涼感原理?解讀涼感尼龍、涼感紗、冰山床、恆溫布、天絲、相變PCM、礦石粉、高分子量導熱的原理

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台灣日漸高溫的氣候,即使到了冬天,白日氣溫都是居高不下,因此市面上出現很多以涼感、保持涼爽、恆溫的「黑」科技布料,到底這些布料是不是真的涼爽,還是只是噱頭?本文將為您介紹市場常見的涼感纖維、布料:涼感尼龍、天絲、相變PCM、礦石粉、高分子量導熱等科技,比一比到底這些布料為什麼能帶來涼感,其科學原理為何。

定義布料涼感

我們感覺到涼,是因為溫度差異,例如觸摸到某布料溫度比手指低,因此感覺到涼。如果要進一步評量二種以上材料哪一種比較涼,那麼就需要有客觀評量的方式。

為了定義涼感產品等級,目前紡織市場公認以 QMax(Quantum of Maximum Heat Flux)值來評量接觸時的涼感。2019 年台灣紡織研究所以 Q-Max 值,訂定 FTTS-FA-019 涼感測試(cool feeling test)標準,主要測量人體接觸之布料時,皮膚瞬流失熱量的最大值,也就是織物單位面積瞬間能帶走的最大熱流量(walt/cm2,W:瓦特,cm2:平方公分)。Qmax 值越高,接觸的涼感會越明顯。

根據 FTTS-FA-019 涼感測試標準,分別訂定兩種紡織布料的 Qmax 值,只要超過標準數值,就能稱為涼感布料。

針織物 Q-Max 值≧0.13(W/cm2)/ 梭織物Q-Max值≧0.17(W/cm2

不過需要注意的是,有些涼感原理是借由水分達到,例如:木醣醇需要接觸水分才能有涼感效果,若無水分,木醣醇布料的涼感效果就不會特別明顯。因此不適用Qmax測量標準。

衣物布料涼感的原理

其實涼不只是感受到涼(接觸性的涼感)。當我們不悶熱、可以排離皮膚上的汗、並讓汗及衣服快乾的時候,保持清爽也是一種涼。因為你的體溫就不會持續升高,熱排得出去,體溫就可以下降。但是當體溫跟環境達到一個熱平衡,就不會再感受到涼。

因此市面上的各種布料帶來的涼感其實有很多不同的原理,有些甚至運用了不止一種涼感的技術。

當我們感受到涼,其實也就是我們身體上的熱能或溫度有降低。而我們身上的熱如何降低呢?一般來說,人體會透過四種不同的途徑散熱:輻射、對流、傳導和蒸發,輻射散熱為主,約6成,蒸發散熱約2成,其餘是對流與傳導,不過這與介質的導熱速率有關。

在裸體情況下,人體透過以下方式進行散熱:

  1. 從皮膚傳導到身體周圍的靜止空氣層 → 熱量對流到自由空氣層。
  2. 60%的熱量會透過皮膚輻射這種方式散發;如果環境溫度高於人體,熱輻射會反過來。
  3. 水份蒸發(透過皮膚表面擴散或由身體主動分泌)。

如果人體穿上衣物,情況就變得相對複雜,衣物成為傳導介質。

  1. 熱量從皮膚傳導到衣物 → 衣物傳導到周圍的靜止空氣層 → 熱量對流到自由空氣層。
  2. 衣物會阻擋皮膚輻射熱,也會阻擋環境輻射熱。
  3. 水分蒸發、排汗 → 衣物吸收水分 → 衣物擴散水份 → 水份透過對流將熱導到空氣。
人體透過以下方式進行散熱
人體透過以下方式進行散熱

