文献引用格式：王娜，王永生，张静静，等.人体热管理织物的研究进展与应用：从被动调节到主动适应[J].纺织科学研究,2025,(3-4):5-12.
人体热管理织物的研究进展与应用：
从被动调节到主动适应
王娜1a，王永生2，张静静1a，张圣明1a，靳高岭2，王祺2，吉鹏1b*，王朝生1a，王华平1a
（1. 东华大学 a. 材料科学与工程学院；b. 东华大学纺织科技创新中心，上海 201620；2. 中国化学纤维工业协会，北京 100020）
摘要：热管理织物通过调节人体的温度，提供舒适的穿着体验，广泛应用于军事、体育、消防、医疗等特殊行业以及日常生活中。归纳总结了不同类型的热调节纺织品（包括主动型、被动型和辐射降温纺织品）。热管理织物的市场前景广阔，随着技术创新、智能穿戴设备的发展及环保意识的提升，消费者对热管理织物的需求将不断增长。
关键词：热管理；织物；市场；纺织品
近年来，随着人们生活水平的不断提高与对舒适性要求的日益增强，功能性纺织品在市场中的需求愈加多样化。特别是在酷热气候成为常态的背景下，凉感纤维作为一种能在穿着过程中提供清凉感的特殊纤维材料，成为纺织行业研究的热点之一。热管理织物能在炎热的环境中提供降温功能，在寒冷的环境中提供保暖功能。对于高热地区的户外工作人员来说，服装的热管理性能尤为重要。人体热管理（PTM）技术包括个人冷却、加热、绝缘和温度调节等。近年来，众多先进材料和制备方法相继涌现，促进了人体热管理服装的温度调节性能和穿着舒适性的发展。
1 织物在人体热管理方面的应用
随着能源消耗的增加 [1]，尤其是在建筑空间供暖和制冷领域，传统的温控系统普遍存在效率低下的问题，造成了大量能源浪费。调节整个建筑空间温度而非直接调控人体的热舒适性，加剧了这一问题。此外，基于空调的冷暖方案在户外环境中既不切实际也不经济。因此，局部温度调节技术成为一种有潜力的替代方案，能够提高个人热舒适性的可控性，并广泛适用于体育、军事、医疗等领域。人体热管理技术的发展旨在提供个性化的热量调节，减少不必要的能源消耗，以实现更高效的热舒适体验。
人体通过代谢产生的热量与太阳辐射是主要的热源[2-3]，而热量的散失则通过传导、对流、辐射和蒸发四种方式进行。由于脂肪和衣物的低导热性，人体散热的传导效率较低，蒸发和对流成为更为有效的散热途径。随着湿度和空气流动的变化，蒸发散热的效果会受到影响。因此，人体热管理技术在提升热舒适度、节能和广泛适用性方面，正逐步成为未来制冷技术中的重要发展方向。
人体表面对人体与环境的热交换有着重要的影响 [4-5]。纺织品是人体皮肤的一种延伸，可以看作是人体的第二层皮肤。穿衣服时，人体与纺织品之间会形成一个内部小气候区域，而纺织品内部的小气候是抵御周围环境的重要屏障。纺织品作为人体内部小气候的边界条件，对人体的热调节起着重要的作用。
1.1 主动型热管理纺织品
气体冷却服通过电风扇或鼓风机将空气吹向人体，增强汗液蒸发或空气对流来降低体温 [6]，但其依赖外接电源，持续消耗能源。类似的液体冷却服则使用水或乙二醇等液体作为热对流介质，通过液体的相变过程吸收人体热量，并配备循环系统和散热器进行冷却。液体冷却服最早在1962年被制造出来，并广泛应用于阿波罗登月计划的宇航员装备中，用以缓解外太空的高温环境。与气体冷却服相比，液体冷却服结构更为复杂 [7]，但在高温环境下的降温效果更佳，适用于消防员、建筑工人等室外高温工作的人员。然而，若使用不当，液体冷却服可能会导致皮肤过冷，从而引发不适，通常不适合在室内使用。
1.2 被动型热管理纺织品
1.2.1 相变调温纺织品
