适温型纤维开发现状与发展动向

　　人体是一个恒温机体，纺织服装产品的重要作用之一是适温保暖功能，传统的适温保暖方法是增加着装的厚度，相应的是增加纤维材料的用量。据美国《Fiber Organon》统计，2013年世界纤维生产约为8 949万t，比上年增长2.9%,，创历史最高纪录；2013年世界纤维实际需求为90 90万t，比2012年增加2.7%，首次突破了90 000 kt大关。

　　可以想象，这样巨大的材料生产导致的温室气体排放和能源消耗是惊人的，每年消耗与废弃的纤维制品对环境产生的破坏也是不言而喻的。因此改善纤维材料的适温保暖功能，减少纤维材料的用料或降低供暖能量，或者改善纤维的蓄温、发热与调温等性能，达到在环境温度较高时可降温凉爽和环境温度较低时可生热保温，以降低空调制冷或制热的能耗，开发适温型纤维必将是未来纤维材料的发展趋势。

　　一、人体感受与适温纤维面料

　　研究表明，当人体处于热平衡时，感觉舒适的皮肤平均温度在33.4℃左右，身体任何部位的皮肤温度与皮肤平均温度的差在1.5℃～3.0℃范围内，人体感觉不冷不热，超过±4.5℃范围，人体将有冷暖感。人们着装的第一舒适指标是既不感到热也不觉得凉的状态，因此要求制作服装的纤维面料要具有适温保暖的功能。

　　具有适温型功能的纤维面料有三大类：一是蓄热保暖类适温纤维；二是用某种方法取得发热类适温纤维；三是自动调节温暖（智能）类适温纤维。而服装的适温保暖性 能受以下几种因素影响：纤维材料与纱线；纱线结构、织物结构、编织结构；后处理加工。但是，纤维材料和纱线中含有的空气越多，保温效果越好。通过纤维材料与纱线取得保暖效果时，还与空气含有率、皮肤触感、吸散湿性、吸湿发热性、光吸收发热性和无红外线放射性等功能性因素有关。

　　二、蓄热保暖类适温型纤维

　　服装的传统蓄热保暖是以阻止身体所发出的热量逃逸为主的。上世纪末以来，对于蓄热保暖类纤维的开发，开始采用在纱线中加入二氧化硅，三氧化二铝，二氧化钛，陶瓷粉以及碳化锆颗粒等远红外线发射功能粉体，并相继开发出了电晕放电原理、异形差别化功能等蓄热保暖类适温型纤维。

　　1.红外类蓄热保暖纤维。人体是有一个恒温发热体，大部分的热能以热辐射的形式向环境散发，采用复合纤维与红外材料复合制成的功能纤维服装可吸收人体的热辐射，发射极易被人体吸收的4~14微米的远红外线，促进血液循环，使皮下深层温度升高。在相同着装情况下，该功能性产品与常规纤维服装相比，可使体温提高2~4摄氏度，达到明显蓄热保暖的功效。

　　从上世纪80年 代开始，红外类适温型纤维是采用在纱线中加入放射远红外线的陶瓷微粒，经后加工使陶瓷微粒附着纱线的技术来达到蓄热保暖效果。后来采用在化纤中混入二氧化 硅，三氧化二铝，二氧化钛等远红外线发射功能粉体，制造远红外辐射功能纤维，其中，日本公司以及各国纺织纤维厂商均进行了相关技术技术研究和开发。

　　日本钟纺公司率先制成一种掺有陶瓷粒的纤维，可以把人体散发出的热能转化成光能，产生一种远红外线，使其具有保暖、促进直液循环的功能。由于它能促使身体内部发热，以致在脱掉衣服后的一段时间内，身体仍然能够保持余温热。