從這兩者就能了解涼感衣物的運作,人體穿上衣物後,基本上輻射、對流效果都會大幅減少,因此要達到涼感效果,主要就是從衣物布料傳導效率、吸濕力下手。

熱輻射(radiation乾熱轉移

輻射是指熱以電磁波方式從一個物體傳輸到另一個物體,與傳導和對流不同的是,輻射不需要介質,人體大多數的熱其實都是透過輻射散發。

對於布料來說,除了幫助人體散熱,還有一個作用在擋掉環境的熱輻射,也就是阻止環境熱提升人體溫度。例如:衣物阻擋太陽直接對人體熱輻射,淺色衣服可以更有效反射環境的輻射,不讓熱量進入體內,這也是一種另類涼感。研究顯示,穿衣服(一般厚度)在太陽下的體溫反而會比裸體還低。知名布料廠商 Schoeller 的 Coldblack[1] 也是利用這個原理創造讓體溫不要升高的紗線。

不過如果是衣物就需要考慮熱輻射效用,如果是寢具,因為周遭環境不會有發熱源,因此可以忽略熱輻射的作用。

熱傳導(Conduction)乾熱轉移

物體由高溫處傳遞至低溫處,此種熱量轉移的方式,即稱為傳導。每種材料的熱傳導能力都不太一樣。熱傳導好的材質就比較容易有接觸涼感,相反的,熱傳導能力較差的材質就會較溫暖。

幾乎大部分的涼感布料、衣物都是透過傳導來散發熱量。

熱對流(Convection乾熱轉移

熱量從物體傳遞到運動分子(例如空氣或液體)的方式稱為對流,皮膚接觸的薄空氣層透過來自身體的傳導而被加熱,但透過周圍氣流將熱量帶走。「液體」和「氣體」具有流動性,人體皮膚將熱傳給空氣,熱空氣與冷空氣交換,熱量迅速被帶走,因而感到涼爽。但如果周遭空氣也熱,這時候對流效果都減弱,因此就感到熱。布料中強調的透氣其實就是加強對流效率,透氣度與紡織方式有關。

熱蒸散(evaporation濕熱轉移

蒸發是在沸點以下物質由液態變化為汽態的過程,是一個吸熱反應,也稱濕熱轉移(wet heat transfer)。人體體液的水分在皮膚和黏膜表面由液態轉化為氣態,同時帶走大量熱量的散熱方式。蒸發的快慢受到溫度、液體表面積以及周圍空氣流動的速度等因素決定。

當人體沒有穿著衣物時,這種散熱方式效率很快。但人體在外活動,基於保護、隱私會穿著適當衣物,因此發汗後,如果布料能吸收汗水的效率超過人體排汗效率,那麼皮膚就會感覺到乾爽,否則就會感到濕熱。

不同寢具、衣物涼感需求不同

目前市面上講求涼感的衣物,還要進一步區分運動型、基底衣物、外出衣物等,需求各不相同。除此之外,涼被、床墊或枕頭等寢具,這些家具用品對於涼感的需求也各不相同。

例如:涼被通常是天氣不太熱,作為冷氣房防止身體部位熱量流失太多的寢具,因此其需求複雜,一方面希望能快速吸濕散熱,一方面又希望能有保暖的作用,當然作為夏季使用,親膚感是一定必備的,因此添加礦石粉的纖維就相當適合。

涼被需要觸感滑順涼爽,接觸時能降低溫度,但又能兼具保暖功效

運動型的衣物因為需要快速排濕、但又要求不要黏在皮膚,因此疏水性的異型斷面纖維能夠快速導濕又不吸濕,既能將皮膚汗水排出,帶走熱量,又不會黏著在皮膚上,就是一種好選擇。

人體在床墊上休息主要是接觸面會積聚熱量,但因為使用床墊時會鋪上床單,因此隔絕了床墊裱布與皮膚的第一線接觸,甚至為了保持乾淨還會有保潔墊,二層以上的隔絕基本上床墊的涼感也毫無用武之地。因此床墊裱布更加重視的其實反而是通風透氣與抗菌等機能,尤其是床墊吸濕排濕、排氣以保持床墊裡外的乾燥潔淨,這些更重於涼感性能。

