三维间隔织物隔热性能的研究进展

芮 珂，何佳臻,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021； 2.浙江省服装工程技术研究中心，杭州 310018)

随着工业化进程的不断推进，能源紧缺问题日益凸显，使用隔热材料是减少能量损耗的重要方法。隔热材料一般指对热流有阻滞作用的材料或材料复合体，它通过阻碍物体和环境间的热量传递以达到减少能耗、隔热、保温或保冷等目的，所以隔热材料又被称为保温或保冷材料[1-3]。建筑行业利用隔热材料减少建筑物内部在夏季降温和冬季保暖过程中的能源耗费[4]，石油工业在储油罐外部使用隔热材料以降低由温差和作业导致的油品蒸发来节约能源[5-6]。纤维类隔热材料是较为常见的隔热材料，由于其制品具有较好的成形性，并且能够与其他材料复合使用，从而被广泛应用在建筑、冶金工业、机械制造、航空航天等领域。为了进一步扩大纤维类隔热材料的应用范围，对纤维制品隔热性能的研究就显得尤为重要。

三维间隔织物又称三明治织物，它是由若干间隔纱连接上下两个表面织物层组成的三维立体结构织物[7]。间隔纱将两个表面织物层撑起从而形成一定厚度的间隔层，这种特殊的立体结构让间隔层内储存了大量静止空气，而静止空气为自然界中导热系数最小的介质[8]，使其比普通单层织物具有更好的隔热性能，作为高性能隔热材料有很大发展空间[9-10]。现有研究多关注间隔织物及其复合材料的机械性能，忽视了间隔织物在隔热方面占据的优势。为了拓宽间隔织物隔热性能的应用范围，本文对三维间隔织物进行概述，分析了影响间隔织物隔热性能的因素，总结了间隔织物复合隔热材料的种类，为间隔织物隔热性能的后续研究提供参考。

1 三维间隔织物隔热性能的应用

在拥有较好隔热性能的同时，间隔织物还具有质量轻、吸湿透气性优异、抗压缩、强度高等特点，常被用于制作文胸、鞋垫、床垫、汽车座椅等[11-13]。由于前期研究重点关注的是三维间隔织物的机械性能，关于其隔热性能的应用研究很多尚处于实验室阶段。国外已有高校建立了三维间隔织物的专项研究，例如法兰克福大学和亚琛大学致力于开发抗压、隔热的轻质间隔织物复合材料以用于建筑、航空航天等领域[14-15]。随着国内外学者对间隔织物的不断探索，织物的应用范围也在不断扩大，使其在医疗用品、个体防护装备、智能纺织品和能源资源节约等领域具有广阔的应用前景。

在医疗用品方面，使用间隔织物制作的伤口敷料、医用衬垫等具有隔热、吸湿透气、柔软、保型性好等诸多优点[16]。Yang等[17]使用吸湿性能不同的纱线研制出四种高吸湿纬编间隔织物伤口敷料，通过测量发现间隔织物敷料的保温率比市面上部分普通泡沫敷料的保温率高了约10%，能够减少伤口的热量损失，有利于伤口恢复。

间隔织物在个体防护装备领域也极具应用潜力，Heide等[18]为了探究间隔织物在热防护服上的应用可行性，将聚酯纤维、尼龙纤维和芳纶纤维(Nomex®)的混纺纱以及100%芳纶加捻纱作为间隔纱原料织造了阻燃经编间隔织物，阻燃间隔织物的可燃性和热平板测试结果均满足现行防护服的防火标准。李红燕等[19]对阻燃经编间隔织物进行了热防护性能(TPP)测试，结果表明阻燃经编间隔织物的TPP值分别比间位芳纶(Nomex®)针刺毡和聚酰胺酰亚胺纤维(Kermel®)针刺毡提升了约66.7%和84.2%，织物还兼具质量轻、透湿性好的优点，将其应用在热防护服中能够减轻穿着者的热负荷。除了提高热防护服的热防护性能，间隔织物还能在满足抗冲击防护装备对抗压性能需求的同时，改善防护装备的热湿舒适性[20-21]。