相变型热管理纺织品利用干冰、石蜡、十六烷等具有高相变潜热的材料来调节人体体温。部分相变调温织物基于液体冷却服的设计理念，通过将相变材料作为散热器或加热剂，直接与人体皮肤进行热交换。然而，直接将相变材料与纤维结合使用时容易出现泄漏问题，尤其在清洗或磨损过程中，混纺纤维中的相变材料可能被去除。为解决这一问题，微胶囊化和同轴静电纺丝技术被用于制造相变纤维，但这些纤维的力学性能较差，负载相变材料的能力有限。
Wu 等人 [8] 通过冷冻纺丝法制备微结构纤维，并填充聚乙二醇（PEG）形成相变纤维，显著提高了其热调节性能和机械性能。此外，表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）可有效防止相变材料泄漏，增强纤维的疏水性和力学强度。测试结果表明，涂层处理后的相变纤维在冷热环境中均表现出良好的热调节能力，并具有较好的热稳定性，展现出在人体热管理中的巨大应用潜力。
尽管相变调温纺织品在炎热环境工作中的应用前景广阔，但仍需解决由相变材料引起的服装重量增加、相变温度不适以及工作时间不连续等问题，以提高穿着舒适性并避免热不适感。
1.2.2 导热调温纺织品
导热率是衡量物体导热能力的指标，常见的传统纺织品导热率较低，在人体与周围环境间形成了一道不利于散热的屏障，使得人体产生热不适感。一般而言，纺织品的导热率主要取决于材料内部大分子的排列方式、纤维形态以及内部微观结构等。图2是近年来典型的导热纤维的发展历程图 [9]。
从图2中可以看出，2014年，Singh[10] 等人利用纳米级模板辅助电化学的方法制备了一种沿纤维轴向高度取向的聚噻吩纳米纤维。随着纤维直径的减小，分子链的取向度和热导率均增大，使该纤维的导热率达到 4.4W/(m·k)，比原聚合物的导热率高20倍以上。这种非晶态聚合物纳米纤维作为导热材料在实际应用中具有巨大的潜力。2017年，Gao[11] 等人研发了一种人体热管理纺织品（见图3）。该织物使用氮化硼（BN）和聚乙烯醇（PVA）作为原材料，采用3D打印的方法制备复合纤维（a-BN/PVA），提高纺织品的热传导性能。在纤维加工过程中，氮化硼纳米片（BNNSs）获得了均匀的分散性和取向度，从而使其具有较高的机械强度（355mpa）和良好的分散性。a-BN/PVA 织物具有良好的冷却效果，相比于商用棉纤维的冷却率提高了55%。
2019年，Wu等人 [12] 将含量高达 60wt% 的羟基化氮化硼纳米片添加到可生物降解的纤维素碱性尿素水溶液中，然后利用湿法纺丝工艺制备了再生纤维素。这种纤维具有分散均匀、排列有序、亲水性羟基化氮化硼纳米片负载量大的优点，具有140mpa的高拉伸强度和 2.9W/(m·k) 的轴向导热性能，还具有良好的吸湿性能。其良好的散热性和吸湿性使得穿着者在运动时可以产生更好的动态凉爽效果，降温效率优于棉和一些商用的吸湿纺织品。2020年，Chien等人[13]制备了一种半结晶态的聚酰胺6纳米纤维，通过退火处理提高了聚合物的构型有序性。退火后的聚酰胺6纳米纤维的导热率从（0.27±0.02）W/(m·k) 增强到了（59.1±3.1）W/(m·k)（见图 4）。聚合物的非晶态结构处于非平衡状态，随着物理变化，材料的结构无序度和聚合物链间距逐渐降低，纳米纤维内部不断形成新的平衡态的半晶态区域。
1.2.3 导湿降温纺织品
传统的人体热管理纺织品主要关注热量控制，但在湿热环境中，人体会产生大量汗液，单纯的热量传导效率无法有效维持热舒适；若汗液未能及时排出，便会导致不适。汗液中 98% 为水分，其余成分为无机盐和尿素。水分的有效输送与蒸发是保持舒适的关键。织物的表面润湿性决定了液体的运输和蒸发效率 [14]。传统亲水性纺织品，如棉花，容易吸湿，使穿着者感到不适；而疏水性纺织品，如聚酯纤维，则阻碍汗水的排出，降低了汗液蒸发效率 [15]。