床墊因為保潔墊、床單二層隔絕,因此熱傳導效率與床單材質較有關
床墊因為保潔墊、床單二層隔絕,因此熱傳導效率與床單材質較有關

織物涼感原理分類

在織物的設計上,只要能影響到輻射、對流、傳導和蒸發的因素都有可能會影響到布料的涼感效果。

若不考慮陽光照射的輻射熱,涼感布料主要分為「導熱材質」與「親水材質」,前者是在織料中添加礦石粉或其他材料來提高導熱效率,達到快速降溫的效果;但礦石比熱小傳熱快,雖然進到冷房內可以迅速與環境溫度達到平衡,相反地,在炎熱環境裡也熱得快。

「親水材質」的涼感織物,就是利用吸濕(moisturesorption)效率,透過蒸發來達到涼感。有些纖維吸濕性能強,能快速吸收水分,並且快速擴散面積,提高蒸發效率。這整過過程將會帶走大量皮膚熱能,因此能感到涼爽。

涼感產品種類

綜合前文,涼感原理主要有兩種,廠商利用不同的技術來達到涼感效果,因此如果進一步依照各類產品的涼感技術來分類,大約有以下幾種:

添加導熱材料

在紗線中添加一些導熱快速材料的作法。導熱快速的材料有礦石粉末、石墨烯等,添加的方式常見的有靜電紡絲的製程。目前市場上最常見而普及的仍是以礦石粉末居多。

利用紗線裡面添加天然礦石粉或合成粉末,達到比熱較高,接觸後產生涼感,如同接觸大理石或玉石會感覺冰涼一樣。但是一般紗線可以添加的粉末量其實有限,大約頂多占纖維總重量的 1~3%,一張接觸面積 100 克的布料,也只有 1 克左右的礦石粉末,因此接觸後熱量被礦石粉吸收後,如果沒有其他介質把礦石上的熱量傳導掉,你只會感覺越來越熱。

不過這種導熱快,吸熱也快,你有吃過石板烤肉吧!石板沒加熱前摸起來是很冰涼的,但一給它熱量後,熱量反而聚集在石頭上,不易散失,因此拿來做烤肉盤特別適合,你睡的礦物型接觸涼感,其實是在烤肉!

東和 WINCOOL 纖維:在縲縈纖維中加入礦石粉。

異形斷面纖維

大部分的人造纖維都是疏水性質,也就是吸水力弱,因此難以達到吸濕散熱效果。因此廠商利用將纖維表面改成異斷面的形狀,使得纖維之間產生許多導管,這些導管會迅速讓水分利用毛細現象轉移到沒有水分的一邊,達到散熱的效果。

由於人造纖維本身的疏水性,這種異型斷面纖維造就的吸溼排汗,嚴格來講是指物理性的「吸附」(adsorption),而非「吸收」(absorption)。一般多是以化學纖維的尼龍、聚酯纖維等來製造,異斷面形狀則有十字型、葉型、中空型、雙十字型、Y型、W型等等。

當身體的水分蒸發越快,帶走身體的熱量就越多,人體就會覺得涼爽,就像滿頭大汗時,只要吹個一般的風(不用冷氣)你就會覺得很涼爽。但重點來了,先決條件是你是要滿身大汗的狀態。因此所謂異斷面涼感紗,像是常聽的杜邦CoolMax® 或是中興Coolplus®、日本旭化成Technofine™、中空紗ThermolTech®等等,都是異形斷面的布料,主要設計用來給運動內衣或快乾衣物而設計,情境是在高運動量下的排汗散熱,讓你的汗迅速蒸發。

