防寒服保溫性與材料組合方式

王蒙, 陳少偉， 王府梅*，3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620；2. 艾萊依時尚股份有限公司，浙江 麗水 323000；3. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

寒冷條件下，環(huán)境與人體之間的巨大溫差以及大風(fēng)氣候條件會加速人體熱量散失，此時防寒服成為維持身體熱平衡的重要屏障。防寒服主要分為兩類：主動產(chǎn)熱式防寒服和被動隔熱式防寒服[1]，因目前市面上主動產(chǎn)熱式防寒服存在攜帶電池、洗滌及安全等問題[2]，故大多數(shù)防寒服仍為被動式。防寒服的保溫性能受材料、環(huán)境(風(fēng)速[3-4]、相對濕度[5])和皮膚溫度[6]、衣下空氣層厚度、層數(shù)[7]、面料的透氣性[8-9]等多因素的綜合影響。目前，企業(yè)普遍采用人體感官經(jīng)驗進(jìn)行防寒服保溫性的評判，成本高、耗時長，并且依賴人的主觀能動，缺少客觀數(shù)據(jù)的定量支撐。

文中依據(jù)防寒服的原材料組合方式與結(jié)構(gòu)，在模擬真實使用環(huán)境下，用方便快捷方式，測試防寒服常用保溫材料(木棉絮狀材料、羽絨、粗紡大衣呢)與面料組合試樣的保溫性，探討環(huán)境溫度、風(fēng)速對其影響，尋求提高面料、里料熱阻的最佳組合方式，為企業(yè)選材和防寒服設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1試樣 根據(jù)冬季防寒服原材料使用情況，選取4種常見保溫材料分別與4種常用面料組合，試樣規(guī)格見表1，保溫材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，保溫材料橫斷面如圖1所示。

表1 試樣規(guī)格

表2 保溫材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.2儀器 HFB-1型織物涼感測試儀，江蘇斯利浦睡眠產(chǎn)業(yè)科技有限公司制造；吹風(fēng)裝置，自行搭建。

1.2 方法

熱阻為試樣兩面溫差與垂直通過試樣單位面積的熱流量之比，即

(1)

式中：R為總熱阻[10](m2·K/W)；Ts為傳感器表面的平均溫度(℃)；Ta為環(huán)境的平均溫度(℃)；S為傳感器總面積(m2)；H為穩(wěn)態(tài)傳熱中傳感器輸出的平均功率(W)。

根據(jù)GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》[11]，采用織物涼感測試儀測試防寒服用組合試樣的熱阻，以3次測算的熱阻平均值作為該組合的測試結(jié)果。測試條件：在人工氣候倉內(nèi)，溫度分別設(shè)定為(20.0±0.5)，(10.0±0.5)和(0.0±0.5) ℃，相對濕度為(65±3.0)%，風(fēng)速分別為3.0 ，1.5 m/s和<0.1 m/s。織物涼感測試儀的傳感器面積為5 cm×10 cm，模擬體表溫度將傳感器平均溫度設(shè)定在33 ℃[12]。

2 結(jié)果與分析

熱量傳遞方式包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。多孔材料在溫度小于300 ℃時可以忽略輻射散熱[13]，人體皮膚和防寒服用組合紡織品之間的溫差較小，因此文中主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對流對其保溫性的影響。自然對流環(huán)境(風(fēng)速<0.1 m/s)下的熱阻通常被稱作靜態(tài)熱阻，有風(fēng)狀態(tài)下的熱阻稱為動態(tài)熱阻。

2.1 不同防寒服的靜態(tài)熱阻比較

圖2為防寒服常用的4種保溫材料分別與4種不同面料組合，在氣候倉環(huán)境溫度10 ℃、相對濕度65%、自然對流環(huán)境下測試的熱阻。

由圖2可以看出，防寒服用組合紡織品的保溫性與保溫層厚度呈正相關(guān)；無保溫層時面料的熱阻明顯下降，說明保溫層對熱阻的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于表層面料，即絮狀材料或縮絨拉毛處理過的大衣呢在保溫方面占主導(dǎo)作用。另外，防寒服用組合紡織品的熱阻隨外層面料的不同而變化，外層面料的差異主要體現(xiàn)在透氣性或擋風(fēng)性；防寒服用組合紡織品熱阻的變化幅度與保溫層種類相關(guān)，主要是受保溫層的纖維種類和紡織結(jié)構(gòu)兩方面的影響。

