CN110431264A - 多光谱凉爽织物 - Google Patents

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迈克尔“伍迪”·E·布莱克福德
J·T·默吉
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Abstract

本公开的实施方式总体上涉及用于身体装备(body gear)和其他商品的具有设计的性能特性的基底织物，并且具体地涉及技术装备(例如服装)，其利用结合到基底织物的朝向外的表面的多光谱凉爽部件。

Description

多光谱凉爽织物
相关申请的交叉引用
本申请就2017年1月9日提交的美国临时申请No.62/444,259的在先申请日要求优先权益，该临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的实施方式总体上涉及用于身体装备物(body gear)和其他物品的具有所设计的性能特性的基底织物(base fabric)，并且具体地涉及(体育等的)专业用品(technical gear)(例如服装)，其使用一个或多个结合在基底织物朝向外的表面的会反射太阳光、限制太阳能透射和发出人体辐射的部件。
背景技术
诸如芯吸材料(wicking material)和凉爽材料(cooling material)之类的功能织物材料通常采用均匀层的形式，所述均匀层被编织到服装中或以其他方式结合到服装中。包含一层凉爽材料如高吸收性聚合物的凉爽织物具有缺点，特别是当作为连续层结合到基底织物中时。例如，均匀的聚合物材料层可能阻碍水蒸气的传递或限制空气通过基底织物。此外，这种凉爽材料可能妨碍基底织物的所需特性，例如垂性、质地(texture)、拉伸性等。因此，使用一层凉爽材料可能会妨碍下面的基底织物的透气性(或其他功能)。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述将容易理解本公开的实施方式。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1A示出了根据各种实施方式的多光谱凉爽部件的不连续图案的示例，该多光谱凉爽部件设置在基底织物的朝向外的表面上。
图1B是根据各种实施方式的多光谱凉爽部件(例如一个圆点或点)的一个示例的截面图，示出了材料分层的实例，该多光谱凉爽部件设置在基底织物的朝向外的表面上。
图1C示出了根据各种实施方式的上衣(例如衬衫)，其具有设置在基底织物的朝向外的表面上的不连续图案的多光谱凉爽部件。
图2A-2H示出了根据各种实施方式的不连续图案化的多光谱凉爽部件的示例，该多光谱凉爽部件设置在基底织物的朝向外的表面上。
图3A-3F示出了根据各种实施方式的图案化的多光谱凉爽部件的示例，该多光谱凉爽部件设置在基底织物的朝向外的表面上；
图4A和图4B示出了比较根据各种实施方式的各种织物暴露在太阳光下的温度-时间的曲线图，包括设置在基底织物的朝向外的表面上的不连续图案的多光谱凉爽部件的实例。显示了基底织物和具有多光谱凉爽部件的相同基底织物(太阳能偏转器织物(solardeflector fabric，SD))和具有Omni热反射(Omni-Heat Reflective，OHR)的相同基底织物的数据。
图5为显示太阳能偏转器织物(SD)、Omni热反射(OHR)织物和基底织物的全光谱反射率数据的图。以对数x轴刻度显示整个光谱的数据以提高在小波长的可视度。
图6是来自ASTM G173的图，即地球表面的太阳光谱。
图7是在各种温度下黑体发射的玻尔兹曼分布图。
图8是太阳能偏转器织物(SD)、Omni热织物(Omni-Heat织物)和基底织物在0.25<λ<2.5μm的光谱反射率测量图。
图9是太阳能偏转器织物(SD)、Omni-Heat织物和基底织物在0.25<λ<2.5μm的光谱透射率测量图。
图10是太阳能偏转器织物(SD)、Omni-Heat织物和基底织物在5<λ<40μm的光谱反射率测量图。
图11是太阳能偏转器织物(SD)、Omni-Heat织物和基底织物在5<λ<40μm的光谱发射率测量图。
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本公开的实施方式。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，并且根据本公开，实施方式的范围由所附权利要求及其等同物限定。
可以以有助于理解本发明实施方式的方式依次将各种操作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部件彼此直接物理接触。“结合”可以表示两个以上部件直接物理接触，并且可以直接和/或单独结合。
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是可选元素。
说明书可以使用短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”，其可以各自指代相同或不同实施方式中的一个或多个。此外，关于本公开的实施方式使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的。
技术装备的问题之一是当长时间暴露在太阳光线下时，该技术装备倾向于吸收来自这些光线的辐射，这导致热量被传递给穿戴者。另外，一些材料被设计成将热量保持在穿戴者中和/或将热量反射回穿戴者。这种材料的一个例子是哥伦比亚运动休闲公司(Columbia Sportswear)销售的Omni-Heat产品套装。虽然这种产品在寒冷天气的应用中是理想的，但是在温暖的天气条件下同样需要为穿戴者提供凉爽和/或散热的技术装备。为了满足这些需求，本发明人开发了一种材料，该材料例如通过反射太阳光、限制太阳光透射(例如透过织物)和发射与穿戴者皮肤发射的波长相当的波长的光谱能量，为穿戴者提供凉爽和/或散热。
