一.發熱纖維及其制備
發熱纖維是指能夠自行主動地產生或釋放熱量的纖維。發熱纖維的發熱機理如圖1所示，根據發熱機理，一般將發熱纖維分為吸濕發熱、電能發熱、光能發熱、化學反應放熱和相變放熱5種。其中，吸濕發熱纖維綠色環保，但發熱時間長、纖維成本高；電能發熱纖維電熱轉換效率高、操作容易，但服用舒適性不高、電池不便捷；光能發熱纖維節能環保，可使用條件受限、成本高；化學反應放熱纖維升溫快，使用便捷，但效果不持久且反應不可逆；與其他發熱纖維相比，相變調溫纖維可雙向調節溫度，但調溫范圍窄。
發熱纖維的分類
?、傥鼭癜l熱纖維
一般認為，吸濕發熱纖維吸收外界環境或人體產生的水汽，形成氫鍵放出熱量，水分子動能也轉換為熱能;但放出熱量的主要來源是液化還是動能轉化有待進一步論證。日本的吸濕發熱纖維研究較為成熟，包括Softwarm纖維、N38纖維、EKS纖維等;美國研發有Outlast纖維、Thermolite纖維等;中國開發有共混紡吸濕發熱粘膠纖維、改性發熱腈綸纖維等。
?、陔娔馨l熱纖維
電能發熱纖維利用電流熱效應發熱，導電材料通電后，將電能轉化為熱能。目前，具有優良加工性和穩定性的聚合物基電熱材料逐漸取代成本高、應用條件嚴格的金屬類材料。WANGCL等采用熔融紡制備聚醚醚酮纖維，編織得到的PEEK電熱織物具有高斷裂強度(830~1422N)和高熱穩定性；強丁丁開發了適用于不同場景的不同溫度石墨燎基電熱產品（低溫在45℃左右，中溫在80~100℃)。
?、酃饽馨l熱纖維
光能發熱纖維能夠吸收太陽輻射中不同波長光線的能量并轉化為熱能，或反射人體熱輻射。不同材料對不同波長光線的吸收和反射能力不同，IV族過渡金屬碳化物可吸收太陽光中的高能波長段(300~2000nm)和反射人體散發的低能輻射(1000nm),具有極佳的光熱效果。梁佳瑞等通過共混紡絲制得納米陶瓷錦綸短纖，并編織得到吸光發熱性能良好的緯編織物。LICL等通過在粘膠紡絲液中添加ZrC,制備了新型光熱纖維，紡成的織物經紅外光照射后表面溫度可升高近40℃。
?、芑瘜W反應發熱纖維
化學反應放熱材料通過發生化學反應將化學能轉化為熱能。如“暖寶寶”“速食飯”自熱小火鍋等就是通過化學反應放熱材料加熱升溫。但由于化學反應放熱具有不可逆性,多用于一次性加熱，在發熱紗線、面料中的應用較為少見。
?、菹嘧冋{溫纖維
相變調溫纖維通過物相變化吸收或放出熱量，從而實現溫度調節。李佳佳等通過原位聚合和濕法紡絲制備石蠟/PVA儲能纖維，纖維相變烙值為45.39J/g,具有優良的儲能性及熱穩定性。XUEF等基于三聚氰胺泡沫、氧化石墨烯和石墨烯納米血小板合成了新型復合相變材料，具有優異的能量轉換性能，在建筑節能保溫、微電子器件溫度保護等應用中存在巨大潛力。
發熱纖維的制備
發熱纖維的發熱與保暖性能主要取決于纖維的形態結構與化學組成。與普通圓形截面纖維相比，異型纖維截面不規整，纖維不易聚集，纖維間空隙較大，有利于靜止空氣的儲存，從而降低織物導熱系數，提高織物的保暖性能，如啞鈴形的德絨纖維等。因此，圓形中空滌綸纖維與扁平特殊粘膠纖維混紡時易于在纖維間形成空隙，增加靜止空氣含量，阻隔內外溫度交換，達到保溫作用。同理，超細纖維間或超細纖維與其他纖維間的空隙同樣易于貯存靜止空氣。就吸濕發熱纖維而言，纖維表面的縱向溝槽可提升纖維表面性能，利于吸附水分子。如EKS纖維和舒熱絲纖維，與普通腈綸纖維相比，其表面溝槽更寬更深（見圖2),在一定程度上增加了芯吸效應，利于水分傳輸，增強吸濕發熱功能。此外，當纖維含有較多親水基團時，纖維具有較高的回潮率；當氰基、酯基等向親水基團轉變時，分子間作用力減弱，結晶度下降，纖維吸濕性能改善。