結(jié)合表2和圖1可以看出，大衣呢的孔隙率低，有一層纖維緊密排列的小孔隙紗線；木棉絮的孔隙率高、孔隙小且均勻；羽絨絮的孔隙率高、但孔隙不均勻，并且存在大孔隙。對于纖維間孔隙比較小的木棉絮料和大衣呢，防寒服用組合紡織品的熱阻隨外層面料變化的幅度不大，說明自身結(jié)構(gòu)阻擋對流散熱的能力強(qiáng)，對外層面料的擋風(fēng)性依賴程度不高；而對于存在大孔隙的羽絨材料，保溫效果與外層面料的擋風(fēng)性相關(guān)程度高。

為剔除試樣規(guī)格影響，將圖2中防寒服用組合紡織品的熱阻換算成保溫層單位面密度熱阻(因為表層面料的熱阻值較小，故忽略，下同)，具體結(jié)果見表3。

表3 保溫層單位面密度熱阻

Tab.3 Thermal resistance per unit area of thermal insulation material 單位：(dm4·K)/(W·g)

由表3可以看出，單位面密度熱阻從大到小依次為羽絨絮A、羽絨絮B、木棉絮、大衣呢；羽絨絮A與各面料組合的熱阻都是最大的，同時表2顯示，4種保溫材料中羽絨絮A的蓬松度和孔隙率最高，說明蓬松度和孔隙率是影響保溫性的兩個重要因素。與其他面料相比，面料a與各種保溫層組合時熱阻都是最大的，而面料a的特性是透氣率低、擋風(fēng)性好。因此，影響防寒服用組合紡織品熱阻的關(guān)鍵因素是面料的透氣率或擋風(fēng)性，而面料自身熱阻高低對其影響甚微。

2.2 不同防寒服的動態(tài)熱阻比較

將防寒服常用的4種保溫材料分別與4種不同表層面料組合，在環(huán)境溫度分別為0 ，10 ℃，相對濕度均為65%的條件下以1.5 ，3 m/s兩種不同風(fēng)速分別進(jìn)行熱阻測試，具體結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在同一溫度下，防寒服用組合紡織品的熱阻均隨著風(fēng)速的增大而減小；在同一風(fēng)速下，其熱阻均隨環(huán)境溫度降低而增大。從圖3還可以看出，在風(fēng)速從1.5 m/s增至3 m/s的條件下，0 ℃時防寒服用組合紡織品的熱阻變化幅度大于10 ℃時的，說明在低溫條件下風(fēng)速對防寒服保溫性能影響更大。

進(jìn)一步分析不同條件下表層面料和保溫材料組合的熱阻變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)同一保溫材料與不同面料搭配時，保溫材料與面料a組合的熱阻明顯大于與面料d組合的熱阻，說明表層面料透氣性對動態(tài)保溫性有很大影響。這是因為面料的透氣率越高，表面對流散熱越多。

圖3中，在風(fēng)速3 m/s、溫度分別為0 ，10 ℃的條件下，絕大多數(shù)情況4種保溫材料與面料b組合的熱阻都是大于與面料c組合的熱阻；而在1.5 m/s風(fēng)速下，溫度仍為0 ，10 ℃時4種保溫材料與面料c組合的熱阻都大于與面料b組合的熱阻，說明風(fēng)速大時面料b適合做表層面料，而風(fēng)速小時面料c更宜做表層面料。

為剔除試樣規(guī)格影響，將環(huán)境溫度為0 ℃、風(fēng)速3 m/s條件下防寒服用組合紡織品的熱阻換算為保溫層單位面密度熱阻，具體結(jié)果見表4。

表4 保溫層單位面密度熱阻

Tab.4 Thermal resistance per unit area of thermal insulation material 單位：(dm4·K)/(W·g)

面料保溫材料大衣呢木棉絮料羽絨絮A羽絨絮Ba4.8215.4623.9418.70b4.7014.0221.5716.77c4.5913.5321.6115.91d4.2012.6019.5813.63