为了满足上述需求，发明人开发了一种材料(这里也称为太阳能偏转器)，在该材料中，多光谱凉爽部件的图案已结合到基底织物的朝向外的表面，其中，例如相对于基底织物，多光谱凉爽部件反射太阳光、限制太阳能透射并发出人体辐射(参见例如图8、9和11)。因此，本文公开了一种适用于身体穿戴物(bodywear)的多光谱凉爽材料。在一些实施方式中，公开了一种基底织物，例如适用于身体装备的基底织物，其可以使用图案化的多光谱凉爽部件，该多光谱凉爽部件结合到基底织物的朝向外的表面，其中，例如与基底织物相比，多光谱凉爽部件反射紫外光谱、可见光谱和近红外光谱中的太阳光。
所公开的多光谱凉爽材料包括具有朝向外的表面的基底织物，并且在一些实施方式中，具有一个或多个性能特性。结合到基底织物的朝向外的表面的是一个以上多光谱凉爽部件，其中，一个以上多光谱凉爽部件的布置和间隔使得基底织物的一部分未被覆盖并且使得基底材料至少能够保持性能特性的部分特性。这些多光谱凉爽部件由发明人专门开发以提供有助于使穿戴者凉爽的反射、透射和辐射特性(参见例如图4A和图4B)。在实施方案中，所公开的多光谱凉爽部件包含特征平均尺寸小于0.4μm或小于0.25μm的金属氧化物颗粒(例如金红石二氧化钛(TiO2))，以及聚合物粘合剂。
在实施方式中，与基底织物相比，多光谱凉爽材料在到达地球表面的波长内反射的总太阳能增加了大于10％(参见图6)，例如与基底织物相比，多光谱凉爽材料在到达地球表面的波长内反射的总太阳能增加了大于11％、大于12％、大于13％、大于14％、大于15％、大于16％、大于17％、大于18％、大于19％、大于20％、大于21％、大于22％、大于23％、大于24％、大于25％、大于26％、大于27％、大于28％、大于29％、大于30％、大于31％、大于33％、大于34％、大于35％、大于36％、大于37％、大于38％、大于39％、大于40％或甚至大于41％(参见图6)(见表1)。在实施方式中，与基底织物相比，多光谱凉爽材料在到达地球表面的波长内反射的总太阳能增加了大于10％，例如与基底织物相比，多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm的波长范围内反射的太阳能增加了大于11％、大于12％、大于13％、大于14％、大于15％、大于16％、大于17％、大于18％、大于19％、大于20％、大于21％、大于22％、大于23％、大于24％、大于25％、大于26％、大于27％、大于28％、大于29％、大于30％、大于31％、大于33％、大于34％、大于35％、大于36％、大于37％、大于38％、大于39％、大于40％或甚至大于41％(见表1)。更令人惊讶的是，当仅考虑紫外/可见光谱区时，与基底织物相比，所公开的多光谱凉爽材料反射的紫外/可见光太阳能(例如与基底织物相比，在约0.25μm至0.78μm之间的波长内)增加了大于50％(参见表1)。在实施方式中，与基底织物相比，多光谱凉爽材料反射的紫外/可见光太阳能(例如在约0.25μm至0.78μm之间)增加了大于50％，例如与基底织物相比，多光谱凉爽材料在约0.25μm至0.78μm之间的波长范围内反射的紫外/可见光太阳能增加了大于55％、大于60％、大于65％、大于70％、大于75％、大于80％、大于85％、大于90％、大于95％、大于100％、大于125％、大于150％、大于175％、大于200％、大于225％、大于250％、大于275％、大于300％、大于325％或甚至大于347％。开发所公开的材料的最令人惊讶的结果之一是材料可以被调整为在太阳能反射中优于Omni-Heat。例如，如下面实施例2中详述的，发现相对于Omni-Heat织物，使用由TiO2颗粒制成的箔(foil)而得到的材料对总太阳能的反射增加7％。更令人惊讶的是，这种反射在0.25μm至0.78μm之间的紫外/可见光范围内甚至更明显，其中多光谱凉爽材料的实施方式相对于Omni-Heat织物具有24％的反射率增加。
与基底织物相比，多光谱凉爽材料在到达地球表面的波长中透过的总太阳能降低了超过20％(参见表1)。在实施方式中，与基底织物相比，多光谱凉爽材料在到达地球表面的波长中透过的总太阳能降低了超过20％，例如与基底织物相比，多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm的波长范围内透过的太阳能降低了大于21％、大于22％、大于23％、大于24％、大于25％、大于26％、大于27％、大于28％、大于29％、大于30％、大于31％或甚至大于32％(参见表1)。在实施方案中，与基底织物相比，多光谱凉爽材料对近红外波长的透射降低了超过20％，例如与基底织物相比，多光谱凉爽材料在0.78μm至2.5μm的波长范围内透过的太阳能降低了大于21％、大于22％、大于23％、大于24％、大于25％、大于26％、大于27％、大于28％、大于29％、大于30％、大于31％、大于32％或甚至大于33％(参见表1)。同样令人惊讶的是，这种效果在与Omni-Heat的比较中也很明显，其中证明当与Omni-Heat相比时，所公开的多光谱凉爽材料对近红外和总太阳能波长的透射率都降低了大于20％。