　　美国StandardTextileCo公司最近推出一种多原子高辐射红外陶瓷纤维内裤，这种内裤能使腰部发热，而且是远红外线从内部发热，从而促进腰部血液循环。其秘密在于内裤采用Zr02、Fe03、Mn02和相增强剂的超细粉末与多原子高分子聚合物制成母粒及熔融纺丝合成远红外陶瓷化学纤维的特殊织物，这种织物能将人体身上的体温转化为光能，放出远红外线，而远红外线能浸透到腰的深部时具有改善微循环，活化细胞的作用，并有蓄热保暖的适温效果。

　　“Ceramino”是钟纺合纤公司开发的储热保暖聚酯纤维材料。该公司采用在后加工过程中将远红外吸收大分子物质均匀地渗透到纤维分子的内部结构（无定形区）的技术，以提高对阳光等外界红外线的吸收率。该纤维应用于内衣、袜子、运动服、泳衣和外衣，能起到储热保暖效果。

　　巴西Rhodia公司新开发的远红外碳化锆化学纤维，是包括丙烯腈、丙烯酸甲酯和甲基丙烯磺酸钠共聚而成，其纤维中分散有直径为0.1~4μm的远红外陶瓷粉以及直径为0.01-1μm的碳化锆颗粒，质量比为100∶6-14∶0.1-1，细度为1.2~5D，具有良好的可纺性能。该纤维具有远、近红外的吸收能量的功能，因而能够将阳光转换为远红外线，并可在低温（接近体温）下辐射远红外线，从而达到蓄热保暖，促进血液流动，改善新成代射等功效。

　　2.导电类蓄热保暖纤维。导 电纤维的抗静电机理是使导电纤维之间产生电晕放电。电晕放电是一种很缓和的放电形式，当静电压达到一定的数值后，即产生无火花的电晕放电使静电消除。这种 现象通常认为是织物中的导电纤维，在静电场的作用下，使周围的空气产生电离作用而形成正负离子，正负离子中的一种与织物所带静电荷相反而中和，另一种则与 环境或大地中和，从而消除了静电。由于在纤维中加入光电热转变特性的无机高分子微粒，在光电作用中可使织物具有蓄热保暖功能

　　三菱人造丝公司运用电晕放电原理开发的“THERMOCATCH” 蓄热保暖的白色导电纤维已引起生厂家普遍的关注。由于该纤维制造中选用了蓄热保暖功能剂和抗静电功能剂，并运用了复合化技术及导电层成形技术，因而使得白 色导电性陶瓷微粒子能够均匀的分散于纤维内部，经纺丝加工后既可制成性能超群，白度、风格、丝质、染色性能等各项指标均能达到耐久性多功能纤维材料的使用 要求，还具有较好的蓄热保暖性能。“THERMOCATCH”主要用于工作服、外衣、裙裤、防尘服、遮罩材料、毛巾、地毯等领域。

　　仓丽公司新开发的“Autumn orchid seoul”导电适温型纤维，具有中空三层构造，最内层的中空化使重量减轻且产生独特的挺括度；中层掺入高分子导电材料线型聚苯粉末、产生超无光和高导电功能，最外层掺入特殊陶瓷粉可阻断太阳光紫外线达90%以上，并产生高蓄热效果，使该纤维外观呈松散粉状和独特触感，中空率高达15~20%，既重量轻又提高保暖性。这种新合纤已开始应用于男女外衣、运动衣、制服、内衣、家用装饰纺织品等。

　　3.差别化异形类蓄热保暖纤维。差别化异形纤维也被用于新型保暖织物，如采用超细型、异形截面型、织物孔眼型以及纤维态异形、多腔、中空型等制作的化学纤维，可使织物的含气量大大增加并有极好的稳定性，从而达到保暖、蓄热的目的。

　　最近，杜邦公司推出一种新型的大可纶涤纶空心长纤维，被称为用于保暖性内、外衣的“终极纤维”。该纤维由一种共聚物纺成，具有很高的保暖性能。它是比以往的Thermax涤纶空芯短纤维大23%，其透气性能也大于聚丙烯纤维和涂层涤纶。它的第一批产品包括运动式冬装，高密内衣、手套、帽子和短袜等。

