三明治結構複合麵料提升衛衣戶外防風保暖性能的研究 概述 隨著戶外運動的普及和消費者對功能性服裝需求的不斷增長，傳統衛衣在防風、保暖及透氣性方麵的局限性逐漸顯現。尤其是在寒冷、多風的戶外環境...
三明治結構複合麵料提升衛衣戶外防風保暖性能的研究
概述
隨著戶外運動的普及和消費者對功能性服裝需求的不斷增長，傳統衛衣在防風、保暖及透氣性方麵的局限性逐漸顯現。尤其是在寒冷、多風的戶外環境中，普通棉質或滌綸衛衣難以滿足人體熱濕舒適性的綜合要求。為此，科研人員與紡織企業開始探索新型複合材料技術，以提升衛衣的功能性表現。其中，三明治結構複合麵料因其獨特的多層構造，在防風、保暖、透氣及輕量化方麵展現出顯著優勢，成為近年來功能性衛衣研發的重點方向。
三明治結構複合麵料（Sandwich-structured Composite Fabric）是一種由三層及以上不同功能材料通過熱壓、針刺或層壓工藝複合而成的織物係統。其典型結構包括外層防護層、中間功能層和內層親膚層，各層協同作用，實現“外防風、中保溫、內排濕”的理想穿著體驗。本文將係統探討三明治結構複合麵料在提升衛衣戶外性能中的應用機製，分析其材料構成、結構設計、性能參數，並結合國內外研究成果進行深入剖析。
三明治結構複合麵料的構成與原理
1. 結構組成
三明治結構複合麵料通常由以下三層構成：
| 層級 | 功能定位 | 常用材料 | 主要特性 |
|---|---|---|---|
| 外層（Shell Layer） | 防風、防水、耐磨 | 聚酯纖維（PET）、尼龍（PA）、PTFE膜、ePTFE塗層 | 高密度編織，抗撕裂，低透氣率 |
| 中間層（Core Layer） | 保溫、隔熱、緩衝 | 聚丙烯腈纖維（PAN）、聚酯中空纖維、石墨烯複合材料、氣凝膠 | 高比表麵積，低導熱係數，鎖溫能力強 |
| 內層（Lining Layer） | 吸濕、導濕、親膚 | 羊毛混紡、莫代爾、Coolmax®、竹炭纖維 | 快幹、柔軟、抗菌、調節微氣候 |
該結構模仿自然界中蜂巢與羽絨的保溫機製，通過外層阻隔冷空氣侵入，中間層形成靜止空氣層以減少熱量流失，內層則快速導出體表濕氣，避免因汗液積聚導致的體感寒冷。
2. 工作原理
三明治結構的核心在於“梯度功能設計”（Gradient Functional Design），即各層材料在物理和化學性質上呈梯度變化，實現功能互補。例如：
- 防風機製：外層采用高密度織造或微孔膜技術（如GORE-TEX®），孔徑小於風分子但大於水蒸氣分子，實現“防風不悶熱”。
- 保溫機製：中間層利用中空纖維或多孔結構捕獲靜止空氣，空氣的導熱係數僅為0.024 W/(m·K)，遠低於固體材料，從而有效減緩熱量傳導。
- 透濕機製：內層通過親水基團吸附汗液，並借助毛細效應將水分向外部轉移，終通過外層蒸發排出。
美國北卡羅來納州立大學紡織學院（College of Textiles, NC State University）在2021年的一項研究中指出，三明治結構可使織物整體熱阻提升35%以上，同時透濕量保持在8000 g/m²/24h以上，顯著優於單層滌綸或棉混紡材料（Zhang et al., 2021）。
三明治複合麵料在衛衣中的應用實踐
1. 典型產品案例分析
近年來，國內外多個品牌已推出基於三明治結構的高性能衛衣產品。以下是幾款代表性產品的技術參數對比：
| 品牌 | 產品型號 | 麵料結構 | 克重 (g/m²) | 防風率 (%) | 保溫值 (clo) | 透濕量 (g/m²/24h) | 抗撕裂強度 (N) | 備注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| The North Face | Futurelight™ Hoodie | 外：ePTFE膜 + 尼龍；中：聚酯中空纖維；內：Coolmax® | 280 | ≥95 | 1.8 | 9500 | 45 | 動態透氣技術 |
| Arc’teryx | Delta LT Hoody | 外：Polartec® Power Shield；中：抓絨層；內：柔絨 | 320 | 92 | 2.1 | 7800 | 50 | 彈性四向拉伸 |
| 波司登（Bosideng） | 極寒係列衛衣 | 外：防潑水聚酯；中：石墨烯發熱層；內：莫代爾混紡 | 300 | 90 | 2.3 | 6500 | 40 | 遠紅外加熱功能 |