除了反射率之外，所公开的多光谱凉爽材料还通过在由穿戴者的皮肤发出或发射的波长范围内增加(相对于基底织物)发射而给穿戴者提供凉爽(参见图10和11)。在实施方式中，与单独的基底织物相比，多光谱凉爽材料在5μm至40μm波长范围内的辐射增加了超过1％(参见表1)，例如与单独的基底织物相比，多光谱凉爽材料在5μm至40μm波长范围内的能量辐射增加了大于1.5％、大于2.0％、大于2.5％或甚至大于3.0％。
所公开的多光谱凉爽部件可以结合到任何颜色的基底织物，这可能会影响在总太阳光谱和紫外/可见光谱中与单独的基底织物相比的反射率百分比的差异。在较小程度上，基底织物的颜色可能对多光谱凉爽材料的透射和发射特性产生影响。因此，根据基底织物的颜色，可以预期在以下方面的一些变化：与单独的基底织物相比，在0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳能反射率；与单独的基底织物相比，在0.25μm至0.78μm波长范围内的太阳能反射率；与单独的基底织物相比，在0.25μm至2.5μm波长范围内的透射率的降低；以及与单独的基底织物相比，在5μm至40μm波长范围内的能量发射。例如，不受理论束缚，当将单独的基底织物与包含多光谱凉爽部件的基底织物比较时，预计黑色基底织物在紫外/可见光和总太阳光谱的反射率百分比方面的差异都将大于白色基底织物。基底织物和包括多光谱凉爽部件的相同基底织物之间的光谱特性以及随后的在反射、透射和发射方面的差异也会取决于多光谱凉爽部件的表面覆盖度、厚度、物理特性和化学组成。
在实施方式中，多光谱凉爽部件10是不连续的箔片阵列，例如白色着色箔。在实施方案中，箔包括反射性金属氧化物和/或准金属氧化物。在特定实施方式中，多光谱凉爽部件包括氧化铝(Al2O3)、氧化硼(B2O3)、氧化铋(Bi2O3)、二氧化铈(CeO2)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO和SnO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)和二氧化锆(ZrO2)中的一种以上。可以加入用以改变能量偏转剂的性能和/或外观的其它有用的能量偏转剂，包括：氧化铬(CrO、CrO2、CrO3、Cr2O3和混合价物质如Cr8O21)、氧化铁(FeO、Fe2O3和混合价物质如Fe3O4)以及氧化锰(MnO、MnO2和混合价物质如Mn3O4)，它们可以单独使用、组合使用或者甚至与上面列出的氧化物组合使用。
氧化物的固溶体也可以单独使用或与其他氧化物如上面列出的那些一起使用。在另一个实施方案中，可以将颜料加入到氧化物、氧化物的固溶体或氧化物的混合物中以改变偏转剂的性能和/或外观，所述氧化物固溶体例如有美国专利6,454,848中公开的那些，所述美国专利在此全文引入作为参考。
在具体实施方案中，多光谱凉爽部件包括TiO2和/或ZnO，由TiO2和/或ZnO组成，或基本上由TiO2和/或ZnO组成。在具体的实施方案中，多光谱凉爽部件可包括按重量计约20％至100％的TiO2，其余部分由上述一种或多种材料构成，例如80重量％的TiO2，60重量％的TiO2，50重量％的TiO2，40重量％的TiO2或20重量％的TiO2。在特定实施方式中，多光谱凉爽部件可包括按重量计约20％至100％的ZnO，其余部分由上述材料中的一种或多种构成，例如80重量％的ZnO，60重量％的ZnO，50重量％的ZnO，40重量％的ZnO或20重量％的ZnO。上述重量(wt)％可以应用于上述其他材料。
一个有趣和意想不到的结果是，与Omni-Heat织物相比，所公开的多光谱凉爽材料的反射、透射和发射特性的波长依赖性非常明显。与Omni-Heat织物相比，所公开的多光谱凉爽材料的实施方案在5μm至40μm波长范围内的能量反射减少66％，并且在该波长范围内的能量辐射增加41％(参见表1)。
在实施方式中，与其他反射材料不同，相对于基底织物，在所公开的多光谱凉爽材料(和由其制成的制品)中使用的多光谱凉爽部件反射紫外、可见和近红外光谱范围内的光。在某些实施方式中，相对于基底织物。多光谱凉爽部件还吸收紫外光谱范围内的太阳光。与这种偏好吸收和/或反射紫外范围内的光的相关的优点之一是它通过破坏紫外线来最小化接触，紫外线已被证明会损害皮肤并可能导致癌症。例如，在实施方式中，如下面详细讨论的，相对于基底织物，多光谱凉爽部件使用反射紫外、可见光和近红外光的白色着色箔，例如TiO2箔。
在实施方案中，多光谱凉爽部件包含白色箔颜料。在实施方案中，多光谱凉爽部件包含金属氧化物。使用具有金属氧化物颜料如TiO2颜料的白色箔以不连续的图案的形式将太阳光线反射离开产品，使产品保持凉爽，并外推至使穿戴者保持凉爽。多光谱凉爽部件反射紫外/可见/近红外中的太阳辐射，从而使基底织物和穿戴者比没有多光谱凉爽部件时更凉爽。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件相对较小，例如为直径1mm的点，以免不适当地干扰基底织物的性能特性。因此，在各种实施方式中，公开了一种基底织物，例如一种用于身体装备的基底织物，其可以使用多个结合到基底织物的朝向外的表面(例如服装最外层的朝向外的表面)的多光谱凉爽部件。在一个实施方式中，不连续图案的多光谱凉爽部件通过反射和减少太阳光谱能量的透射，并且通过与基底织物相比发射出更多的体热来管理体热，同时仍保持基底织物所需的水分和/或传热性能。