在智能纺织品领域，Schmidl等[22]利用间隔织物透气、轻便、导热系数低等特点开发出柔性热电系统，在345 K的温度条件下持续加热20 min后，该热电系统两侧的温差达到18.5 K，能够作为可穿戴智能纺织品以调节人体温度。间隔织物在能源资源领域也得到了广泛应用。由间隔织物制作的保温隔热板材应用在飞机、汽车等运输工具上能够减轻自重，并提高燃油利用率[23-24]。在清洁能源利用方面，Wang等[25]利用间隔织物制备了太阳能蒸汽发电光热材料。在1 kW/m2的光照条件下，材料上下表面的温差接近20 ℃，蒸发效率高达86%。在节能材料领域，Jia 等[26]开发了经编间隔织物复合材料作为节能建筑中的透明隔热材料，其传热系数为1.92 W/(m2·K)，比传统玻璃透明隔热材料的传热系数低了约2.73 W/(m2·K)左右。同时该材料还具有较强的太阳能收集能力，在能源收集及利用方面具有广阔的应用前景。

2 三维间隔织物的隔热机理

热在织物中传递的基本方式有3种，分别是热传导、热辐射和热对流[27]。间隔织物阻碍热量传递的能力是评价其隔热性能优劣的标准。

热传导是指高温物体将热量传递给低温物体的过程[28]，根据热量的传递介质，间隔织物中的热传导方式包括固体热传导和气体热传导。织物中的固体热传导是指热量在纤维之间进行传递，间隔织物的纤维沿平面和厚度方向排列，与普通平面织物相比较，沿厚度方向排列的纤维使固体热传导的传热路径变长，所以间隔织物的隔热性能更好。同时，纤维的导热系数也是影响固体热传导的重要因素。固体热传导以声子为载体，增强声子在纤维表面的散射能够降低织物的导热系数，增强其隔热性能[29-30]。Sudanresan等[31]分别使用氧气、氩气等离子体处理技术对间隔织物表面进行改性，等离子体改性的刻蚀效应提高了织物表面的粗糙程度，声子在粗糙表面的散射增强，织物的导热系数降低，隔热性能有所提升。气体热传导在气体和气体之间以及气体和纤维之间进行，Dehghan等[32]基于间隔织物的结构参数建立了预测织物导热系数的模型，结果显示孔隙率最高的织物具有最低的导热系数。这是因为间隔织物的多孔和立体结构使其含有大量静止空气，静止空气在常温常压下的导热系数约为0.0267 W/(m·K)，仅为羊毛导热系数的二分之一，织物中静止空气含量的提高能够有效减少热量传递，降低热传导。

热辐射发生在所有温度大于绝对零度的物体上，它以电磁波的形式进行传播[33]。辐射到达织物表面后一部分被织物吸收或反射到环境中，另一部分则穿过织物继续传播[34-35]，所以织物的辐射反射率和孔隙率是影响辐射传热的重要因素[36-37]。由于间隔织物拥有两个织物层和一个间隔层，这使得它在单位面积内比普通单层织物拥有更多的纤维数量，从而能够吸收或反射更多的辐射热，最终拥有更好的隔热性能。

按照热对流的传热形式，可将其分为自然对流和强迫对流[38]。间隔织物的立体结构使其容纳了大量静止空气，在强迫对流的条件下，织物中的静止空气会加速热对流，织物的隔热性能也随之降低[39]。Mao等[40]利用水刺技术在间隔织物的一侧覆盖羊毛，由于羊毛堵塞了织物表面的网孔，织物的透气性能降低，对流传热也随之减少，更多的静止空气被截留在间隔织物内，织物的隔热性能提高。研究表明，织物的热阻会随着透气性的增加而降低[41]，所以减少对流传热的主要途径是通过降低间隔织物的透气性能，达到增强其隔热性能的目的。

3 三维间隔织物隔热性能的影响因素

根据三维间隔织物的织造工艺，可将其分为针织、机织、编织和非织4种，其中编织和非织的生产工艺较复杂，目前尚无学者对它们的隔热性能开展研究。针织间隔织物和机织间隔织物的工艺难度及生产成本较低，能够快速响应市场需求，使得它们的研究和发展较为成熟[42- 43]。机织间隔织物多作为复合材料的增强体，其本身的隔热性能没有得到学者的广泛关注，黄晓梅等[44]比较了机织间隔织物的间隔纱密度、高度和原料对织物保暖性能的影响。结果表明间隔纱高度对织物的保暖性能影响最大，原因是间隔纱高度在一定程度上影响织物的厚度，而厚型织物通常具有较好的保暖性能。该研究使用的试验样本较少，所以未来对机织间隔织物的隔热性能进行系统性研究十分有必要。综合而言，有关间隔织物隔热性能的研究主要针对针织间隔织物展开。针织间隔织物按照生产方式可分为经编间隔织物和纬编间隔织物，随着织造设备的不断完善和发展，间隔织物表层的花型、紧密度和间隔纱的连接方式、倾斜角等都可以通过织造工艺改变，间隔织物也能满足更多性能和应用需求[45- 46]。影响针织间隔织物隔热性能的因素较为复杂，目前学者多从织物的原料和结构这两个方面分析间隔织物隔热性能的影响因素。

