淺談適用於驗證石墨烯紡織品中的導熱性的測試驗證方法
機能性紡織品是泛指具有涼感保溫、防水防風、抗菌除臭，或阻燃耐磨等功能性為主的紡織品。有別於一般強調設計、色彩及版型等變化的流行時尚式樣，機能性紡織品則以提升紡織品的功能性為訴求，強調材質上創新開發、多層次加工手法，或複合式機能性來提升紡織品的末段的應用及價值。涼感及保溫的功能是機能性紡織品中最常見的舒適機能性訴求，舉凡蓄熱保溫、瞬間涼感、吸濕排汗，或防水透氣等都屬於穿著舒適性的範疇。不過，由於冷熱變化所產生觸感因人而異，如何透過使用適當，合乎實際使用狀況，及具有重複再現性的標準驗證規範來定義紡織品的規格，則是自品牌公司以降乃至於布廠或原料商所關注的課題之一。本文將從目前使用於驗證紡織品之冷暖特性的國際標準驗證規範談起，並討論適用於驗證含有石墨烯的機能性紡織品的驗證規範，最後，我們也會介紹宇興目前使用的測試模組及我們如何協助布廠及協力加工廠，乃至於品牌廠進行石墨烯紡織品的的功能驗證。
# 用於驗證紡織品之冷暖特性的國際標準驗證規範
Ivana Špelić在” An overview of measuring methods and international standards in the field of thermal environment, thermal characteristics of the clothing ensembles and the human subjects assessment of the thermal comfort” 一文中提到，基於各式各樣功能性的機能性紡織品被國際各大品牌相繼開發而出之際，提供消費者、品牌公司，乃至於布廠與原料商一個適當且具公信力的驗證方法以規範產品的可靠性是至關重要的議題。因此，世界上主要的兩大驗證單位ASTM 國際組織及ISO國際組織均針對紡織品的穿著舒適性(Thermal Comfort)持續提出不同的驗證規範以滿足多元化的需求。ASTM早在1985年針對紡織品的熱舒適性提出驗證的規範ASTM D1518 : ” Standard Test Method for Thermal Transmittance of Textile Materials”，該規範不僅定義了紡織品中在一維穩態熱流狀態下的熱阻以標定紡織品傳熱的能力，更可比較不同乾濕度狀態下的熱阻抗數值如乾熱阻抗(Dry thermal resistance, Rct)及濕熱阻抗(Wet thermal resistance, Ret)來比較紡織品吸水後的傳熱能力之差異。在ASTM D1518的規範出現後，ASTM國際組織持續針對不同使用環境下如運動環境、高溫環境(火場等情境)或多層結構下的熱傳特性定義不同的驗證方法，如ASTM D7024-2004: ” Standard Test Method for Steady State and Dynamic Thermal Performance of Textile Materials”不僅藉由在乾織物的熱傳量來定義紡織品整體的熱傳係數，同時也藉溫度調節指數(temperature regulating factor, TRF)來賦予紡織品的穿著舒適性的差異度，其他相關的ASTM驗證規範如下圖一中表格所示。
圖一 應用於測試紡織品熱舒適性的ASTM驗證規範
無獨有偶，ISO國際組織也在1993年針對紡織品的熱舒適性提出對應的驗證規範ISO 11092-1993: ” Textile - Physiological effects–Measurement of thermal and water–vapour resistance under steady–state conditions (Sweating guarded–hotplate test)”，該規範中雖使用了不同的熱流產生及量測機構，但卻同樣定義了紡織品中一維穩態熱流狀態下的乾濕熱阻抗來紡織品的熱傳能力。而在ISO 11092-1993的規範出現後，ISO國際組織亦針對不同環境下的舒適性定義出不同的驗證方法，如ISO7730-2005:” Ergonomics of the thermal environment-Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria”, 以人體冷熱感評價標準(Predicted mean Vote, PMV)來定義環境中大多數人冷熱感覺的平均數，並以PMV指數定義服飾系統的穿著舒適性的變化，其他相關的ISO驗證規範如下圖二中表格所示。