参照图1A和1B的实施方式，多个多光谱凉爽部件10以通常的不连续的阵列设置在基底织物20的朝向外的表面上，由此，一些基底织物20暴露在相邻的多光谱凉爽部件10之间。多光谱凉爽部件10的光反射功能通常为远离身体。多光谱凉爽部件还通过抑制太阳能的透射和通过远离身体的皮肤红外辐射的发射而起作用。在各种实施方式中，多光谱凉爽部件10可以布置成单独部件的阵列，而在其他实施方式中，在下面以更大的篇幅讨论，多光谱凉爽部件10可以布置成相互连接的图案。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件10可以采用实心形状或闭环构件的形式，例如圆形、正方形、六边形或其他形状，包括不规则形状。在其他实施方式中，多光谱凉爽部件10的不连续图案可以采用格子、网格或其他相互连接的图案的形式。
通常，基底织物20的朝向外的表面应暴露足够表面积，以提供所需的基底织物性能特性或功能(例如，拉伸性、垂性、质地、呼吸性(breathability)、湿气传递性、透气性(air permeability)和/或芯吸)。例如，如果暴露的基底织物太少，则诸如湿气传递性和/或透气性的性质可能受损，甚至与覆盖百分比不成比例。如本文所用，术语“表面覆盖面积”是指从单元格(unit cell)获得的测量值，例如，单元格可以是包括多个多光谱凉爽部件的区域。在一个实施例中，在不连续阵列的多光谱凉爽部件的织物中的给定点处，单元格是至少1英寸×1英寸的单元格，并且不一定对应于由多光谱凉爽部件覆盖的整个服装的百分比，例如，1英寸×1英寸的单元格，2英寸×2英寸的单元格，3英寸×3英寸的单元格等。在一个实施例中，单元格可以是在给定服装上从接缝到接缝测量的材料的整个外表面。
多光谱凉爽部件10覆盖基底织物20的朝向外的表面的足够表面积，以产生所需程度的光谱管理(例如，当(例如在中午太阳的运行期间)暴露在直射阳光下时，远离身体或其他被覆盖结构等的光反射，有助于减少热量积聚)。可以使基底织物20的朝向外的表面的足够区域暴露，以提供或保持所需的基底织物性能特性或功能(例如，呼吸性、透湿性或透气性或芯吸)。在各种实施方式中，多光谱凉爽部件10可以覆盖基底织物20的足够表面积以实现期望程度的热管理，例如，在各种实施方案中，在特定的单元格(例如1英寸×1英寸的单元格)中，多光谱凉爽部件10的表面覆盖面积为约5-90％、约10-60％、约15-45％、20-35％、20-30％或甚至约33％。在给定的制品或甚至制品的一部分中，多光谱凉爽部件覆盖的表面积可以是一致的，或者可以在制品的区域内或整个区域上有所不同。
在实施方式中，单个多光谱凉爽部件的直径约为1mm，但是可以考虑更大和更小的尺寸。在实施方式中，单个多光谱凉爽部件的直径在约0.1mm至约5.0mm的范围内，例如直径为约0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0mm或其中的任何值或范围。在实施方式中，特定区域中各个多光谱凉爽部件的间距为约0.5mm至约5.0mm，例如约0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0mm或者其中的任何值或范围。如本文所用，直径是距多光谱凉爽部件的中心的平均距离，而与形状无关，例如多光谱凉爽部件的几何中心，例如圆形、三角形、正方形、多边形或甚至不规则形状的中心。本领域普通技术人员能够确定形状的几何中心。
取决于箔的物理特性，例如在箔中颗粒(例如TiO2颗粒)的尺寸和间距，可以透射(与吸收相对)和反射的光谱能量(例如紫外、可见光或红外光谱能量)的量可取决于箔的厚度。因此，在某些实施方案中，例如选择箔和粒度使得透射率最小同时也使厚度最小，以包含成本并产生美学上令人愉悦的材料。在实施方案中，各个多光谱凉爽部件包括白色箔，其中，该箔(例如含有TiO2颜料的箔)的厚度为约0.1μm至约20.0μm厚，例如约0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、15.0、15.5、16.0、16.5、17.0、17.5、18.0、18.5、19.0、19.5或20.0μm厚，或其中的任何值或范围，但也可考虑更小和更大的厚度。
在一些实施方案中，各个多光谱凉爽部件由沉积在由单片金属、金属氧化物和/或准金属氧化物构成的平层上的固体金属氧化物和/或准金属氧化物颗粒组装而成。任何可能穿过颗粒层的光都会被下面的单片反射材料反射回来。在实施方式中，各个多光谱凉爽部件是单片材料，例如金属薄膜或连续板坯。在实施方式中，各个多光谱凉爽部件是一层颗粒，例如，各种类型和尺寸的金属氧化物颗粒。
在实施方案中，多光谱凉爽部件由一组尺寸非均匀的颗粒构成，其平均尺寸范围为小于约250nm至约4,000nm，例如小于250nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm、约550nm、约600nm、约650nm、约750nm、约800nm、约850nm、约900nm、约950nm、约1000nm、约1250nm、约1500nm、约1750nm、约2000nm、约2500nm、约3000nm、约3500nm或约4000nm。粒度分布可以是随机的或非随机的。还优选选择或制备颗粒以包含更少、更大的连续几何区域，例如小平面或晶界。
在某些实施方案中，多光谱凉爽部件包括一种以上粘合剂或其他试剂以将颗粒(例如颜料颗粒)保持在一起。通常，这种粘合剂的含量小于50％的多光谱凉爽部件的总体积，例如小于45％、小于40％、小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于20％、小于15％或甚至小于10％的多光谱凉爽部件的总重量或总体积。
在某些实施方案中，金属氧化物的晶体结构有助于多光谱凉爽部件的反射特性。例如，TiO2可以以两种晶体形式获得，锐钛矿和金红石。因此，在某些实施方案中，多光谱凉爽部件包括锐钛矿TiO2和/或金红石TiO2晶体。通常，金红石颜料优于锐钛矿颜料，因为它们更有效地散射光，且更稳定，并且不太可能催化光降解。