3.1 间隔织物原料

在间隔织物结构参数固定的条件下，不同的织造原料会由于其物理参数的差异而对织物的隔热性能造成影响。根据间隔织物的隔热机理，使用导热系数低或反射率高的纱线作为织造原料能够增强织物的隔热性能。Arumugam等[47]分别以涤纶和间位芳纶为原料织造了经编间隔织物，结果显示涤纶间隔织物的导热系数约为0.044 W/(m·K)，而芳纶间隔织物的导热系数约为0.054 W/(m·K)，这是因为涤纶的导热系数较低[48]，所以以其为原料织造的间隔织物具有较低的导热系数。与合成纤维相比，金属纤维的热辐射反射能力能够对间隔织物的隔热性能起到积极作用[49]。Silva等[50]在经编间隔织物的外表层加入金属纱线，与未添加金属纱线的间隔织物相比，其热阻提高了27%。

3.2 间隔织物结构

不同的织物结构会导致织物厚度发生变化，厚型织物通常具有较高的热阻[51]，Chen等[27]的研究表明间隔织物的隔热效果比普通单层织物高 5～16倍。Ertekin等[52]通过调节两个针床的距离改变纬编间隔织物的厚度，研究发现织物厚度的增加会导致其体积和重量随之增加，织物单位面积内的纤维数量增多，静止空气含量减少，织物的导热系数和热阻随之增加。一般而言，导热系数与热阻呈反比，但如果织物厚度的增加程度大于导热系数的增加程度，热阻则会增大。Arumugam等[47]在评价厚度对经编间隔织物热性能的影响中也得出了相同的结论。

间隔织物的结构变化会影响织物的结构密度，从而改变织物中静止空气的含量，最终影响织物的隔热性能[53]。间隔织物的表面层结构和间隔纱结构均会对其隔热性能造成影响。Arumugam等[54]发现网孔结构的表面层会增大经编间隔织物的孔隙率，使织物获得较低的导热系数。Arumugam等[47]通过进一步探究发现，双面网口结构的经编间隔织物比单面网孔结构和平针结构的经编间隔织物具有更低的导热系数。为了增强间隔织物的隔热性能，后续应该针对间隔织物表面层结构的孔型、紧密度等做进一步研究。

间隔纱的结构如图1所示，按照间隔纱与表面层的连接方式可分为垂直型、交叉型和垂直交叉型3种。间隔纱结构会对织物容纳静止空气的能力产生影响，Crina等[55]的研究发现间隔纱倾斜角大的纬编间隔织物具有较低的导热系数。间隔纱的倾斜角是指间隔纱与表面层织物之间的夹角，倾斜角大的间隔纱与表面层织物的连接次数少，间隔层内的间隔纱数量也相应下降，这让间隔层有更大的空间容纳静止空气，从而提高间隔织物的隔热性能。间隔纱的细度也会影响间隔织物容纳静止空气的能力，Arumugam等[54]发现与复丝间隔纱相比较，使用单丝间隔纱的经编间隔织物体积大且密度低，间隔层能够容纳更多的静止空气，织物的隔热性能更好。但间隔纱的细度并不是越细越好，Ertekin等[56]研究了单丝间隔纱的细度对纬编间隔织物传热能力的影响，随着单丝间隔纱的细度从3 mm增加至3.5 mm，织物的热阻显著提高。所以未来有必要进一步研究间隔纱的细度对间隔织物隔热性能的影响，以织造隔热性能优异的间隔织物。

图1 间隔纱结构

4 三维间隔织物复合隔热材料

纤维隔热材料具有低密度和高孔隙率的特点[57]，相较于同等厚度的传统纤维隔热材料，间隔织物的立体结构使其具有更低的密度和更高的孔隙率，从而拥有更好的隔热性能。但单一的纤维隔热材料并不能满足不同领域对材料隔热性能的需求，为了增强间隔织物的隔热性能从而扩大其应用领域，研究者开始探索间隔织物与其他隔热材料复合后的隔热性能变化。根据现有间隔织物复合隔热材料的研究，可将隔热材料按照隔热机理分为阻隔型材料、反射型材料和辐射性材料三类。