不過這種布料並不適合開發寢具用布,因為原始纖維的導熱、吸濕性能並沒有改變,對寢具布料的涼感效果可以說是 0 分。

聚酯纖維 Polyester

紡織業用回潮率(moisture regain)來衡量纖維的吸水能力。回潮率指在華氏 70 度,60% 的相對溼度下,絕乾纖維所吸收空氣中水分的量。聚酯纖維(滌綸)的回潮率很低,只有 0.4%,具疏水特性,可以快速乾燥以達到清爽的效果。由於布料不吸水,可以快速將汗水蒸發,熱能就不儲存在紗線、布料當中,可被快速導出,也就是放濕速度快。

由於其堅韌、便宜,紗線製造商於是思考如何加速其導濕能力,因此研發出異型斷面的吸濕排汗紗,例如:Coolmax、THERMOLITE中空異形斷面、Cool Plus®十字斷面。這類異型斷面紗多半會與棉混紡,一方面提高吸濕力,同時異型斷面的結構相較於一般紗線圓形的結構,會讓纖維間的空隙變多、變小,進而促進毛細作用,導濕快,能更快排出汗水,加速蒸發的速度,使用者不悶熱。

尼龍 Nylon(Polyamide)

尼龍是化纖中回潮率(含水量)最高的纖維之一,熱傳導的效果也很好,這使它本身的就有觸摸性涼感的特性,因此一般涼感布料多半是尼龍改質製造。尼龍的含水率高達4%,是聚酯纖維的10倍,因此尼龍的熱傳導能力也比聚酯纖維還要好。

有些比較輕薄的尼龍布,就算沒有添加任何涼感的功效,在室內摸起來也有溫度較低的接觸性涼感。因為高含水率的特性,一些紗線研發會直接把尼龍的原料改質,提升它的含水率,讓他接觸性的涼感效果更顯著。例如:Nicecool®長效涼爽尼龍纖維,Q-MAX可達到0.25以上、Formo Cool 親水絲Q-MAX約0.22。

客觀來說,尼龍的回潮率數值其實並不強,相較於棉的8.5%、羊毛15%、天絲11%,這樣的吸濕力並不夠稱為涼感。

高含水率 / 回潮率

含水率越高的纖維,會讓你感覺越涼爽。

當你摸一條乾毛巾,會涼嗎?把同一條毛巾沾濕,摸起來就會涼了。原理很簡單,但是一般纖維要達到高含水率是沒那麼簡單。

目前化學纖維類,屬於尼龍紗線的含水率較高,可以達到 4~5%,因此大多有效果的涼感紗線都是利用尼龍+礦石粉來達到涼感目的。這樣設計的紗線能夠提供涼爽感受,而且因為化學纖維價格便宜,即使加工,也能達到價格適中的優點,適合用來生產大量的量販型產品,其中最有名的就屬於 NITORI N-Cool。這種紗線也經常結合異型斷面的作法來強化散熱的目的。

人造纖維中,含水率最佳的就是木纖維素製造的纖維,也就是人造絲,例如:縲縈、莫代爾、萊賽爾纖維。時下最有名的品牌叫做「天絲」,指的就是莫代爾和萊賽爾纖維,這是蘭精公司推出的纖維。三種人造絲纖維各有特點,吸濕力最強的是縲縈、其次是莫代爾和萊賽爾,但強韌度則以後兩者為佳,尤其萊賽爾在各方面性能居冠,成為目前當紅的散熱布料材質。

整塊布料100%使用萊賽爾,效果比N-cool 睡起來還要舒服,親膚性與涼爽效果也都完勝尼龍紗線。

市面上買過的天絲都不涼呢?因為天絲的成本還是偏高,因此很少有100%天絲的產品,大多市售商品都混了一堆其他材料,功能自然大打折扣,也照成許多人對萊賽爾的誤解。

螺縈 Rayon / Viscose

螺縈又稱人造絲,是一種纖維素纖維,用木漿再製加工而成。雖然它的原料是天然材料,但在製造的過程中需要添加化學物質,為半人工半天然的纖維。因為他是半人工的材料,含水率就可以被調整。因此螺縈不只手感柔軟,也有接觸性涼感的特性。