为解决这一问题，杜邦公司推出了 Coolmax[16] 纤维，其横截面形状如“＋”形和“∞”形，能够加快水分的导湿和运输（见图 5）。张一平等人研究发现，纤维截面的异性度对导湿性能有显著影响。异性度越大，导湿性能越好（“∞”形 >“＋”形 >“Y”形）。此外，日本东洋纺的 Triactor、中国台湾远东的 Topcool 和江苏仪征的 Cooldry[17]等纤维也通过特殊设计改善了汗液的导湿与蒸发效率。
Peng 等人 [18] 把热传导和汗液传输的性能集成，制造（i-Cool）纺织品（见图 6）。他们利用激光切割法在铜箔上创建了一个孔阵列（直径 2mm，间距 3mm），采用静电纺丝法制备聚酰胺 6 纳米纤维膜层压在铜基体上，将银通过涂层的方法沉积在织物中每根纤维的表面，然后将纤维素纤维填充到织物的孔中，并将制备的聚酰胺 6 纳米纤维膜通过压合转移到织物上，制备 i-Cool（Ag）织物。
Lao 等人 [19] 采用亲水性棉织物作为基体材料，使用硅烷偶联剂（PFOTES）进行预处理，利用二氧化钛（TiO2）纳米颗粒对棉织物进行超疏水整理，用等离子体刻蚀设备对织物进行刻蚀，在疏水织物的整个纵向截面上形成多孔梯度的润湿通道（见图 7），模拟人体皮肤的局部汗腺，可用于液体的单向流动。织物的超疏水性质将输送的液体或外部液体从表面排出，织物液体传输效率远远超过了普通人在剧烈运动时的最大出汗率。
基于Janus 材料两面不对称的性质和鸟喙中定向水传输现象的启发，Dai 等人[20]制备了一种 Janus 型 PE/NC 织物。这种具有不对称润湿性的液体定向输送 Janus 结构，可以使纺织品的内侧疏水、外侧亲水，加强汗液从皮肤向外部输送的能力，增强汗水的蒸发效率，可以使皮肤保持干燥，实现液体的定向传输。利用疏水的聚酯（PE）和亲水的硝化纤维作为原材料，通过激光穿孔的方法使织物嵌入一个带有亲水内表面的锥形微孔阵列，制备所需尺寸和间距的非对称微孔阵列，并通过测量材料的接触角来表征其润湿性。此外，Janus 型纺织品比传统的棉纺织品的导热率更高，在红外热成像中可以看出，Janus 型纺织品传导热量的效率更高，人体皮肤也会感觉到更加凉爽（见图 8）。
除了 Janus 型纺织品，还有其他类型的动态纺织品也适用于汗液和人体体温的调节。动态纺织品可以针对于水分或汗水进行响应，根据纺织品的水分含量，在“打开”和“关闭”汗液输送通道的状态之间进行切换，以此来增强或抑制汗水的蒸发。Wang 等人 [21] 开发的 Janus 纺织品，可以对环境温度作出反应，以调整润湿性。该纺织品借鉴了自然界存在的压力物质运输最优法则——默里定律（Murray,sLaw），通过结合多分支多孔结构、表面能梯度和疏水到亲水的跨厚度梯度，实现反重力定向水传输和快速干燥。
首先，在 PLA 基材上通过静电纺丝沉积 CA 纤维膜，制备PLA/CA 双层膜；再将双层膜分散在 MFC 纤维和亲水剂 TF-629C 的溶液中；叶脉状的 MFC-TF 纳米纤维膜均匀地覆盖在 CA-TF 层上，生成第三层膜；随后，使用电喷雾技术在PLA-TF 层上涂覆合成的氟化聚氨酯。氟化聚氨酯的表面能低，可以整体构建一个疏水 - 亲水的梯度，所制备的仿生多孔 Murray 膜自下而上的微米、亚微米大小的孔都遵循默里定律。在高温下，汗液可以从疏水的内侧输送到亲水的外侧，保持皮肤干燥与凉爽；在低温下，可以保存水分和热量，使皮肤保持湿润和温暖。这种可调性源于 Janus 型纺织品两侧交联聚合物网络的膨胀和收缩。