4.1 三维间隔织物与隔热材料的复合方式

现阶段的研究中，间隔织物与隔热材料的复合方式有涂层、浸渍和填充3种，表1总结了这3种复合方式及其分类。涂层法是指使用隔热材料涂覆间隔织物的表面层[58]，这种方法的隔热原理是利用导热系数低的涂料减少热传导或使用反射率高的涂料反射热辐射，从而增强间隔织物的隔热性能。浸渍法是将间隔织物浸渍在配置好的溶液中，经过高温固化后制成间隔织物复合材料[59]。该方法通过将隔热材料浸入纤维来降低热传导或反射热辐射，但复合材料的隔热性能易受浸渍时间、次数等因素的影响。涂层法和浸渍法会降低织物的透气和透湿能力，能够在一定程度上减少热量通过对流的方式传递，这两种方法还具有操作简单、生产效率高等优点，但这类复合材料会在干燥和使用的过程中出现老化、碎裂等问题[60]。填充法是将导热系数低的填料填充到间隔织物的间隔层[61]，该方法能够有效减少热传导，同时还能提高间隔织物的力学性能，但在填充过程中容易出现填充材料在间隔层内分布不均匀的问题。

表1 间隔织物与隔热材料的复合方式及分类

4.2 三维间隔织物复合隔热材料的类型

4.2.1 阻隔型

阻隔型的隔热材料主要通过降低热量传导以及减少热量对流的方式来实现隔热目的[69]。这类材料通常具有较低的导热系数，与间隔织物复合后能够增强其隔热性能。阻隔型隔热材料能分为无机材料、有机材料和气凝胶材料3类。

无机材料具有较好的温变稳定性和防火阻燃性，同时还具有绿色环保等优点[70]。与间隔织物复合不仅能够增强织物的隔热性能，还能提高织物的回收利用率。无机材料用作间隔织物的织造原料能够增强织物的强度和耐热性。王汉玉等[68]设计织造了一种玻璃纤维机织间隔织物，并使用白炭黑填充织物的间隔层，在100、200 ℃和300 ℃的恒温加热条件下，填充白炭黑的间隔织物表面温度比未填充的低约20 ℃，织物的隔热性能得到增强。虽然无机纤维的隔热性能优于天然纤维和其他合成纤维，但纤维的耐扭曲性较差，织物的织造难度较大[71]。所以未来在利用无机纤维织造间隔织物时要根据材料特点采用合适的生产工艺，提高间隔织物的生产效率和使用寿命。

与无机材料相比，有机材料的密度和导热系数较低，其与间隔织物复合能在增强织物隔热性能的同时保持织物质轻的优势。Wang等[63]设计了几种玻璃纤维/环氧树脂机织间隔织物复合材料，在 90 ℃ 的热平板上加热10 min后，材料表面的温度保持在56.2～63.2 ℃之间，复合材料的隔热效果与木材相当。但这种复合隔热材料的力学性能会随着温度的升高而降低，为了削弱高温对复合材料力学性能的影响，葛东升[65]利用手糊成型工艺制备了芳纶/聚酰亚胺间隔织物复合材料，其在190 ℃条件下的比强度保持率达到92.7%，而玻璃纤维/环氧树脂间隔织物复合材料在相同条件下的比强度保持率仅为51.3%。这说明间隔织物与有机材料复合不仅具有质轻、保温隔热的特点，其在高温条件下还能保持较好的力学性能，是增强间隔织物隔热性能的优选材料。但有机材料的防火性能较差[72]，燃烧时易产生有毒物质危害人体健康和环境安全，所以提高其防火性能是未来间隔织物复合有机隔热材料的发展趋势。

气凝胶是一种纳米多孔固体材料，它具有质量轻、密度低、比表面积高、导热系数低等特点，与间隔织物复合制作隔热材料具有广阔的应用前景[73]。王汉玉[74]将二氧化硅气凝胶填充到以玻璃纤维为原料的双层机织间隔织物中，与填充白炭黑的间隔织物复合材料相比较，二氧化硅气凝胶间隔织物复合材料的隔热性能更好。Islam等[64]研究了纬编间隔织物表面在涂覆二氧化硅气凝胶前后隔热性能的变化，发现气凝胶在不影响织物厚度的同时会将织物的导热系数降低23%～31%，说明气凝胶是增强间隔织物隔热性能的理想材料。为了使间隔织物复合隔热材料满足高效隔热、阻燃、质轻、力学性能优异等要求，董淼军[67]根据复合材料性能叠加效应设计织造了短玻璃纤维机织间隔织物，在织物表面涂覆环氧树脂使其成为增强复合材料，接着在间隔层内填充二氧化硅气凝胶增强其隔热性能。测试结果显示二氧化硅气凝胶使间隔织物的导热系数从0.0887 W/(m·K)下降至0.064 W/(m·K)，材料的力学性能也得到了提高。