圖二 應用於測試紡織品熱舒適性的ISO驗證規範
# 台灣本地常見的驗證紡織品之涼感或保溫的測試方案
除了上述國際標準組織訂定的關於紡織品之熱流特性量測規範，實際上各大品牌及布廠通常也會根據產品訴求目的訂定規範，用來簡單比較紡織品之冷暖感的差異，常見的方法包含常見的接觸涼感(瞬間涼感)的量測方法JIS L1927或FTTS-FA-019-2010、遠紅外線放射率及再升溫特性的量測方法 FTTS-FA-010、或定義保溫率測試方法如JIS 1096:2010等，相關的測試方案如下圖三所示。
圖三 台灣本地常見的驗證紡織品之涼感或保溫的測試方案
近來，ASTM國際組織針對織物的導熱特性另外定義出一個全新的量測規範ASTM D7984(如下圖四)，這是針對機能性布料、機能性紡織品，所開發出來的熱傳導測量方法。該方法中主要根據熱傳導的量測結果，更進一步定義布料的熱逸散率 (Thermal Effusivity)，也稱為熱浸透率或蓄熱係數)。由於熱逸散率與常見的熱擴散率(Thermal Diffusivity)的定義非常相近且容易造成混淆，故此處先將熱擴散率及熱逸散率來進行比較說明：
- 熱擴散率
- 熱逸散率：
圖四 ASTM D7984驗證規範的簡介及計算原理
由上述說明可知，熱逸散率的數值與材料本身的吸熱能力息息相關，但不代表其向外傳遞熱量(或可稱為放熱速率)的速率越快；反之，熱擴散速率的數值彼此之間是可以相互比較，數值高者代表布料的傳熱速率相對越高。更進一步的說，透過ASTM D7984規範雖然可以使我們了解織物總體的吸熱性，但仍舊無法對傳熱性及散熱性的變化有更明確的表述。
# 石墨烯在紡織品開發上的應用：高度與使用(穿著)時間及穿著面積相關
我們都知道石墨烯雖然是一個具有優良導熱特性的奈米材料，不僅是現有材料中擁有最高的導熱係數5300W/mK，更具有優異的熱輻射係數(>0.93)，使得石墨烯可同時藉由傳導及熱輻射型式來達到導熱及散熱的作用。在紡織的應用上，石墨烯不僅可藉添加物的方式製成纖維，亦可透過塗佈印花或是薄膜貼合的方式加工於織物表面，最終使織物本體產生適當的導熱通道而使熱量藉由上述的導熱通道快速的移動，並加大其有效散熱面積及其與外部的熱交換效率。更重要的是，搭配適當的織物結構設計改變熱量儲存與散失的模式，石墨烯不僅可使織物產生長效涼感的效果外，亦可使織物達到急速發熱的作用，透過這兩種截然不同的導熱效果調節人體表面溫度達到均勻分佈，最終達到增加人體穿著的舒適性之目的。因此，實務上量測具有石墨烯的布料之散熱能力高低，就必須著重如何量測熱量的傳遞，整體布料的熱阻變化，進而改變有效傳熱/散熱面積的大小為主要判定依據。同時，為表現石墨烯所代表的熱量傳遞效應，應也須納入時間的效應作為變異因子，並須觀察在不同時間下，因石墨烯所轉移的熱量變化對服裝系統之微氣候的影響。
# 適用於驗證石墨烯紡織品的驗證規範是什麼? 紡織品熱流量測模組及驗證流程介紹
在此基礎上，宇興碳素引用ASTM D1518標準為標準依據建立熱流量測模組，模組內使用7x7 cm2的發熱面積為發熱源，及具相同面積且厚度3公分的鋁塊，並控制於恆溫36.5℃以模擬人體發熱時候的狀況。同時，為求去除風速所造成的影響，相關測試均在封閉環境下進行量測，並在待測物與鋁塊的介面處與待測物上方架設測溫棒分別量測介面溫度與表面溫度，並分別代表體表溫度及布面溫度，整體熱流量測模組的示意圖及量測條件如下圖五所示。
圖五 宇興碳素建立之紡織品熱流量測模組示意圖及實體照片
測試前先將環境條件控制於室溫25±2度且相對濕度60±5%RH，將樣品置於發熱源表面後，立即將上蓋蓋上後開始依據設定時間變化記錄鋁塊內部(體內溫度)、鋁塊表面(體表溫度)、及代測物表面(布面溫度)三者溫度變化，最終可得測試圖表如下圖五所示。從圖中所獲得數據進行計算，可了解並定量分析熱流通過待測織物的行為。首先，我們可以發現代表體內溫度的鋁塊內部溫度將在環境溫度及風速固定等條件下，可在一定功率(Q)作用下保持於36.5±0.2℃的定值(如藍線所示)，而此時所設定的功率即代表體內發熱量。其次，當待測織物開始放置於鋁塊表面後，圖五中可見代表體表溫度的鋁塊表面溫度(如紅線所示)會瞬間下降並在數秒後瞬間回升(如圖中圈選處)，此時我們可以將該瞬間下降的溫度差計算得出吸熱量，此吸熱量即代表我們熟知的瞬間涼感指數(Qmax)；隨測試時間增加，體表溫度會逐漸上升達到平衡狀態，最終在測試結束後將保持一穩定數值，此時該溫度數據代表最終體表溫度。