1.3 辐射降温热管理纺织品
辐射冷却技术最早由Arago 于1828年提出 [22]，指物体通过辐射方式散发热量。当散发的热量超过从环境中吸收的热量时，物体便会冷却。此技术基于大气透明窗口，特别是在8~13µm波长范围内，大气对辐射具有较高的透过性，允许热量有效释放到外太空。人体皮肤辐射的热量主要集中在7~14µm的中红外波段，恰与大气透明窗口重叠，使得人体的热量能够辐射到外层空间。
自20世纪70年代以来，辐射冷却技术逐渐发展并应用于不同领域。特别是日间，由于太阳辐射的干扰，辐射冷却的效果可能被抵消。因此，日间辐射[23] 冷却材料需要具备高太阳反射率。2014年，科学家通过制造多层光子结构，成功实现了97%的阳光反射率，极大推动了日间辐射冷却材料的研究。如今，光子多层薄膜、聚合物薄膜、气凝胶和纺织品已成为主要的辐射冷却材料，并具有广泛的应用潜力。
辐射冷却技术在人体热管理领域的应用正引起越来越多的关注。研究人员开发了多种辐射降温纺织品 [24]，通过提高辐射率有效地降低皮肤表面温度。与传统的保暖服装不同，这些降温纺织品能够通过高辐射率将人体产生的热量传递出去，同时反射大部分的太阳辐射，从而达到个人降温的效果。辐射冷却织物通过调节红外发射率和太阳反射率，能够在不同温度条件下有效调节人体的热舒适性。
Zeng等人[25] 利用TiO2-PLA 复合机织物和一层薄薄的聚四氟乙烯（PTFE）织成多层织物（见图 9）。该织物的顶层为50µm 厚的PTFE服装膜，多孔复合材料包含直径为200~1000nm的纳米珠和长度为几微米、宽度小于200nm的纳米纤维，利用分层设计集成辐射冷却技术，分层形态设计可以扩展光谱的响应范围，其波长跨越两个数量级（0.3~25µm）。织物能够反射太阳在中红外范围内的强烈发射，保持高效的辐射冷却能力。织物覆盖在人体表面可以使人体体温下降 4.8℃左右，并具有优良的机械强度、防水
性和透气性。
Hu 等人 [26] 利用新型纺丝技术制备了具有自感应和自冷却功能的多尺度无序多孔聚氨酯（MPPU）弹性纤维，结合石墨烯制备为 MPPU 纤维纳米片，形成了纳米孔（469nm）和微孔（34μm）的多尺度无序孔隙结构。该结构能最大限度地反射阳光辐射并增强人体热辐射散失。与棉织物相比，该材料能使皮肤表面温度在微环境中下降约 2.5℃。
Hsu 等人 [27] 制备了一种纳米多孔聚乙烯薄膜，薄膜表面具有 50~1000nm 的相互连通孔隙。这些孔隙能够产生强烈的光散射，使薄膜的不透明度达到 99% 以上。同时，由于这些孔径远小于中红外波长，在该波段具有 77.8% 的平均红外透过率，能够有效实现辐射冷却。与棉织物相比，该纳米多孔聚乙烯薄膜的表面温度降低了约 2℃，并具有优良的透气性、透湿性、耐磨性和机械强度。
Xiao 等人 [28] 将 SiO2 微球与静电纺丝制备的纳米纤维结合，制备了红外辐射增强纳米纤维膜（NFM）。人体的热辐射主要集中在中红外波段（7~14μm），峰值强度在9.5μm处。二氧化硅微球中的 Si-O-Si 化学键振动产生反对称拉伸振动，在 9μm 处显示出强烈的共振吸收峰，可以有效地将人体辐射的热量通过大气透明窗口传递出去。该纳米纤维膜具有足够的透气性和热湿舒适性，且在封闭设备中，PA6/SiO2 纳米纤维表面温度比环境温度低1.0℃ ~2.5℃。