　　锐步运动衣公司利用“热水瓶原理”新推出的Hydromove差别化异形纤维，其中空造型兼具排汗及恒温的调节功能。这种纤维的中空率高达35~40%，在天冷时会在皮肤与布料之间产生湿气层，达到保温功能；当气温升高皮肤出汗后，则能利用纤维固有的静电反应以易吸水超细纤维的“毛细管性能”将汗气排出，并调节穿着的温度。

　　日本帝人有限公司利用水汽含量仅0.5%的聚酯类开发出一种名为威尔基的吸汗快干又保温空芯型纤维。其外缘有许多微小孔穿透空心的中央，能够产生毛细管现象，以加快蒸发，因而它具有纳凉吸湿和快干性能，穿着舒适。

　　日本尤尼吉可公司研究的超空密度微纤维运用精细差别化异形工艺制成的LLD织物，具有防水防雨与透气保温的优良效果。其奥秘是LLD织物仿造了自然界荷叶对水的排斥效应，能使落在织物上的雨水形成闪动的小水珠而滚落。这是因为织物中卷曲的纤维将空气围在纱线内，而空气对水的捧斥性很强，当雨水落在织物上时，纱线内贮存的空气不仅保持温度，还会使水珠滚落不使它润湿。

　　美国肖氏产业公司新开发的Stretching memory insulation纤维，它是一种异形截面型记忆适温纤维。其工艺是运用高分子合成改性技术，对聚异戊二烯材料进行分子组合及分子结构调 整制成能自动调温的化学纤维，它对周围的温度反应将特别敏感，可随温度的变化而变化，使服装内形成一个小气候环境。在酷暑季节，该纤维的异形截面自行收缩 使编织物的孔眼张开而通风透气，大大提高服装散热能力；在寒冬腊月，该纤维的异形截面又自行膨胀，使编织物的孔眼闭合而阻止空气流通，从而提高了服装的保 暖能力。

　　日本东丽与法国合资企业Soficar新生产开发的Automatic temperature control纤维，是利用一种天气状况记忆聚合物包着尼龙及聚酯的新纤维衣料。当天气炎热时，这种纤维会自动张开，让汗水排出，当天气寒冷时，衣料纤维则会紧闭，产生保暖作用。制造该新衣料的秘诀在于那层天气状况记忆聚合物及包覆技术。其聚合物分为晶体和非晶体两部分微粒，当温度升至25℃以上时，非晶体部分的微粒分子会出现变动，使分子间的距离扩大，便于汗水排出；若气温降至25℃以下，微粒分子则会收缩，纤维间的距离缩短，从而起到吸湿保暖效果。尼龙及聚酯纤维即藏于厚度仅5~10微米的聚合物内。用该新衣料制成能自动调节温度的运动服，能迅速吸收汗水和帮助汗水蒸发，不会粘着皮肤，运动员的体温可得到自动调节。

　　三、发热类适温型纤维

　　所谓发热类适温型纤维，是指自行发热而温暖身体的一种全新材料，其发热机理主要有光热转换类、吸湿类、导电类等。

　　目前所谓的自发热纤维在发热方面的功能是有限的，因为从物质守恒定律出发，出现的热能只能从人体的皮肤呼吸中获得。目前作为保暖内衣的发热度，大约在3~8℃左右。发热类适温纤维的特点：

