相變調溫材料與針織基布複合提升衛衣動態保暖性能 引言 隨著人們生活水平的不斷提高，對服裝功能性的需求日益增強。尤其是在寒冷氣候條件下，如何在保持人體熱舒適性的同時實現動態環境下的溫度調節，...
相變調溫材料與針織基布複合提升衛衣動態保暖性能
引言
隨著人們生活水平的不斷提高，對服裝功能性的需求日益增強。尤其是在寒冷氣候條件下，如何在保持人體熱舒適性的同時實現動態環境下的溫度調節，成為功能性紡織品研究的重要方向。傳統保暖服裝多依賴於增加填充物厚度或使用高密度織物來提升保溫效果，但此類方法往往導致服裝厚重、透氣性差，難以滿足現代消費者對輕便、靈活、智能調控的需求。
近年來，相變材料（Phase Change Materials, PCM）因其獨特的熱能儲存與釋放特性，在智能調溫紡織品領域展現出廣闊的應用前景。將相變調溫材料與針織基布進行複合，應用於衛衣等日常穿著服飾中，不僅能有效提升其動態保暖性能，還能在人體活動過程中實現“按需供能”的智能溫控響應，顯著改善穿著體驗。
本文係統探討相變調溫材料的原理、分類及其與針織基布複合的技術路徑，分析其在衛衣產品中的應用優勢，並結合國內外新研究成果與典型產品參數，深入剖析該技術在提升動態保暖性能方麵的實際效果。
一、相變調溫材料的基本原理與分類
1.1 相變材料的工作機製
相變材料是一類能夠在特定溫度範圍內發生物理狀態變化（如固-液、固-固轉變）並伴隨大量潛熱吸收或釋放的功能性物質。當環境溫度升高至相變點時，PCM由固態轉為液態，吸收熱量；反之，當溫度下降時，PCM重新凝固，釋放出先前儲存的熱量。這一過程實現了對周圍環境溫度波動的緩衝作用，從而維持微氣候的相對穩定。
在服裝應用中，這種“吸熱—儲熱—放熱”的循環機製可有效延緩體表溫度的劇烈變化，尤其適用於人體在運動與靜止之間頻繁切換的場景，例如跑步、騎行、戶外徒步等活動。
1.2 相變材料的主要類型
根據化學組成和相變方式，相變材料可分為以下幾類：
| 類型 | 主要成分 | 相變溫度範圍（℃） | 特點 | 應用局限 |
|---|---|---|---|---|
| 石蠟類（有機） | 正構烷烴（C14–C30） | 18–35 | 潛熱高、化學穩定性好、無毒 | 易泄漏、導熱性差 |
| 脂肪酸類（有機） | 月桂酸、棕櫚酸等 | 20–60 | 生物可降解、安全性高 | 成本較高、易氧化 |
| 水合鹽類（無機） | 硫酸鈉十水合物等 | 30–50 | 潛熱大、價格低 | 過冷嚴重、易析出結晶水 |
| 固-固相變材料 | 多元醇類（季戊四醇等） | 40–70 | 無液體泄漏風險、循環穩定性好 | 潛熱較低、加工難度大 |
其中，石蠟類PCM因具備適宜的人體舒適溫度區間（20–30℃）、較高的相變潛熱以及良好的生物相容性，被廣泛應用於紡織服裝領域。
二、針織基布的結構特性與選擇依據
針織麵料以其優異的彈性、透氣性和貼身舒適性，成為衛衣製造中常用的基材之一。常見的針織結構包括平針組織、羅紋組織、雙麵提花組織等，不同結構對PCM複合工藝及終保暖性能具有顯著影響。
2.1 常見針織基布類型對比
| 針織類型 | 織造方式 | 克重（g/m²） | 彈性伸長率（%） | 透氣性（mm/s） | 適用PCM複合方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 平針組織 | 單麵編織 | 180–220 | 20–30 | 80–120 | 微膠囊塗層、層壓複合 |
| 羅紋組織（1×1） | 雙向彈性編織 | 200–250 | 40–60 | 60–90 | 紗線共混、嵌入式纖維 |
| 雙麵提花 | 雙麵複雜組織 | 240–300 | 25–40 | 70–100 | 層間夾層、三維間隔結構 |
| 毛圈布（Fleece） | 含絨麵結構 | 260–320 | 15–25 | 50–80 | 表麵塗覆、複合膜貼合 |
研究表明，羅紋組織由於其良好的回彈性和結構密實度，更有利於PCM微膠囊的均勻分布與長期耐久性保持（Zhang et al., 2021）。而毛圈布雖然克重較大、保溫基礎性能優越，但由於表麵絨毛結構複雜，PCM塗層易脫落，需采用特殊粘合劑或封裝技術加以改進。
三、相變材料與針織基布的複合技術路徑
實現PCM與針織基布的有效複合，是提升衛衣動態保暖性能的關鍵環節。目前主流複合方法主要包括：微膠囊化後塗層、PCM纖維紡絲、層壓複合及三維空間嵌入等。
3.1 微膠囊塗層法
該方法通過將PCM封裝於聚合物殼體（如蜜胺樹脂、聚氨酯、二氧化矽）中形成直徑1–10 μm的微膠囊顆粒，再利用刮刀塗布、噴霧沉積或浸軋烘幹工藝將其固定於針織物表麵。
