男士針織內衣熱性能的測量與分析

段杏元， 胡源盛

(1. 江蘇理工學院 藝術設計學院， 江蘇 常州 213001； 2. 康奈爾大學 人類生態學院， 美國 紐約 14850)

男士針織內衣熱性能的測量與分析

段杏元1， 胡源盛2

(1. 江蘇理工學院 藝術設計學院， 江蘇 常州 213001； 2. 康奈爾大學 人類生態學院， 美國 紐約 14850)

為探明服裝內空氣層體積對男士針織內衣熱性能的影響，并比較發熱內衣與普通純棉內衣熱性能的差異，使用站立式暖體出汗假人分別對男士發熱內衣及純棉內衣的熱阻與濕阻進行了測量，分別建立了2種內衣的空氣體積與熱阻和濕阻之間的多項回歸模型。結果表明：在所測內衣尺碼范圍內，發熱內衣的熱阻和濕阻均逐漸增大，但二者的增加率均先增大后減小；而普通純棉針織內衣的熱阻和濕阻則先增大，達到一定值后逐漸減小；通過比較發現普通純棉針織內衣的熱阻和濕阻均高于相應尺碼的發熱內衣，但其透濕指數則小于相應尺碼的發熱內衣，說明發熱內衣的熱舒適性優于普通純棉針織內衣。

發熱內衣； 純棉針織內衣； 熱阻； 濕阻； 透濕指數； 熱舒適性； 空氣層體積

服裝與人體之間的空氣層體積是影響服裝熱性能的重要因素。服裝內空氣層體積對其熱舒適性的影響已有實驗性研究。如Psikuta 等[1]認為寬松服裝的空氣層體積要比緊身服裝的大。McCullough E A 等[2-3]使用站立式假人分別對2條寬松長褲和2條緊身長褲的熱阻進行了測量，結果發現寬松長褲比緊身長褲的熱阻要大，且發現服裝內空氣層體積是決定服裝熱阻的一個重要因素。Havenith 等[4]分別測量了緊身服裝和寬松服裝熱阻，并得出了和McCullough等[2-3]相似的結論。Chen等[5]則使用出汗假人研究了夾克的放松量與其熱阻與濕阻的關系，發現當空氣層體積較小時，夾克的熱阻和濕阻均隨空氣層體積的增加而增大。有關服裝空氣層體積對服裝熱舒適性的影響，已有研究大部分集中于對服裝熱阻的測量，只有少部分進行了濕阻的測量，且缺乏對功能性發熱內衣的研究。事實上，不同織物對服裝熱性能是有一定影響的[6]。本文研究以功能性男士發熱針織內衣及普通純棉針織內衣為研究對象，使用暖體出汗假人[7-9]對二者的熱阻和濕阻進行測量，并對其熱舒適性能進行比較研究。同時測量了內衣與假人表面的空氣層體積，用以探明2種不同內衣與假人間的空氣體積對各自熱阻和濕阻的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗用內衣

為研究服裝內空氣層體積與服裝的熱阻和濕阻之間的關系，選取并制作尺碼為M、L、XL、XXL的男士發熱針織內衣(由遠紅外發熱面料制成)和普通純棉針織內衣各4件進行測量。2種內衣的面料不同，但款式一致。4種尺碼的內衣中，M為合體型，L為較合體型，XL和XXL為寬松型。

由于不同纖維力學性能各異，其服裝成形性也不同，因此有必要對2種內衣面料的力學性能進行測量。表1示出2種不同針織內衣面料的組成與力學性質。其中織物的厚度由FAST-1型織物厚度測量儀在低負荷(196 Pa)下進行測量，彎曲剛度使用FAST-2型彎曲剛度測量儀測量，織物自身的熱阻則由PREMETEST織物熱阻測量儀測量完成。

表1 實驗用內衣的力學性能Tab.1 Physical characteristic of experimental underwear

注：試樣的織物組織均為緯平針。

所有內衣均為圓領長袖針織內衣，為使假人的穿著方便，均在后背中心處裝有拉鏈。為使得不同的空氣層體積，2種內衣均隨尺碼的增大在胸圍、腰圍、肩寬指標上逐漸增加，但領圍、袖長、衣長保持一致。內衣各部位尺寸如表2所示。

