基于防風(fēng)織物層和透氣孔的服裝應(yīng)用設(shè)計工具

張翕

（鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引言

防風(fēng)和抗風(fēng)服裝廣泛應(yīng)用于防寒服裝、軍事化學(xué)和生物防護(hù)等方面。完全防風(fēng)的服裝能夠在寒冷的環(huán)境下防止冷空氣滲透造成的熱量損失，但當(dāng)使用者由于身體活動并產(chǎn)生大量熱汗時，服裝的舒適性就大為降低，類似的情況也會出現(xiàn)在防護(hù)服裝中，因此通過織物層通風(fēng)可以減輕熱應(yīng)力，提高服裝穿著者的舒適性，同時也能延長磨損時間。服裝設(shè)計工具可以同時評估透風(fēng)性、熱傳遞、水分輸送和有毒物質(zhì)滲透等因素，有助于開發(fā)新的服裝系統(tǒng)，在防護(hù)和舒適之間取得良好的平衡。

通過改變靜電纖維膜在紡織基底上的沉積[1]，可以控制衣物層的防風(fēng)性能和氣溶膠過濾性能。由于納米纖維層能夠控制幾個數(shù)量級的氣流阻力而不影響其他衣物特性，所以我們對服裝設(shè)計中選擇使用這些材料所帶來的后果具有濃厚的興趣。靜電紡絲制備的聚氨酯彈性體膜現(xiàn)被用于商業(yè)用途——外衣面料中，如美國Malden Mills公司所推出的“PolartecNeoshell”紡織品材料，是迄今為止戶外市場上最受歡迎的抓絨產(chǎn)品。它能夠“調(diào)節(jié)”衣物的氣流但并不嚴(yán)重影響衣物的其他性能，如服裝的隔熱性或水汽擴(kuò)散（透氣性）。這些材料可用于整件衣物，如夾克衫或褲子，也可與可滲透的“透氣孔”結(jié)合應(yīng)用，增加衣物上某些透氣性更強部分的通風(fēng)。

1 實驗方法

織物氣流阻力、衣服透氣孔和由于外部風(fēng)力或身體運動導(dǎo)致的氣流等因素是相互作用的，同時這些因素之間也是不斷的權(quán)衡和折中的，因此在這里我們主要使用IP SPM工具來評估改變衣物層的氣流阻力來驗證可滲透透氣孔部分的總隔熱性能的相對重要性[2-3]。

Creare公司的個人防護(hù)系統(tǒng)性能模型（IP SPM）建立在先進(jìn)的計算流體動力學(xué)和實驗結(jié)果的基礎(chǔ)之上，該防護(hù)服設(shè)計工具為防護(hù)服系統(tǒng)的迭代修改和評估提供了基于物理學(xué)的計算框架但是軟件本身被有意地簡化，以允許非專業(yè)用戶修改服裝設(shè)計并評估各種服裝舒適性、防護(hù)性方面的結(jié)果，例如合身性、縫合、界面、材料屬性和分層。IP SPM模型將身著衣物的人體視為織物覆蓋的圓柱體的集合，盡管圖形用戶界面將衣物層繪制到一個解剖學(xué)上更正確的人體IP SPM模擬計算模型圖，包括更詳細(xì)的人體和服裝結(jié)構(gòu)的相關(guān)因素是可能的[4-6]，事實上它們是被用作IP SPM軟件的指南，能夠滿足非專業(yè)用戶的需要。

2 結(jié)果與討論

2.1 IP SPM預(yù)測與暖體假人測量的比較

配置Creare的IP SPM模擬暖體假人，這是服裝舒適性研究中的重要工具。圖1展示了IP SPM暖體假人總傳熱系數(shù)與從人體[7]和暖體假人得出的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的基線比較結(jié)果以及加熱圓柱體的計算和分析結(jié)果。

圖1 IP SPM暖體假人總傳熱系數(shù)的風(fēng)速函數(shù)