　　★发热性：利用吸收人体的皮肤呼吸产生的湿气来达到发热的效果。

　　★保湿性：纤维中间部分含有静态的空气，产生良好的隔温效果，不仅让面料本身重量减少，而且静态空气的保温性也极佳。

　　★调湿性：利用纤维表面细微的沟槽所产生的毛细现象和特殊纺纱工艺，使多余的水分经蕊吸、扩散、传输等作用迅速吸收并散发，使身体保持干爽。

　　★柔软性：模仿自然生态中的天然纤维，赋予纤维表面无数可呼吸的微孔，达到天然纤维的柔软和舒适感。

　　★良好的抗起球性：利用特殊的纺纱技术，达到比同类纱线抗起球性提高很多。

　　1.光热转换类发热纤维。日 常生活和工作中，人体大部分时间处于各种光源的照射之中，而光热转换材料的特征就是将太阳光的能源转换成热能，并储存在材料之中。黑色吸收面吸收太阳光辐 射，可以将光能转换成热能，其吸收性能好，但辐射热损失大，所以黑色吸收面不是理想的光能吸收面。选择太阳光吸收率高和发射比较低的化合材料，是制作比较 理想光热转换的发热纤维。

　　受北极熊毛光热转换的启发，20世纪80年代，日本帝人公司开发了一系列利用储存太阳光和人体辐射放热的纤维产品。例如复合纤维阳光a，它的芯组分聚合物里含有吸光畜热性能的碳化锆类化合物微粒，皮组分则为聚酯或聚酰胺。丝的规格有5.5tex、16.5tex涤纶和3.3tex、7.7tex锦纶。阳光a纤维具有杰出的吸收可见光和近红外线的功能。制成服装穿着后，在有阳光的日子里，服装内的温度比普通服装高2~8℃，阴天时也可高2℃左右，保温效果明显提高。该纤维已被用来制作滑雪服、运动衫、紧身衣等多种产品。

　　日本omikenshi公司新开发具有发热与保温效果的solar touch纤维，是掺入了微粒子金属氧化物的人造短纤维。该纤维的微粒子金属氧化物吸收太阳光时，其分子产生共鸣使分子运动变得活泼，并在物质内相互产生撞击，使纤维本体的温度上升变成热能自行发热。solar touch就是利用了这一原理的机能性纤维。它和吸湿发热纤维不同，即使在干燥的状态下也能发热，所以无须出汗。另外，solar touch还具有利用人体放出的微量远红外线进行发热、蓄热的“solar touch”特殊机能。在该公司的测试中，solar touch的发热量高于棉织物。solar touch使用棉30%混纺的针织布料，发热量仍很高，所以保温性持续较长。

　　目前所知的具有良好光热转换的功能材料是碳化锆，这种材料对占太阳光能量95%。波长在2微米以下的光线有很强的吸收作用，并将吸收的光能转换成热能，使体系温度升高。

　　尤尼吉可公司最新推出的Thermotron纤维，具有发热与保湿优越性能。每根Thermotron单纤维的芯部均溶有碳化锆的微小粒子，使该纤维可以吸收所有可见光和太阳光，并把吸收的光能转换成为热能，同时还具有反射人体发出的远红外线的功能。通过“吸收光-热/转换”和“远红外-热反射/转换”的发热与蓄热机理，使人体得到所需的舒适、保暖温度。该纤维材料刚问世时主要用于滑雪服，目前被作为针织产品的内里选材并受到关注。

　　日本钟纺公司新开发的Sunshine fever纤维，它是利用纳米碳化锆与锦纶复合的芯壳结构长丝，用它加工而成的服装在有阳光时，具有高效率的“光-热/转换”功能，让服装内的温度比相同的普通服装高5~8摄氏度，即使在阴天也比普通服装高2摄氏度。

　　日本东丽工业公司推出的这一种新功能纤维Heat release，是用碳化锆的聚合体作芯，聚酯或尼龙作鞘的复合丝。Heat release纤维不但具有高温性能，而且能把太阳光变成热贮藏起来，当气温下降时，再把热量释放出来，以达到“保暖”的目的。

　　具有良好光热转换的功能材料还有金属化合物。日本帝人公司新研制成功的MPTE纤维，是在纤维的中空部分充入金属化合物的Gold nanoparticles纳米材料，由于由于纤维空腔结构所形成的大吸收截面以及空腔中Gold nanoparticles纳米材料具有独特的表面等离子体增强效应，从而使热转换效率明显提高。因此这种纤维产品在吸收阳光中的热能时有很强的发热、保温功能。这种衣料制成的衣服适宜中、小学的学生在气温较低的日子上游泳课时穿。

