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到底什麽材料的衣服是最保暖的?

2014-12-16知識

不贊同高贊的氣凝膠,要研究衣服的話,建議先看下【紡織材料學】,氣凝膠只是材料,不是纖維,更不是織物。氣凝膠之所以保暖,是因為在很小的品質下,靜止大量空氣。可現在並沒有氣凝膠並沒有纖維化的技術,就算氣凝膠纖維化,靜止空氣的能力能否保留也存疑。

作為與氣凝膠的對比,羽絨能保暖,是纖維之間能固定空氣;合成保暖棉能保暖,是纖維做成中空管,纖維管道和纖維之間能靜止空氣。

在氣凝膠的套用上,波司登的登峰系列羽絨服,只有在保護手機的口袋夾層使用氣凝膠材料。

還有些公司宣稱使用氣凝膠纖維填充物,其本質是混有氣凝膠材料的聚酯纖維,依然是聚酯纖維的保暖效果,只是為了找賣點。

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到底什麽材料的衣服是最保暖的?

現階段,北極熊的皮毛,是地球上保暖最好的衣服。

我們冬裝裏填充的保暖棉,羽絨服和棉服的熱反射技術,都用到了北極熊皮毛有關的仿生科技。

在極寒天氣,風和水才是真正的敵人,可即便在最冷的天氣,北極熊也能在冰山上玩耍,在冰冷刺骨的海水中遊上10多千米。

北極熊的毛是一根根中空而透明的毛管

北極熊身上的毛有兩層,外層是含有油脂的防水針毛,遊泳時能防止海水侵入,裏層是保暖絨毛。將北極熊的「白毛」放在電子顯微鏡下,會發現北極熊的毛不是白色的,而是一根根中空而透明的毛管。人類肉眼所看到的「白色」,是因為毛的內表面粗糙不平,以致把光線折射得非常淩亂而形成的。

北極熊中空毛管中,存在大量靜止空氣,而靜止的空氣是導熱最低的材料,所以北極熊的毛是絕佳的保暖纖維。同樣,羽絨之所以保暖,也是絨絲之間鎖住大量靜止空氣來保暖,與北極熊的毛異曲同工。

北極熊在「透明」的毛下還有一身黑色的皮,我們從它們的鼻頭、爪墊、嘴唇以及眼睛四周的黑皮膚上就能窺見皮膚的原貌。

黑色的皮膚有助於吸收熱量,研究人員研究發現,北極熊特殊的透明毛管,能讓空氣中的高能紫外線沿著毛芯內部透過,反射到毛下黑色皮膚上,轉化成熱能,皮下的血液將熱能輸送到全身。

北極熊毛可反射熱放射線,在熱成像攝影機中幾乎是隱形的,只有頭部鼻頭、嘴巴等部位有熱量

不僅如此,北極熊的毛還能反射紅外線放射線。北極熊和人一樣,都是恒溫動物,每時每刻都在散發熱量,即熱放射線,北極熊的毛裹住身體,可反射身體的熱放射線,減少了熱量散發,從而保證了體表的溫度。

「北極熊毛片仿生產品」

北極熊的皮毛,防水又保暖,可吸收紫外線吸熱,又能阻擋身體熱量散發,一系列神奇的構造,成為世界上最保暖的衣服,也給人類很多靈感,研發出相關仿生產品。

比如,以北極熊毛的結構,制作出外層防水,而內部是中空管狀保暖棉,PrimaLoft、3M新雪麗、杜邦Thermolite等,都是這原理。

杜邦Thermolite仿北極熊毛研發的七孔保暖纖維,還有四孔纖維、單孔纖維等
PrimaLoft保暖棉,以北極熊毛與原型的保暖棉拒水效果
保暖棉制成的棉服,在冰水中,或在潮濕狀態時,依然擁有95%以上的保暖效果

早期宇航服的構造,有數道鋁箔夾層,就是仿北極熊毛,反射身體的熱放射線來保暖。

2019年10月15日,美國航天局15日釋出了具有更大靈活性和更高安全性的下一代宇航服,左側這種艙外宇航服可在零下約157攝氏度至零上約121攝氏度之間的溫度條件下工作,保護太空人不受放射線、月塵和微流星體侵害。

美國哥倫比亞戶外的奧米熱能反射科技,就是使用銀色聚酯纖維紗線,制成衣服的保暖內襯,就這一層薄薄的內襯,就能增加羽絨服20%的保暖效果。

Columbia Omni Heat奧米熱能反射技術宣傳圖,一直令我印象深刻。

以北極熊毛皮的仿生科技,還在不斷開發中,並且有望超過北極熊皮毛的保暖效果。

凍結紡絲纖維橫截面,有非常多的孔道,可在很小品質下固定空氣

2018年,料科學的【先進材料】學術周刊,發表了浙江大學柏浩教授團隊的研究成果, 模仿北極熊毛的結構,將蠶絲溶解於水中,制成含水量達95%的紡絲溶液。之後,再用註射器將混合物慢慢註入一個低溫裝置中,形成直徑約為200微米、含有冰晶的冷凍多孔纖維。最後,再透過冷凍幹燥,讓纖維中的冰晶昇華留下眾多有序的片層孔。

「我們驚訝地發現,這種材料的導熱系數比原本的北極熊毛發還要低,保暖性也更強」,柏浩說道。

這種隔熱纖維,和北極熊毛一樣,通用可以反射身體的熱放射線,減少了熱量散發,還在熱成像裝置前,達到「熱隱身」效果。

未來的冬天,我們或授權告別厚重的外套,披一件薄如蟬翼的「毛衣」便可出門;野外作戰的士兵,在「熱隱身衣」的保護下,可成功躲過紅外探測……

柏浩也已獲得了這項凍結紡絲技術的專利,他希望能把這種織物發展成商品。並且,他也很看好自己的成果在工業、軍事等領域找到用武之地,「若用它來生產軍服,就可以隱藏士兵的蹤跡了。」

但同樣研究凍結紡絲技術的法國科學家認為,柏浩的目標可能無法再短期內實作。「以目前的技術而言,生產一件織物的過程過於費時,還無法達到量產的水準。」

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我個人的看法是,現階段,適合作為人類衣服的,是北極熊的皮毛一體大衣。與北極熊皮毛大衣接近的,還有海豹、海象等生活在極地的動物皮毛,愛斯基摩人就使用海豹皮縫制派克大衣

服裝發展很快,背後的紡織行業進展並不快,除了新品研發出來,還有低成本的量產化,以及商業化,還每一步都太難了。所謂的黑科技保暖衣服,一茬接一茬的出現,可又都死掉了。要麽是瞎吹,要麽是無法解決量產成本。

Nudown

像Nudown這種充氣棉服,2014年誕生時也曾有國內高光時刻。使用Polartec Neoshell做外層面料,大身以外的區域填充皮棉,大身使用充氣保暖方案,天冷就多充點氣,為了解決透濕,腋下等出汗部位都帶拉鏈。這種看似還算靠譜的解決方案,現在也是半死不活的狀態。

真正的黑科技新品,初期的量產都是軍隊套用。在中國,如果能有一家企業,能把「氣凝膠」、「凍結紡絲纖維」或相似新品,做到量產,還能賣出去,那這家企業,一定是際華。

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  • 參考資料
    北極熊與北極熊毛的圖片,轉自Nationalgeographic
    【用多孔仿生纖維 織就一款北極熊「毛衣」】科技日報
    柏浩,2015年9月起,任浙江大學化學工程與生物工程學院研究員、博士生導師,浙大官網可查。柏浩教授1983年出生於重慶,本科2006年畢業,和我同年……真心服氣