冬季保暖服結構對其舒適性能的影響研究

劉秀龍,莊梅玲,商 蕾

(青島大學 紡織服裝學院,山東 青島266071)

中國北方地區冬天溫度偏低,南方地區溫度稍高但如果缺少良好的保暖設備也算比較寒冷。在寒冷的冬天,若沒有做好防護措施會很容易凍傷,甚至有生命危險。保暖服作為重要的防護措施之一,成為了人們必不可少的裝備之一。

綜合國內外對防寒保暖服的研究來看,國外學者以隔熱指標、方程式的推導及其他學科的結合為主要研究對象[1],隔熱指標如熱阻、熱歐姆以及克羅值的建立[2],方程式的推導如Mocullough等學者的研究,結合的學科主要有生理學、氣候學、心理學、環境科學等[3-4]。國內對防寒服的研究始于20世紀60年代,主要圍繞服裝內空氣層、保暖性能評價方法、服裝材料、款式結構的設計等方面展開。從這些研究可以看出,針對保暖服結構與性能展開的研究相對較少,現從實際出發,結合前人研究成果對市場上常見的保暖服造型、層數和層放量、開口結構及其他細部結構與保暖性的關系展開研究。

1 舒適性理論基礎

1.1 保暖機理

人屬于恒溫動物,保持人體溫度的相對恒定可以維持人體正常生命活動。人體平均溫度在36～37℃之間,體溫過高或過低都會影響人體的各項機能,嚴重時會危及生命。人體溫度由人體產熱量與散熱量決定。產熱量主要由人體的新陳代謝活動決定,散熱則主要通過熱傳導、對流、輻射和蒸發等途徑進行。保持體溫穩定需要產熱量與散熱量達到相對平衡的狀態。除此之外,環境溫度與服裝保暖能力也是主要影響因素。在寒冷條件下,服裝可以抑制體熱的散發,通過形成服裝內氣候和服裝空氣層起到保暖作用。

從人-服裝-環境系統分析,影響服裝保暖性的因素主要有:(1)人,即人體的運動與姿勢;(2)服裝,包括覆蓋面積、衣下空氣層、服裝的開口、服裝的層數次序、服裝的重量、服裝的組合搭配形式及服裝的材料(織物的厚度、紡織材料的密度、紡織纖維的導熱系數、衣料的彈性和縮水性、表面粗糙度、織物污漬以及特殊處理)等;(3)環境,包括風速、濕度、氣壓等。

1.2 透濕機理

服裝的透濕性也是影響舒適性的主要因素之一。一般來說,服裝內氣候的相對濕度在40%～60%之間時人體最為舒適。服裝主要通過水蒸汽的擴散和凝結、液態水的傳輸和蒸發進行濕傳遞。如果服裝透濕性差,體內及服裝內的水蒸汽與液態水無法及時排出體外,導致衣內相對濕度增加,回潮率上升,傳導熱阻下降,從而降低服裝保暖效果。

服裝透濕性的評價指標主要有濕阻與透濕指數。影響服裝透濕性能的因素主要有環境濕度、風速、人體運動、服裝的隔熱值、服裝的透氣性及服裝材料的吸濕性等。

2 保暖服結構分析

2.1 長度與廓形

2.1.1 長度

服裝的覆蓋面積是影響保暖性的因素之一,保暖服通過長度影響覆蓋面積來影響服裝性能。理論上講,在其他因素不變的情況下,服裝越長,覆蓋面積越大,則服裝的熱阻值越大,阻礙人體向外散發熱量的能力就越強,服裝越保暖。市場上的保暖服根據長度可劃分為3類:長款、中長款和短款。在北方等多風寒冷地區,中長款和長款具有較高的市場占有率。

2.1.2 廓形

服裝的廓形以字母劃分,主要有 H型、A型、O型、X型、V型等。這幾種廓形在保暖服上的區別主要體現在放松量、開口結構與腰部設計等方面。

(1)H型保暖服上下加放量接近,不存在或很少存在省道或分割線等,線條簡潔流暢,衣片數量構成相對較少,是最為常見的保暖服廓形,具有很好的保暖效果。

(2)A型和O型都是下擺開口較大的類型,但由于下擺開口易形成風箱效應,對服裝保暖性的影響不大,A型還在領口處設計較小的開口、在上半身設計較小的加放量并在腰部進行收腰設計,都有效地減少了服裝內空氣的流動,保證了服裝整體的保暖性。

