氣凝膠應用之服裝領域

氣凝膠復合材料集輕薄、防水、防風、保暖、透氣等絕佳性能於一身,可廣泛應用在沖鋒衣、防寒服、登山鞋甚至鞋墊等服飾品上。

人體是一個向外界恒定散發熱量的個體,如果環境溫度比較高,熱量散發的少或慢,人體就會感到熱,如果環境溫度比較低,熱量散發的多或快,人體就會感到冷。

當感覺到冷時,人們會添加衣物保暖,這是一種生活經驗,也有著科學道理——添加衣物可阻止熱量散失。

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熱的傳遞方式有三種,即熱傳導、熱對流、熱輻射。

“熱傳導”的主要衡量指標為材料的熱導率。常用的衣服材料熱導率都比較低,比如,羽絨的熱導率為5.930W/(㎡•K),羊毛的為6.986W/(㎡•K),棉花則為9.717 W/(㎡•K)。從這些數值可以看出,在這些傳統材料之中,在相同厚度的條件下,羽絨的保暖效果更好。

世界上沒有任何一種材料可以達到0導熱率,理論上來講,人體穿著一件靜止的空氣外套,類似於雙層中空玻璃,那才是絕對的保暖。

常溫下,空氣的導熱系數為0.023W/(m•K),既然空氣的導熱系數這麼低,那為何人站在空氣中會感到寒冷?

這是因為,熱傳遞還有第二種形式“熱對流”,即指熱量通過流動的介質進行熱交換。

在地球重力的作用下,自然界的空氣對流永遠無法避免——周圍的冷空氣受到人體散發出的熱量致使密度變輕,受熱空氣向上移動,因此,人的周圍始終是冷空氣,熱量就在這種空氣對流中散失,人依然會感到寒冷。

盡量減少空氣對流是阻止熱量散失更有效的辦法,不過,服飾材料的透氣性同樣重要——完全阻隔空氣會使皮膚無法與空氣交換,人體內的潮氣無法排出,會非常難受。

在這樣苛刻的要求下,保溫材料

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氣凝膠被稱為“固體空氣”,孔隙率高達90%以上,平均孔徑隻有18nm,而空氣的氣體分子平均自由程為50nm-70nm,在氣凝膠的孔洞中無法自由移動,變成瞭靜止的空氣,從而大幅降低瞭對流傳熱,同時,氣凝膠的開孔結構依然可以保證良好的透氣性。

材料保溫性檢測結果表明,氣凝膠復合棉纖氈的熱導率為3.77 W/(㎡•K),也就是說,僅0.2cm厚的氣凝膠復合棉纖氈(保溫率74.03%),即可相當於4cm厚的羽絨纖維(保溫率78.12%)的保溫效果。

克羅值也是評定衣服保暖效果的重要指標。

研究者們總結出瞭一個服裝熱阻計算公式:

Iclo=6.45×[(tS-tA)/Φ]-0.8

在這一公式中, tS為人體溫度,通常取33.3℃;tA為環境溫度;Φ為單位面積的單層服裝在單位時間內傳遞的熱量,一般取M的75%,M為人的基礎代謝熱量58W/m;Iclo為人體身上穿的所有衣服克羅值(clo)的總和,檢測表明,0.2cm厚的氣凝膠復合棉纖氈的克羅值為1.73。

計算得出的結論是:理論上,人體單穿一件內襯0.6cm厚氣凝膠復合棉纖氈的衣服,即可在-8℃的環境溫度下保證溫暖。從此,我們可在冷峻的冬季告別臃腫的外套,穿著一件輕薄的夾克出街,保暖、便捷又時尚。

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