值得一提的是，上述的體表溫度通常會因為織物的組織變化、纖維的材質選擇、加工的形式及功能性材料的添加量而有所差異。通常而言，我們可將體表溫度與體內溫度達到平衡的過程視為是熱平衡的過程，此作用時間亦可代表為”有效的”涼感時間，意即當體表溫度低於體內溫度時，此時織物通常會表現出持續將體內熱量傳遞至織物的行為，此類行為我們可稱為涼感行為(或熱傳行為)；反之，當體表溫度高於體內溫度，則表示熱量已經蓄積在體表處，而此時體內的熱量將無法再繼續向外傳遞，此類行為則可稱為保暖行為(或蓄熱行為)。與此同時，我們亦可發現，代表布表面溫度的黑色曲線會在待測織物接觸到鋁塊表面後快速上升，並在測試一段時間後同樣達到一穩定數值，此時該溫度數據代表布面溫度。
圖六 紡織品熱流數據分析及指標定義
將上述各點溫度依據ASTM D1518規範中之公式進行計算可得到織物的熱阻特性，特別一提的是，由於在本測試方案中，於測試過程內均未添加水分或對空氣進行加濕，故此時所得到的熱阻我們可稱為織物的乾熱阻抗(Dry Resistance of Fabric)，其公式如下所述：
R S T E
其中，Rdry表示乾熱阻抗，Q表示輸入功率，A表示待測物面積，TE表示環境溫度，而TS表體表溫度, Rct0表示設備在當時環境下的背景接觸熱阻值。利用克羅值(clo Value)換算公式進一步對乾熱阻抗進行計算，，則可得克羅值該織物的克羅值。
克羅值, clo R ct/
Tuğrul Oğulata在” The Effect of Thermal Insulation of Clothing on Human Thermal Comfort”一文中進一步闡釋如何應用克羅值來計算織物整體的散熱性(Convection of Heat)，而最主要的散熱性計算公式源自於牛頓冷卻定律並依據織物組織特性做調整修改後的散熱性(Q convection Heat Transfer)公式如下：
Q( convection Heat Transfer) h c f cl T f T e
其中，hc代表熱傳遞係數，fcl代表織物的面積係數，Tf代表織物的表面溫度，Te代表環境溫度。
通常而言，熱傳遞係數(hc)與環境條件息息相關，會受到環境濕度及風速所影響，其通常表示式為：
h c V a
雖然在ASTM D1518規範下的實測中會將風速歸零，但由於發熱物本體仍會在測試腔內產生一定程度的熱對流，故仍將預期會隨溫差的不同而有一定程度的表面流速，故通常而言，表面風速將會設定為0.2-0.4m/s。
另一方面，代表織物的面積係數(fcl)則與織物的組織結構、纖維材質及纖維細度所產生的紋路息息相關，故通常表示式可搭配clo值來計算：
f cl clo
根據上述計算式最終將因應織物的材質、組織變化來定義出織物的散熱性，散熱性越高代表織物的涼感特性越顯著，反之散熱性越低則代表織物的保溫特性越明顯。
# 宇興用於評價織物總體散熱特性的關鍵指標
宇興根據上述理論依據將測試過程中轉化出數項關鍵性指標用來評價織物總體散熱特性的好壞，並與現行用於紡織品穿著舒適性(Thermal Comfort)的量測規範來產生區隔，如上圖六所示。實際上，現有針對紡織品熱傳性能的分析規範仍多侷限於簡單區分涼感及保暖兩類作用，透過數據中也無法展現或了解織物在不同時間作用下對涼感或保暖作用所產生之不同程度的差異。宇興所使用的評價方法在於透過包含代表織物瞬間吸熱特性的瞬間涼感值(Qmax)、代表織物熱傳能力的熱平衡時間(Time for thermal balance)、代表織物蓄熱性的克羅值(clo value)，以及代表織物總體散熱性的放熱量(Convection heat transfer)等四項指標來評價織物整體的熱傳性能，並預測該熱傳性能隨著長時間的穿著下對服裝中微氣候系統所產生的影響，這將不僅能有效的評估織物各項熱傳特性外，更能透過量化數據清楚表示含有石墨烯等不同特性的機能性材料對織物特性的提升能力，此應可對各大品牌及設計師提供更為清楚的資訊以便後續導入石墨烯於相關產品上。
圖七 評價織物總體散熱特性的關鍵指標
# 結語
藉由本文的闡述及討論，我們不僅可從整體性的現行國際標準對如何應用於驗證紡織品的涼感或保溫性能有一通盤性的瞭解，更重要的是，在導入諸如像石墨烯等高導熱性材料於機能性紡織品的開發時，我們也可以了解如何使用更能精確表述石墨烯特性的驗證規範及方法，並能將石墨烯的優點更清楚的表達給後端的使用者作選擇參考。