　　日本Kuroki 纺织厂和美国航天管理局合作研制成功的新型Reflect sunlight运动服。其织物纤维的制作方法是，在聚酯、再生纤维的混纺面料上真空蒸镀一层在高温下能熔化的铝化合物。因此，它对太阳光中的红外线，可比一般棉布服装多反射50%，这就为长跑运动员带来了福音。运动员穿上这种新型服装，可以控制衣服内部温度的升高而保持舒适感。

　　2.电热转换类发热纤维。杜邦公司最近试制的一种用适温型服装的电热转换类发热纤维，是利用新型电热材料DZR参与组成的Withstand the cold复合纤维，Withstand the cold原理如同电热毯，利用导电纤维通电使纤维发热，以达到取暖的效果。用该纤维制成的服装，外形似一件薄薄的单衣，其实为一件电热衣，能源来自随身携带的可充电电池，在寒冷的冬季里，其源源不断的热量，足以抵御严寒。

　　日本东邦公司采用具有优异导电性能的纳米碳纤维，制成了通电后具有良好保暖性的Nano carbon source发热纤维。这种纤维织成的织物除可用于保暖服装、医疗保健服装外，还可以用于电热地毯、加热床单、车辆加热垫的制作。

　　日本东丽公司还有人用聚乙烯和炭黑粉末混合的方法制成了EHSCB发热纤维。对这种电热类发热纤维的研究表明，当聚乙烯中混入10%炭黑制成直径1 mm、长度10mm的纤维产品时，这种纤维约有500n的电阻，在40V的电压下其表面发热温度可达到5℃~8℃，是高寒区服装、户外运动服与滑雪服的理想用料。

　　日本三菱公司新开发的Wen Changsi发热长丝纤维，是采用棉、聚酯或芳族聚酰胺等有机纤维作纤芯，以树脂作表质，并包覆导体碳纤之类的导电质而构成，施加适当电压后，因焦耳热使织物升温生热。PMMA

　　韩国HFG公司最近研制出一种名称“Light wave effect”的碳磷型导电纤维；用它制作的织物与服装，可以直接利用太阳光中的红外光作热源。这是一种对人体极为有益的自然热源，通过光热转换机制将热源传到人体身上。同时，当太阳光中的红外光波触及人体与皮肤时，可以经过衣服穿透人的肌体40毫米之下，起到促进血液循环、新陈代谢与活化细胞组织等医疗效果。

　　3.化学热能转换类发热纤维。在化学热能转换类发热纤维中，碳纤维是一种新型的高性能发热纤维材料，其升温速率能产生人体需要的生命之光远红外线8μm~15μm，因此用碳纤维作为服装材料，有着金属、PTC等电热体所不可比拟的诸多优异性能。

　　据了解，聚酯类纤维通常会添加炭黑等导电剂，但聚酯导电剂的分散性差，如果大量添加则粘度增高，不能稳定地制造出均质的丝。日本东丽公司最近采用兼备高变形跟踪性和高导电性的化学聚酯聚合物与纳米炭黑粒子合成Gao Fare纤维，开发出具有世界先进水平的聚酯化学发热纤维，其1厘米纤维丝电阻为数8~10万欧姆，并已经为开发新型防高寒服装提供了样品。

　　英国Essentra纤维公司最近利用一种新型化学方法制取成功一种发热调温纤维。其奥秘是纤维内附有一层不透水的薄膜，内装硫酸钠粉末，当硫酸钠受热后会液化贮热，其贮热能力比水强60倍，从而使体感温度下降；而遇冷时硫酸钠会固化，同时将吸收的热量散发出来。用其纤维制成的面料可用于服装和窗帘。

　　译据美国佛瑞斯特研究院的院刊《佛瑞斯特经济》杂志2015年9月号~10月号

　　原文作者：佛瑞斯特研究院产业首席研究员约翰·格雷斯博士