传导受限的热反射材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月16日提交的美国临时申请号62/573,154的较早提交日期的优先权，该临时申请通过引用整体合并于此。
技术领域
实施方式涉及热反射材料，尤其涉及提供改善的热反射特性并限制热传导而不损害透气性的材料。
背景技术
通过向穿戴者的身体表面反射体热来提供改善的保温性的材料通常会牺牲湿气透过并导致透气性低。湿气透过的这种降低可能导致织物变潮湿，从而引起不适并通过热传导加速热损失。另外，热反射材料与皮肤之间的接触会不利地使热反射材料将体热从皮肤传导走，从而无意中加速了热损失。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述将容易理解本发明的实施方式。本发明的实施方式通过示例而非限制的方式在附图中示出。
图1示出了根据各种实施方式的保温材料的一个示例的俯视图。
图2示出了根据各种实施方式的图1的保温材料的侧视图。
图3示出了根据各种实施方式的图1的保温材料的透视图。
图4示出了根据各种实施方式的保温材料的第二示例的透视图。
图5是根据各种实施方式的保温材料的第三示例的数字图像。
图6是根据各种实施方式的保温材料的第四示例的数字图像。
图7A、7B、7C和7D是根据各种实施方式用红外(IR)热成像相机测量如下基底织物的散热图：具有垂直取向纤维(VOF)元件的基底织物(图7A)、仅基底织物(图7B)、具有热反射元件的基底织物(图7C)以及具有热反射元件和VOF元件的基底织物(图7D)。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考构成说明书的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实施的实施方式。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且实施方式的范围由所附权利要求及其等同物限定。
可以以有助于理解实施方式的方式将各种操作依次描述为多个独立操作；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作是依赖于顺序的。
描述可以使用基于透视的描述，例如上/下、后/前和顶/底。这些描述仅用于便于讨论，并不旨在限制本发明实施方式的应用。
可以使用术语“结合”和“连接”及它们的衍生词。应该理解，这些术语并不旨在作为彼此的同义词。而是，在特定实施方式中，“连接”可用于指示两个以上元件彼此直接物理接触。“结合”可以表示两个以上元件直接物理接触。然而，“结合”还可以表示两个以上元件彼此不直接接触，但是仍然彼此配合或相互作用。
出于描述的目的，“A/B”形式或“A和/或B”形式的短语表示(A)、(B)或(A和B)。出于描述的目的，“A、B和C中的至少一个”形式的短语表示(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)、或(A、B和C)。出于描述的目的，“(A)B”形式的短语表示(B)或(AB)，即A是可选元件。
说明书可以使用短语“一个实施方式”或“实施方式”，其可以分别指代相同或不同实施方式中的一个或多个。此外，关于实施方式中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的。
本文的实施方式提供了例如用于身体装备物(body gear)和室外装备物的保温材料，该保温材料提供了改善的热反射和降低的热传导，同时仍提供了优异的湿气透过性。