不同于通过吸收可见光而提供不透明性的有色颜料，TiO2和其它白色颜料通过散射光而提供不透明性，这导致用本文公开的材料和织物观察到的反射率。
如本文所公开的，可以选择颜料水平和组成，使撞到织物表面的太阳光(除了少量被聚合物或颜料吸收)向外散射，或者换句话说，被反射。当光通过或接近颜料颗粒时，通过光的折射和衍射实现这种光散射。
高折射率材料(例如白色颜料)能够更好地弯曲光，因此对于本文公开的材料是期望的。例如，与含有低折射率材料的薄膜相比，光在含有高折射率颜料如TiO2的箔中弯曲得更多。结果是光在箔中行进较短的路径并且不会深入穿透。这可以导致具有高折射率颜料的织物(例如本文公开的那些)的热吸收较少。通过使用高折射率材料，例如白色颜料颗粒，与使用低折射率材料相比，需要更薄的薄膜或箔。在某些实施方案中，白色颜料颗粒的折射率为约2.0至约2.75，并且对于某些波长范围甚至更高。
通常，颜料的折射率与分散其的聚合物基质的折射率之间的差异越大，光散射越大。
衍射是影响颜料散射光程度的另一个因素。当光通过颜料颗粒附近时，它会弯曲。通常，对于最有效的光散射，颜料直径应略小于待散射光的波长的一半。另外，颗粒的间距也对衍射有影响。因此，太大或太小的颗粒不能有效地衍射光，而太紧密间隔的颗粒倾向于干扰衍射。因此，粒度和间距的选择是本文公开的材料和织物设计中的重要因素。
多光谱凉爽部件10设置在身体装备的外表面和/或基体织物20的最外表面上，使得它们暴露于环境，这可允许多光谱凉爽部件10例如将太阳光反射远离使用者，同时允许基底织物20充分地发挥其所需的功能。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件10可以发挥这些功能而不会不利地影响基底织物的垂性、手感或其他性质。根据各种实施方式，基底织物20可以是任何形式的身体装备的一部分，例如身体穿戴物(参见例如图1C，其示出了衬衫100，其具有设置在其上的多光谱凉爽部件10的不连续阵列)、毯子、帐篷、雨篷、伞或遮阳物，或任何需要光反射的材料或装备。如本文所用，身体穿戴物包括穿在身上的任何物品，例如但不限于：运动服，如压缩服装、T恤、短裤、紧身衣、袖子、头带等；外套，如夹克、裤子、裹腿裤、衬衫，帽子等；以及鞋类。
在各种实施方式中，多光谱凉爽部件10可设置在具有一种以上所需性质或特性的基底织物20的朝向外的表面上。例如，基底织物20可具有诸如透气性、湿气传递性和/或可芯吸性的性质，这些是在室内和室外应用中使用的身体穿戴物的常见需求。在一些实施方案中，基底织物20可具有其他所需的属性，例如耐磨性、抗静电性、抗微生物活性、防水性、阻燃性、亲水性、疏水性、抗风性、防晒、SPF保护、弹性、抗污性、抗皱性等。在其他实施方式中，多光谱凉爽元件10之间的间隔有助于使基底织物10的朝向外的表面具有所需的垂性、外观和/或质地。合适的基底织物可包括尼龙、聚酯、聚丙烯、人造丝、棉、氨纶、羊毛、丝绸或它们的混合物，或具有所需外观、手感、重量、厚度、织法、质地或其他所需性质的任何其他材料。在各种实施方式中，允许指定百分比的基底织物保持未被多光谱凉爽部件覆盖可使基底织物的该部分发挥期望的功能，同时留下足够的多光谱凉爽部件表面积以将太阳光导向到期望的方向，例如远离用户的身体。
在各种实施方式中，可以使用单层基底织物20，包括：基底织物20，该基底织物20包括其上设置有多光谱凉爽部件10的朝向外的表面，而其他实施方式可以使用多层织物，包括：一层基底织物20，其结合到一个或多个其它层，其中基底织物20是具有朝向外的表面的外层，多光谱凉爽部件10设置在该朝向外的表面上。在某些实施方式中，各个多光谱凉爽部件单独地结合，例如胶合和/或粘合到基底织物。在某些实施方式中，多光谱凉爽部件直接结合到基底织物。
如图1B所示，多光谱凉爽部件10位于基底织物20的最外表面上。在实施方式中，多光谱凉爽部件10反射太阳光、限制太阳能的透射并且发出人体辐射，从而使基底织物20和穿戴者比没有多光谱凉爽部件10时更凉爽。在所示的实施方式中，多光谱凉爽部件10应用于首先使用/施加若干层材料12、14、16和18的制造过程中。在某些实施方案中，所述层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)层12、白色着色层(例如包括TiO2作为主要颜料)14，以及一个以上脱模层16、18。在一些实施方案中，一个以上脱模层包括丙烯酸酯脱模层16，和可选的其他脱模层18，其有助于阻止辊压工艺(roller process)中的胶水穿透箔层14，并且当从基底织物20拉出箔时引起硬脱模。在某些实施方案中，PET的厚度为约5微米至约25微米，例如12微米，并且为约10g/m2至约20g/m2，例如约16.7g/m2。在某些实施方案中，丙烯酸酯脱模层为约0.1至1.0g/m2，例如约0.5g/m2。在某些实施方案中，白色着色层为约10.0至20.0g/m2，例如约12g/m2。
在各种实施方式中，多光谱凉爽部件10可以以各种方式永久地结合到基底织物20，包括但不限于胶合、热压、印刷或缝合。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件10可通过频率焊接(frequency welding)(例如通过射频焊接或超声波焊接)结合到基底织物20。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件10可以利用凹版涂布结合到基底织物。在一些具体的非限制性实例中，凹版涂布工艺可以使用在涂布浴中运行的雕刻辊，其用涂布材料(例如，构成多光谱凉爽部件10的凝胶)填充辊的雕刻点或线。可以使用刀片刮除辊上的多余涂层，然后当涂层在雕刻辊和压力辊之间通过时，涂层可以被沉积在基底(例如，基底织物20)上。在各种实施方案中，凹版涂布工艺可包括直接凹版印刷、反向凹版印刷或差异胶印凹版印刷(differential offset gravure)，并且在各种实施方案中，涂布重量可通过固体百分比、凹版印刷体积、图案深度和/或凹版滚筒的速度来控制。