表2 實驗用2種內衣各部位的測量Tab.2 Measurements of experimental underwear

1.2 實驗用暖體假人

本文研究中使用站立式出汗假人Walter[8]直接測量發熱內衣的總體熱阻和濕阻。測量時假人上半身穿著不同內衣，而下半身則穿著相同的緊身長褲。

1.3 三維人體掃描儀

測量使用三維人體掃描儀VITUS，該掃描儀能生成高精度的人體圖像。參照ISO 20685:2005《國際間比較人體測量數據庫的三維掃描方法》，測量前使用一個圓柱形管(高2 100 mm，直徑110 mm，平均最大周長誤差不超過1 mm)對掃描儀進行校正。測量在(25±2)℃的溫度環境下進行。

為方便掃描，人體掃描使用的是另一個站立式假人(形態尺寸特征與假人Walter完全一致)。假人足部離地，從頭部進行固定，并可沿著固定點前后左右轉動，分別對假人裸體時和著裝時進行測量。先進行假人的裸體測量以獲得其裸體的形態尺寸和體積，再分別穿著2種不同的內衣進行測量以獲得穿著服裝后的形態尺寸和體積。為獲得可靠的測量數據，每次測量都從假人的不同角度進行3次掃描。

1.4 熱阻濕阻及透濕指數的確定

參考ASTM F1291—2010a《使用暖體假人測量服裝熱阻的標準測試方法》可獲得熱阻It的計算公式

式中：It為熱阻， ℃·m2/W；As為假人的總面積，1.79m2；Ts為面積加權平均皮膚溫度， ℃；Te為環境溫度， ℃；Hd為假人的干熱損失，等于總熱損失減去蒸發熱損失[10]，W。

濕阻的計算公式則可參考ASTMF2370—2010《使用出汗假人測量服裝濕阻的標準測試方法》獲得

式中：Re為濕阻，Pa·m2/W；Pss為皮膚溫度下飽和水分蒸汽壓，Pa；Pas為環境溫度下飽和水分蒸汽壓，Pa；Ra為環境相對濕度，%；Res為皮膚濕阻，8.6Pa·m2/W[6]；He為蒸發熱損失，W；He=λQ， 其中Q為出汗率，λ為蒸發熱。

有了熱阻和濕阻的值，透濕指數im可根據標準ISO9920:2007《環境人類工效學·服裝隔熱和抗蒸發的評定》進行計算，見下式：

1.5 內衣與假人間空氣層體積的確定

空氣層體積[11]可應用Geomagic軟件計算著裝后假人體積與裸體時假人體積的差值獲得。其計算公式為

Vair=Vcl-Vbody

式中：Vair為內衣與假人之間的空氣層體積，cm3；Vcl為著裝假人的體積，cm3；Vbody為裸體假人的體積，cm3。

1.6 熱阻和濕阻測量方案

測量實驗在恒溫恒濕的人工氣候室進行，環境溫度和相對濕度分別為(25±2)℃，(65±5)%。測量過程中假人的平均皮膚溫度均維持在35 ℃。且測量前所有實驗用內衣都在人工氣候室放置24 h。在進行測量時所有內衣均測量3次，且在下一次測量時都需先脫下再重新穿上后進行測量。熱阻與濕阻的測量至少經過8 h，待內衣水分積聚速度穩定后取其測量值。

2 結果與討論

2.1 不同內衣熱阻與濕阻及透濕指數分析

表3示出2種不同內衣的熱阻、濕阻、透濕指數及空氣層體積的測量與計算結果。

表3 2種內衣的熱阻、濕阻、透濕指數及空氣層體積Tab.3 Thermal insulation evaporative resistance and permeability of underwear with different air gap volumes

