中科院物理所4小时前 图片来源：pixabay 自从入冬之后，Norma和身边的朋友们纷纷出现了早晨起床困难症、食欲过盛症、宅家不动症和无限叠加穿衣症等问题… 别的不说，冬天穿这么厚，早上一层一层的套上，真·人型千层蛋糕，不仅臃肿到行动困难，就连走路骑车膝盖弯曲的角度都比夏天至少少了5°。 就不能有那种又暖和又轻薄的衣服吗？或者冬暖夏凉的衣服？Norma大概在小学想象类作文中就畅想过这种神奇的衣服了… 别说，还真有这种好事，正面保温，反面凉爽的材料真的存在。原来净想好事还真的能实现！ 人体的热量——我散我到处散 在了解我们的梦幻保温衣物之前，先让我们来了解一下人体是如何保持恒温的？我们的热量都去哪儿了？要是热量不离开，我岂不是能天天穿短袖了？ 众所周知，人类作为恒温动物通过体内完善的体温调节机制，包括自主性体温调节和行为性体温调节，可以使机体的体温通常保持在高于环境温度的相对稳定水平。 而实现恒温，主要是由于人体产生和散失热量受到体温调节中枢的调控，保持动态平衡。当体温偏离恒定值范围时，反馈系统会将体温偏离的信息传输到调节中枢，对产热或者散热加以调控，使体温重新回到平均水平。 反馈控制系统是一种闭环系统，作为控制中心的神经中枢、内分泌细胞等对效应细胞、靶细胞等受控部分发出控制指令，是指完成相应的生理过程。受控部分会受到外界环境的干扰，通过一些感受结构将干扰造成的影响反馈给控制中心。 在这个过程中，反馈信息会与生理学中的调定点(set point)进行比较，产生偏差信息，控制中心直接对偏差信息做出处理，实现调节作用。 人体生理调节反馈示意图[3] 了解反馈及之后，让我们来聊聊产热过程，我们体内的热量来源于组织细胞的代谢、机体的各种功能活动，因而代谢水平高的组织器官，产生的热量也更多。 在我们处于不同状态时，不同器官的产热占比也不同。当处于安静状态时，人体内脏器官会默默的产热，约占机体总产热量的 50%，其中肝脏的代谢最为旺盛，怪不得是肝不动了？ 当我们运动时，骨骼肌的代谢增强，产热量显著增加，成为产热器官冠军。轻度运动，如步行时，骨骼肌的产热量约占总热量的 73%，而剧烈运动更是可以达到总产热量的 90% [2]。 图片来源：pixabay 说起产热，那当然少不了干饭人勤勤恳恳努力进食的功劳——食物的特殊动力效应，即进食后能量代谢率增高。 除此之外，还有一个比较特殊的情况，当我们周围的环境比较寒冷时，机体散热量显著增加，主要依靠寒战产热和加强非寒战产热来增加产热量。 其中，寒战产热也就是我们最熟悉的——冷 到 发 抖！是指机体受到寒冷刺激时，可使位于下丘脑后部的寒冷中枢兴奋，经效应器引起骨骼肌肌紧张增强，称为寒战前肌紧张，此时产热量略增加。 当寒冷持续加剧时，我们就会开始寒战——骨骼肌伸肌和屈肌同时格局混乱。在这种情况下，肌肉收缩所消耗热量全部变为热能。 而非寒战产热则是机体通过提高代谢率而增加产热，体内产热作用最强的是褐色脂肪组织。 褐色脂肪细胞 | 图片来源 聊过了产热，那么人体散热又有哪些方式呢？ 人体散热主要通过皮肤、呼吸以及随大小便排出带走热量。在室温时，皮肤散热量可以达到97%，机体内部的热量通过血液循环和热传导运输到皮肤表层被皮肤散逸。 被传递到皮肤表面的热能，有四种散失通道——辐射、传导、对流和蒸发[2]。 对于辐射散热，环境温度与皮肤温度差值越大，人和环境的辐射换热就越大。当环境温度超过皮肤温度时，机体反而会吸收周围物体的辐射热。 人体热辐射示意图 | 图片来源：网络 传导散热是指机体深部的热量以传导方式转移到体表，再由皮肤直接传给与它接触的低温物体散热。传导散热量取决于温度差、接触面积和接触物的导热率等，温差越大，接触面积越大，导热系数越高，其散热越大。 当人体皮肤温度高于环境温度时，热量会传给与皮肤表面接触的空气使其温度升高，空气被加热后流动加快，同时将体热带走，而周围温度较低的空气又会流到皮肤表面，如此循环往复，形成空气对流散热。对流散热量取决于皮肤和周围环境的温度差和有效散热面积、风速等影响。 最后，蒸发散热是当环境温度高于皮肤温度时，机体唯一有效的散热渠道。蒸发散热分为不感蒸发和有感蒸发，影响人体蒸发散热的主要因素包括新陈代谢、人体皮肤温度、环境温度、湿度、风速、服装材质、大气压等。 四种散热机理示意图 | 图片来源 这样看来，在冬天这样寒冷的环境下热量是留不住了——注定“转身离开，分手说不出来”。 普通保温服饰——热量你慢点走！ 在现在这样寒冷的冬季，我们保暖的基本思路当然是——套上他十条秋裤再说！我们在冬天裹上厚厚冬装是这样保暖的呢？ 简单来说，普通服装的保温效果一般是通过减少人体散热量来实现的。服装是环境―服装―人体这个综合热力系统中人体和环境之间热量交换的缓冲体。