在各种实施方式中，多光谱凉爽部件可以以图案或连续或不连续的阵列施加。例如，如图2A-2H所示，多光谱凉爽部件可以采用离散的实心或闭环构件阵列的形式，以所需图案粘附或以其他方式固定到基底织物上。已经发现，这样的构造在为使用者提供凉爽的同时仍然允许基底织物发挥所需的性能(例如，呼吸性和拉伸性)。在各种实施方式中，这种不连续的、离散的、分离的多光谱凉爽部件可以采用圆形、三角形、正方形、五边形、六边形、八边形、星形、十字形、新月形、椭圆形或任何其他合适形状。
尽管图2A-2H中所示的实施方式将多光谱凉爽部件示为单独的离散部件，但是在一些替代实施方式中，多光谱凉爽部件中的一些或全部可以布置成使得它们彼此连接，例如条带，波浪线，或矩阵/格子图案或任何其他允许部分覆盖基底织物的图案。例如，如图3A-3F所示，设置在基底织物上的多光谱凉爽部件的构造可以是各种部分或完全连接的部件的形式，并且图案可以组合不连续部件(例如图2A-2H中所示的那些)和互连的几何图案(例如图3A-3F中所示的那些)。在各种实施方式中，多光谱凉爽部件的图案可以是对称的、有序的、随机的和/或不对称的。此外，如下所述，多光谱凉爽部件的图案可以在设置基底织物上的关键位置处，以改善身体穿戴物的性能(参见例如图1C)。在各种实施方式中，多光谱凉爽部件的尺寸和/或间距也可以在身体穿戴物的不同区域中有所不同，以平衡在某些区域中增强的对多光谱反射特性的需求，同时保持基底织物的功能。
在各种实施方式中，多光谱凉爽部件的布置、图案和/或覆盖率可以变化。例如，多光谱凉爽部件可以集中在反射可能更为关键的某些区域(例如，在衬衫或夹克的情况下肩部或躯干的前部和后部)，并且在基底织物性能更为关键或不需要太阳光反射的其他区域(例如，手臂的下侧或手臂所覆盖的躯干的侧面)不存在或极其有限。在各种实施方式中，身体穿戴物的不同区域可具有不同的覆盖率，例如在肩部、背部和胸部处为70％，在手臂的下侧或帐篷(tent)的底部处为5％以下，以帮助优化例如对凉爽和透气性的需求。当然，覆盖位置和比率可以根据服装的类型而改变。例如，用于冲浪的冲浪服可能与用于跑步的衬衫具有不同的覆盖模式。在一些实施方式中，多光谱凉爽部件的覆盖程度可以根据区域凉爽的需求在整个服装上逐渐变化。
在各种实施方式中，多光谱凉爽部件的图案可以是对称的、有序的、随机的和/或不对称的。此外，如下所述，多光谱凉爽部件的图案可以设置在基底织物的朝向外的表面的关键位置处，以改善身体穿戴物的性能。在各种实施方式中，多光谱凉爽部件的尺寸也可以改变，以平衡增强的对多光谱反射特性的需求和保持基底织物的功能。
实施例1
此实施例展示了几种织物的热管理性能的比较，包括Omni-Freeze Zero基底织物(具有Omni-Freeze Zero的100％聚酯蓝色互锁针织物，140gsm)、结合有不连续阵列的多光谱凉爽部件的相同基底织物，以及结合有不连续阵列的银反射部件的相同基底织物(即，Omni热反射)。多光谱凉爽部件作为包含TiO2的白色箔被包括。银反射部件作为包含铝的银箔被包括。多光谱凉爽部件和银反射箔的表面积覆盖率分别为30％。将织物用橡胶带固定在矩形塑料容器(12.5”x 7.5”x 4.25”)的顶部上，该容器约三分之一用水填充。将热电偶固定在每个织物正下方的塑料容器内，并将容器放置在外面以便均匀地暴露在阳光下。将不同织物下的温度作为时间的函数进行测定，如图4A和图4B所示，其分别代表在不同日期和时间收集的数据。具有多光谱凉爽部件的基底织物显著优于没有多光谱凉爽部件的相同基底织物。令人惊讶的是，具有多光谱凉爽部件的基底织物优于具有银反射箔的相同基底织物。简而言之，这些数据提供了可靠的量化支持，并揭示了随着时间的变化，与基底织物相比，太阳能偏转器(SD)更凉爽。出乎意料的是，当将在相同基底织物上具有相同表面覆盖率的太阳能偏转器(SD)与Omni热反射(OHR)织物(银部件)进行比较时，也观察到了同样的结果。
实施例2
此实施例显示了太阳能偏转器(SD)(根据本文公开的实施方案)、基底织物和/或Omni热反射织物之间的光谱反射率、透射率和发射率的直接比较。
如图5所示，测试了太阳能偏转器(SD)、Omni热反射样品和基底织物样品以测量紫外、可见和红外光谱区的反射率。通常根据ASTM E903，使用LPSR 300分光光度计进行紫外、可见和近红外波长范围(0.25<λ<2.5μm)的光谱测量。通常根据ASTM E408，使用具有PikeUpward MID积分球的Nicolet iS50 FTIR分光光度计进行2.5-40μm的光谱测量。每次测量的平均光斑尺寸：对于紫外/可见/近红外(0.25-2.5μm)，矩形光斑约为7.6mm×2mm；对于中红外(MIR)(2.5-40μm)，椭圆光斑约为8.5mm×7.5mm。在两种仪器中，测量光斑尺寸被确定为相对于圆形部件足够大，使得测量值表示多材料(即，纤维和部件)织物表面的光谱响应的平均值。通过考虑每个仪器中取自不同位置的三个样品的测量值之间的偏差验证了这一点。
