充氣防寒服的保暖性能

蘇文楨， 宋文芳， 盧業(yè)虎,3， 楊秀月

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院， 廣東 廣州 510006；3. 南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 江蘇 南通 226300； 4. 上海市服裝研究所， 上海 200082)

當(dāng)人體長時間暴露于低溫環(huán)境下，體內(nèi)產(chǎn)生的熱量通常無法補償其散熱量，熱平衡被打破，易出現(xiàn)低體溫、凍傷，甚至是死亡的風(fēng)險[1]。為維持人體熱平衡，可以穿著防寒服來抵御寒冷。防寒服主要分為2類：一類是主動產(chǎn)熱式防寒服；一類是被動隔熱式防寒服[2]。主動產(chǎn)熱式防寒服通常采用電加熱方式，這種方式需要攜帶電池，存在續(xù)航、安全性和洗滌等問題，因此限制了其在日常生活中的廣泛使用[3]。目前，大多數(shù)防寒服為被動隔熱式，通常以增加服裝厚度或?qū)訑?shù)以達(dá)到保暖效果，但是過于厚重的服裝會阻礙人體活動自由度，影響人體舒適性和工效。此外，人體在活動量變化和外界環(huán)境溫度變化時，通常需要增加或者減少防寒服厚度或?qū)訑?shù)以維持人體熱舒適性，這顯然會為戶外活動群體帶來不便。因此，需要開發(fā)一種輕便、有效且保暖性可調(diào)的防寒服裝，滿足人體在不同活動量和環(huán)境溫度下對服裝保暖性的需求。自然界中，靜止空氣具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(常溫環(huán)境下為0.027 W/m·K)，遠(yuǎn)低于常用保暖材料羽絨、羊毛的導(dǎo)熱系數(shù)(羽絨為0.072 W/m·K，羊毛為0.052 W/m·K)。防寒服的保暖性能很大程度上取決于服裝系統(tǒng)內(nèi)靜止空氣的含量：靜止空氣層越厚，服裝的保暖性能就越好[4]。近期，NuDown公司推出了一款充氣保暖馬甲，其保暖性是通過將空氣充入服裝內(nèi)被分割的織物氣囊實現(xiàn)的，同時，保暖性的調(diào)節(jié)可以通過充氣量的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。雖然充氣馬甲的保暖性在理論上可行，但是未有研究對充氣馬甲進(jìn)行實驗驗證和評價。

服裝的款式結(jié)構(gòu)設(shè)計，如覆蓋率、寬松度、開口以及服裝層數(shù)，都會對服裝的保暖性產(chǎn)生重要影響。服裝覆蓋率越高，保暖性越好；寬松服裝的保暖性一般優(yōu)于緊身服裝；服裝開口大會造成風(fēng)箱效應(yīng)從而降低保暖性[5]；等厚度的多層服裝比單件服裝具有更好的保暖性[6-7]。另外，服裝的保暖性還受到人體自身(主要是出汗量、運動和姿勢的影響)和環(huán)境因素(主要是風(fēng)速的影響)的影響。人體出汗后面料含水量增加，服裝保暖性會隨著面料含水量的增加而降低；服裝的保暖性在站姿時比坐姿低[8-10]；風(fēng)速會促進(jìn)人體對流和蒸發(fā)散熱量，并使服裝邊界空氣層變薄，導(dǎo)致服裝保暖性下降。

本文研究采用“Newton”出汗暖體假人測試了充氣服裝在不同充氣量和風(fēng)速下的總熱阻和局部熱阻，從而評價充氣服裝保暖性的動態(tài)調(diào)節(jié)能力以及風(fēng)速對其保暖性的影響。

1 實 驗

1.1 充氣服裝

實驗采用的充氣服裝是在NuDown公司推出的一款充氣馬甲基礎(chǔ)上設(shè)計制成。衣身充氣面料結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。衣身充氣面料由內(nèi)外2層膜-織物復(fù)合材料通過熱壓黏合形成封閉氣囊，各氣囊之間通過空氣通道相連，其中，內(nèi)層是由網(wǎng)眼滌綸面料1和防水透濕聚氨酯(PU)材料2復(fù)合而成，外層是由高密度滌綸3和防水透濕PU材料4復(fù)合而成的防風(fēng)透濕面料，內(nèi)外層通過熱壓形成波浪形黏結(jié)線5，黏結(jié)線之間形成的氣囊寬度為2.5 cm。不充氣氣囊厚度為0.3 cm，充滿氣氣囊厚度為1.85 cm。圖1(b)為充氣服裝款式圖。氣囊呈菱形狀且均勻分布于上半身，由連接氣囊的橡膠充氣泵和泄壓閥實現(xiàn)對服裝的充、放氣的控制。袖子為防水型覆膜涂層面料和聚酯纖維里料的復(fù)合。

