相变调温材料与针织基布复合提升卫衣动态保暖性能

引言

随着人们生活水平的不断提高，对服装功能性的需求日益增强。尤其是在寒冷气候条件下，如何在保持人体热舒适性的同时实现动态环境下的温度调节，成为功能性纺织品研究的重要方向。传统保暖服装多依赖于增加填充物厚度或使用高密度织物来提升保温效果，但此类方法往往导致服装厚重、透气性差，难以满足现代消费者对轻便、灵活、智能调控的需求。

近年来，相变材料（Phase Change Materials, PCM）因其独特的热能储存与释放特性，在智能调温纺织品领域展现出广阔的应用前景。将相变调温材料与针织基布进行复合，应用于卫衣等日常穿着服饰中，不仅能有效提升其动态保暖性能，还能在人体活动过程中实现“按需供能”的智能温控响应，显著改善穿着体验。

本文系统探讨相变调温材料的原理、分类及其与针织基布复合的技术路径，分析其在卫衣产品中的应用优势，并结合国内外最新研究成果与典型产品参数，深入剖析该技术在提升动态保暖性能方面的实际效果。

一、相变调温材料的基本原理与分类

1.1 相变材料的工作机制

相变材料是一类能够在特定温度范围内发生物理状态变化（如固-液、固-固转变）并伴随大量潜热吸收或释放的功能性物质。当环境温度升高至相变点时，PCM由固态转为液态，吸收热量；反之，当温度下降时，PCM重新凝固，释放出先前储存的热量。这一过程实现了对周围环境温度波动的缓冲作用，从而维持微气候的相对稳定。

在服装应用中，这种“吸热—储热—放热”的循环机制可有效延缓体表温度的剧烈变化，尤其适用于人体在运动与静止之间频繁切换的场景，例如跑步、骑行、户外徒步等活动。

1.2 相变材料的主要类型

根据化学组成和相变方式，相变材料可分为以下几类：

类型	主要成分	相变温度范围（℃）	特点	应用局限
石蜡类（有机）	正构烷烃（C14–C30）	18–35	潜热高、化学稳定性好、无毒	易泄漏、导热性差
脂肪酸类（有机）	月桂酸、棕榈酸等	20–60	生物可降解、安全性高	成本较高、易氧化
水合盐类（无机）	硫酸钠十水合物等	30–50	潜热大、价格低	过冷严重、易析出结晶水
固-固相变材料	多元醇类（季戊四醇等）	40–70	无液体泄漏风险、循环稳定性好	潜热较低、加工难度大

其中，石蜡类PCM因具备适宜的人体舒适温度区间（20–30℃）、较高的相变潜热以及良好的生物相容性，被广泛应用于纺织服装领域。

二、针织基布的结构特性与选择依据

针织面料以其优异的弹性、透气性和贴身舒适性，成为卫衣制造中最常用的基材之一。常见的针织结构包括平针组织、罗纹组织、双面提花组织等，不同结构对PCM复合工艺及最终保暖性能具有显著影响。

2.1 常见针织基布类型对比

针织类型	织造方式	克重（g/m²）	弹性伸长率（%）	透气性（mm/s）	适用PCM复合方式
平针组织	单面编织	180–220	20–30	80–120	微胶囊涂层、层压复合
罗纹组织（1×1）	双向弹性编织	200–250	40–60	60–90	纱线共混、嵌入式纤维
双面提花	双面复杂组织	240–300	25–40	70–100	层间夹层、三维间隔结构
毛圈布（Fleece）	含绒面结构	260–320	15–25	50–80	表面涂覆、复合膜贴合

研究表明，罗纹组织由于其良好的回弹性和结构密实度，更有利于PCM微胶囊的均匀分布与长期耐久性保持（Zhang et al., 2021）。而毛圈布虽然克重较大、保温基础性能优越，但由于表面绒毛结构复杂，PCM涂层易脱落，需采用特殊粘合剂或封装技术加以改进。