4.2.2 反射型

反射型隔热材料主要通过反射辐射能量来减少织物吸收的辐射热量[75]，一般使用涂层或浸渍的方式将反射型隔热材料与间隔织物复合，复合后间隔织物表面层的反射率增高，织物吸收的热量减少，Silva等[50]就利用了金属纤维具有高红外反射率的特点增强间隔织物的隔热性能。目前关于间隔织物与反射型隔热材料复合的应用研究较少，但从反射型隔热材料与普通织物复合后的隔热性能研究来看，利用该类材料增强间隔织物的隔热性能具有很大应用潜力。例如Peng等[76]制备了一种TiO2/Cu/TiO2(TCT)涂料，并将其涂覆在涤纶上进行红外反射性能实验。涤纶在经300 nm厚TCT涂料涂层处理后，其红外反射率比未经涂层处理的涤纶高30%。所以未来有必要针对反射型隔热材料在间隔织物上的应用做深入研究。

4.2.3 辐射型

与反射型隔热材料的隔热原理不同，辐射型隔热材料通过吸收辐射热量后将其转化成红外辐射并发射到环境中的方式进行隔热[77]。辐射型隔热材料可以通过涂层或浸渍的方法与间隔织物复合，Sankauskaite等[62]将含钛生物陶瓷粉末添加剂涂覆在经编间隔织物表面，织物在功率为250 W的红外线发射灯下方25 cm处加热4 min，测量结果显示织物的发射率增加了4.4%～6.5%，织物的导热系数从0.043 W/(m·K)降低至0.036 W/(m·K)，隔热性能有所改善。为了获得隔热性能更加优异的材料，研究者将反射型和辐射型隔热材料的优点结合并开发出了反射/辐射隔热材料，这种材料既能反射辐射热，部分被吸收的热量也能转化成红外辐射发射到环境中，与织物复合后能进一步增强其隔热性能[78]。现阶段还未出现间隔织物与反射/辐射隔热材料复合的相关研究，后续研究可以针对反射/辐射隔热材料进行展开。

5 结论与展望

拥有立体结构的三维间隔织物内含有大量静止空气，织物隔热性能优良，同时还具有吸湿透气、吸能缓冲等特点，可以满足不同领域对功能织物的需求。根据对间隔织物隔热性能的分析，未来对间隔织物隔热性能的研究可以从以下几个方面展开：

a) 深入研究机织间隔织物的隔热性能。较针织间隔织物而言，机织间隔织物的刚度、强度、尺寸稳定性更好，常被用作三维间隔复合隔热材料的增强体，但其本身的隔热性能并未得到充分研究。所以探究机织间隔织物隔热性能的影响因素，利用其优越的机械性能制作质轻且强度高的隔热材料，是扩大其应用范围的关键。

b)基于三维间隔织物结构特征建立传热模型。间隔织物是由不均匀的纤维和空气组成的非均匀材料，间隔层和两个表面层使其结构比普通织物更复杂，现有研究多是在将织物视为连续均匀整体的前提下建立传热模型，这使得模型仅能针对织物厚度、体积、孔隙率等因素进行传热分析。所以未来应该从间隔织物的微观结构出发，基于间隔丝结构、间隔丝细度、表面层孔型等结构特征建立传热模型，帮助研究者优化间隔织物结构以增强隔热性能。

c) 研发高性能间隔织物隔热材料。目前间隔织物复合隔热材料的研究还处于起步阶段，还有较多性能优异的纤维和隔热材料没有被用于增强间隔织物隔热性能的研究。在纤维原料方面，使用异形纤维能够增加间隔织物的空气含量，进而增强其隔热性能；还可以基于刺激响应型材料制备智能纺织品，例如使用热致型形状记忆材料作为间隔织物的间隔丝原料，使织物根据不同的环境温度智能调节厚度，以在不同的温度条件下提供合适的隔热效果。在隔热材料方面，反射/辐射型隔热材料、相变材料、中空玻璃微球等材料对间隔织物隔热性能的增强效果还有待研究。最后，间隔织物与隔热材料的复合方式也需要根据其使用场景进行改善。积极研发防火阻燃、强度高、使用寿命长、绿色环保的高性能间隔织物隔热材料，并将其应用于工业、军事、航空航天等领域。