在各种实施方式中，保温材料可以包括基底材料(例如织物)，所述基底材料的湿气透过率(MVTR)为至少2000g/m2/24h(JIS 1099 A1)，例如至少4000g/m2/24h(JIS 1099A1)，至少6000g/m2/24h或至少8000g/m2/24h。在各种实施方式中，基底材料可以是网眼织物、泡棉(foam)或皮革。如本文所用，术语“湿气透过率(MVTR)”是指水蒸气通过诸如织物之类的材料的量度。本文所用的术语“透气的(breathable)”是指MVTR为2000g/m2/24h以上(JIS 1099 A1)的织物。在一些实施方式中，透气的材料允许水蒸气通过，但不允许液体水通过。尽管通常认为术语“透气的”也包括空气透过性，但是“透气的”织物不一定具有高的空气透过性。基底织物的其他期望特性可以包括耐水性、防水性、拉伸性、悬垂性和柔软性。在实施方式中，基底材料可以是梭织织物或非梭织织物、针织物、泡棉、网眼织物、皮革或用于构造身体装备物和/或室外装备物的制品的其他材料。
在各种实施方式中，多个热反射元件可以结合到基底材料的第一侧(例如，当将基底织物或其他材料整合到身体装备物中时，该材料面对使用者身体的一侧)，各热反射元件可以具有热反射表面，并且可以放置成将热量反射向热源，例如使用者的身体。另外，可以将多个间隔元件结合到基底材料的第一侧。在各种实施方式中，各间隔元件可以在基底材料的第一侧之间保持空间，例如空气空间，并且可以防止或减少热反射元件与下面的表面之间的接触，从而减少通过基底材料的热传导，所述下面的表面例如衣服的基底层、中间层和/或使用者的皮肤。
在各种实施方式中，各间隔元件可从基底材料的第一侧突出(project)至少0.2-5.0mm，例如约0.2-2.0mm。在各种实施方式中，间隔件可以采取多种形式中的任何一种，并且在一些示例中可以由梭织(woven)或非梭织的荚状物(pod)、针织材料、泡棉元件或垂直取向纤维(VOF)制成。在一些实施方式中，由垂直取向纤维制成的间隔元件(例如，VOF元件)可包括基本上垂直于基底材料表面取向的多个纤维。在各种实施方式中，多个间隔元件中的至少一些可以与多个热反射元件中的至少一些至少部分叠加和/或重叠。在一些实施方式中，间隔元件可以与热反射元件完全重叠或部分重叠。在特定的非限制性示例中，间隔元件可以覆盖(cover)、叠加(overlay)或重叠(overlap)热反射元件的表面积的约2-40％，例如约5-25％。在各种实施方式中，各间隔元件的最大尺寸可以为约1-6mm，例如约2-3mm，并且间隔元件的中心到中心的间隔可以为约3-5mm。
在各种实施方式中，热反射元件和间隔元件两者的间隔和布置可以使基底材料的部分在相邻元件之间不被覆盖，并且基底材料的这些未覆盖的部分可以提供水蒸气的透过，从而得到透气的材料，例如透气的织物。在一些实施方式中，至少15％(例如约20％，约30％，约35％或约50％)的基底材料可保持无热反射元件和间隔元件覆盖。在各种实施方式中，热反射元件可以覆盖基底材料的足够大的表面积(例如基底材料的至少30％)，以向使用者的身体反射期望量的热量(例如，体热)。
在各种实施方式中，与单独的基底材料相比，间隔元件可以提供增强的保温。在各种实施方式中，间隔元件可防止或减少热反射元件与下面的表面(例如，基底层或中间织物或材料层的表面)之间的接触，这可以继而减少热反射元件的热传导。另外，在各种实施方式中，间隔元件可防止或减少热反射元件与使用者的皮肤之间的接触，这可以继而减少热反射元件的热传导。在各种实施方式中，间隔元件还可以在基底材料与下面的表面(例如基底层或中间织物或材料层的表面)之间保持空间，这可以促进空气流通和/或通风并增强透气感。在各种实施方式中，间隔元件还可以在使用者的皮肤和基底材料之间保持空间，这可以促进空气流动和/或通风并增强透气感。此外，令人惊讶地，间隔元件和热反射元件的重叠放置没有减少由热反射元件反射的热量，或没有将反射的热量减少如预期的那样多。在一些实施方式中，热反射的任何损失可以被热传导的相应减少所抵消。在一些实施方式中，本发明的保温材料相对于构成该保温材料的基底材料表现出至少50％的保温值增加，例如比构成该保温材料的基底材料的保温值高至少75％、至少100％、至少125％、至少150％、至少175％、至少200％、至少225％或甚至高至少250％，例如比构成该保温材料的基底材料(例如不包括本文所述的热反射元件或隔离元件的材料)的保温值高约50％至约230％。