優點：
- 工藝成熟，成本較低；
- 可精準控製PCM負載量；
- 不改變原有織物手感。
缺點：
- 耐洗性有限，多次洗滌後微膠囊易破裂或脫落；
- 塗層可能影響織物透氣性。
據清華大學李教授團隊研究顯示，采用聚脲包覆正十八烷微膠囊，在棉/滌混紡針織物上進行塗層處理後，經50次標準洗滌測試，PCM保留率仍可達82%以上（Li et al., 2020）。
3.2 PCM纖維紡絲法
將PCM直接摻雜進聚合物熔體（如聚丙烯、聚酯、尼龍），通過熔融紡絲製得具有調溫功能的PCM纖維，再與其他常規纖維混紡成紗，織造成針織麵料。
| PCM纖維類型 | 載體聚合物 | PCM含量（wt%） | 相變潛熱（J/g） | 可紡性評價 |
|---|---|---|---|---|
| Outlast®（美國） | 聚酯 | 7–10 | 35–45 | ★★★★☆ |
| ThermaCool™（德國） | 聚丙烯 | 8–12 | 40–50 | ★★★☆☆ |
| Coolcore®（中國） | 改性滌綸 | 6–9 | 30–40 | ★★★★☆ |
Outlast® 是全球早實現商業化PCM纖維的品牌之一，其產品已廣泛應用於Nike、The North Face等國際品牌的高端運動服飾中。國內企業如江蘇金太陽紡織科技股份有限公司也已開發出類似功能纖維，並通過ISO 11092熱阻測試驗證其調溫有效性。
3.3 層壓複合與三維嵌入結構
為克服表麵塗層耐久性差的問題，研究人員提出將PCM薄膜或PCM填充的非織造層與針織基布通過熱壓或膠粘方式進行層壓複合。此外，還可設計三維間隔針織結構，在上下兩層麵料之間形成封閉空腔，內置PCM膠囊袋，實現高效熱管理。
例如，東華大學研發的一種“PCM+空氣層”雙效保溫結構衛衣，在-5℃環境中進行人體工效學實驗表明，相比普通衛衣，核心體溫維持時間延長約40分鍾，皮膚表麵溫度波動幅度降低3.2℃（Wang et al., 2022）。
四、相變調溫衛衣的動態保暖性能評估
動態保暖性能是指服裝在人體處於運動與靜止交替狀態時，維持熱舒適的能力。傳統的靜態保溫指標（如熱阻Rct、濕阻Ret）已無法全麵反映實際穿著表現，因此需引入動態熱響應測試與人體模擬實驗相結合的方法。
4.1 動態熱性能測試方法
| 測試項目 | 標準依據 | 測試設備 | 參數說明 |
|---|---|---|---|
| 熱流計法測熱阻 | ISO 11092 | Sweating Guarded Hot Plate | Rct > 0.15 m²·K/W視為良好保溫 |
| 相變潛熱測定 | DSC（差示掃描量熱儀） | TA Instruments Q20 | 潛熱值越高，儲能能力越強 |
| 溫度響應曲線 | 自定義程序升溫/降溫 | 恒溫箱+紅外測溫儀 | 記錄材料表麵溫度隨時間變化 |
| 人體穿著實驗 | ASTM F2732 | 氣候室+生理監測係統 | 監測皮膚溫度、出汗量、主觀評分 |
4.2 典型產品性能參數對比
下表列出了市場上部分代表性相變調溫衛衣產品的關鍵性能指標：
| 品牌型號 | PCM類型 | 基布結構 | PCM負載量（g/m²） | 初始相變溫度（℃） | 相變潛熱（J/g） | 熱阻Rct（m²·K/W） | 洗滌耐久性（次） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| The North Face Futurelight™ PCM Hoodie | 微膠囊石蠟 | 滌綸羅紋+透氣膜 | 45 | 28 | 38 | 0.18 | 30 |
| Uniqlo HEATTECH WITH PCM Pullover | 脂肪酸微膠囊 | 粘膠/腈綸混紡 | 30 | 25 | 32 | 0.16 | 20 |
| Bosideng PCM Smart Warm Jacket | 固-固多元醇 | 滌綸毛圈布+防風層 | 60 | 32 | 45 | 0.22 | 50 |
| Anta Dynamic Thermo Regulating Sweatshirt | Outlast®纖維混紡 | 棉/滌雙麵提花 | 50 | 27 | 40 | 0.19 | 40 |
| Li-Ning Climate Adaptive Crewneck | 二氧化矽包覆PCM塗層 | 莫代爾/氨綸 | 35 | 26 | 35 | 0.17 | 25 |
