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【機能紡織百科】智慧控溫,讓機能布料聰明對抗戶外極端氣候變化

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編按:本機能紡織百科專欄由《健行筆記》與《明基材料Xpore》共同推出,專欄內將邀請各領域專家與大家分享最新織品科技。本集受訪來賓為國立台灣科技大學材料系-吳昌謀教授,以下整理教授口述紀錄。


47bcc1e40910e8793aaf5eaf32107778.png▲圖/吳昌謀教授提供

當極端氣候已成未來常態,戶外服飾也必須更聰明地結合科技調節人體溫度,才能達到足夠的防護效果。而談到主動式智慧控溫,多數人會想到電子紡織品,也就是透過電子感測器搭配發熱元件去調節服飾內的溫度,但其實還有更多材料端的新技術,可以在無需用電的狀況下達到主動控溫之效果。本集重點將與大家分享能夠主動調節溫度變化的「機能性材料技術」,它們的效果持久、不需擔心電力問題,是目前應用最廣的新一代智慧控溫方式。


一、機能性材料技術是什麼?

意指利用物理或化學機制在布料上做出主動調節溫度之機能,它可以直接添加在材料纖維內,也可以是後加工,或直接在布料上貼合機能薄膜達到控溫效果,是現今相當常見之技術。以下就溫控的機制做為分類,依「感應溫度」、「感應溼度」與「感應光線」為大家做說明。

(1) 感應溫度

意即材料纖維可以感應到溫度變化,進而主動做出調節,這也是開發最早、目前最多相關應用的領域。其中最知名的是「相變材料控溫技術(Phase Change Material,簡稱PCM)」,這類材料會在「相態改變」時釋放或吸收大量能量,例如在遇熱時吸收熱量轉為液體、遇冷時放出熱量變為固體,而其轉換的過程即可吸收外來的溫度變化,達到溫度調節功能。將相變材料做成奈米膠囊(註1)放到布料纖維內,可達到高溫時冷卻、低溫時升溫的效果,美國太空總署(NASA)所開發的 Outlast 智能恆溫布即為此例,它是為了太空衣所開發之專利技術,能在極端嚴峻的氣候下自動調節溫度,保障太空人安全,後續更被廣泛應用在戶外服飾等多種領域上。

註1:日前亦已出現直接將相變化材料崁在纖維中之應用案例,無需包覆奈米膠囊,每根纖維中具有許多微細的儲能單位可使用,能量儲存的效能更大。

▲以相變材料-醋酸鈉為例,觀其遇冷/熱之相態改變(從20秒處開始觀看)

9a282af47b5436b5e82b6677d22a78ef.jpg▲蠟燭材料-石蠟亦為常見的相變材料,有不錯的儲熱功能(圖/123RF)

另一種感應溫度的技術則為「形狀記憶纖維」,它是透過感應溫度變化、調整纖維形狀來達到控溫效果,其原理類似於過往大家熟知的記憶金屬(加溫或冷卻後可以回復變形的金屬)。使用「形狀記憶高分子材料」抽成纖維製作而成的織物具有重覆變形特性,舉例來說,它可以在遇到高溫時變形凸起、製造更大的纖維間孔隙以達到通風涼爽,並在低溫恢復平整、密合孔隙以達到防風保暖,以此「形狀記憶」的功能主動控溫。(註:以上舉例是熱凸/冷平,但也可以是熱平/冷凸,端視材料屬性。)

713d9489e7f7bac2851af8334c497877.png▲形狀記憶纖維遇熱變形凸起、纖維間孔隙放大,遇冷則恢復平整、纖維間孔隙縮小


除了纖維類之應用,亦可用貼合機能薄膜及後加工處理達到溫控效果,例如在布料表面貼合可隨氣溫改變透氣度的機能薄膜,仿效松果原理,在天熱時打開薄膜孔洞、散發熱量和水氣,天冷時收縮薄膜孔洞,達到防風保暖。在布料表面噴塗感溫型後加工劑亦有相同作用,雖感應原理不同,但一樣可做到熱放冷縮之調節。

▲松果效應原理說明

而上述透氣薄膜結合防水功能,常應用在戶外的防水外套上,它利用水蒸氣VS水分子直徑不同的原理設計多孔薄膜,達到汗氣出得去、雨水進不來的防水透溼效果。這項技術除了應用在戶外服飾,現今也使用在醫療服裝上,例如在醫療防護衣貼合多孔薄膜,避免血液或患者的飛沫噴濺至內層造成感染風險,其透氣性又能讓醫護人員在活動時順利排出汗氣,工作體感更舒適。

a9b92004bb14e51a7933e8cae8e12a18.png▲防水透溼多孔薄膜原理示意圖(圖片來源:Xpore官網


(2) 感應溼度

意即材料纖維可以感應到溼度變化,進而主動做出調節,此類材料具開合效應,就像海綿吸水會膨脹或收縮一樣,它在遇到溼氣時會吸收水份、打開纖維間孔隙,達到散溼排汗的效果,而在乾燥之處則會纖維伸縮、密合孔隙,達到保暖防風的作用。人體是相當敏感的感測器,就算在同樣的溫度下,溼氣過重也會感到不適,且溼氣容易帶走體表溫度,所以讓身體保持乾燥亦是相當重要之布料機能。