PCM相變化材料

相變化(Phase Change Material,PCM)纖維是利用物質相變過程中釋放或吸收潛熱、溫度保持不變的特性開發出來的一種蓄熱調溫功能纖維。1980 年美國國家航太中心為改善太空服的熱性能,曾將相變化材料以微膠囊形態安置於紡織結構中,以使太空人可有效對抗極端的溫度變化,雖然此計畫並未如預期成果,但不妨害行銷廠商採用和記憶棉一樣的宣傳手法,宣稱來自NASA的黑科技,不免讓一般消費者有不明覺厲之感。

相變化材料嚴格來說不能說是涼感材料,而是「調溫」材料。因為台灣天氣熱,因此散熱備受重視,因此可以把它當作涼感材料來解讀。坊間的 PCM 材料一般是設計在 28 度C左右做相位的變化。人體的溫度 30 多度,睡眠時核心溫度會降低約 0.5 度,高於相變化材質(PCM)融化的 28 度,因此相變化材料就會吸熱,把自己融化,但是當 PCM 材料全部融成液態後,紗線就不再吸熱了,也就是你不會再感覺涼了。

一般相變化材料理論上每1克約可吸收 60 到 200 焦耳(約 48 卡)的熱,但就像前文提過的,一般紗線中也是只能添加 1~3% 的 PCM,對一整個晚上 8 小時的睡眠,人體仍持續散發熱量仍嫌不足,但能讓你在入睡時能感到舒適。

相變材料可以植入化學纖維,或是人造纖維,都各有代表產品。

  • 東和 Clima,利用德國技術,將天然石蠟植入萊賽爾木漿纖維中,每公克纖維可以吸收 60 焦耳熱量
  • Outlast PCM 布料可以減少 48% 出汗。

超高分子量材料

分子量越高,導熱速度就越快,這是一個成正比的定律。如果說我們一般的材料分子量是 100,那超高分子量材料就是「100 萬」。可想而知,這種萬倍的差距,會在導熱速度上帶來劃時代的改變。這種纖維它沒有時效性,只要超高分子量紗線夠集中,它就能不間斷的一直導熱,因此,布料恢復涼度的速度,是市面上其他涼感纖維都無法比擬的。

超高分子量的布料,因為分子量高,結晶度好,分子都順相整齊排列,除了導熱效果快之外,另一個特色就是超高強度。你可以請廠商測試給你看涼感布料是否可以被一般剪刀剪斷,剪刀剪不斷的,就是超高分子量材料(布料),很容易到抓魚目混珠的商品。例如日本東洋紡出品的超高分子量聚乙烯紗線(UHMWPE纖維),其強度就可以用來製造防割手套和防彈織物,用在床墊布料中,主要是400D UHMWPE纖維,一般布料廠商進口紗線後,再進行編紡成布料。

這種纖維其實是透過製造技術和添加導熱填料來提高增強天然材料和聚合物材料導熱性。例如聚酯纖維、超高分子量聚乙烯、聚醯胺、纖維素奈米纖維、棉、竹粘膠等。目前台灣市場上最常見的是日本東洋紡Toyobo提供的高分子量聚乙烯紗線織成的布料。