IP SPM預(yù)測可以與實驗假人結(jié)果進(jìn)行比較。IP SPM模型需要輸入衣物的耐熱性、防水汽擴(kuò)散和氣流阻力、貼合性（織物和體表之間的空間）、縫合的緊密度以及織物在身體不同部位的覆蓋程度。從圖3我們很容易看出在IP SPM模型中包含輻射熱傳遞時，低風(fēng)速下裸體假人模型值的預(yù)測不足；當(dāng)從計算中除去（hrad為4.5 m2·℃/W）時，IP SPM結(jié)果與圖1所示對流換熱計算結(jié)果非常吻合[8]。

圖2顯示了IP SPM對暖體假人實驗結(jié)果在赤身（裸露）條件下和身著三套不同服裝條件下，三套服裝整體性能排比與IP SPM預(yù)測結(jié)果完全一致，無論是整體隔熱性（如圖3所示）還是防水汽擴(kuò)散（未展示）。這就表明在確切的實驗配置不知道或未定義的情況下，IP SPM仍然可使用標(biāo)準(zhǔn)配置值（如衣服貼合性）來確定相關(guān)服裝的隔熱性能排名。

圖2 裸體假人和三套服裝隔熱性的比較

圖3 橫流條件下織物覆蓋的圓柱體在不同風(fēng)速下的總隔熱性

2.2 氣流阻力對服裝系統(tǒng)隔熱性的影響

IP SPM有意簡化服裝/身體模型為織物覆蓋圓柱體的集合，對實用性設(shè)計工具來說，忠實地再現(xiàn)身體幾何、織物褶皺、懸垂性和合身的各個細(xì)節(jié)，可以迅速做出這樣的計算工具.IP SPM允許執(zhí)行非常相似的計算，以實現(xiàn)更逼真的服裝和身體幾何。IP SPM被設(shè)置為模擬一套只能改變氣流阻力單一性能的防風(fēng)衣（夾克和褲子）。氣流阻力在高風(fēng)速下變得更為重要，一旦織物變得“防風(fēng)”，空氣阻力的進(jìn)一步增加就不會顯著影響熱傳遞[9]。

2.3 透氣孔對隔熱性能和防水汽性能的影響

使用IP SPM檢驗可透氣織物透氣孔與化學(xué)防護(hù)服結(jié)合的效果。這種防護(hù)服主要由固體聚合物膜組成，但為了舒適性，允許一些水汽通過。預(yù)計這種完全基于化學(xué)膜的套裝本身沒有足夠的通風(fēng)，而必須與某種通風(fēng)策略結(jié)合。解決方案是將由更透氣的織物組成的單獨的通氣面板并入由膜組成的套裝。

圖4顯示了該模擬的基本IP SPM設(shè)置。大型透氣織物透氣孔被并入防護(hù)服，并且透氣孔織物的低氣流阻力系統(tǒng)地發(fā)生變化。西裝還加入了空氣和水蒸氣都不能滲透入內(nèi)的防護(hù)頭套、面罩、靴子和手套。為方便比較，使用聚合物薄膜層的西裝無通風(fēng)孔設(shè)計和其他兩個案例——標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)防護(hù)制服織物制成的西裝和標(biāo)準(zhǔn)制服織物制成的西裝，實驗結(jié)果建立了模型。附加案例裸體假人模擬的實驗結(jié)果也建立了模型，為每種服裝系統(tǒng)減少的人體熱量和蒸發(fā)轉(zhuǎn)移提供參考。

圖4 個人防護(hù)系統(tǒng)性能模型（IP SPM）對織物層可變氣流阻力的預(yù)測

3 結(jié)論

在所有建模的套裝中，無透氣孔的聚合物薄膜層壓套裝的防水汽性能最好。隨著透氣織物透氣性的增加，聚合物薄膜層壓套裝逐漸變得更好，從而簡化的服裝設(shè)計工具將大大增強我們反復(fù)更改服裝設(shè)計的款式特點特點和檢驗服裝舒適性、防護(hù)性能力提供依據(jù)。暖體假人實驗測量結(jié)果尚需在各種服裝系列中得到進(jìn)一步驗證和確認(rèn)，從而使用該模型得出的預(yù)測結(jié)果可在將來用作可靠的設(shè)計工具。