對發熱內衣而言，在測量范圍內，其總體熱阻及濕阻隨尺碼的增大均逐漸增加，但熱阻與濕阻的變化有所差異。對熱阻來說，當尺碼從M增加到XL時，其增加較為明顯，但從XL到XXL時，其增加率逐漸減小。這是因為在一定測量范圍內，隨內衣尺碼的增加，服裝內空氣層厚度也增大，由于靜止的空氣有較好的熱阻，再加上內衣面料吸收紅外線后能產生熱量，使得內衣整體的熱阻有所增加，但隨空氣層體積的增大，由空氣對流產生的熱損失也逐漸增加，因此熱阻的增加率會逐漸減小。從表3同樣也能看到，當尺碼從M增加到L時，濕阻的增加較為明顯，但從L增加到XXL時，其增加率逐漸減小。

對普通純棉內衣而言，熱阻和濕阻均隨尺碼的增加而增大，但當內衣尺碼增加到XL時，開始隨尺碼的增大而減小。這是因為隨著尺碼的增加，內衣中靜止的空氣層逐漸增大，當空氣層厚度達到一定值時，伴隨著內衣開口部位(如下擺等)的增大，由空氣對流產生的熱損失也逐漸增加，導致其熱阻與濕阻的下降。

對2種內衣的熱阻和濕阻進行比較發現，當內衣尺碼相同時，普通純棉針織內衣的熱阻要大于發熱內衣。盡管表1顯示發熱內衣面料的熱阻大于普通內衣面料，但從表3能看出，同樣尺碼下，普通內衣的比發熱內衣的要大，這使得普通內衣所包含的靜止空氣要多，因此其熱阻也大。從表3還能看出普通內衣的濕阻也大于相應尺碼的發熱內衣的濕阻，這與內衣面料的纖維組成有很大關系，普通內衣由100%棉纖維制成，其吸濕性較好，濕阻也大。

為進一步比較2種內衣的熱舒適性，有必要對二者的透濕指數進行計算和分析。發熱內衣的透濕指數均高于同樣尺碼的普通內衣的透濕指數，且在XL時，2種內衣的透濕指數差別非常明顯，說明發熱內衣的熱舒適性能比普通純棉內衣要好。且發熱內衣的透濕指數在M時最大，在L時最小，說明內衣在M時其熱舒適性最好，此時所對應的空氣層體積為1 888 cm3，說明內衣的熱阻與濕阻是影響其熱舒適性能的重要因素。

2.2 內衣與假人皮膚間空氣層體積分析

如表3所示，普通純棉內衣的空氣層體積均大于相應尺碼的發熱內衣的空氣層體積。這主要是因為織物的力學性能如質量、彎曲剛度、懸垂性等均會影響到服裝的外觀狀態，也就會影響到服裝內空氣層的厚度，因此，即使是相同尺碼的內衣，所使用的面料不同，空氣層的體積也會有所不同。對這2種內衣來說，織物面密度與厚度的比值基本一致，但普通純棉內衣織物的彎曲剛度明顯大于發熱內衣織物，因此純棉內衣織物的懸垂性也相對較小，導致其空氣層體積偏大。

2.3 空氣體積與熱阻和濕阻的關系

2.3.1 空氣層體積與熱阻的關系

內衣內空氣層體積與內衣熱阻的關系如圖1所示。從圖1及表3可看出，在內衣測量范圍內，發熱內衣總體熱阻雖隨內衣尺碼增加，但從M到XL增加較快，從XL到XXL增加則變得緩慢，增加率逐漸減小。而普通純棉內衣的總體熱阻則表現為先增大后減小。為進一步分析空氣層體積對內衣熱阻的影響，分別建立了空氣層體積與2種內衣熱阻之間的多項式回歸模型。