2015年，研究人员提出了一个用于人体热管理的概念——红外透明可见不透明织物（ITVOF）。这一概念结合了辐射冷却技术与普通布料，旨在通过人体辐射热量进行降温。为此，研究人员开发了一个传热模型，讨论了实现ITVOF 所需的可见光和红外特性。根据该模型，传统织物如棉和聚酯因其红外透过率较低，不适合作为 ITVOF 的材料。而聚乙烯（PE）和聚酰胺6则因其较高的红外透过率，成为潜在的 ITVOF 候选材料，但其舒适性和耐久性仍需进一步优化。该研究提出了一种基于 ITVOF 织物的降温方法，这种方法不依赖额外能源，从而为人体降温问题提供了新的解决思路。
为了开发出实用的热管理织物，Cai等人[24]选择了聚乙烯（PE）作为基体材料。PE 的脂肪族化学键（C-C 和 C-H 键）使其红外吸收峰较窄，远离人体主要的红外辐射波段。然而，普通 PE 薄膜透明可见，且透气性和透湿性差，穿着体验像塑料一样，因此不适合用于织物。为了改善 PE 的舒适性，研究人员在 PE 内部制备了纳米孔结构（nano-PE）。nanoPE 具有直径为 50~1000nm 的相互连接孔隙，可以有效散射可见光，从而使其呈现不透明状态。此外，这些孔隙的尺寸远小于红外波长，使得 nano-PE 在红外波段具有较高的透明度。经过化学改性，nano-PE 表面变为亲水性，并结合其孔隙结构，显著改善了透气性和吸水性，从而使其成为实现ITVOF 的潜在基体材料。
为了进一步将这一理念应用于不同场景，在随后的几年中，研究人员又进一步对 nano-PE 薄膜进行了微针冲孔、聚多巴胺（PDA）涂覆以及添加棉网进行改造等。为了进一步提高材料的使用性能，他们继续对 nano-PE 进行改性，与聚酰胺6、银、碳和铜等多层织物集成，或者与氧化锌（ZnO）纳米颗粒混合，以适用于不同的应用场景（见图 10）。
Song 等人 [29] 通过将 PE 薄膜与聚酰胺 6 纳米纤维结合，制备了一种双层织物，旨在提高可见光反射率和红外辐射率，用于人体降温。该双层织物的设计增强了材料的辐射冷却性能，有助于通过增加辐射率来降低人体温度。
Iqbal 等人 [30] 采用静电纺丝和后热压处理技术制备了辐射冷却纳米织物（RCNF），其双层结构使织物具备卓越的太阳反射率和中红外透射率。由于ZnO和微纤维的散射作用，该织物在 0.25~2.5μm 的太阳光谱中可以反射约91%的太阳辐射，同时ZnO和 PE 材料的低吸收率使其在人体热辐射的中红外区域具有 80% 的高透过率。通过热电偶测量温度变化，模拟裸皮加热2小时后，RCNF 覆盖的模拟皮肤温度较传统棉织物低9℃。此外，研究人员建立了热传递模型，数值评估了该纳米织物的降温性能，考虑了太阳强度、环境温度、风速和个体代谢热量损失等因素。结果表明，在大多数情况下，RCNF 能够有效保护人体免受热应激，并在极端条件下调节人体温度。与棉织物相比，RCNF 具有优异的耐磨性、导热性和耐久性，在智能纺织品领域具有广泛的应用潜力，特别是在人体降温和节能方面。
2 热管理织物性能的评价方法
热管理织物可分为保暖型和降温型织物，其中降温型织物的一个关键特征是具有凉爽感。降温作用主要依赖织物的导热性能，而凉爽感则是指织物通过吸收和扩散汗液，促进汗水的蒸发，从而保持干燥的微气候区域 [31]。接触凉感是指皮肤与织物接触时产生的冰凉感觉，通常发生在接触的瞬间。它可以通过瞬间热流量（在皮肤和织物之间的热量传递）来衡量，使用 KES 型仪器来测试这一指标。然而，目前的接触凉感评估存在一些问题，主要问题在于评价标准过于单一。
相比接触瞬间的凉感，持续凉感在穿着过程中更具实际意义。当皮肤温度高于织物时，热量会转移到织物，导致皮肤温度降低，从而产生持续凉感。持续凉感的效果取决于织物从皮肤吸收热量的多少。测试包括干态和湿态两种状态，模拟不同的出汗情境。王翰林等人研发了热流式织物凉感测试仪，进一步明确了织物凉感的检测方法，评估织物的热传导特性。
