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自從入冬之后，Norma和身邊的朋友們紛紛出現(xiàn)了早晨起床困難癥、食欲過盛癥、宅家不動癥和無限疊加穿衣癥等問題…

別的不說，冬天穿這么厚，早上一層一層的套上，真·人型千層蛋糕，不僅臃腫到行動困難，就連走路騎車膝蓋彎曲的角度都比夏天至少少了5°。

就不能有那種又暖和又輕薄的衣服嗎？或者冬暖夏涼的衣服？Norma大概在小學(xué)想象類作文中就暢想過這種神奇的衣服了…

別說，還真有這種好事，正面保溫，反面涼爽的材料真的存在。原來凈想好事還真的能實(shí)現(xiàn)！

人體的熱量——我散我到處散

在了解我們的夢幻保溫衣物之前，先讓我們來了解一下人體是如何保持恒溫的？我們的熱量都去哪兒了？要是熱量不離開，我豈不是能天天穿短袖了？

眾所周知，人類作為恒溫動物通過體內(nèi)完善的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，包括自主性體溫調(diào)節(jié)和行為性體溫調(diào)節(jié)，可以使機(jī)體的體溫通常保持在高于環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定水平。

而實(shí)現(xiàn)恒溫，主要是由于人體產(chǎn)生和散失熱量受到體溫調(diào)節(jié)中樞的調(diào)控，保持動態(tài)平衡。當(dāng)體溫偏離恒定值范圍時，反饋系統(tǒng)會將體溫偏離的信息傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)中樞，對產(chǎn)熱或者散熱加以調(diào)控，使體溫重新回到平均水平。?

反饋控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)系統(tǒng)，作為控制中心的神經(jīng)中樞、內(nèi)分泌細(xì)胞等對效應(yīng)細(xì)胞、靶細(xì)胞等受控部分發(fā)出控制指令，是指完成相應(yīng)的生理過程。受控部分會受到外界環(huán)境的干擾，通過一些感受結(jié)構(gòu)將干擾造成的影響反饋給控制中心。?

在這個過程中，反饋信息會與生理學(xué)中的調(diào)定點(diǎn)(set point)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信息，控制中心直接對偏差信息做出處理，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用。?

人體生理調(diào)節(jié)反饋示意圖[3]?

了解反饋及之后，讓我們來聊聊產(chǎn)熱過程，我們體內(nèi)的熱量來源于組織細(xì)胞的代謝、機(jī)體的各種功能活動，因而代謝水平高的組織器官，產(chǎn)生的熱量也更多。?

在我們處于不同狀態(tài)時，不同器官的產(chǎn)熱占比也不同。當(dāng)處于安靜狀態(tài)時，人體內(nèi)臟器官會默默的產(chǎn)熱，約占機(jī)體總產(chǎn)熱量的 50%，其中肝臟的代謝最為旺盛，怪不得是肝不動了？

當(dāng)我們運(yùn)動時，骨骼肌的代謝增強(qiáng)，產(chǎn)熱量顯著增加，成為產(chǎn)熱器官冠軍。輕度運(yùn)動，如步行時，骨骼肌的產(chǎn)熱量約占總熱量的 73%，而劇烈運(yùn)動更是可以達(dá)到總產(chǎn)熱量的 90% [2]。

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說起產(chǎn)熱，那當(dāng)然少不了干飯人勤勤懇懇努力進(jìn)食的功勞——食物的特殊動力效應(yīng)，即進(jìn)食后能量代謝率增高。

除此之外，還有一個比較特殊的情況，當(dāng)我們周圍的環(huán)境比較寒冷時，機(jī)體散熱量顯著增加，主要依靠寒戰(zhàn)產(chǎn)熱和加強(qiáng)非寒戰(zhàn)產(chǎn)熱來增加產(chǎn)熱量。