  • iCOLD 冰晶紗
  • XtraCool艾絲酷
  • MAX FREEZING 極凍紗

涼感布料的比較

經過以上的說明,您應該可以大致上了解市面上各種散熱涼感布料的特點,下表列出各種涼感布料的特點比較。

涼感技術接觸導熱型涼感異型斷面含水率PCM相變材料超高分子量纖維
親水性低到高,主要看基底纖維材料低到高,主要看基底纖維材料
涼感原理導熱蒸發蒸發導熱導熱
涼感效能高到優高到優
觸感普通普通最佳普通普通
天然環保大部分化纖大部分化纖最佳大部分化纖大部分化纖
優點價格低,玉石礦粉的特性適合涼被導濕快、放濕快,不沾黏,製程成熟,種類選擇多吸濕快,蒸發效果最明顯、低敏 目前降溫最大
缺點預冷則冷、預熱則熱不適合低運動量,沒有汗水,涼感0效果成本高成本高,但降低的溫度不明顯成本高
應用範圍衣物、涼被運動型衣物日常衣物、貼身衣物、寢具等外套、運動衣物運動衣物、特殊衣物、寢具
代表產品WINCOOLCoolMaxTencel天絲OutlastiCold
備註需要考慮含量,含量不高,效果聊勝於無多半是複合型纖維,整合多種涼感原理注意混紡比例與種類需要考慮PCM含量,超過極限就不涼技術高,製程品質有高有低,效果差距大。 混紡效果減低

講到這裡,可以作一些簡單摘要與結論。

  • 涼感布料的選擇需要考慮應用範圍

並非所有布料都適合用在任何涼感場合。例如:高運動量的涼感布料適合選用能迅速排濕的布料。玉石礦粉布料不適合用在戶外高熱環境,也不適合用在床墊接觸裱布。

  • 涼感布料的性能都需要考慮其成分比例

例如PCM添加比例、玉石礦粉比例,天絲是否混紡、超高分子量是否混紡,這些都會影響散熱與涼感。

  • 不要忽略床墊真正的使用情境

床墊使用時,因為多半還會鋪上床巾、保潔墊,因此選用合適的涼感床單、床包、涼被,其體感遠勝於涼感床墊

  • 涼感原理不同,兩者兼具最佳

吸濕與導熱兩種特性不同,當溫度上升超過體溫時,人體主要依靠流汗蒸發散熱,這時吸濕比導熱重要。當環境溫度高、濕度也高時,這時吸濕效果會減弱,導熱變得重要。因此最佳選擇是兩者性能兼具的選項,例如:天絲、各種混紡布料。

台灣夏天仍然需要冷氣空調或是電風扇持續降溫,若是冷氣房,那麼任何一種涼感床墊都有作用;若是電風扇,那麼吸濕涼感效果更佳。

哪一種涼感布料最涼?

依據布料商提供資訊,以超高分子量紗線涼感效果最佳,其次就要看用量與廠商、使用場合,需要個案實際比較才能得知。大部份的涼感布料如果放在一起盲測,體感可以區別出哪塊布稍涼,不過相差體感並非很明顯的大,不同布料差別可能僅在1~2度之間。

對於涼感的定義,目前市場上只以 QMAX 值來衡量瞬間涼感,這仍然不足以完全比較哪種布料的涼感體驗最佳,因為有些布料的涼感並非接觸瞬間,而是蒸發方式。在特定情況下,其散熱效率會高於導熱方式。

不過類似天絲這種雖然以吸濕性能強著稱,但其導熱也遠超過棉,因此幾乎是全能型選手,因此觸摸起來同樣有冰涼感。

用了涼感床墊是否能在夏天擺脫冷氣呢?

答案顯然很明確,那當然是不可能的。涼感布料大約能降低約1到2度溫度,但有其極限。

人體是恆溫動物,即使靜止時仍不斷散發熱量,接觸床墊面會持續增溫,如果環境溫度也高,只要超過 30 幾度,接觸面積的熱很容易超過體溫,導致人體流汗散發熱氣,因此只要環境溫度控制在 27 度以下,人體發汗會大幅減低,這時候添加礦石粉、天絲、PCM或是高分子纖維其實涼爽體感相近。

班尼斯有什麼涼感床墊

班尼斯提供高分子導熱纖維與天絲兩種不同涼感原理的床墊,滿足大多數消費者的需求。兩者 QMAX 性能都具有公信單位檢測,此外,兼具各種均衡性。


[1]減少吸收太陽輻射量(尤其是深色),而使身體保持涼爽,並可反射80%的紫外線。


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