在每种基底织物、太阳能偏转器和Omni-Heat织物的三个样品上测量光谱反射率和透射率。用于太阳能偏转器和Omni-Heat样品的黑色基底织物是相同的，这使得可以在两种材料之间直接进行比较。两种织物的前表面包含大致相同直径的圆形部件，在织物上均匀间隔，具有约30％的相似表面覆盖率(参见下表)。光学显微镜和ImageJ分析(可通过万维网在imagej.nih.gove/ij/获得)用于测量部件尺寸和表面积覆盖率。百分比覆盖率计算为其中D是圆形部件平均直径，L是单位平方的平均线性距离(L和D的报告值是每个织物样品的12次独立测量的平均值)。
(L和D的报告值是每个织物样品的12次独立测量的平均值)
ASTM G173提供地球表面的太阳光谱。总太阳能在紫外区的分数为3.2％(UVA和UVB，0.28-0.38μm)，在可见光区为53.4％(0.38-0.78μm)，在近红外区为43.4％(0.78-3.0μm)。实际上，所有太阳能都包含在<2.5μm的波长中(见图6)。
玻尔兹曼分布提供了在给定绝对温度下黑体表面发出的辐射(见图7)：在典型的表面温度(0-70℃)下，峰值发射在～10μm处。表面发射比太阳辐射的强度小得多，但宽度广得多。在标称皮肤温度(35℃)下，在5≤λ≤40μm的光谱区内包含了黑体发射能量的约95％。
在图8中示出了黑色基底织物、太阳能偏转器和Omni热反射织物的太阳光谱(0.25≤λ≤2.5μm)反射率。这些测量的反射率数据用于确定下表中所示的加权平均反射率(ρ)和反射能量(Eρ)。
Eρ,UVV是在0.25-0.78μm之间反射的总太阳能。Eρ,s是在0.25-2.5μm之间反射的总太阳能。如图8所示，与Omni-Heat(44.3％)和基底织物(33.1％)相比，太阳能偏转器织物在整个太阳能区域中表现出更高的反射率(47.3％)。在光谱的紫外和可见部分(波长小于约0.78μm)中，最大反射率差异是明显的，其中太阳能偏转器的反射率为30.4％，Omni-Heat为24.5％，基底织物为6.8％。在紫外和可见波长区域中太阳能偏转器(SD)显示出比Omni-Heat或基底织物更高的反射率，而在中红外区域中Omni-Heat呈现出最高的反射率(大于约3μm，参见图5)。
如图9所示，在太阳光谱的红外部分中，太阳能偏转器的透射率低于Omni-Heat。这将导致更少的太阳辐射到达穿戴者的皮肤。
加权的平均透射率(τ)和透射能量(Eτ)值显示在下表中。
Eτ,NIR是在0.78-2.5μm之间的近红外区域中透过的总太阳能。Eτ,s是在0.25-2.5μm之间的全太阳光谱中透过的总太阳能。在近红外，太阳能偏转器的总平均透射率为13.6％，Omni-Heat的总平均透射率为17.8％。
图10显示了在中红外(MIR)光谱区域(5≤λ≤40μm)的反射率，图11显示了在中红外(MIR)光谱区域(5≤λ≤40μm)的发射率，该区域对应于人体皮肤的发射。如图10和11所示，太阳能偏转器在与人体皮肤发射相对应的波长处具有比Omni-Heat更低的反射率和更高的发射率。因此，Omni-Heat将反射更多的身体能量，并且相比之下，太阳能偏转器通过发射更多的红外能量将比Omni-Heat更有效地使自身凉爽。
来自皮肤在35℃下的加权的平均反射率(ρ皮肤)和反射能量(Eρ,皮肤)值，以及织物在35℃下的加权的平均发射率(ε织物)和发射能量(Eε,织物)值显示在下表。
皮肤反射计算假定皮肤在35℃的温度下发射，如在中红外(MIR)中的灰体一样，发射率＝0.985。因此，Eρ,皮肤代表从皮肤反射的在5～40μm波长之间的总能量。根据基尔霍夫定律，光谱发射率(ε(λ))等于光谱吸收率(α(λ))。对于5≤λ≤40μm，织物名义上是不透明的(τ＝0)，因此α(λ)＝1-ρ(λ)，＝ε(λ)。
将上述测定值转换为百分比差异，如下表所示。
表1.太阳能偏转器(SD)的能量交换比率
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。

Claims (28)

1.一种适用于身体穿戴物的多光谱凉爽材料，其中，所述多光谱凉爽材料包含：
基底织物，所述基底织物具有朝向外的表面和性能特性；以及
一个以上多光谱凉爽部件，所述一个以上多光谱凉爽部件结合在所述基底织物朝向外的表面，所述一个以上多光谱凉爽部件的布置和间隔使得所述基底织物的一部分未被覆盖并且使得所述基底材料能够至少保持所述性能特性的部分特性，
其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至0.78μm波长范围内反射的太阳能增加了超过50％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内透过的太阳能减少了超过20％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在5μm至40μm波长范围内的能量辐射增加了超过1％。
2.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内反射的太阳能增加了超过10％。
3.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内反射的太阳能增加了超过30％。
4.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至0.78μm波长范围内反射的太阳能增加了超过200％。
5.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内透过的太阳能减少了超过30％。
6.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在5.0μm至40μm波长范围内的能量辐射增加了超过2％。
7.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，所述多光谱凉爽部件包含白色着色箔。