圖1 充氣服裝示意圖Fig.1 Schematic of air inflatable clothing.(a) Fabric structure; (b) Clothing style

圖2 34區(qū)段Newton出汗暖體假人示意圖Fig.2 Thirty-four-zone "Newton" thermal manikin

1.2 暖體假人

圖2為“Newton”出汗暖體假人示意圖。實驗采用該假人測得的熱阻來評價充氣服裝的保暖性能。暖體假人模型為34區(qū)段，本文實驗只計算上身總熱阻和局部熱阻，包括上臂、下臂、胸部、腹部、背部，不包括頭和手。各部位對應(yīng)區(qū)段如表1所示。

測試標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 15831—2004 《服裝-生理效應(yīng)-采用暖體假人測試服裝的熱阻》，空氣溫度和相對濕度分別控制為(15±0.2) ℃和(50±5)%，出汗暖體假人皮膚溫度恒定在34 ℃，使用ThermDAC軟件記錄暖體假人各身體部分的熱流量，每30 s記錄一次數(shù)據(jù)。

表1 身體部位信息Tab.1 Information of body parts

實驗過程中，出汗假人穿著多層服裝系統(tǒng)，主要包括充氣服裝、純棉長袖秋衣、純棉內(nèi)褲、純棉秋褲、外層薄絨長褲以及純棉襪子和運動鞋。實驗測試了充氣服裝在4種充氣量(不充氣、1/3充氣、2/3充氣、充滿氣)下的熱阻，其中充滿氣通過擠壓充氣泵48次實現(xiàn)，1/3 充氣擠壓16次，2/3 充氣擠壓 32次。另外，測試了充氣服裝(1/3充氣和充滿氣)在3種風(fēng)速(0.15、1.55、3.04 m/s)下的熱阻，其中0.15 m/s模擬正常室內(nèi)無風(fēng)，1.55 m/s模擬室外軟風(fēng)，3.04 m/s模擬室外輕風(fēng)。風(fēng)速是由假人正前方1.45 m處的風(fēng)扇系統(tǒng)產(chǎn)生[11]。每次實驗至少測量3次，保證變異系數(shù)低于5%。

1.3 充氣服裝總熱阻與局部熱阻的計算

參照ISO 15831—2004，上身總熱阻計算公式為

式中：It為上身總熱阻，clo；Tsk、Ta分別為暖體假人皮膚溫度(本文研究為34 ℃)和環(huán)境溫度，℃；Ai為暖體假人各區(qū)段的皮膚表面積，m2；Hi為暖體假人各區(qū)段的熱流量，W/m2，i包括區(qū)段3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 24。

局部熱阻的計算公式為

式中：It, j為局部熱阻，clo；Aj為暖體假人局部體表面積，m2；Tmanikin,i為暖體假人各區(qū)段皮膚溫度(本文研究為34 ℃)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用One Way ANOVA 和多重比較分析探索充氣量和風(fēng)速對充氣服裝局部和上身總熱阻的影響。顯著性差異水平p<0.05時，標(biāo)記為“*”；顯著性差異水平p<0.01時，標(biāo)記為“**”。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氣量對局部熱阻和上身總熱阻影響