依據形態結構和化學組成對纖維發熱保暖性能的影響，采用化學改性、共混紡絲和靜電紡絲等方法也可以制備發熱纖維材料，具體如圖3所示?；瘜W改性法通過聚合、交聯等反應，改變纖維大分子組成與結構，引入利于發熱性能的元素、基團等。馬正升對聚丙烯腈進行交聯改性，提升親水基團含量，改性后纖維表面溝槽寬而深、比表面積增大，水分吸附與傳遞能力提升。共混紡絲法就是在聚合物熔體或溶液中加入發熱功能材料，紡制發熱纖維。XIAW等將納米相變材料加入紡絲熔體中制備PA6基相變調溫纖維,所得纖維的焓值高達137J/g。JIANGYJ等在濕法紡絲前將氧化石墨烯(GO)加入粘膠溶液中，制備了一種具有光熱轉換能力的新型粘膠纖維，結果表明，在相同的紅外爆光時間內，氧化石墨烯分數為4%的粘膠織物溫升比純粘膠樣品高出81.2℃。靜電紡絲是一種制備超細纖維的便捷技術，常用于制備相變調溫纖維。ZHUWT等通過靜電紡制備了一種新型PEG/PVA復合相變纖維，取代了傳統的有機溶劑法，更為綠色經濟。由發熱纖維紡制紗線再織成的面料，因纖維均勻分布在紗線、面料中，發熱面料發熱性能穩定，溫度分布均勻。
二、發熱紗線的開發
類似于纖維，紗線發熱效果也受形態結構和化學組成的影響，因此可利用紡紗方法，通過改變紗線化學組成或形態結構來制備發熱紗線。一般情況下，線密度較大的紗線織成的織物結構更松散，內部空隙大，利于靜止空氣儲存和濕氣傳遞。制備發熱紗線可以采用混紡的方法，在混紡紗中加入發熱纖維組分或利于發熱保暖的纖維組分，適當調節混紡比，使材料獲得良好的發熱性能。杜凱紡制了混紡比不同的發熱腈綸／中空滌綸混紡紗并分別編織雙羅紋織物，研究發現隨著混紡紗中發熱腈綸纖維含量的增加，織物的吸濕發熱性能逐漸提升。發熱纖維也可與超細纖維、異型纖維或表面粗糙的纖維混紡，所制紗線孔隙率較大，易儲存靜止空氣和吸濕導濕，發熱保暖效果良好，如日本由銅氨絲和超細腈綸混紡成的ThermogearR。除混紡紗外還有包芯紗、包覆紗等，都能夠結合發熱材料制備發熱紗線。沈文濤等紡制了PorelR吸濕發熱氨綸包芯紗，開發的無縫針織物具有吸濕發熱、透濕透氣、產品輕薄等特點。龐欣以氨綸與聚酯發熱長絲為原料，以1∶3的氨綸牽伸比制備氨綸包覆紗用于開發高彈護膝。
紗線、金屬絲等發熱材料通過編織、刺繡、縫紉等方式應用到面料中，簡單方便。嚴陶海等將碳纖維發熱線作為緯紗與棉紗按照3種不同排列比編織平紋機織物。CHENHJ等將不銹鋼紗線刺繡、縫紉到棉織物上，利用熱變色材料展現刺繡、縫紉的圖案，具體如圖4所示。
三、發熱面料的開發
01基于組織結構的發熱面料開發
發熱面料分為針織和機織兩種組織結構，其中，針織面料蓬松柔軟、保暖、透氣透濕、服用性能良好。因此，目前關于發熱面料的研究中，針織組織較機織組織更受歡迎。
針織發熱面料
針織組織結構由線圈單元相互串套形成,孔隙率高、結構蓬松，因此靜止空氣含量高，保暖性能較好，同時透氣透濕性能也較好。其中，雙羅紋組織和襯緯組織在發熱面料的研究中應用較多。雙羅紋組織具有雙面結構，織物厚實，保暖性能良好，常用于制作冬季保暖服裝。襯緯組織是沿地組織緯向襯入輔助紗線的組織，適于將發熱材料作為輔助紗線引入。許靜姻等織造了6款組織結構不同的電熱針織物，發現雙羅紋織物發熱性能最優，因其組織內部紗線接觸點多、總電阻小，所以升溫效果好，且溫度分布均勻。陳莉等研究了4種不同鍍銀長絲針織物的導熱發熱性能，結果表明襯緯織物電路清晰，電阻易于控制，溫度分布均勻且發熱效果良好。除此之外，還有半螺紋空氣層等多種針織面料在發熱面料的開發與應用中也具有較大優勢。
機織發熱面料
在機織的三元組織織物中，平紋織物較緊密，芯吸效果最差；緞紋織物結構蓬松，孔隙率較大，透氣透濕性能最好；斜紋織物孔隙、厚度適中，克羅值最大，升溫效果優于易散熱的緞紋織物。雙層機織物單位面積所含發熱材料多，發熱保暖效果比單層織物更優，但其透濕導濕性不如單層織物。機織面料因紗線間存在大量的交叉接觸點,熱量傳導與分布更均勻,尤其是電流分布均勻的電熱機織織物。