其中，寒戰(zhàn)產(chǎn)熱也就是我們最熟悉的——冷 到 發(fā) 抖！是指機(jī)體受到寒冷刺激時，可使位于下丘腦后部的寒冷中樞興奮，經(jīng)效應(yīng)器引起骨骼肌肌緊張?jiān)鰪?qiáng)，稱為寒戰(zhàn)前肌緊張，此時產(chǎn)熱量略增加。

當(dāng)寒冷持續(xù)加劇時，我們就會開始寒戰(zhàn)——骨骼肌伸肌和屈肌同時格局混亂。在這種情況下，肌肉收縮所消耗熱量全部變?yōu)闊崮堋?/strong>

而非寒戰(zhàn)產(chǎn)熱則是機(jī)體通過提高代謝率而增加產(chǎn)熱，體內(nèi)產(chǎn)熱作用最強(qiáng)的是褐色脂肪組織。

褐色脂肪細(xì)胞 | 圖片來源

聊過了產(chǎn)熱，那么人體散熱又有哪些方式呢？

人體散熱主要通過皮膚、呼吸以及隨大小便排出帶走熱量。在室溫時，皮膚散熱量可以達(dá)到97%，機(jī)體內(nèi)部的熱量通過血液循環(huán)和熱傳導(dǎo)運(yùn)輸?shù)狡つw表層被皮膚散逸。?

被傳遞到皮膚表面的熱能，有四種散失通道——輻射、傳導(dǎo)、對流和蒸發(fā)[2]。?

對于輻射散熱，環(huán)境溫度與皮膚溫度差值越大，人和環(huán)境的輻射換熱就越大。當(dāng)環(huán)境溫度超過皮膚溫度時，機(jī)體反而會吸收周圍物體的輻射熱。

人體熱輻射示意圖 | 圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

傳導(dǎo)散熱是指機(jī)體深部的熱量以傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移到體表，再由皮膚直接傳給與它接觸的低溫物體散熱。傳導(dǎo)散熱量取決于溫度差、接觸面積和接觸物的導(dǎo)熱率等，溫差越大，接觸面積越大，導(dǎo)熱系數(shù)越高，其散熱越大。

當(dāng)人體皮膚溫度高于環(huán)境溫度時，熱量會傳給與皮膚表面接觸的空氣使其溫度升高，空氣被加熱后流動加快，同時將體熱帶走，而周圍溫度較低的空氣又會流到皮膚表面，如此循環(huán)往復(fù)，形成空氣對流散熱。對流散熱量取決于皮膚和周圍環(huán)境的溫度差和有效散熱面積、風(fēng)速等影響。

最后，蒸發(fā)散熱是當(dāng)環(huán)境溫度高于皮膚溫度時，機(jī)體唯一有效的散熱渠道。蒸發(fā)散熱分為不感蒸發(fā)和有感蒸發(fā)，影響人體蒸發(fā)散熱的主要因素包括新陳代謝、人體皮膚溫度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、服裝材質(zhì)、大氣壓等。

四種散熱機(jī)理示意圖 | 圖片來源

這樣看來，在冬天這樣寒冷的環(huán)境下熱量是留不住了——注定“轉(zhuǎn)身離開，分手說不出來”。

普通保溫服飾——熱量你慢點(diǎn)走！

在現(xiàn)在這樣寒冷的冬季，我們保暖的基本思路當(dāng)然是——套上他十條秋褲再說！我們在冬天裹上厚厚冬裝是這樣保暖的呢？

簡單來說，普通服裝的保溫效果一般是通過減少人體散熱量來實(shí)現(xiàn)的。服裝是環(huán)境―服裝―人體這個綜合熱力系統(tǒng)中人體和環(huán)境之間熱量交換的緩沖體。

“環(huán)境―服裝―人體”的熱傳遞過程 | 圖片來源[7]

普通服裝對散熱的影響主要體現(xiàn)為：服裝材料與空氣層的導(dǎo)熱能力主要影響傳導(dǎo)散熱，防風(fēng)性能及服裝封閉程度主要影響對流散熱，輻射率及表面溫度主要影響輻射散熱，透濕指數(shù)及潤濕面積主要影響蒸發(fā)散熱[6]。