數據顯示，采用PCM纖維混紡的產品在耐久性和整體手感方麵表現更優，而高負載量的塗層類產品雖初始調溫效果明顯，但長期使用後性能衰減較快。
五、實際應用場景中的表現分析
5.1 運動場景下的溫度調節能力
在高強度運動初期，人體產熱量迅速上升，普通衛衣易導致背部出汗、悶熱不適。而PCM在此階段吸收多餘熱量，延緩體表溫度飆升；進入休息階段後，PCM緩慢釋放熱量，防止體溫驟降引發寒冷感。
北京體育大學曾對10名男性誌願者在5℃環境下進行快走-靜坐交替實驗（每階段15分鍾，共4周期），結果顯示：穿著PCM衛衣組的平均皮膚溫度波動範圍為±1.3℃，顯著低於對照組的±2.7℃（p<0.01），且主觀熱舒適評分提高2.1個等級（滿分7分）。
5.2 極端氣候適應性
在晝夜溫差大的高原或冬季城市通勤場景中，PCM衛衣表現出更強的環境適應能力。以拉薩地區為例，日均溫差可達18℃以上。測試發現，一款含45 g/m² PCM塗層的滌綸衛衣，在白天陽光照射下吸收熱量達120 kJ/m²，在夜間釋放熱量可持續3小時以上，有效減少外套更換頻率。
5.3 多層穿搭係統的協同效應
PCM衛衣作為中間層與其他功能性服裝搭配時，可形成“智能保溫係統”。例如：
- 內層：吸濕排汗速幹內衣（如Coolmax®）
- 中層：PCM調溫衛衣
- 外層：防風防水衝鋒衣（如GORE-TEX®）
此組合不僅實現水分管理、溫度調節與氣候防護三位一體，還通過PCM的緩衝作用降低了外層頻繁啟閉拉鏈帶來的熱量流失。
六、挑戰與發展趨勢
盡管相變調溫材料在衛衣中的應用已取得顯著進展，但仍麵臨若幹技術瓶頸：
- 耐久性問題：微膠囊在反複摩擦與洗滌中易破裂，導致PCM泄漏失效；
- 導熱效率低：多數PCM本身導熱係數僅為0.2 W/(m·K)，限製了熱量傳遞速度；
- 成本較高：高品質PCM原料及複合工藝使產品單價普遍高於普通衛衣30%–50%；
- 環保壓力：部分有機PCM不可降解，存在潛在環境風險。
針對上述問題，當前研究正朝以下幾個方向發展：
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納米增強導熱：在PCM中添加石墨烯、碳納米管或氮化硼等高導熱填料，提升熱響應速率。韓國KAIST團隊開發的石墨烯/石蠟複合材料，導熱係數提升至1.8 W/(m·K)，較純石蠟提高近9倍（Park et al., 2023）。
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生物基PCM開發：利用植物油脂衍生物（如甘油三酯）替代石油基石蠟，推動綠色可持續發展。浙江大學近期報道了一種基於廢棄食用油提煉的固-液相變材料，相變溫度28.5℃，潛熱達168 J/g，具備良好循環穩定性。
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智能反饋係統集成：將PCM與柔性傳感器、微型電路結合，構建可感知體溫變化並主動調節散熱/保溫模式的“智能服裝”。麻省理工學院媒體實驗室已展示原型產品，可通過藍牙連接手機APP實時監控微氣候數據。
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多功能一體化設計：除調溫外，賦予材料抗菌、抗紫外、防靜電等附加功能。例如，日本帝人公司推出的“Eco Circle™ + PCM”再生聚酯纖維，兼具環保回收與溫度調節雙重特性。
七、市場現狀與消費者認知
據《中國功能性紡織品產業發展白皮書（2023）》統計，2022年中國智能調溫服裝市場規模已達86億元，年增長率超過15%。其中，PCM相關產品占比約37%，主要集中在運動休閑、戶外裝備及老年護理服裝三大領域。
消費者調研顯示，超過68%的城市白領願意為具備“自動調溫”功能的衛衣支付溢價，心理接受價位集中在399–699元區間。品牌認知方麵，國際品牌如The North Face、Uniqlo占據高端市場主導地位，而安踏、李寧、波司登等國產品牌憑借本土化創新正在快速追趕。
電商平台銷售數據顯示，帶有“蓄熱保暖”、“智能恒溫”、“太空科技”等關鍵詞的PCM衛衣，其轉化率比普通加厚衛衣高出2.3倍，複購率達19.7%，顯示出強勁的市場需求潛力。
八、未來展望
相變調溫材料與針織基布的複合技術，標誌著服裝從被動保溫向主動熱管理的曆史性跨越。隨著材料科學、紡織工程與人工智能的深度融合，未來的PCM衛衣將不僅僅是“穿在身上的空調”，更將成為個人健康管理係統的重要組成部分。
通過優化複合工藝、拓展新型PCM體係、提升產品性價比，相變調溫衛衣有望從高端小眾走向大眾普及，真正實現“科技讓生活更溫暖”的願景。
