态变为液态；当温度降低时，释放储存热量，自身由液态变为固态，从而实现纺织品的自适应双向调温，使人体达到热湿舒适状态。Outlast空调纤维是一种典型的应用微胶囊技术的智能温控纤维[47]，采用该纤维混纺制成的纱线及织物，既有棉的舒适性，又能根据季节温度变化，使人始终处于舒适状态。目前，Outlast空调纤维已广泛用于床上用品、内外衣、户外服装等[48]。

3.2 双面调温服装材料

与自适应双向调温材料不同，双面调温服装材料服装不会自动随着环境变化而变化，其内外表面具有不同的反射率、发射率或传热系数等，通过翻转服装内外表面可以实现双向保暖和降温。

Luo等[49]研发出一款整体厚度约0.3 mm的室外人体热管理微纳织物。其由三层组成，最上层白色层为多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层涂覆的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)材料，该材料主要用于防水透气织物；中间层为带有纳米孔的铝；最下层黑色层为涂覆纳米颗粒的纳米孔聚乙烯，仅有 16 μm 厚，纳米颗粒主要包含金属锌和金属铜，纳米孔使其具有优良的透水汽性能。在高温环境下，将白色层朝上，可以高效散射太阳光，增强辐射散热，防止吸热；在寒冷环境下，将黑色层朝上，低发射率可以有效抑制辐射散热，并吸收太阳辐射能量实现保暖功能。Hsu等[50]设计出一种由嵌入在红外透明纳米多孔聚乙烯(NanoPE)层中的双层发射器组成的双模织物。发射率和纳米PE厚度的非对称特性产生两种不同的换热系数，在低发射率层面朝外时可以实现加热，而在高发射率层面朝外时则可以实现散热，将人体热舒适区扩大6.5 ℃，如图5所示。双面调温服装材料在户外运动服装、防寒滑雪服装、防晒服装等有广阔的应用前景，目前已成功被制作为两面穿夹克，其中，银色面外穿保暖，冷黑色面外穿降温，且超薄透气、防风防雨。

图5 基于红外光学调控的双模织物工作原理

4 总结与展望

本文综述了被动调温服装在实现人体热湿舒适方面的机理以及各种调温服装新材料的研究应用。传统纺织品各有其缺点而无法在极端气候条件下使用，先进的个人热管理技术则打破这些限制，被动调温纺织品以“环境-服装-人体”系统为研究对象，依靠系统传热特性和对面料的结构设计，不需任何外部能量输入而调节人体与外界环境间的微气候，调控人体温度，维持人体热平衡和热湿舒适。

近年来，国内外学者已从调温材料、调温机理、服装结构设计等方面对被动调温服装材料展开研究，并且将研究成果成功应用于市场中。然而，现阶段的被动调温服装材料的发展仍面临诸多挑战。被动调温服装作为维持人体热平衡的服装，第一要解决服装响应能力及耐用性问题。在环境温度快速变化时，服装能否根据环境变化快速做出响应并在循环多次后，仍为人体高效散热或保暖。例如相变材料相变反应时间的长短及频繁使用后其反应时间和降温能力是否会发生变化。第二要解决穿着安全性及生态健康问题。例如相变降温材料是否有较大泄露风险且具有毒性，调温服装是否会引起低温冻伤或烫伤，静电纺丝纳米纤维溶剂是否对人体无毒无害，是否符合生态环保理念等。第三要解决穿着性及舒适性问题。在被动保暖和降温服装中经常使用的各种金属纳米颗粒制作出的服装是否具备可裁剪性、穿着舒适性等，静电纺丝纳米纤维及各种溶剂基复合物薄膜是否具有良好的透气性、透湿性和接触舒适性等。第四要解决执行标准欠缺及舒适评价性问题。智能调温纺织品作为一种新型的服装材料，尚且处于发展阶段，需要执行标准来规范各类智能调温服装的面料缝制、服用安全舒适性、水洗色牢度等问题，热舒适是人体基于生理和心理的一种主观感觉，智能调温服装基于生理/心理统计分析的热舒适评价性问题仍然需要进一步探索。

在未来，随着传感器和智能可穿戴技术的发展，智能调温纺织品将继续深化新型调温材料的研发，探讨更高性能、更环保的产品；简化研发制备工艺，降低研发成本，更好进行市场化推广；改进被动调温服装的制备方式，使纺织品更舒适耐用，更符合人们的需求；探索更智能的连接，创造出智能灵活、自适应的数字化智能纺织品及智能可穿戴设备，且能与智能手机等智能设备云结合或打造出智能织物空间，并可以嵌入到任何使用面料的产品中，为人们提供多样化服务[51-52]。总体来说，被动调温纺织品在维持人体热舒适领域有巨大的应用潜力和发展空间，但目前仍处于实验室阶段，因此对于智能调温纺织品的研究仍需继续深入，以期更快打造新型智能纺织品。