本发明的材料的最显著优点之一是：包含热反射元件和间隔元件(例如垂直取向的纤维元件)的基底材料(例如基底织物)比单独的基底材料提供了更高的保温性，该保温性的提高量是出乎意料且难以预料的。通过将间隔元件和热反射元件添加到基底材料，热量以协同方式被保温材料捕获和/或保持。如以下实施例所示，具体如表2所示，与单独添加隔离元件和热反射元件所预期的简单线性叠加效果相比，在基底织物中同时包含隔离元件和热反射元件的效果几乎增加了两倍。这种协同效果提供了远远超出预期的保温材料。
图1、2和3示出了根据各种实施方式的保温材料的一个示例的俯视图(图1)，侧视图(图2)和透视图(图3)。参照图1、图2和图3，保温织物100可以包括基底材料102，例如MVTR为至少2000g/m2/24h的基底织物，其可以使湿气从使用者的身体移走并穿过基底材料，从而防止湿气在身体装备物内部积聚。另外，基底材料102可以具有适合于其预期用途的一种以上其他功能特征。基底材料102可以由提供所需的一组功能特性、感觉、重量、厚度、织法、质地和/或其他所需特性的任何一种或多种材料制成，并且可以包括尼龙、聚酯、人造丝、棉、氨纶、羊毛、丝绸或它们的混合物。在特定的非限制性实施方式中，基底材料可以是“性能(performance)”材料，例如具有高MVTR(例如至少2000g/m2/24h，JIS 1099 A1)且在Frazier装置上的透气度高于10-30 CFM的性能合成针织(knit)或梭织(woven)材料。在一些实施方式中，基底材料的第一侧可以是平坦的，以便于热反射元件和/或间隔元件的施加。
继续参照图1、图2和图3，保温材料100还可以包括结合到基底材料102的第一侧的多个热反射元件104。如本文所用，术语“第一侧”是指当将基底材料102结合到身体装备物中时，该基底材料102面对使用者的身体的那一侧，无论该侧接触使用者的身体(例如当保温材料100用作身体装备物中的最内层或唯一层时)或不接触使用者的身体(例如当保温材料100作为中间层或最外层结合到身体装备物制品中时)。在各种实施方式中，各个热反射元件104可以具有热反射表面，并且可以被放置成将热量反射向使用者的身体。
如本文所用，术语“热反射元件”是指具有反射电磁辐射的表面的单个元件，该电磁辐射具有比可见光的波长更长的波长(例如红外范围，其从可见光谱中的700nm(频率430THz)的标称红色边缘扩展到1mm(300GHz)，出于本公开的目的)。此范围包括室温附近的物体发射的大部分热辐射。在各种实施方式中，热反射元件还可以反射光谱其他部分(例如可见光谱)中的电磁辐射。在各种实施方式中，热反射元件由金属化塑料或箔片形成，例如用铝真空镀金属的膜。各种实施方式可包括用铝真空镀金属的膜，该膜涂有薄漆。在各种实施方案中，薄漆外涂层可以包含颜料或染料以在可见光范围内改变电磁辐射的反射，从而改变反射箔的颜色，而同时在热红外范围(5至35微米)内不会显著降低电磁辐射的反射率。例如，着色箔可以比无色箔的热红外反射率低不到1％，比无色箔的热红外反射率低不到2％，或者比无色箔的热红外反射率低不到5％。通常，热反射元件可以包含铝、银或任何其他热反射金属，或更通常地，低发射率的热反射材料。在特定实施方式中，热反射元件的发射率可以不大于0.1，例如不大于0.08，不大于0.06或不大于0.04。
在各种实施方式中，热反射元件可以覆盖基底材料的30-70％(例如，热反射元件与基底材料的表面积之比可以是7：3至3：7)，例如40-60％(例如，表面积覆盖率为4：6至6：4)。在各种实施方式中，热反射元件可以通过粘合剂结合到基底材料。在各种实施方式中，热反射元件和/或间隔元件可以通过胶或粘合剂(例如基于氨基甲酸酯或丙烯酸酯的粘合剂)结合到基底材料。在一些实施方式中，胶或粘合剂可以是吸附剂或吸收剂，例如以帮助将水分从身体向外移动。
