轻量化高强涤纶面料在跑步服装中的热湿舒适性优化
引言
随着全民健身意识的提升与运动科学的不断进步，跑步作为一项普及性极高的有氧运动，其参与人数逐年攀升。在跑步过程中，人体代谢产生大量热量与汗液，若服装无法及时导湿散热，将导致体感闷热、出汗不均、皮肤黏腻，甚至引发运动不适或热应激反应。因此，跑步服装的热湿舒适性成为影响运动表现与用户体验的关键因素。
近年来，轻量化高强涤纶（Lightweight High-Strength Polyester, LHSP）因其优异的力学性能、低密度、快干特性及良好的可加工性，逐渐成为高性能运动服装的主流材料。尤其在跑步服装领域，通过结构设计、后整理工艺与复合技术的协同优化，LHSP面料在热湿管理方面展现出显著潜力。本文系统探讨轻量化高强涤纶面料在跑步服装中热湿舒适性优化的技术路径，结合国内外研究成果，分析其物理性能、结构参数、热湿传递机制及实际应用表现，旨在为高性能运动服装的设计与开发提供理论支持与实践指导。
一、轻量化高强涤纶面料的物理特性与技术参数
1.1 基本定义与材料特性
轻量化高强涤纶（LHSP）是以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为基础，通过分子链结构优化、纺丝工艺改进（如高速纺、复合纺、异形截面纺丝）等手段，实现纤维轻质化与高强度并存的一类合成纤维。其典型特征包括：
- 低密度：通常在1.30–1.38 g/cm³之间，低于常规涤纶（1.38–1.40 g/cm³），有助于减轻服装整体重量；
- 高断裂强度：可达5.5–7.0 cN/dtex，显著高于普通涤纶（约4.5–5.0 cN/dtex）；
- 低吸湿性：回潮率仅为0.4%左右，远低于棉（8–10%），但可通过改性提升亲水性；
- 快干性能：水分蒸发速率快，干燥时间短，适合高强度运动场景。
1.2 主要产品参数对比
下表列出了轻量化高强涤纶与常规涤纶、尼龙66及棉纤维在关键性能指标上的对比：
| 性能参数 | 轻量化高强涤纶 | 常规涤纶 | 尼龙66 | 棉 |
|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm³) | 1.32–1.36 | 1.38–1.40 | 1.14 | 1.54 |
| 断裂强度 (cN/dtex) | 5.8–7.0 | 4.5–5.2 | 5.0–6.0 | 2.5–4.0 |
| 断裂伸长率 (%) | 18–25 | 20–35 | 20–40 | 5–10 |
| 回潮率 (%) | 0.4 | 0.4–0.6 | 4.0–4.5 | 8.0–10.0 |
| 热导率 (W/m·K) | 0.15–0.18 | 0.15 | 0.25 | 0.07 |
| 干燥时间 (min) | 8–15 | 15–25 | 10–20 | 60–120 |
| 抗紫外线能力 (UPF) | 30–50+ | 20–30 | 20–25 | 5–10 |
数据来源：中国纺织科学研究院《功能性纤维材料手册》（2021）；ASTM D5034-17；ISO 6330:2012
从表中可见，LHSP在强度、轻量化和干燥性能方面具有显著优势，尤其适合用于高强度、长时间的跑步运动场景。
二、热湿舒适性的评价体系与影响因素
2.1 热湿舒适性的定义
热湿舒适性（Thermal and Moisture Comfort）是指服装在人体运动过程中，能够有效调节体表微气候，维持皮肤温度与湿度在舒适区间的能力。其核心包括：
- 热传递性能：通过传导、对流、辐射等方式调节体温；
- 湿传递性能：包括吸湿、导湿、蒸发与干燥能力；
- 透气性：空气流通能力，影响散热效率；
- 贴肤感：织物与皮肤接触的柔软度、摩擦感等。
2.2 评价指标与测试方法
国际标准化组织（ISO）与美国材料与试验协会（ASTM）已建立多项标准用于评估服装热湿性能，主要包括：
| 评价指标 | 测试标准 | 测试方法简述 |
|---|---|---|
| 透气性 | ISO 9237 / ASTM E96 | 测量单位时间内通过织物的空气或水蒸气量 |
| 透湿性（WVT） | ISO 11092 / ASTM E96 | 使用 sweating guarded-hotplate 测定 |
| 热阻（Rct） | ISO 11092 | 衡量织物隔热能力，单位 m²·K/W |
| 湿阻（Ret） | ISO 11092 | 衡量湿气传递阻力，单位 m²·kPa/W |
| 接触冷感（Q-max） | ASTM D7984 | 通过瞬态热流传感器测定皮肤接触瞬间凉感 |
| 液态水导湿性 | AATCC 195 / ISO 13034 | 测定织物单向导湿能力（如芯吸高度） |
研究表明，理想的跑步服装应具备低热阻（Rct < 0.1 m²·K/W）、低湿阻（Ret < 20 m²·kPa/W）、高透湿量（>10,000 g/m²/24h）及良好的单向导湿性能（芯吸高度 >5 cm/30min）。
三、轻量化高强涤纶在跑步服装中的结构优化设计
3.1 织物结构设计
为提升LHSP面料的热湿舒适性，常采用以下结构设计策略：
（1）双层面料结构（Double-Layer Structure）
通过外层疏水、内层亲水的双层设计，实现“内吸外排”的导湿机制。内层采用改性亲水涤纶或混纺棉纤维，快速吸收汗液；外层为高强涤纶，利用毛细效应将水分导出并快速蒸发。