在這個復(fù)雜的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)中，多層衣物和皮膚兩兩之間都具有一定厚度的空氣層。首先，內(nèi)衣受到皮膚的傳導(dǎo)散熱溫度升高，會與內(nèi)衣與毛衣或其他衣物之間的空氣層發(fā)生熱傳導(dǎo)。

在熱傳導(dǎo)過程中，速度與傳熱系數(shù)有關(guān)，傳熱系數(shù)越大傳熱越快。皮膚與空氣之間傳熱系數(shù)比衣物與空氣之間傳熱系數(shù)高，因而內(nèi)衣與空氣層之間傳熱速度較慢。

空氣層溫度升高后，會繼續(xù)向毛衣或者其他衣物傳導(dǎo)熱量，之后毛衣或外衣再傳熱給空氣層。每次熱傳導(dǎo)都的效率都小于1，這樣層層相乘，皮膚與外界空氣之間的溫度差就會比不穿衣服大很多[8]。

簡而言之，普通衣物保溫是通過阻礙散熱過程實(shí)現(xiàn)的，那如果服裝可以反射熱量或者直接自己發(fā)熱，那不就不用穿很多層了嗎？

自發(fā)熱服飾——靠自己努力的打工人！

自發(fā)熱服裝不同于傳統(tǒng)保暖服裝，采用自發(fā)熱材料與服裝結(jié)合，使得服裝的保暖作用由被動化為主動。?

自加熱服裝的加熱思路與其他領(lǐng)域相似，包括太陽能加熱、化學(xué)能加熱、吸濕發(fā)熱、光能發(fā)熱、相變材料及電加熱等不同形式的加熱方式。

發(fā)熱纖維的發(fā)熱機(jī)理 | 圖片來源[11]

其中，我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷木褪?strong>電加熱這種方式了，利用電流熱效應(yīng)發(fā)熱，導(dǎo)電材料通電后，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。對于電加熱服飾來說，最核心的部分就是柔性電加熱元件——電加熱絲、電加熱膜、電加熱織物。

綜合來看，電加熱織物具有輕薄透氣、柔軟舒適、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是研究和應(yīng)用最為廣泛的一種。導(dǎo)電材料可以簡單分為金屬導(dǎo)電材料、非金屬導(dǎo)電材料和復(fù)合導(dǎo)電材料，例如：不銹鋼、銀、銅、碳材料、導(dǎo)電高聚物等。其中，碳納米管加熱片、石墨烯加熱片的綜合性能有很大的優(yōu)勢。

但電加熱服飾的發(fā)展仍存在一些有待優(yōu)化和解決的問題，首先是物美價廉——涂層均勻、工藝簡單的制備方法尚有待開發(fā)；其次是柔性電加熱織物的保護(hù)與透氣、透濕之間的矛盾尚有待解決。另外，電加熱服飾的舒適程度也相對比較低。?

光能發(fā)熱纖維顧名思義，可以吸收太陽輻射中不同波長光線的能量并轉(zhuǎn)化為熱能，或反射人體熱輻射。納米陶瓷錦綸短纖維編織物是一種新型的光能發(fā)熱纖維，在光源照射30min 后，比普通織物溫度高3. 41℃[12]。?

