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健行筆記編按：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。

▲圖／吳昌謀教授

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）

 

▲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。）

▲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。

▲防水透溼多孔薄膜原理示意圖

 

• (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。

▲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。

 

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。

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) 感應光線度

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。

▲太陽光內的「不可視熱線」－紅外線為熱感來源

▲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。

▲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

 

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。

▲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。但無論使用何種技術，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

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 專精於奈米薄膜技術，提供永續且高機能防水透氣織物，從薄膜、膠、貼合技術，皆在自有工廠完成，並可符合客戶需求生產高品質客製化機能織物，無氟、無溶劑、零汙染，對人類及環境皆不造成任何危害，適合戶外探索、都會應用、醫療防護等各種應用情境。

 

原始出處：健行筆記【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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