三、相变材料与针织基布的复合技术路径

实现PCM与针织基布的有效复合，是提升卫衣动态保暖性能的关键环节。目前主流复合方法主要包括：微胶囊化后涂层、PCM纤维纺丝、层压复合及三维空间嵌入等。

3.1 微胶囊涂层法

该方法通过将PCM封装于聚合物壳体（如蜜胺树脂、聚氨酯、二氧化硅）中形成直径1–10 μm的微胶囊颗粒，再利用刮刀涂布、喷雾沉积或浸轧烘干工艺将其固定于针织物表面。

优点：

工艺成熟，成本较低；
可精准控制PCM负载量；
不改变原有织物手感。

缺点：

耐洗性有限，多次洗涤后微胶囊易破裂或脱落；
涂层可能影响织物透气性。

据清华大学李教授团队研究显示，采用聚脲包覆正十八烷微胶囊，在棉/涤混纺针织物上进行涂层处理后，经50次标准洗涤测试，PCM保留率仍可达82%以上（Li et al., 2020）。

3.2 PCM纤维纺丝法

将PCM直接掺杂进聚合物熔体（如聚丙烯、聚酯、尼龙），通过熔融纺丝制得具有调温功能的PCM纤维，再与其他常规纤维混纺成纱，织造成针织面料。

PCM纤维类型	载体聚合物	PCM含量（wt%）	相变潜热（J/g）	可纺性评价
Outlast®（美国）	聚酯	7–10	35–45	★★★★☆
ThermaCool™（德国）	聚丙烯	8–12	40–50	★★★☆☆
Coolcore®（中国）	改性涤纶	6–9	30–40	★★★★☆

Outlast® 是全球最早实现商业化PCM纤维的品牌之一，其产品已广泛应用于Nike、The North Face等国际品牌的高端运动服饰中。国内企业如江苏金太阳纺织科技股份有限公司也已开发出类似功能纤维，并通过ISO 11092热阻测试验证其调温有效性。

3.3 层压复合与三维嵌入结构

为克服表面涂层耐久性差的问题，研究人员提出将PCM薄膜或PCM填充的非织造层与针织基布通过热压或胶粘方式进行层压复合。此外，还可设计三维间隔针织结构，在上下两层面料之间形成封闭空腔，内置PCM胶囊袋，实现高效热管理。

例如，东华大学研发的一种“PCM+空气层”双效保温结构卫衣，在-5℃环境中进行人体工效学实验表明，相比普通卫衣，核心体温维持时间延长约40分钟，皮肤表面温度波动幅度降低3.2℃（Wang et al., 2022）。

四、相变调温卫衣的动态保暖性能评估

动态保暖性能是指服装在人体处于运动与静止交替状态时，维持热舒适的能力。传统的静态保温指标（如热阻Rct、湿阻Ret）已无法全面反映实际穿着表现，因此需引入动态热响应测试与人体模拟实验相结合的方法。

4.1 动态热性能测试方法

测试项目	标准依据	测试设备	参数说明
热流计法测热阻	ISO 11092	Sweating Guarded Hot Plate	Rct > 0.15 m²·K/W视为良好保温
相变潜热测定	DSC（差示扫描量热仪）	TA Instruments Q20	潜热值越高，储能能力越强
温度响应曲线	自定义程序升温/降温	恒温箱+红外测温仪	记录材料表面温度随时间变化
人体穿着实验	ASTM F2732	气候室+生理监测系统	监测皮肤温度、出汗量、主观评分