| 探路者（Toread） | T-Sandwich Pro Hoodie | 外：高密滌綸；中：氣凝膠納米隔熱層；內：竹炭纖維 | 260 | 96 | 1.9 | 8200 | 48 | 超輕設計，僅重580g |
從上表可見，三明治結構衛衣在防風性和保溫性方麵普遍優於傳統衛衣（傳統衛衣防風率約60%-70%，保溫值約1.0-1.3 clo）。特別是The North Face的Futurelight™技術，通過納米級微孔膜實現了“智能呼吸”效果，在劇烈運動時自動增加透氣量，靜態時則保持密封防風。
2. 材料創新趨勢
（1）納米氣凝膠的應用
氣凝膠（Aerogel）是一種超輕多孔材料，孔隙率可達99.8%，導熱係數低至0.013 W/(m·K)，被譽為“固態煙霧”。美國NASA早在20世紀90年代就將其用於宇航服隔熱層。近年來，中國東華大學朱美芳院士團隊成功將二氧化矽氣凝膠微粒嵌入聚酯纖維中，開發出柔性可織造的氣凝膠複合紗線，應用於三明治結構中間層，使衛衣在克重降低20%的同時，保溫性能提升40%（Chen et al., 2022）。
（2）相變材料（PCM）集成
相變材料能夠在特定溫度下吸收或釋放潛熱，維持體感溫度穩定。德國Outlast Technologies公司開發的MicroPhase® PCM微膠囊可嵌入中間層纖維中，當體溫升高時吸收熱量（固→液相變），降溫時釋放熱量（液→固相變）。實驗證明，含PCM的三明治衛衣可使 wearer 在-10℃環境下體感溫度提高2.5℃以上（Bartels et al., 2020）。
（3）石墨烯增強導熱調控
石墨烯具有優異的導熱性和遠紅外輻射能力。中國恒源祥集團與中科院合作研發的“石墨烯智暖衛衣”，在中間層加入0.5%石墨烯粉體，不僅提升保溫效率，還能將人體散發的遠紅外線反射回皮膚，增強自加熱效應。測試顯示，該麵料在5分鍾內可使表麵溫度上升1.8℃（Li et al., 2023）。
性能測試與評價體係
為科學評估三明治結構複合麵料的綜合性能，需建立多維度測試指標體係。以下是常用測試方法及標準：
| 測試項目 | 測試標準 | 測試設備 | 評價指標 |
|---|---|---|---|
| 防風性 | ASTM D737 / ISO 9237 | 數字式透氣量儀 | 空氣透過率（mm/s），越低越好 |
| 保溫性 | ASTM F1868 / ISO 11092 | 暖體假人或平板式熱阻儀 | 熱阻值（clo），越高越好 |
| 透濕性 | ASTM E96 / JIS L 1099 | 蒸發皿法或倒杯法 | 透濕量（g/m²/24h），越高越好 |
| 抗撕裂強度 | ASTM D1117 / GB/T 3917.1 | 擺錘式撕破儀 | 撕裂力（N），越高越好 |
| 耐磨性 | ISO 12947 | Martindale耐磨試驗機 | 起球等級（1-5級），越高越好 |
| 親膚性 | GB/T 18318 | 表麵摩擦係數測定儀 | 摩擦係數（μ），越低越柔軟 |
根據中國紡織工業聯合會發布的《功能性針織服裝》行業標準（FZ/T 73020-2022），高性能戶外衛衣應滿足以下基本要求：
- 防風率 ≥ 90%
- 熱阻值 ≥ 1.5 clo
- 透濕量 ≥ 6000 g/m²/24h
- 抗起球等級 ≥ 3級
目前主流三明治結構衛衣均已達到或超過上述標準，部分高端產品甚至實現“零風感”體驗（風速0.5 m/s下無明顯穿透感）。
國內外研究進展與技術對比
1. 國外研究現狀
歐美國家在功能性複合麵料領域起步較早，技術積累深厚。
- 美國：戈爾公司（W.L. Gore & Associates）開發的GORE-TEX® Windstopper®麵料采用膨體聚四氟乙烯（ePTFE）膜作為中間層，孔徑僅為0.2微米，可完全阻隔風力，同時允許水蒸氣通過。其複合衛衣產品在-20℃強風環境下仍能保持核心體溫穩定（Gore, 2020）。
- 德國：Polartec公司推出的Power Shield Pro麵料采用三明治夾芯結構，外層為防風尼龍，中間為彈性聚氨酯膜，內層為抓絨，兼具防風、彈性和透氣性，廣泛應用於歐洲山地救援隊製服。
- 日本：東麗（Toray）開發的“Everlight”係列三明治麵料，使用超細旦聚酯纖維（0.3 denier）編織外層，配合中空卷曲纖維填充層，實現輕量化（<250 g/m²）與高保暖的平衡。
2. 國內研究進展
中國近年來在複合麵料領域的研發投入持續加大，多項技術已達國際先進水平。