在各种实施方式中，热反射元件可以以图案或者连续或不连续的阵列的形式施加，例如独立的离散元素(例如，点、环、线、条纹、波浪、三角形、正方形、星形、椭圆形或其他几何图案或形状，或徽标，文字等)的重复或非重复图案，或互连元素(例如晶格)的重复或非重复图案。在各种实施方式中，热反射元件的图案可以是对称的、有序的、随机的和/或不对称的。此外，热反射元件的图案、尺寸、形状或间隔在身体装备物的关键位置处可能有所不同，这取决于身体装备物制品的预期用途。
在各种实施方式中，热反射元件的尺寸可能在主体的核心区域中最大(或者它们之间的间距可能最小)以在这些区域中增强热反射，并且热反射元件的尺寸可能在主体的外围区域中最小(或者它们之间的间距可能最大)。在其他实施方式中，热反射元件的尺寸可能在主体的核心区域中最小(或者它们之间的间距可能最大)，并且热反射元件的尺寸可能在主体的外围区域中最大(或者它们之间的间距可能最小)以在这些区域中增强热反射。在一些实施方式中，热反射元件的覆盖度可以在整个服装上根据区域热管理的需要而逐渐变化。在一些实施方式中，减小单个元件的面积而增加密度可以在热反射和基底材料功能性之间提供更好的平衡。在一些实施方式中，单个热反射元件的表面积可以小于1cm2。在各种实施方式中，各个热反射元件的最大尺寸(直径、斜边、长度、宽度等)可以为约1cm以下，例如4mm或1mm。
继续参照图1、图2和图3，在某些特定的非限制性示例中，保温材料还可以包括结合到基底材料102的第一侧的多个垂直取向纤维(VOF)元件106，各VOF元件106可包括多个基本上垂直于基底材料表面取向的纤维。如本文所用，术语“VOF元件”是指具有多个基本上垂直的纤维的单个元件。在各种实施方式中，VOF元件可以是离散的荚状物，其包含高密度的垂直取向纤维，例如，至少200条VOF纤维用于高旦数的、相当粗的纤维。在各种实施方式中，纤维可以包括尼龙、聚丙烯或聚酯。在各种实施方式中，纤维可以包括尼龙、人造丝、聚酯和/或棉纤维。在一些实施方式中，纤维可以是芯吸纤维。如本文所定义，术语“芯吸”是指允许流体沿其长度方向运输的纤维，对于VOF纤维，长度方向通常指垂直于基底材料的平面。在各种实施方式中，VOF元件和/或单个纤维可以通过粘合剂结合到基底材料。在其他实施方式中，VOF纤维可以通过刺绣、梭织或针织而被整合到材料中。
在各种实施方式中，垂直取向纤维可具有0.2-2.0mm(例如约0.6mm)的平均长度以及0.9-22dtex(例如1.7dtex)的平均线密度。在各种实施方式中，可以选择并布置纤维以使纤维之间的毛细作用力最大化。
VOF元件可以以图案或者连续或不连续的阵列的形式施加，例如独立的离散元素(例如，点、环、线、条纹、波浪、三角形、正方形、星形、椭圆形或其他几何图案或形状，或徽标，文字等)的重复或非重复图案，或互连元素(例如晶格)的重复或非重复图案。在各种实施方式中，VOF元件的图案可以是对称的、有序的、随机的和/或不对称的。此外，VOF元件的图案、尺寸、形状或间隔在制品(例如身体装备物)的关键位置处可能有所不同，这取决于制品的预期用途。
在各种实施方式中，基底材料的至少一部分在相邻的热反射元件之间以及在相邻的VOF元件之间保持无覆盖。另外，基底材料的至少一部分(例如至少10-25％)可以在两种类型的元件之间都保持无覆盖。
在各种实施方式中，VOF元件可以防止或减少热反射元件与下面的表面(例如，基底层或身体表面)之间的接触。在各种实施方式中，保温材料(包括基底材料、热反射元件和VOF元件)的MVTR可以为至少2000g/m2/24h(JIS 1099 A1)。保温材料可以形成任意制品的全部或一部分，制品用作例如身体装备物或户外装备物，如外套、夹克、衬衫、鞋、靴、拖鞋、基底层、手套(glove)、连指手套(mitten)、帽子、围巾、裤子、袜子、帐篷、背包或睡袋。在某些实施方式中，热反射元件和间隔元件位于制品的最内表面上，例如位于基底层的最内表面上，例如位于朝向受试者皮肤的基底层的最内表面上。