0ffafbf3084d8937de95750b6394b36c.png▲感溼纖維吸收溼氣後,纖維孔隙自動展開以利排出溼氣;待溼氣蒸發、纖維乾燥後,即自動關合孔隙

▲感溼纖維原理說明(從20秒處開始觀看)

而除了在整體材料纖維上做溼度反應之外,目前台灣紡織所也推出局部後加工的技術,其作法是將感溼藥劑用數位噴印的方式塗抹在布料上,針對容易出汗的位置(如腋下或後背)加強散溼功能,本項技術除了機能性,還可以應用在美觀性上,例如設計在遇溼後才會顯示的特殊花紋,讓服飾在運動過程中有更豐富的視覺效果。

機能小百科 I Side by Side複合纖維概念
亦有廠商結合親水、弱親水二種不同的纖維材料,仿效羊毛纖維結構重組複合纖維,讓一根纖維的兩側(Side by Side)具有不同的材質特性。這類型纖維在遇到溼氣時,一側會吸水膨脹、另一側維持不變,透過二側密度或伸展性的差異產生彎曲效果,以此加大或縮小纖維間孔洞,進而達到透氣或防風功能。
4f2d3d9afda38ff145822dfdf0b5c5bc.png▲複合纖維-VENTCool纖維感溼形變圖,其乾燥時纖維天然捲曲,使織物孔洞變小以抑制透氣性;變溼時則暫時拉長,以提高透氣性(圖片來源/TLC


(3) 感應光線

意即材料纖維可以感應到光線變化,進而主動做出調節。舉例來說,日照之所以令人感覺到熱,是因為太陽光內含有紅外線,若是布料能反射紅外線、避免讓它進到服飾內層,就可降低內層的溫度。要達到反射熱源的作用,目前常見作法是在纖維內添加二氧化鈦與其它金屬有機材料,以物理機制達到紅外線反射作用,反之,亦可以利用吸收紅外線反射來達到發熱效果。

af8a597b41f09fd556ceea9026422dd9.png▲太陽光內的「不可視熱線」-紅外線為熱感來源

04f1080d9224cf5007cfb075122115ae.png▲防曬紡織品可隔絕紅外線的熱對流、熱幅射、熱傳導

二、其它智慧控溫技術

智能電子紡織品雖然在目前的戶外市場上不算大宗,但在應對極端氣溫上的效用,讓它在特定領域佔有更重要的角色。例如在消防員的消防衣裡加裝晶片,偵測人體與外界的溫度,如超過一定條件,即主動開啟衣服裡的「製冷晶片」,迅速降低衣內溫度。同理亦可開啟發熱元件,讓戶外運動者在低溫環境獲得熱能,降低失溫風險,在高海拔或極地攀登行程中格外有幫助。

7a5e7bdf1aa4980ca68271077dbc0874.jpg▲智能電子紡織品可開啟發熱元件,讓戶外運動者在低溫環境獲得熱能(圖/123RF)順帶一提,除了偵測溫度之外,智能電子紡織品亦可運用在貼身的底層服飾,用來校正運動姿勢的正確性。例如在上衣的手臂、腋下等位置裝設感測器,在使用者活動時收集運動數據,後續再將數據轉出至數位平台(網站或APP),核對實際運動角度與建議角度之間的落差,以此提升運動員的訓練成效、減少運動傷害。

5fe3f9286a087801f258b1f339ad3660.png▲在手臂、腋下等位置裝設感測器收集運動數據,再將數據轉出至數位平台

不同於靠物理/化學反應就能達到溫控效果的機能性材料技術,電子紡織技術的挑戰在於電力的持續性,也因此,解決用電問題是電子紡織品的研究重點之一,除了被動使用電池之外,使用壓電材料(元件變形生電,例如將電力板放到鞋底,透過行進的踩壓主動發電)、磨擦生電皆是主動產生電力之解方,唯其功率密度(power density)仍然不高,通常只能做為感測器的供電,尚無法獨立支撐功能性發電。無論使用何種技術,智慧控溫已是應對各類極端氣候的重要機能,它能減少外在環境對人體帶來的影響,未來不僅在戶外運動領域,它將成為所有服飾在設計上不可或缺的思考重點。


本集來賓X戶外花絮
1c510d0890d1355cd432c4c3106c15a0.png國立台灣科技大學材料系-吳昌謀教授
喜愛單車、羽球等戶外運動,相當鼓勵學生親近大自然。曾與學生共同完成南島單車、浮潛、溯溪等各種趣味考驗。


永續機能織物小百科
Xpore®技術核心是一層獨特的超薄膜,每平方英寸遍布 100 億個奈米微孔。微孔比水滴小 20,000 倍,極度抗風防水,同時足以讓汗氣通過。真正透氣的奈米微孔,讓使用者時時保持乾爽舒適,運動更加耐久。

Xpore 為明基材料旗下眾多品牌之一,致力於提供永續防水透氣織物解決方案,並將科技管理思維引進紡織產業。Xpore 研發具備超高防水透氣透濕機能的微孔奈米薄膜,結合客製化布料,打造市面上少有的 100% 無氟、無溶劑、無毒安心、環保永續的機能織物,提供擁有永續意識的冒險家全面保護,從容應付各種天候變化,悠遊探索無限世界。

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看完後我覺得...

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  • 山野沃客-Barry

    很棒的薄膜技術,但實際使用過應用在外套上的產品,針對登山使用很多剪裁與功能設計上,仍有很多需要進步的空間。