(3)X型和V型共同點是領部開口較大或上半身較為寬松,由于領部開口形成煙囪效應會加快服裝內熱量的散失,所以保暖效果相對較差。

2.2 層數與層序

2.2.1 層數

冬季服裝的穿著通常采用多層次搭配的方案,科學的多層次搭配結構,可以根據穿著者的活動量大小和氣候的變化,通過增加或減少層次的方法來調節穿衣量。

服裝的保暖性由服裝本身及其周圍空氣層決定。多層服裝組合后,由于空氣層擠壓變薄,整體熱阻要小于各單件熱阻之和。若套穿層數較少,可增加服裝層數,服裝本身厚度增加提高的熱阻要明顯高于周圍空氣層擠壓減小的熱阻,所以整體保暖性會提高。若超過一定范圍,則周圍空氣層減小的熱阻會大于服裝本身提高的熱阻,整體保暖性會降低。一般情況下,服裝層數以3～5層為最好。

2.2.2 層序

李東平對緊身的羊毛衫與寬松的襯衫利用不同的穿著層序做了對比測試,發現羊毛衫外穿襯衫的熱阻值要比襯衫外穿羊毛衫提高了22%[5]。一般內層服裝較輕薄,越外層服裝越厚重,對人體及內層服裝產生的壓力就越大。采用內緊外松的穿著方式,外層服裝產生的壓力相對較小,整體的空氣層含量及分配合理,內層服裝緊身導致內層空氣層本身空氣含量就少,不存在受壓明顯減少的情況,并且最內層空氣層相對穩固,皮膚不會有直接且明顯的冷感。

2.3 加放量

通常說“量體裁衣”,在選擇服裝時我們會選擇合體服裝。過緊的服裝會阻礙血液循環,壓迫身體,從而影響生理活動的正常進行。同時,過緊也會導致服裝內靜止空氣含量不足,不利于保暖,也不利于體表水分的蒸發,產生悶熱感與心理上的不適。

服裝的熱阻在空氣層達到3.5 mm后逐漸趨向于穩定[6],在5～15 mm之間服裝的熱阻最大,保暖性最好,超過15 mm保暖性會有所下降[7]。所以服裝過松,在人體運動過程中或在寒風吹來時會造成大面積的空氣流動,帶走人體熱量,降低服裝保暖性。

2.3.1 靜態加放量

人體結構較為復雜,在研究保暖服放松量時可將人體看做標準圓柱體這種理想化模型[8]。采用160/84 A作為中間體進行加放量推算,選擇4層服裝分層(內衣、秋衣、毛衣、保暖服)和內緊外松的形式,對各層服裝進行靜態加放量設置:皮膚-內衣為2 mm,內衣-秋衣為3 mm,秋衣-毛衣為5 mm,毛衣-保暖服為5 mm。通過對日常穿著各層服裝進行厚度測量,求得平均值并進行厚度設置:內衣2 mm,秋衣2.15 mm,毛衣5.7 mm,保暖服25.5 mm。根據公式[9]進行靜態加放量推算:

靜態加放量推算結果見表1。

2.3.2 動態加放量

服裝在進行結構設計時,除了要考慮人體靜態過程,還要考慮人體的動態特征,尤其是對重點關節部位的運動方向和可移動范圍進行分析。

如圖1所示,人體皮膚的伸長主要集中在膝、肘、肩、臀等部位,尤其是膝部和肘部,因為膝關節和肘關節的存在,這兩個部位變化幅度較大,所以在上裝設計時要重點加大肘部的放松量,在下裝設計時,要重點加大膝部的放松量。

表1 靜態加放量推算表單位:mm

關節的運動形式有4種,即屈伸、內收外展、旋轉和環轉運動。通過測試發現,由于關節運動引起變化最大的部位是后腋點和臀部中央,與之對應的就是胸圍與臀圍的變化。滑雪服的延伸率在35%～50%之間,我們將冬季保暖服的延伸率設置為30%。根據胸圍=凈胸圍×(1+延伸率),可知冬季保暖服外套的動態胸圍為109.2 c m,將其設置為108 c m,加放量達到了24 c m。

2.4 開口結構

2.4.1 領部開口

領部開口方向向上,容易引起煙囪效果,如圖2(a)所示。所以領部通常會采用閉合的立領或翻折領來阻止熱量的散失,高度往往為6～8 c m。除此之外,為了便于穿脫,防寒保暖服裝大多采用前開口的設計,與拉鏈式門襟相結合。