光發(fā)熱和電發(fā)熱都離我們的生活比較近，除此之外，材料相變會吸收或者釋放熱量，也是制作自發(fā)熱服飾的一種比較有趣的方向。石蠟/PVA儲能纖維和其他新型復(fù)合相變材料都屬于相變調(diào)溫纖維，具有雙向調(diào)溫的優(yōu)勢，但調(diào)溫范圍相對比較小。

冷熱雙模紡織品——紡織品界內(nèi)卷王

既然已經(jīng)有了這么多種保溫服飾的研發(fā)方向，那何不格局再打開一點(diǎn)，讓服飾即保暖又涼爽呢？如果不需要能量輸入的話，豈不是更加美滋滋？

雖然這需求聽起來有點(diǎn)“無理甲方”，但你還別說，真有人做出來了…

比起傳統(tǒng)加熱或冷卻，輻射熱管理(Radiative thermal management)可謂是自己努力、內(nèi)卷他者的代表了。這種方法是指通過控制發(fā)射率、透射率和反射率，實(shí)現(xiàn)不同的傳熱控制。

也就是說，溫度變化方向你隨便提，變化不到位就算我輸。那么，接下來就讓我們看看這種“雙面神衣”的工作原理是什么樣的吧！

對于織物的輻射熱管理，大致可以分為兩種設(shè)計(jì)思路——第一，通過設(shè)計(jì)透明(反射)織物，可以高度促進(jìn)(抑制)輻射直接通過織物向周圍環(huán)境的傳輸；第二，通過設(shè)計(jì)一種高(低)外表面發(fā)射率紡織品，大幅度地增加(減少)織物對環(huán)境的輻射發(fā)射。?

雙模紡織品原理圖 | 圖片來源[13]

第一種是通過將雙層熱發(fā)射器嵌入中紅外-透明納米多孔聚乙烯(nanoporous polyethylene, nanoPE)中。這種雙模紡織品可以通過在內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間切換，輕松地在加熱和冷卻模式之間切換，并且不需要電能或其他外部能量的輸入。?

在這種結(jié)構(gòu)中，雙層熱發(fā)射器在織物正反兩面的厚度不同。由于nanoPE是紅外透明的，這一側(cè)的發(fā)射器與周圍環(huán)境的熱輻射不受到任何阻礙。同時，nanoPE還起到調(diào)節(jié)熱發(fā)射器與皮膚距離的作用。?

在冷卻模式下，高發(fā)射率層面向環(huán)境，熱發(fā)射器和皮膚之間的nanoPE厚度較小。這種小厚度保證了溫暖的人體皮膚和發(fā)射器之間的高效熱傳導(dǎo)，達(dá)到了提高發(fā)射器的溫度的目的。這也最大化了nanoPE本身保持涼爽的作用，妥妥的為夏天量身定制！?

當(dāng)織物反過來時，低發(fā)射率的一面朝外，發(fā)射器到皮膚的距離增加，可以實(shí)現(xiàn)保溫。

這種雙?？椢锏纳衿孀饔檬?strong>輻射、傳導(dǎo)和對流協(xié)同作用的結(jié)果。

另外一種雙模織物同樣是通過——不對稱紗線組成和被動輻射的方式達(dá)到了相同的目的。?

不同之處在于，第二種結(jié)構(gòu)通過在紗線中同時利用金屬纖維和介質(zhì)纖維實(shí)現(xiàn)了非常強(qiáng)的發(fā)射率對比，溫度范圍進(jìn)一步拓展到了13.1℃。?

當(dāng)織物的高發(fā)射率層(介質(zhì)紗線)面向周圍環(huán)境，使其表面充當(dāng)紅外散熱器，可以實(shí)現(xiàn)冷卻；翻轉(zhuǎn)織物，將低發(fā)射率的一面(金屬紗線)暴露在環(huán)境中，起到輻射絕緣的作用，可以實(shí)現(xiàn)保溫。?

這種被動式織物采取交錯不對稱結(jié)構(gòu)，介質(zhì)纖維和金屬纖維在特定的光子幾何結(jié)構(gòu)中交錯,通過強(qiáng)調(diào)制輻射率來控制輻射從人體到環(huán)境的傳輸。?

由此可見，學(xué)好數(shù)理化，真的能走遍天下都不怕。這不，冬冷夏熱的問題被一件衣服解決的日子也越來越近了。到時候又會有什么“五彩斑斕的黑”式需求呢？

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編輯：Norma