| 结构类型 | 内层材料 | 外层材料 | 透湿量 (g/m²/24h) | 湿阻 (m²·kPa/W) |
|---|---|---|---|---|
| 单层平纹 | 常规涤纶 | 常规涤纶 | 8,500 | 24.5 |
| 双层网眼结构 | 亲水改性涤纶 | 轻量化高强涤纶 | 12,800 | 16.2 |
| 三维立体编织 | 涤/棉混纺 | 高强异形截面涤纶 | 14,200 | 14.8 |
数据来源：东华大学《纺织学报》，2022，Vol.43(5): 89–95
（2）异形截面纤维的应用
采用十字形、Y形或中空截面的LHSP纤维，可显著提升毛细导湿能力。例如，Y形截面纤维的比表面积比圆形截面增加约35%，芯吸速率提高40%以上（Zhang et al., 2020）。
3.2 后整理技术优化
（1）亲水整理（Hydrophilic Finishing）
通过浸轧法施加聚醚类或硅烷类亲水剂，提升涤纶表面亲水性，降低接触角。经整理后，LHSP面料的回潮率可由0.4%提升至2.5%，芯吸高度由2.1 cm提升至6.8 cm（30min）。
（2）微孔涂层与激光打孔
在织物表面引入微米级孔洞或激光穿孔（孔径0.1–0.5 mm），可显著提升透气性。实验表明，打孔密度为20孔/cm²时，透气性提升约300%，湿阻降低至12.5 m²·kPa/W（Li et al., 2021）。
（3）相变材料（PCM）复合
将微胶囊相变材料（如石蜡类PCM，相变温度28–32℃）嵌入LHSP纤维中，可在体温升高时吸收热量，降低体感温度。研究表明，含5% PCM的LHSP面料可使皮肤温度降低1.2–1.8℃（Wang et al., 2019）。
四、国内外研究进展与典型案例分析
4.1 国内研究现状
中国在轻量化高强涤纶的研发与应用方面已取得显著进展。东华大学、浙江理工大学等高校在功能性纤维改性、智能纺织品开发等领域发表了多项高水平成果。
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东华大学团队（2021）开发了一种基于LHSP的“仿生蜘蛛网”结构织物，通过径向与纬向纤维的疏密交替排列，实现汗液的快速定向导出。测试显示，该面料在跑步模拟实验中，背部区域湿度降低32%，体感舒适度提升41%（Chen et al., 2021, Textile Research Journal）。
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恒力集团推出的“UltraDry™”系列高强涤纶面料，采用三叶异形截面与纳米亲水涂层，透湿量达15,600 g/m²/24h，已广泛应用于国内马拉松赛事服装中。
4.2 国际研究动态
国际上，以美国杜邦（DuPont）、德国拜耳（Bayer）、日本帝人（Teijin）为代表的材料企业持续推动高性能涤纶的创新。
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杜邦Coolmax® EcoMade：采用再生PET为原料的轻量化高强涤纶，具备四沟槽截面结构，导湿效率比普通涤纶高20%以上。根据Smith et al.（2020）在《Journal of the Textile Institute》中的研究，穿着Coolmax®服装的跑步者在30分钟高强度运动后，皮肤湿度比棉质服装低45%。
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Adidas Climacool® 系列：采用LHSP与聚氨酯网眼复合结构，结合3D立体编织技术，在腋下、背部等高汗区设置通风通道。实测数据显示，该系列服装的透气性达380 mm/s（ASTM D737），显著优于普通涤纶T恤（约120 mm/s）。
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Nike Dri-FIT ADV：使用高强涤纶与弹性纤维混编，结合激光切割通风孔，实现“动态透气”效果。在Nike内部测试中，运动员在32℃环境下的核心体温上升速率降低18%。
五、热湿舒适性优化的多尺度模拟与实验验证
5.1 数值模拟方法
近年来，计算流体力学（CFD）与有限元分析（FEA）被广泛应用于服装热湿传递模拟。例如，Luo et al.（2022）构建了“人体-服装-环境”耦合模型，模拟LHSP面料在跑步状态下的微气候变化。结果显示：
- 在风速5 m/s、环境温度30℃条件下，LHSP双层结构服装的皮肤表面湿度稳定在65% RH以下，而棉质服装高达85% RH；
- 蒸发效率提升38%，体感热应力指数（PET）降低2.1级。
5.2 实际穿着实验
清华大学体育与健康工程研究所开展了一项双盲对照实验，招募20名男性跑者（年龄25–35岁），分别穿着LHSP优化服装与普通涤纶服装进行5公里跑步测试（气温28℃，相对湿度60%）。监测指标如下：
| 指标 | LHSP优化服装 | 普通涤纶服装 | 改善率 |
|---|---|---|---|
| 平均皮肤温度 (℃) | 33.2 ± 0.4 | 34.8 ± 0.6 | -4.6% |
| 背部湿度 (%RH) | 68.5 ± 5.2 | 82.3 ± 6.8 | -16.8% |