對發熱內衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.97,p<0.05)所示：

y=0.131 3-6×10-10x2+8×10-6x

式中：y為內衣的總體熱阻；x為內衣與假人之間的空氣層體積。

對普通純棉內衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.94,p<0.05)所示：

y=0.143 7-9×10-11x2+2×10-6x

式中：y為內衣的總體熱阻；x為內衣與假人之間的空氣層體積。

從回歸模型可看出，2種內衣的熱阻在一定空氣層體積范圍內均會逐漸增加，但當空氣層體積達到一定值后，熱阻會隨其增大而減小。

2.3.2 空氣層體積與濕阻的關系

圖2示出內衣內空氣層體積與濕阻的關系。

從圖2和表3可看出，在內衣測量范圍內，發熱內衣濕阻在逐漸增加，但從M到L增加較快，從L到XXL增加則變緩，增加率逐漸減小。普通內衣的濕阻則先增加后減少。為進一步分析空氣層厚度對2種內衣濕阻的影響，建立了2種內衣空氣層體積與濕阻之間的多項回歸模型。

對發熱內衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.98,p<0.05)所示：

y=19.148-1×10-7x2+0.001 7x

式中：y為內衣的濕阻；x為內衣與假人表面之間空氣層體積。

對普通純棉內衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.92,p<0.05)所示：

y=19.021-2×10-7x2+0.002 5x

式中：y為內衣的濕阻；x為內衣與假人表面之間空氣層體積。

從回歸模型可看出，2種內衣的濕阻在一定空氣層體積范圍內增加，當空氣體積達到一定值后，濕阻均會隨著空氣體積的增大而減小。

3 結 論

1)在所測空氣層體積范圍內，發熱內衣的熱阻和濕阻雖然都在逐漸增加，但對熱阻而言，從M到XL增加較為明顯，而從XL到XXL增加較為平緩，增加率在逐漸減小；對濕阻來說，從M到L增加較為明顯，但從L到XXL增加較為平緩，增加率也在逐漸減小。而普通純棉針織內衣的熱阻和濕阻均從M開始增加，到達XL則開始減少。

2)發熱內衣的透濕指數均大于相應尺碼的普通純棉針織內衣的透濕指數，說明發熱內衣的熱舒適性優于普通純棉針織內衣。

3)從所建立的回歸模型來看，2種內衣的熱阻與濕阻均隨空氣層厚度的增加而增大到最大值，而后再逐漸減小，這與空氣層體積的增加導致空氣對流的增強而使得熱損失增大是有很大關系的。進一步研究表明，發熱內衣的透濕指數在M時最高，說明尺碼為M的內衣穿著舒適性最好，此時所對應的空氣層體積為1 888 cm3。

后續研究還要進一步對發熱內衣的舒適性及美觀性進行評價，以確定發熱內衣舒適性與美觀性兼顧的內衣放松量的設計。

FZXB

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Measurement and analysis on thermal properties of
men′s knitted underwears

DUAN Xingyuan1, WU Yuenshing2

(1.SchoolofArtDesign,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou,Jiangsu213001,China;2.CollegeofHumanEcology,CornellUniversity,NewYork14850,U.S.A)

To research influence of air volume under clothing on thermal properties of men′s underwear, a standing sweating fabric manikin was used to measure the thermal insulation and the evaporative resistance of body heat underwear and regular cotton underwear, and the thermal comforts of the both were compared. Two polynomial regression equations were established separately to predict the thermal insulation and the evaporative resistance from air gap volumes. The results proved that the thermal insulation and the evaporative resistance of the body heat underwear gradually increase with the underwear size within the measurement range, but the increase rates of the both increase first and then decrease, while the thermal insulation and the evaporative resistance of the regular underwear increases first and then decrease when reaching a certain value. Further study shows the thermal insulation and the evaporative resistance of regular underwear is higher than those of the body heat underwear of the same size, but the moisture permeability index of the regular underwear is smaller than that of the body heat underwear, which shows the thermal comfort of the body heat underwear is better.

body heat underwear; regular cotton underwear; thermal insulation; evaporative resistance; moisture permeability; thermal comfort; air gap volume

10.13475/j.fzxb.20151103405

2015-11-17

2016-07-13

2014年江蘇省教育廳高校哲學社會科學基金項目(2014SJB441)；2014年江蘇省“青藍工程”資助項目(KYQ14506)

段杏元(1974—)，女，副教授，博士。主要研究方向為服裝舒適性與合身性。E-mail：dxy0126@163.com。

TS 941.17

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