由表4可以看出，4種保溫層熱阻從大到小依次為羽絨絮A、羽絨絮B、木棉絮、大衣呢，與表3的規(guī)律類似。但是，與表3比較可以發(fā)現(xiàn)，表4中各保溫材料的熱阻值普遍降低，說明在真實有風(fēng)的使用環(huán)境中防寒服保溫性低于實驗室自然對流時測試的熱阻。另外，表4中木棉絮料的熱阻與羽絨絮B相差不大，說明木棉絮料具有與羽絨相近的輕而暖的特性，而木棉售價不到羽絨的5%，這體現(xiàn)出木棉的重要應(yīng)用價值。

2.3 環(huán)境溫度下防寒服靜態(tài)熱阻比較

在環(huán)境溫度分別為0 ，10和20 ℃，相對濕度均為65%且自然對流的條件下，將防寒服常用的4種保溫材料分別與4種不同表層面料組合進(jìn)行熱阻測試，具體結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，防寒服用組合紡織品的靜態(tài)熱阻與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)，環(huán)境溫度越低，其靜態(tài)熱阻越高，且環(huán)境溫度從10 ℃降至0 ℃時熱阻值增幅大于從20 ℃降到10 ℃的增幅，說明同樣的溫度降幅，環(huán)境溫度越低，防寒服用組合紡織品的傳熱性越差。究其原因，熱傳遞是通過流體分子運(yùn)動或固體分子鏈/基團(tuán)的振動而產(chǎn)生，由熱力學(xué)性質(zhì)可知，分子運(yùn)動或分子鏈振動都隨著溫度的升高而加劇，因此當(dāng)溫度降低時，分子動能減小，纖維間空氣分子運(yùn)動變慢，纖維自身分子鏈的振動頻率變慢，熱傳遞性能減弱，故環(huán)境溫度越低防寒服熱阻越高。

另外，分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，保溫材料與面料c組合的靜態(tài)熱阻大于與面料b組合的熱阻，說明面料c的靜態(tài)熱阻大于面料b的。結(jié)合表1可知，面料c是短纖，而面料b是長絲，熱量在短纖維織物中傳導(dǎo)要經(jīng)過大量纖維接觸點，相比之下長絲傳熱通道更為順暢，故短纖織物的傳導(dǎo)熱阻高，隔熱性好。但是，在圖3中面料b、面料c與保溫材料組合的熱阻時而大時而小，原因是圖3的動態(tài)熱阻受環(huán)境風(fēng)速的影響大，或者說圖3的動態(tài)熱阻中包含的纖維間空氣對流散熱的占比大。與面料b相比，面料c擋風(fēng)性差(對流熱阻低)、傳導(dǎo)熱阻高的特性，導(dǎo)致不同環(huán)境風(fēng)速下圖3和圖4熱阻值的差異。這一結(jié)果說明在自然對流的室內(nèi)使用的被類產(chǎn)品不必強(qiáng)調(diào)面料的擋風(fēng)性，而在室外使用的棉衣、睡袋類產(chǎn)品必須考慮面料的擋風(fēng)性。

3 結(jié)語

1)防寒服的保溫性與厚度、纖維間堆砌結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，加入保溫材料后保溫效果會大幅度提升；在相同面密度條件下，羽絨的保溫性能最優(yōu)；木棉絮料的保溫性接近羽絨B。

2)防寒服用組合紡織品的熱阻隨外層面料擋風(fēng)性增強(qiáng)而提高，變化幅度與保溫材料種類明顯相關(guān)：對于纖維間孔隙比較小的木棉絮料和大衣呢，其熱阻隨外層面料變化的幅度不大；而對于纖維間存在較大孔隙的羽絨材料，保溫效果高度依賴外層面料的擋風(fēng)性，外層面料的擋風(fēng)性能越好，與羽絨組合的紡織品保溫性越好。在室外使用的棉衣、睡袋類產(chǎn)品必須考慮面料的擋風(fēng)性。

3)環(huán)境條件對防寒服用組合紡織品的熱阻影響很大，風(fēng)速越大所測熱阻值越低，在真實有風(fēng)的使用環(huán)境中防寒服用組合紡織品的熱阻值低于實驗室自然對流時所測熱阻。環(huán)境溫度越低，所測熱阻值越大，低溫條件下風(fēng)速對防寒服保溫性影響更大。目前，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(20 ℃，相對濕度65%，風(fēng)速<0.1 m/s)下測試的防寒服用組合紡織品熱阻與真實使用環(huán)境中的相差很大，故紡織品及服裝保溫性測試應(yīng)在模擬使用環(huán)境的人工氣候倉中進(jìn)行。