此外，纺织品的液态水分管理性能对凉感有重要影响。相关标准（如GB/T 21655.1—2008）对吸湿速干性能进行了规定，其中包括吸水率、滴水扩散时间和蒸发速率等，旨在确保织物能够有效管理人体的汗液，以增强凉感效果。MMT 测试标准进一步提供了织物吸湿速干性能的评定方法，通过模拟人体出汗情境，评估织物的润湿性、排汗性和干燥性，依据具体指标进行分级，从一级（最差）到五级（最佳）。
2.1 热管理织物的应用
热管理织物在军事、体育、消防、医疗等特殊职业中具有广泛的应用。这些领域的工作者常常需要在极端环境中工作，面临着高温或寒冷环境的挑战。热管理纺织品通过调节体温、提供舒适性和保护，已成为提升工作效率和健康安全的重要工具。
2.1.1 军事领域
在军事应用中，士兵通常在高温、寒冷甚至极端天气条件下执行任务。传统的战斗服可能无法提供足够的热调节能力，导致士兵因体温过高或过低而产生疲劳、脱水或其他健康问题。热管理织物能够通过优化热舒适性，增强服装的透气性、散热性或保暖性，从而有效提升士兵的体温调控能力。例如，辐射冷却或智能织物技术可以在炎热环境中有效地帮助士兵降温，而在寒冷环境中，通过隔离人体热量流失，提升保暖性。
2.1.2 体育领域
在体育领域，运动员对热管理织物的需求也日益增长。高强度运动会导致体温上升，尤其是在夏季或室外比赛中，运动员容易遭遇过热或中暑的风险。热管理织物通过提供更好的汗水吸湿性、透气性及温控能力，可以有效帮助运动员维持体温的平衡，减少运动损伤和体力消耗。与此同时，在滑雪、登山等冬季运动中，运动员对保暖性的需求更为重要。通过穿戴具有良好热管理功能的服装，运动员可以在不同的环境条件下保持舒适，提升运动表现。
2.1.3 极端环境
对于高温和寒冷环境中的工作人员，穿戴适应性纺织品不仅能提高舒适性，还能提高工作效率和安全性。例如，石油钻井平台上的工人常常暴露在极端气候条件下，织物通过温度调节技术帮助他们在炎热环境中保持清爽，在寒冷环境中保持温暖，从而增强工作能力，减少因过热或过冷导致的工作失误。
此外，现代热管理织物越来越倾向于智能化。例如，嵌入传感器或温控装置，实时监控和调节人体的热量，使工作者始终保持在一个最佳的温度范围内。这些创新技术在提高工作效率的同时，也极大提高了工作场所的安全性。
2.2 市场前景
随着人们对舒适性、功能性和环境适应性的需求不断提高，热管理织物在多个行业的应用前景广阔。未来，随着科技的进步，尤其是材料科学、纺织技术以及智能穿戴设备的发展，热管理织物将能够更精准地调节体温，提供个性化的热舒适解决方案。结合辐射冷却、温控材料和智能感应技术，热管理织物不仅将广泛应用于传统领域，还可能引领新的市场方向，如智能家居、健康监测和环境适应性服饰等领域的快速发展。
总之，热管理织物在各行业的应用已经从传统的防护服装发展到多功能、高适应性的高科技产品。随着需求的不断变化和技术的不断创新，热管理纺织品的市场潜力将进一步释放，成为提升人类生活质量和工作效率的重要工具。
3 展望
热管理织物的发展前景广阔，未来将随着技术创新、市场需求和社会变化不断演进。从高温、寒冷环境下的适应性穿戴，到智能温控技术的广泛应用，再到个性化和环保化的趋势，热管理织物将在多个领域提供更为精准和舒适的解决方案。随着科技的不断进步和行业的发展，热管理织物将成为现代生活中不可或缺的重要组成部分，提升人类在极端环境下的生存和工作能力，改善生活质量，并推动社会可持续发展。
参考文献见《纺织科学研究》2025年3-4月刊。
编辑丨董雅琪
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