02基于表面處理技術的發熱面料開發
借助表面處理技術，通過物理或化學方法可使面料獲得發熱功效?；瘜W方法包括電鍍、離子鍍、接枝聚合及化學氣相沉積等；物理方法包括表面涂覆改性、真空鍍、濺射、噴射及物理氣相沉積等，運用不同表面處理技術開發的發熱面料如圖6所示。XIEJ等利用原位聚合法將聚丙燎添加到棉織物上［見圖6(a)[37]],制成的聚丙烯／棉復合材料性能優異，電壓為5V時可在3min內達到168.3℃,且拉伸強度達到58MPa,是理想的加熱元件。LUYW等利用鍍銀、聚氨酯(PU)涂層和熱致變色涂層制備了基于錦綸織物的熱致變色多層復合織物，該織物具有良好的加熱效果和熱穩定性?；谙嘧兾⒛z囊的浸軋整理，可使相變材料均勻分布于織物表面與紗線內部。ALAYS等通過浸軋的方式將相變微膠囊整理到棉、滌等織物上，結果表明不同織物的焓值較浸軋整理前都有明顯提升。
采用表面處理方法制備發熱面料，高效快捷，發熱效果優良，但對織物的透氣性、柔軟性等會有所影響；并且由于材料多涂覆或沉積在織物表面，易損耗影響持久穩定性。莫松鷹等借助等離子體金屬鍍膜技術開發了具有納米級厚金屬膜的柔軟發熱功能服裝，具有輕薄可折耐用等優點。ZHANGL等采用改進的氣相沉積法在織物表面涂覆PEDOT聚合物薄膜,幾乎沒有改變織物的手感、質量和透氣性能。此外，絲網印刷、油墨打印等方法也可用于制備發熱面料。
除直接對織物進行表面處理制備發熱面料外，還可將面狀發熱面料（如電熱膜、電加熱織物等）通過夾層、粘合等方式與面料結合形成發熱面料。張阿真借助粘合襯，在兩面分別粘合銅絲和涂層織物制作發熱材料，制備雙層柔性加熱織物。
四、發熱面料應用研究
發熱面料具有主動產熱供熱等特點，且相較于傳統保暖面料更為輕薄美觀，多被用于防寒保暖服裝的制備。又因柔性、可設計、發熱的可控性等特點，發熱面料除應用于日常保暖外，還可應用于防護急救、醫療保健和智能穿戴等領域。
防護急救
發熱面料制備的防護服可幫助低溫作業和急救工作正常進行，抵御寒冷。楊志堅等設計了基于原電池原理的供暖救生衣，落水人員拉動充氣閥，使空氣與鐵粉等填充物發生化學反應放熱供暖，避免凍傷等。
醫療保健
發熱面料能夠產生輻射熱量，可用于制作理療服裝，輔助疾病治療與人體保健，具體如圖7所示。ZHAOYF等利用鍍銀導電紗織制導電機織物，開發出針對女性痛經的熱功能服，在服裝腹部位置導電發熱緩解人體疼痛;洪文進等設計了基于納米增強遠紅外技術的理療內褲,發熱膜被加熱直至人體臨界舒適溫度，增強遠紅外線能夠深入皮膚內部，對人體進行熱敷按摩和慢性疾病治療等。
智能穿戴
使用發熱面料制備柔性傳感元件等，在智能穿戴設備及通信、監測等領域有廣闊的應用前景。YANGMY等采用浸潰干燥法將單壁碳納米管涂覆在針織棉織物表面，制備了具有較強電加熱效果的導電棉織物，如圖8所示;由該織物制成的柔性應變傳感器可工作應變范圍大(0近似于100%)、響應速度快、穩定性好，可實時監測人體站立、行走等運動。
五、結語
發熱效果
目前許多發熱面料已能達到較好的發熱效果，但發熱速率、能量轉換效率、溫度分布均勻度等均需進一步優化。
服用性能
利用表面處理方法制成的發熱面料服用性能較差，限制了發熱面料的實際應用。研究人員可在電池便攜性、可紡柔性材料、熱濕舒適性等方面做進一步發展研究，改善服用性能。
力學性能
開發發熱面料使用的化學改性、涂層等方法會在一定程度上損傷纖維、紗線等的力學性能，影響面料的耐用性及穩定性。
來源：服裝學報
公安備案號：11010502039965??? 