8.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，所述多光谱凉爽部件包含金属氧化物。
9.根据权利要求8所述的多光谱凉爽材料，其中，所述金属氧化物包含TiO2、ZnO或它们的组合。
10.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，在至少一个1英寸×1英寸单元格中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积为所述基底织物朝向外的表面的约15％至约90％。
11.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积在所述多光谱凉爽材料的不同区域有所不同。
12.根据权利要求1所述的多光谱凉爽材料，其中，单个多光谱凉爽部件的直径为约0.1mm至约5.0mm。
13.一种身体穿戴物的制品，其中，所述制品包含多光谱凉爽材料，所述材料包含：
基底织物，所述基底织物具有朝向外的表面和性能特性；以及
一个以上多光谱凉爽部件，所述一个以上多光谱凉爽部件结合在所述基底织物的朝向外的表面，
其中，所述一个以上多光谱凉爽部件的布置和间隔使得所述基底织物的一部分未被覆盖并且使得所述基底材料至少能够保持所述性能特性的部分特性，
与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至0.78μm波长范围内反射的太阳能增加了超过50％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内透过的太阳能减少了超过20％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在5.0μm至40μm波长范围内的能量辐射增加了超过1％。
14.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内反射的太阳能增加了超过10％。
15.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，所述多光谱凉爽部件包含白色着色箔。
16.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，所述多光谱凉爽部件包含金属氧化物。
17.根据权利要求16所述的身体穿戴物的制品，其中，所述金属氧化物包含TiO2、ZnO或它们的组合。
18.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，在至少一个1英寸×1英寸单元格中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积为所述基底织物朝向外的表面的约15％至约90％。
19.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积在所述身体穿戴物的制品的不同区域有所不同。
20.根据权利要求13所述的身体穿戴物的制品，其中，单个多光谱凉爽部件的直径为约0.1mm至约5.0mm。
21.一种制备多光谱凉爽材料的方法，其中，所述方法包括：
选择基底织物，所述基底织物具有朝向外的表面和性能特性；以及
将一个以上多光谱凉爽部件结合到所述基底织物朝向外的表面，其中，所述一个以上多光谱凉爽部件的布置和间隔使得所述基底织物的一部分未被覆盖并且使得所述基底材料至少能够保持所述性能特性的部分特性，
其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至0.78μm波长范围内反射的太阳能增加了超过50％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内透过的太阳能减少了超过20％；与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在5.0μm至40μm波长范围内的能量辐射增加了超过1％。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，与单独的基底织物相比，所述多光谱凉爽材料在0.25μm至2.5μm波长范围内反射的太阳能增加了超过10％。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多光谱凉爽部件包含白色着色箔。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多光谱凉爽部件包含金属氧化物。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述金属氧化物包含TiO2、ZnO或它们的组合。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，在至少一个1英寸×1英寸单元格中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积为所述基底织物朝向外的表面的约15％至约90％。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多光谱凉爽部件的表面覆盖面积在所述多光谱凉爽材料上有所不同。
28.根据权利要求21所述的方法，其中，单个多光谱凉爽部件的直径为约0.1mm至约5.0mm。
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