常見領部開口形式如圖2(b)所示,第1種結構防風防寒性能最弱,第2種結構添加高于拉鏈頭的里襟,在增強防風防寒性能的同時避免了拉鏈接觸人體。但缺點是結構不穩定,暴露的拉鏈使用壽命會降低。第3種結構采用了雙襟設計,解決了前2種結構存在的問題,是目前采用最多的較為科學的開口結構。同時,為了對頭部和面部也起到一定的保暖作用,防寒保暖服往往會采用連帽設計或可拆卸帽設計。

2.4.2 肩部開口

肩部開口方向水平。為了增加保暖性,會盡量減少保暖服縫隙的存在,在肩部結構中通常采用無分割縫的形式,常見形式如圖3所示。這些結構共有的特點是采用一片袖的插肩袖設計,前后片無接縫,或將接縫轉移到分割線中。在具體的設計中,通常將袖子、衣身、背寬結合在一起進行紙樣處理。除此之外,在袖窿底部或側縫處會采用拉鏈開口或三角片拼接設計,起到調節服裝內熱濕平衡、透氣保暖的作用。

2.4.3 下擺

下擺開口方向向下,易形成風箱效應,如圖4所示。下擺開口可以促進換氣,增加散熱量,但由于散熱量相對較少且人體活動的需要可適當開大。通常短款會用松緊帶、羅紋口等收口,中長款會用調節袢、繩帶等,便于人為調節。

2.4.4 袖褲口開口

袖口是水平開口,褲口是下向開口,如圖5(a)、(b)所示。大多數情況下袖褲口會采用收口的形式,通常采用調節袢和拉鏈等來調節大小。常見的袖褲口設計如圖5(c)所示:(1)是采用松緊帶,(2)是采用羅紋口,這2種方式都具有良好的彈性和保暖效果,可以根據人體開口部位的大小自動進行收縮調節;(3)和(4)都是采用了調節袢,可以人為調節開口的大小及松緊程度,更加具有主觀能動性;(5)則是采用了拉鏈,除了可以人為調節之外,還具有透氣功能。

2.5 口袋與腰帶

2.5.1 口袋

口袋是保暖服中常見的結構之一,通常數量為2～4個,位置主要設置在胸前或腰部?？诖淖饔贸朔胖梦锲芬灿斜Ｅ淖饔?保暖服中的口袋主要對手部起到保暖作用。根據市場調查,保暖服局部(尤其是手足)保暖不足是很大的一個問題,所以為了對手部進行防護,為了方便手插入口袋,會在人體前中線和肋線之間確立袋口位置和高度,以手掌圍的最大值確立袋口的基準值,并且采用斜插袋的方式,這些設計都更符合人體結構。

2.5.2 腰帶

腰帶除了美觀外也具有功能性。中長款和長款保暖服會設計腰帶,通過對腰部收緊可以將上下半身進行分隔,減少空氣流動,增加保暖性。

3 保暖服著裝試驗

3.1 試驗設定

服裝性能的測試主要有主觀評價法、客觀數據分析法和暖體假人法,這3種方法可從生理和心理上對服裝的舒適性做出評價?，F用主觀心理評價法來對服裝的2個影響因子長度與加放量導致的性能上的差異進行分析。

服裝長度設置3種水平:短、中長、長,并分別給其賦值為1、2、3,服裝加放量也設置3種水平:緊身、合體、寬松,也分別給其賦值為1、2、3。這2個因子進行排列組合,一共9種情況:短緊身、短合體、短寬松、中長緊身、中長合體、中長寬松、長緊身、長合體、長寬松。根據這9種排列選取市場上已有的9款羽絨服,選取9名同學進行測試。

試驗統一指標:

(1)測試服裝 9款羽絨服除了長度與加放量以外,其他地方都相似。

(2)測試人員 9名女性身高160～165 c m,體重50～60 kg,年齡22～24周歲,身體健康狀況良好。

(3)測試條件 測試當晚氣溫6℃,空氣濕度為65%,有風。測試地點為有風的室外,測試方法是站立測試,每款保暖服測試時間為3 min。

(4)主觀測試指標,見表2。

3.2 試驗數據分析

對試驗數據求平均值,均值匯總見表3。用SPSS軟件對主觀感覺、悶熱感、風冷感、壓力感、厚重感及精神狀態6個指標分別與長度和加放量做相關分析,相關關系見表4。對相關性較大的做曲線回歸分析并采用0.05的置信度,得出回歸關系式與回歸關系圖[11],如圖6所示。