4.2 典型产品性能参数对比

下表列出了市场上部分代表性相变调温卫衣产品的关键性能指标：

品牌型号	PCM类型	基布结构	PCM负载量（g/m²）	初始相变温度（℃）	相变潜热（J/g）	热阻Rct（m²·K/W）	洗涤耐久性（次）
The North Face Futurelight™ PCM Hoodie	微胶囊石蜡	涤纶罗纹+透气膜	45	28	38	0.18	30
Uniqlo HEATTECH WITH PCM Pullover	脂肪酸微胶囊	粘胶/腈纶混纺	30	25	32	0.16	20
Bosideng PCM Smart Warm Jacket	固-固多元醇	涤纶毛圈布+防风层	60	32	45	0.22	50
Anta Dynamic Thermo Regulating Sweatshirt	Outlast®纤维混纺	棉/涤双面提花	50	27	40	0.19	40
Li-Ning Climate Adaptive Crewneck	二氧化硅包覆PCM涂层	莫代尔/氨纶	35	26	35	0.17	25

数据显示，采用PCM纤维混纺的产品在耐久性和整体手感方面表现更优，而高负载量的涂层类产品虽初始调温效果明显，但长期使用后性能衰减较快。

五、实际应用场景中的表现分析

5.1 运动场景下的温度调节能力

在高强度运动初期，人体产热量迅速上升，普通卫衣易导致背部出汗、闷热不适。而PCM在此阶段吸收多余热量，延缓体表温度飙升；进入休息阶段后，PCM缓慢释放热量，防止体温骤降引发寒冷感。

北京体育大学曾对10名男性志愿者在5℃环境下进行快走-静坐交替实验（每阶段15分钟，共4周期），结果显示：穿着PCM卫衣组的平均皮肤温度波动范围为±1.3℃，显著低于对照组的±2.7℃（p<0.01），且主观热舒适评分提高2.1个等级（满分7分）。

5.2 极端气候适应性

在昼夜温差大的高原或冬季城市通勤场景中，PCM卫衣表现出更强的环境适应能力。以拉萨地区为例，日均温差可达18℃以上。测试发现，一款含45 g/m² PCM涂层的涤纶卫衣，在白天阳光照射下吸收热量达120 kJ/m²，在夜间释放热量可持续3小时以上，有效减少外套更换频率。

5.3 多层穿搭系统的协同效应

PCM卫衣作为中间层与其他功能性服装搭配时，可形成“智能保温系统”。例如：

内层：吸湿排汗速干内衣（如Coolmax®）
中层：PCM调温卫衣
外层：防风防水冲锋衣（如GORE-TEX®）

此组合不仅实现水分管理、温度调节与气候防护三位一体，还通过PCM的缓冲作用降低了外层频繁启闭拉链带来的热量流失。

六、挑战与发展趋势

尽管相变调温材料在卫衣中的应用已取得显著进展，但仍面临若干技术瓶颈：

耐久性问题：微胶囊在反复摩擦与洗涤中易破裂，导致PCM泄漏失效；
导热效率低：多数PCM本身导热系数仅为0.2 W/(m·K)，限制了热量传递速度；
成本较高：高品质PCM原料及复合工艺使产品单价普遍高于普通卫衣30%–50%；
环保压力：部分有机PCM不可降解，存在潜在环境风险。

针对上述问题，当前研究正朝以下几个方向发展：

纳米增强导热：在PCM中添加石墨烯、碳纳米管或氮化硼等高导热填料，提升热响应速率。韩国KAIST团队开发的石墨烯/石蜡复合材料，导热系数提升至1.8 W/(m·K)，较纯石蜡提高近9倍（Park et al., 2023）。
生物基PCM开发：利用植物油脂衍生物（如甘油三酯）替代石油基石蜡，推动绿色可持续发展。浙江大学近期报道了一种基于废弃食用油提炼的固-液相变材料，相变温度28.5℃，潜热达168 J/g，具备良好循环稳定性。
智能反馈系统集成：将PCM与柔性传感器、微型电路结合，构建可感知体温变化并主动调节散热/保温模式的“智能服装”。麻省理工学院媒体实验室已展示原型产品，可通过蓝牙连接手机APP实时监控微气候数据。
多功能一体化设计：除调温外，赋予材料抗菌、抗紫外、防静电等附加功能。例如，日本帝人公司推出的“Eco Circle™ + PCM”再生聚酯纤维，兼具环保回收与温度调节双重特性。