| 出汗量 (g/30min) | 128 ± 15 | 135 ± 18 | -5.2% |
| 主观舒适评分（1–10） | 8.6 ± 0.7 | 6.3 ± 0.9 | +36.5% |
| 干燥时间（运动后） | 18 ± 3 min | 35 ± 5 min | -48.6% |
数据来源：Tsinghua University Sports Engineering Report, 2023
实验表明，LHSP优化服装在热湿管理方面具有显著优势，尤其在主观舒适性与干燥速度上表现突出。
六、环境适应性与多功能集成
6.1 不同气候条件下的性能表现
LHSP面料在不同环境下的热湿性能存在差异，需针对性优化：
| 环境条件 | 推荐结构 | 关键性能要求 |
|---|---|---|
| 高温高湿（>30℃, >70%RH） | 高透气网眼 + 激光打孔 | 透湿量 >12,000 g/m²/24h，Ret <18 |
| 低温干燥（<10℃） | 双层保暖 + 防风外层 | Rct >0.12 m²·K/W，防风率 >80% |
| 昼夜温差大 | PCM复合 + 可调节通风口 | 相变温度28–32℃，动态调节 |
6.2 多功能集成趋势
现代跑步服装趋向于多功能集成，LHSP作为基材，可与其他技术结合：
- 抗菌功能：通过银离子或壳聚糖整理，抑制细菌滋生，减少异味；
- 抗紫外线：LHSP本身具有较高UPF值，经紫外线吸收剂处理后可达UPF 50+；
- 智能传感：嵌入柔性传感器，实时监测心率、体温与出汗量，实现健康管理。
参考文献
- 中国纺织科学研究院. 《功能性纤维材料手册》. 北京：中国纺织出版社, 2021.
- Zhang, Y., Wang, X., & Li, J. (2020). "Moisture management properties of polyester fabrics with different cross-section fibers." Fibers and Polymers, 21(6), 1345–1352.
- Li, H., Chen, L., & Liu, Y. (2021). "Enhancement of breathability in polyester sportswear by laser perforation." Textile Research Journal, 91(15-16), 1789–1801.
- Wang, S., Zhao, C., & Gao, W. (2019). "Thermal regulation of phase change material incorporated polyester fibers for sportswear." Journal of Applied Polymer Science, 136(24), 47658.
- Chen, M., et al. (2021). "Biomimetic moisture-wicking fabric with spider-web-like structure for athletic apparel." Textile Research Journal, 91(21-22), 2456–2467.
- Smith, R., Johnson, K., & Brown, T. (2020). "Comparative study of moisture management in synthetic sportswear." Journal of the Textile Institute, 111(8), 1123–1131.
- Luo, Y., et al. (2022). "CFD simulation of thermal and moisture transfer in sportswear under dynamic conditions." International Journal of Heat and Mass Transfer, 185, 122345.
- ASTM D5034-17. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics (Grab Test).
- ISO 11092:2014. Clothing — Physiological effects — Measurement of thermal and evaporative resistance under steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test).
- AATCC Test Method 195-2011. Liquid Moisture Management of Textile Fabrics.
- 清华大学体育与健康工程研究所. 《高性能运动服装热湿舒适性实测报告》. 2023.
- 杜邦公司. Coolmax® 技术白皮书. 2022.
- Adidas AG. Climacool® Innovation Report. 2021.
- Nike, Inc. Dri-FIT ADV Product Testing Summary. 2023.
（全文约3,800字）
