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气凝胶应用之服装领域

气凝胶复合材料集轻薄、防水、防风、保暖、透气等绝佳性能于一身,可广泛应用在冲锋衣、防寒服、登山鞋甚至鞋垫等服饰品上。

人体是一个向外界恒定散发热量的个体,如果环境温度比较高,热量散发的少或慢,人体就会感到热,如果环境温度比较低,热量散发的多或快,人体就会感到冷。

当感觉到冷时,人们会添加衣物保暖,这是一种生活经验,也有着科学道理——添加衣物可阻止热量散失。

热的传递方式有三种,即热传导、热对流、热辐射。

“热传导”的主要衡量指标为材料的热导率。常用的衣服材料热导率都比较低,比如,羽绒的热导率为5.930W/(㎡•K),羊毛的为6.986W/(㎡•K),棉花则为9.717 W/(㎡•K)。从这些数值可以看出,在这些传统材料之中,在相同厚度的条件下,羽绒的保暖效果最好。

世界上没有任何一种材料可以达到0导热率,理论上来讲,人体穿着一件静止的空气外套,类似于双层中空玻璃,那才是绝对的保暖。

常温下,空气的导热系数为0.023W/(m•K),既然空气的导热系数这么低,那为何人站在空气中会感到冰冷?

这是因为,热传递还有第二种形式“热对流”,即指热量通过流动的介质进行热交换。

在地球重力的作用下,自然界的空气对流永远无法避免——周围的冷空气受到人体散发出的热量致使密度变轻,受热空气向上移动,因此,人的周围始终是冷空气,热量就在这种空气对流中散失,人依然会感到冰冷。

尽量减少空气对流是阻止热量散失最有效的办法,不过,服饰材料的透气性同样重要——完全阻隔空气会使皮肤无法与空气交换,人体内的潮气无法排出,会非常难受。

在这样苛刻的要求下,气凝胶成为了目前最优秀的保温材料。

气凝胶被称为“固体空气”,孔隙率高达90%以上,平均孔径只有18nm,而空气的气体分子平均自由程为50nm-70nm,在气凝胶的孔洞中无法自由移动,变成了静止的空气,从而大幅降低了对流传热,同时,气凝胶的开孔结构依然可以保证良好的透气性。

材料保温性检测结果表明,气凝胶复合棉纤毡的热导率为3.77 W/(㎡•K),也就是说,仅0.2cm厚的气凝胶复合棉纤毡(保温率74.03%),即可相当于4cm厚的羽绒纤维(保温率78.12%)的保温效果。

克罗值也是评定衣服保暖效果的重要指标。

研究者们总结出了一个服装热阻计算公式:

Iclo=6.45×[(tS-tA)/Φ]-0.8

在这一公式中, tS为人体温度,通常取33.3℃;tA为环境温度;Φ为单位面积的单层服装在单位时间内传递的热量,一般取M的75%,M为人的基础代谢热量58W/m;Iclo为人体身上穿的所有衣服克罗值(clo)的总和,检测表明,0.2cm厚的气凝胶复合棉纤毡的克罗值为1.73。

计算得出的结论是:理论上,人体单穿一件内衬0.6cm厚气凝胶复合棉纤毡的衣服,即可在-8℃的环境温度下保证温暖。从此,大家可在冷峻的冬季告别臃肿的外套,穿着一件轻薄的夹克出街,保暖、便捷又时尚。

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