图4示出了根据各种实施方式的保温材料400的第二示例的透视图，该保温材料400包括基底材料402、多个热反射元件404和多个VOF元件406。如图所示，在一些实施方式中，VOF元件406的至少一部分可以与热反射元件404的至少一部分重叠和/或叠加。
图5是保温材料500的第三示例的数字图像，该保温材料500包括基底材料502、多个热反射元件504和多个VOF元件506。图6是根据各种实施方式的保温材料600的第四示例的数字图像，该保温材料600包括基底材料602、多个热反射元件604和多个VOF元件606。在一些实施方式中，VOF元件606可以包括染色或着色的纤维。
图7A、7B、7C和7D是根据各种实施方式用红外热成像相机对如下基底材料测量的散热图：具有VOF元件的基底材料(图7A)、仅基底材料(图7B)、具有热反射元件的基底材料(图7C)以及具有热反射元件和VOF元件的基底材料(图7D)。这些图像是使用FLIR SC83000HD系列高速MWIR百万像素红外相机，在正面朝下放置在隔热的热板组件上的圆形材料样品(直径约6.9厘米)上测量的。隔热的热板组件包括一块0.125”厚的6061铝合金板作为测试表面，该铝合金板放在硅电阻加热垫(McMaster-Carr p/n 35765K708)的顶部，该加热垫在2”厚的软木隔热制品的顶部上。测试表面板具有切成矩形的槽以在测试表面上产生均匀的温度。测试表面也涂有哑光黑以近似皮肤的发射率(ε皮肤＝0.95≈ε黑涂料(Parsons)＝0.98)。调节可变变压器以提供恒定的表面温度。(参见，例如，Incropera,F.,DeWitt,D.,Bergman,T.和Lavine,A.,传热传质基础(Fundamentals of Heat and Mass Transfer),第六版,JohnWiley&Sons,2007)。
在各种实施方式中还公开了制造保温材料的方法，该方法通常包括：将多个热反射元件结合到湿气透过率(MVTR)为至少2000g/m2/24h(JIS 1099 A1)的基底材料的第一侧，各热反射元件具有热反射表面；以及将多个垂直取向纤维(VOF)元件结合到基底材料的第一侧，使得多个VOF元件中的至少一些至少部分地与多个热反射元件中的至少一些叠加。各VOF元件包括基本上垂直于基底材料表面取向的多个纤维。
在各种实施方式中，在将VOF元件结合到基底材料之前，将热反射元件结合到基底材料。热反射元件可以以各种方式永久地结合到基底材料，包括但不限于层压、粘合、热压、印刷或焊接，例如通过热空气、射频或超声焊接。
在各种实施方式中，接着可以通过丝网印刷粘合剂，然后静电沉积短纤维，将多个VOF元件结合到基底材料的第一侧。添加VOF元件的其他方法包括刺绣、梭织和针织。例如，在一些实施方式中，可以使用粘合剂(如单部分或两部分催化的粘合剂)来将VOF元件结合至基底材料。可以使用印刷工艺将粘合剂以所需的图案施加到基底材料上，然后可以将纤维静电沉积在基底材料上。然后可以通过真空从基底材料中除去未粘附的纤维。
在一个特定的非限制性示例中，纤维可以通过正极格栅从料斗中分配，正极格栅可以使纤维定向并使纤维朝向基底材料表面加速。接地电极可以置于材料表面下方，并且可以将纤维垂直地嵌入被施加到基底材料上的区域中的粘合剂中，从而形成多个VOF元件。
在另一个具体的非限制性示例中，替代地，可以将粘合剂施加到转移膜上，并且可以将纤维静电嵌入到转移膜上的粘合剂中，从而形成多个VOF元件。然后可以使用转移膜将VOF元件施加到基底材料上。
实施例