從以上試驗可以看出,冬季保暖服的長度和加放量會影響服裝的舒適性。其中,長度主要影響服裝的保暖性和風冷感,服裝越長,覆蓋面積越大,則保暖服就會越加保暖;加放量則主要影響服裝的壓力感和測試者的精神狀態,服裝越緊,加放量越小,測試者就會感覺到壓力越大,心情狀況就會越加偏向于煩躁。

服裝的長度與壓力感、厚重感等相關性并不顯著,分析原因可能是因為保暖服材料為羽絨,羽絨較輕,即使增加長度,也不會明顯增加服裝的重量。加放量與主觀感覺、悶熱感等相關性也不顯著,與厚重感不相關,分析原因是保暖服是最外層服裝,加放量相對較大,并且由于測試者穿著秋衣、毛衣等衣物,所以加放量對主觀感覺等影響不大。

表2 主觀評價指標

表3 主觀測試平均值

表4 各指標與長度和加放量的相關系數

4 結構設計與優化

4.1 設計依據

根據對各結構層次的理論分析,結合實際著裝試驗結果分析,選擇最有利于服裝舒適性的各結構層次進行組合。

4.2 設計方案

款式設計見圖7。

規格尺寸設計見表5。成衣制作(1∶2)見圖8。設計方案如下:

表5 保暖服規格尺寸表(160/84 A)

(1)廓型 中長款H型廓形。主體部分采用左右前片與后片3部分,無省道和分割縫。在工藝方面選擇均勻絎縫設計。

(2)服裝分層與加放量 4層服裝和內緊外松的服裝搭配形式。4層服裝為內衣、秋衣、毛衣和保暖外套。加放量設置為24 c m。

(3)衣領 前開口、正常高度、雙襟、搭配可拆卸帽子(圖9)。

(4)帽子 粘合式連接,高度較高,可對口鼻部位進行防護。帽子中部設置抽繩,可根據環境溫度和風的大小來進行調整。額頭部位保暖設計:額頭布料單獨,可與服裝用按扣結合,也可拆卸(圖10)。

(5)肩部 無分割縫一片式插肩袖。除此之外,在袖窿底部設計拉鏈式開口,可以調節服裝內熱濕平衡(圖11)。

(6)袖口 靠近袖口10 c m處用松緊帶收口,袖口處采用蓬松設計,既能保證體內熱量流失,又可以提供空間對手進行保暖(圖12)。

(7)下擺 通過增加調節袢來調節服裝開口的大小,使其更加具有主觀能動性(圖13)。

(8)口袋 腰下和前胸各設立2個口袋,腰下口袋是敞開式斜插袋,更符合人體結構,方便手的伸入。前胸口袋通過按扣進行閉合,方便放置現金、手機等相對貴重的物品,減少財產丟失(圖14)。

(9)腰帶 在本款保暖服上設置“腰帶”,它與服裝連為一體,中間增加調節袢可以根據人們的日常需求來進行調節。

5 結論

從保暖服結構的角度出發探討與舒適性之間的關系,根據理論分析、試驗分析與結構優化,可得出:

(1)保暖服與舒適性相關的結構主要有長度與廓形、層數與層序、加放量、開口結構(領部、肩部、下擺、袖褲口)以及口袋與腰帶等。各結構層次主要通過影響覆蓋面積與服裝內靜止空氣的含量與流動來影響服裝舒適性。

(2)選擇與覆蓋面積相關的長度以及與靜止空氣相關的加放量進行實際著裝試驗并進行心理學指標評分,結果顯示長度主要影響服裝的主觀感覺和風冷感,加放量則主要影響服裝的壓力感和測試者的精神狀態。

(3)結構優化方案為:中長款H型、4層服裝內緊外松的搭配形式、加放量為24 c m、領口是前開口搭配可拆卸帽子、門襟是雙襟、肩部是無分割縫插肩袖,袖窿底部有拉鏈式開口、袖部與下擺收口、設置腰帶與4個口袋。

雖然現在全球變暖,但中國大部分地區冬天還很寒冷,大家對保暖服的功能性要求也很高,所以保暖服的市場前景仍然很廣闊。除了在材料方面進行創新外,通過結構的創新與組合不僅能夠在一定程度上達到節省面料的作用,也能很好地提高保暖服的性能。