“环境―服装―人体”的热传递过程 | 图片来源[7] 普通服装对散热的影响主要体现为：服装材料与空气层的导热能力主要影响传导散热，防风性能及服装封闭程度主要影响对流散热，辐射率及表面温度主要影响辐射散热，透湿指数及润湿面积主要影响蒸发散热[6]。 在这个复杂的热传导系统中，多层衣物和皮肤两两之间都具有一定厚度的空气层。首先，内衣受到皮肤的传导散热温度升高，会与内衣与毛衣或其他衣物之间的空气层发生热传导。 在热传导过程中，速度与传热系数有关，传热系数越大传热越快。皮肤与空气之间传热系数比衣物与空气之间传热系数高，因而内衣与空气层之间传热速度较慢。 空气层温度升高后，会继续向毛衣或者其他衣物传导热量，之后毛衣或外衣再传热给空气层。每次热传导都的效率都小于1，这样层层相乘，皮肤与外界空气之间的温度差就会比不穿衣服大很多[8]。 简而言之，普通衣物保温是通过阻碍散热过程实现的，那如果服装可以反射热量或者直接自己发热，那不就不用穿很多层了吗？
自发热服饰——靠自己努力的打工人！ 自发热服装不同于传统保暖服装，采用自发热材料与服装结合，使得服装的保暖作用由被动化为主动。 自加热服装的加热思路与其他领域相似，包括太阳能加热、化学能加热、吸湿发热、光能发热、相变材料及电加热等不同形式的加热方式。
发热纤维的发热机理 | 图片来源[11] 其中，我们日常生活中最常见的就是电加热这种方式了，利用电流热效应发热，导电材料通电后，将电能转化为热能。对于电加热服饰来说，最核心的部分就是柔性电加热元件——电加热丝、电加热膜、电加热织物。 综合来看，电加热织物具有轻薄透气、柔软舒适、安全稳定等优点，是研究和应用最为广泛的一种。导电材料可以简单分为金属导电材料、非金属导电材料和复合导电材料，例如：不锈钢、银、铜、碳材料、导电高聚物等。其中，碳纳米管加热片、石墨烯加热片的综合性能有很大的优势。 但电加热服饰的发展仍存在一些有待优化和解决的问题，首先是物美价廉——涂层均匀、工艺简单的制备方法尚有待开发；其次是柔性电加热织物的保护与透气、透湿之间的矛盾尚有待解决。另外，电加热服饰的舒适程度也相对比较低。 光能发热纤维顾名思义，可以吸收太阳辐射中不同波长光线的能量并转化为热能，或反射人体热辐射。纳米陶瓷锦纶短纤维编织物是一种新型的光能发热纤维，在光源照射30min 后，比普通织物温度高3. 41℃[12]。 光发热和电发热都离我们的生活比较近，除此之外，材料相变会吸收或者释放热量，也是制作自发热服饰的一种比较有趣的方向。石蜡/PVA储能纤维和其他新型复合相变材料都属于相变调温纤维，具有双向调温的优势，但调温范围相对比较小。 冷热双模纺织品——纺织品界内卷王 既然已经有了这么多种保温服饰的研发方向，那何不格局再打开一点，让服饰即保暖又凉爽呢？如果不需要能量输入的话，岂不是更加美滋滋？
虽然这需求听起来有点“无理甲方”，但你还别说，真有人做出来了… 比起传统加热或冷却，辐射热管理(Radiative thermal management)可谓是自己努力、内卷他者的代表了。这种方法是指通过控制发射率、透射率和反射率，实现不同的传热控制。 也就是说，温度变化方向你随便提，变化不到位就算我输。那么，接下来就让我们看看这种“双面神衣”的工作原理是什么样的吧！ 对于织物的辐射热管理，大致可以分为两种设计思路——第一，通过设计透明(反射)织物，可以高度促进(抑制)辐射直接通过织物向周围环境的传输；第二，通过设计一种高(低)外表面发射率纺织品，大幅度地增加(减少)织物对环境的辐射发射。