在各种实施方式中，与其他保温材料(包括那些具有热反射材料而不具有VOF元件的材料)相比，本文描述的保温材料可以具有优异的保温特性。如下表1所示，使用标准热板测试对四种不同的基底材料进行了测试。四种不同基底材料的样品以三种不同的配置进行了测试：无热反射元件或VOF元件(“织物”)、仅热反射元件(“织物+热反射元件”)、同时具有热反射元件和VOF元件(“织物+热反射元件+垂直取向纤维”)。测量热通量(W)和干式传热速率(W/m2℃)，并且分别计算每个的平均保温值(clo＝0.155K·m2·W-1)。如本文所用，术语“热”是指由于温度梯度而传输的热能(J或Cal)。如本文所用，术语“热率(heat rate)”是指每单位时间传输的热能(J/s＝W)。如本文所用，术语“热通量(heat flux)”是指每单位面积的热率。如本文所用，术语“热透射率(thermal transmittance)”是指每单位温度梯度的热通量(W/m2·K)。如本文所用，术语“热阻(thermal resistance)”是指热透射率的倒数(m2·K/W)，并且clo是保温值的度量单位，其为0.155m2·K/W。下表1中示出了传导受限的热反射材料的具体示例的测试结果。
表1：使用标准热板测试测得的热阻数据
1裸板热阻，Rcbp(clo)＝0.353±0.002
2裸板热阻，Rcbp(clo)＝0.514(未提供标准偏差)
总体上根据ASTM F1868的A部分-热阻，测量了干式传热数据。测试了4种不同的基底织物、具有热反射元件的相同织物，以及具有热反射元件和垂直取向纤维的相同材料。结果示于表1中，其为总热阻Rct和仅织物的热阻Rcf。这些值以clo单位给出，也称为保温值。在所有情况下，与相同的基底织物相比，织物+热反射元件的保温值都较低。然而，当添加间隔元件(此处为垂直取向纤维元件)时，其保温值比基底织物以及比织物+热反射元件的保温值都大很多。取决于特定的基底材料，所公开的保温材料的保温值通常表现出比构造它们的基底材料的保温值高50％至230％。
表2.散热图的区域平均温度
图7A、7B、7C和7D显示了根据各种实施方式使用红外热成像相机对如下基底织物测量的散热图：具有VOF元件的基底织物(图7A)、仅基底织物(图7B)、具有热反射元件的基底织物(图7C)以及具有热反射元件和VOF元件的基底织物(图7D)。将圆形样品正面朝下放置在约37℃的隔热的热板组件上。从各织物样品的背面拍摄热图像。因此，对于包含VOF、热反射元件或两者的织物样品，这些特征面向热板，因此不会影响样品对红外相机的发射率。结果，所测量的信号是各织物背面温度的精确测量值，并代表通过织物散发的热量。
表2显示了图7的散热图的区域平均温度。最高的平均温度和最接近热板温度的温度为基底织物，其为33.4℃。因此，通过基底织物散逸的热量最多，这是所测量的四种织物中保温性最低的。第二高的平均温度为基底织物+垂直取向纤维(“仅VOF”)，其为32.5℃；然后是基底织物+热反射元件(“仅OHR”)，其为32.3℃。最低的平均温度为基底织物+热反射元件+垂直取向纤维(“OH3D”)，其为29.7℃。因此，通过该织物散逸的热量最少，这是所测量的四种织物中最保温的。
最重要的是，包含热反射元件+垂直取向纤维的基底织物相对基底织物的保温性提高量是出乎意料且难以预料的。通过将垂直取向纤维添加到基底织物中，可以捕获足够的热量，从而使背面平均温度降低0.9℃(请参见表2)。通过将热反射元件添加到基底织物中，可以捕获足够的热量，从而使背面平均温度降低1.1℃。将两种元件都添加到基底织物中，人们可能预期这种组合作用会导致温度降低约2℃(0.9℃+1.1℃)，或者由于这些元件的重叠，甚至预期降低的更少。然而，该组合作用几乎是这个数量的两倍。VOF和热反射元件的组合作用可以捕获足够的热量，从而使背面平均温度降低3.7℃。
尽管已经在本文中示出和描述了某些实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，为实现相同目的而算出的各种替代和/或等效实施方式或实现方式可代替所示和所述的实施方式。本领域技术人员将容易理解，根据本发明的实施方式可以以各种各样的方式实现。本申请旨在涵盖本文所讨论的实施方式的任何改变或变化。因此，显而易见的是，根据本发明的实施方式仅由权利要求及其等同物限定。