- 東華大學：開發出“仿生多孔三明治結構”，模仿北極熊毛發的中空結構，采用異形截麵聚酯纖維構建中間層，熱阻提升30%，並通過靜電紡絲技術製備納米纖維外層，實現高效防風（Wang et al., 2021）。
- 江南大學：提出“梯度密度複合”理念，通過調整中間層纖維堆積密度（從外向內遞減），優化空氣滯留分布，使保溫均勻性提高25%（Zhou et al., 2022）。
- 天津工業大學：研製出可降解三明治麵料，外層為PLA聚乳酸，中間層為玉米纖維氣凝膠，內層為天絲™，兼顧環保與性能，獲2023年中國紡織科技進步一等獎。
值得一提的是，中國企業在產業化方麵進展迅速。探路者、凱樂石（Kailas）、駱駝（CAMEL）等品牌均已推出搭載三明治結構的戶外衛衣係列，價格較進口品牌降低30%-50%，市場占有率逐年上升。
三明治結構的設計優化方向
1. 層間結合工藝改進
傳統層壓工藝易導致麵料僵硬、彈性差。當前主流改進方向包括：
- 點狀熱熔膠粘合：僅在局部施加熱熔膠（如EVA或TPU），保留大部分區域為空氣通道，提升透氣性。
- 超聲波焊接：非接觸式 bonding，避免高溫損傷纖維，適用於熱敏性材料如PLA。
- 機械針刺：通過高頻針刺將三層纖維物理纏結，無需膠水，環保且耐久性強。
2. 區域化功能分區設計
並非整件衛衣都需要高強度防風。因此，采用“分區複合”策略更為高效：
| 服裝部位 | 麵料配置 | 設計目的 |
|---|---|---|
| 前胸、背部 | 三明治全結構（3層） | 核心區域重點防風保溫 |
| 腋下、側腰 | 雙層網眼透氣結構 | 增強散熱，防止過熱 |
| 袖口、下擺 | 彈性羅紋+防風條 | 密封冷風入侵通道 |
| 肩部 | 加厚耐磨外層 | 抵抗背包摩擦 |
這種“智能分區”設計已在Arc’teryx和Patagonia的部分高端衛衣中應用，實測表明可提升整體熱舒適性達20%以上（Taylor, 2021）。
3. 智能響應型三明治結構
未來發展方向是賦予麵料“感知-響應”能力。例如：
- 溫敏變孔外層：采用形狀記憶聚合物（SMP），低溫時微孔閉合防風，高溫時自動開啟散熱。
- 濕度感應導濕內層：嵌入吸濕膨脹纖維，出汗時加速毛細導流，幹燥後恢複原狀。
- 電子集成中間層：植入柔性加熱片或傳感器，實現主動調溫與健康監測。
英國曼徹斯特大學已開發出“SmartSkin”智能三明治麵料原型，集成微型電池與石墨烯傳感器，可實時監測體溫、心率並調節加熱功率（Huang et al., 2023）。
環境適應性與實際穿著表現
三明治結構衛衣的實際性能受環境條件影響顯著。以下為不同氣候條件下的表現評估：
| 環境類型 | 溫度範圍 | 風速 (m/s) | 推薦克重 (g/m²) | 適用結構 | 實際反饋 |
|---|---|---|---|---|---|
| 城市通勤 | 0~10℃ | <3 | 240-280 | 雙層或輕型三明治 | 舒適，輕微出汗 |
| 山地徒步 | -5~5℃ | 3-8 | 280-320 | 標準三明治 | 優秀防風，需搭配內衣 |
| 高海拔登山 | -15~-5℃ | 8-15 | 320-360 | 增強型三明治+PCM | 核心保暖良好，四肢略冷 |
| 極地探險 | <-20℃ | >15 | >360 | 多層複合+電加熱 | 需外穿硬殼，獨立使用不足 |
值得注意的是，三明治結構衛衣不宜單獨用於極端低溫環境，通常作為中間層（mid-layer）與外層硬殼（hard shell）搭配使用，形成“三層穿衣係統”（3-Layer System），以應對複雜多變的戶外氣候。
市場前景與發展趨勢
據Grand View Research 2023年報告，全球功能性運動服裝市場規模已達890億美元，年增長率達7.2%。其中，複合麵料衛衣細分市場預計在2028年突破120億美元。中國市場增速尤為顯著，2023年國內功能性衛衣銷量同比增長45%，三明治結構產品占比從2020年的12%升至2023年的34%。
未來發展趨勢包括：
- 輕量化與高強比：目標克重降至200 g/m²以下，同時保持抗撕裂強度>40 N。
- 可持續發展：推廣生物基材料（如海藻纖維、蘑菇皮革）與可回收設計。
- 個性化定製：結合3D掃描與AI算法，按體型與活動強度定製麵料分布。
- 多功能集成：融合紫外線防護、抗菌除臭、電磁屏蔽等附加功能。
可以預見，三明治結構複合麵料將成為下一代智能戶外服裝的核心技術平台，推動衛衣從“基礎保暖”向“環境自適應”躍遷。