双模纺织品原理图 | 图片来源[13] 第一种是通过将双层热发射器嵌入中红外-透明纳米多孔聚乙烯(nanoporous polyethylene, nanoPE)中。这种双模纺织品可以通过在内侧和外侧之间切换，轻松地在加热和冷却模式之间切换，并且不需要电能或其他外部能量的输入。 在这种结构中，双层热发射器在织物正反两面的厚度不同。由于nanoPE是红外透明的，这一侧的发射器与周围环境的热辐射不受到任何阻碍。同时，nanoPE还起到调节热发射器与皮肤距离的作用。 在冷却模式下，高发射率层面向环境，热发射器和皮肤之间的nanoPE厚度较小。这种小厚度保证了温暖的人体皮肤和发射器之间的高效热传导，达到了提高发射器的温度的目的。这也最大化了nanoPE本身保持凉爽的作用，妥妥的为夏天量身定制！ 当织物反过来时，低发射率的一面朝外，发射器到皮肤的距离增加，可以实现保温。 这种双模织物的神奇作用是辐射、传导和对流协同作用的结果。 另外一种双模织物同样是通过——不对称纱线组成和被动辐射的方式达到了相同的目的。 不同之处在于，第二种结构通过在纱线中同时利用金属纤维和介质纤维实现了非常强的发射率对比，温度范围进一步拓展到了13.1℃。 当织物的高发射率层(介质纱线)面向周围环境，使其表面充当红外散热器，可以实现冷却；翻转织物，将低发射率的一面(金属纱线)暴露在环境中，起到辐射绝缘的作用，可以实现保温。 这种被动式织物采取交错不对称结构，介质纤维和金属纤维在特定的光子几何结构中交错,通过强调制辐射率来控制辐射从人体到环境的传输。 由此可见，学好数理化，真的能走遍天下都不怕。这不，冬冷夏热的问题被一件衣服解决的日子也越来越近了。到时候又会有什么“五彩斑斓的黑”式需求呢？ 参考文献： [1]朴克勤.人体是出色的恒温器[J].医药保健杂志,2007(20):36-37. [2]杜晨秋. 环境温度变化对人体热调节和健康影响及其分子机理研究[D].重庆大学,2018. [3]姚泰. 生理学[M]. 上海: 复旦大学出版社, 2005. [4]张艳梅,金海,李长青.褐色脂肪组织发育规律及生热作用研究进展[J].动物营养学报,2021,33(10):5416-5423. [5] Wang C H , Lundh M , Fu A , et al. CRISPR-engineered human brown-like adipocytes prevent diet-induced obesity and ameliorate metabolic syndrome in mice[J]. Science translational medicine, 2020, 12(558):eaaz8664. [6]张渭源.服装舒适性与功能[M].北京:中国纺织出版社,2005. [7]张梦妮. 环境对羽绒服保暖性影响研究[D].东华大学. [8]https://www.zhihu.com/question/20580208/answer/15542305 [9]郑浩,赵雅捷,胡紫庭,刘莉,叶蕾.高性能服装与材料切中冬奥会刚需[J].纺织科学研究,2019(05):23-25. [10]邹玲玲,王晓云,李雅芳,刘皓.柔性电加热织物的研究进展[J/OL].材料科学与工艺:1-15[2021-11-27]. [11]肖学良,陈天骄,谢云涛,王睿瑶,王志宇.发热服装面料的开发及应用[J].服装学报,2021,6(04):283-290. [12]梁佳璐,丛洪莲,高哲.纳米陶瓷锦纶短纤纬编织物吸光发热性能研究[J].纺织科学与工程学报,2018,35(03):1-4+15. [13] Hsu P C , Liu C , Song A Y , et al. A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling[J]. Science Advances, 2017, 3(11):e1700895. [14] Muluneh G. Abebe, Alice De Corte, Gilles Rosolen, and Bjorn Maes. Janus-Yarn Fabric for Dual-Mode Radiative Heat Management[J]. Phys. Rev. Applied 2021, 16, 054013. 免责声明 以上内容为用户在观察者网风闻社区上传并发布，仅代表发帖用户观点。 |
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