圖3示出了不同充氣量情況下充氣服裝的局部熱阻比較。在腹部、胸部、背部，3種充氣量(1/3充氣，2/3充氣和充滿氣)下服裝的熱阻顯著大于未充氣狀態(tài)(p<0.01)，但是3種充氣量服裝之間的熱阻幾乎沒有顯著差別(p>0.05)。胸部、腹部和背部被充氣服裝覆蓋，充氣后服裝內(nèi)空氣層厚度增加，有效降低了暖體假人向外界環(huán)境中的傳導(dǎo)和輻射熱量，保暖性增加。另外，由于充氣服裝只在人體上身軀干部位充氣，所以上臂和下臂的熱阻在充氣和未充氣狀態(tài)沒有明顯差異(p>0.05)。不同充氣量的服裝幾乎沒有表現(xiàn)出差異，這可能是因為服裝在充氣過程中會擠壓人體，造成人體和服裝之間的空氣層厚度下降，2種作用(服裝內(nèi)空氣厚度增加和人體-服裝之間空氣層厚度減少)此消彼長，使得熱阻沒有明顯變化。

表2示出不同充氣量情況下充氣服裝上身總熱阻結(jié)果。

表2 不同充氣量下充氣服裝上身總熱阻Tab.2 Total thermal insulation of upper body in different air inflation volumes

3種充氣量(1/3充氣，2/3充氣，充滿氣)下充氣服裝上身總熱阻均顯著高于未充氣狀態(tài)(p<0.05)，然而，不同充氣量服裝之間的熱阻并沒有顯著差異(p>0.05)?？梢?，充氣服裝和未充氣服裝局部熱阻的顯著差異最終引起上身總熱阻的顯著差異。同樣，不同充氣量服裝之間沒有局部熱阻差異，導(dǎo)致上身總熱阻沒有差異。

2.2 風(fēng)速對局部熱阻和上身總熱阻的影響

圖4示出了不同風(fēng)速下充氣服裝局部熱阻之間的差異。可以看出，服裝局部熱阻均隨著風(fēng)速的增加顯著降低(p<0.01)。除背部外，其余4個部位的熱阻在風(fēng)速增加至1.55 m/s時的下降速度顯著大于這些部位在風(fēng)速從1.55 m/s增加到3.04 m/s時熱阻下降速度，其中，腹部的熱阻隨著風(fēng)速的增加下降速度最為明顯。服裝局部熱阻隨風(fēng)速的變化規(guī)律與Lu等[12]的研究一致。風(fēng)速的增加一方面使服裝內(nèi)靜止空氣變成流動狀態(tài)，對流換熱量增大；另一方面，風(fēng)速增加促進(jìn)暖體假人表面向外界環(huán)境的對流散熱，從而降低了服裝熱阻。腹部正對風(fēng)速最大位置(正前方1.45 m放置風(fēng)扇)，大量的空氣從服裝下擺進(jìn)入服裝內(nèi)部，使腹部對流換熱量增加最為顯著，因此熱阻下降更為明顯。研究表明在有風(fēng)條件下，人體腹部的保暖變得非常重要。

圖4 不同風(fēng)速下充氣服裝(充滿氣)的局部熱阻Fig.4 Local thermal insulation in different air speeds

圖5示出了不同風(fēng)速下充氣服裝的上身總熱阻。隨著風(fēng)速的不斷增加，2種充氣量(1/3充氣和充滿氣)情況下服裝上身總熱阻不斷下降，這與充氣服裝局部熱阻在不同風(fēng)速下的變化一致。另外，2種充氣量服裝的熱阻在不同風(fēng)速下沒有顯著差異(p>0.05)。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速的增加會顯著降低充氣服裝的保暖性，與Lu等[12]的研究中發(fā)現(xiàn)的服裝總熱阻隨風(fēng)速下降的趨勢類似。

圖5 不同風(fēng)速下充氣服裝上身總熱阻Fig.5 Total thermal insulation of upper body in different air speeds

3 結(jié) 論

本文借助出汗暖體假人研究了充氣服裝在不同充氣量和風(fēng)速下的總熱阻和局部熱阻，得到以下結(jié)論：1)充氣服裝上身總熱阻以及局部熱阻顯著高于未充氣狀態(tài)，充氣量的大小對服裝熱阻沒有顯著影響；2)風(fēng)速會顯著降低充氣服裝的局部熱阻和上身總熱阻。

可見，充氣服裝在一定范圍內(nèi)可以作為一種有效的手段動態(tài)調(diào)節(jié)服裝的保暖性。為擴大服裝的保暖性調(diào)節(jié)范圍，未來研究將對充氣防寒服面料和款式進(jìn)行設(shè)計，如采用防風(fēng)性更好的面料，擴大氣囊增加充氣量，增加服裝寬松度等。

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