被動式微氣候儀的研制及織物透濕性能的測量

陳益松, 徐　軍, 郭媛媛, 朱成哲, 2

(1. 東華大學 a. 服裝·藝術設計學院； b. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051；2. 韓德秀平壤輕工業大學，平壤 朝鮮)

被動式微氣候儀的研制及織物透濕性能的測量

陳益松1a, 1b, 徐軍1a,1b, 郭媛媛1a, 朱成哲1a, 2

(1. 東華大學 a. 服裝·藝術設計學院； b. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051；2. 韓德秀平壤輕工業大學，平壤 朝鮮)

介紹了一種采用被動式出汗原理研制的微氣候儀，使用Goretex微孔膜復合織物作為模擬皮膚，在溫控壓力水的作用下實現了可計量出汗，同時實現了對衣下空間微氣候狀態參數的實時測量和被測面料濕阻的估算.在30和35 ℃兩種控制溫度下，對8塊不同纖維成分與組織結構的面料進行測量，發現控制溫度為35 ℃下皮膚出汗率、微氣候濕氣壓相較30 ℃下都有所上升，但面料濕阻有所下降；30 ℃時的出汗率、微氣候濕氣壓和面料濕阻數據的變異系數CV值明顯高于35 ℃時的數據，說明低出汗率情況下儀器的靈敏度相對較高.

微氣候儀； 皮膚出汗； 透濕性； 濕阻

服裝微氣候的模擬與測量是服裝舒適性研究中的重要內容.微氣候儀最關鍵的部分是人體出汗的模擬，模擬皮膚的選擇以及汗水如何供給與計量都是出汗模擬重要的技術問題.最簡單的出汗模擬方式是在熱板上平放一塊高吸濕面料作為模擬皮膚，向上噴水或注水以實現“出汗”.如文獻[1]采用該方法研制的微氣候儀，在試驗過程中水蒸發量受皮膚含水量的不斷減少而變化，從而影響試驗的穩定性.文獻[2]構建的微氣候儀使用注射器多位置定量向模擬皮膚中注水，同樣，試驗過程中隨著皮膚水分的減少，試驗的穩定性受到影響[3].文獻[4]將聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜與厚度為0.6 mm且分布有直徑為0.3 mm小孔的出汗熱板組合置于水箱上，分別模擬人體無感出汗和顯性出汗，但對于如何測量出汗率沒有提及.文獻[5]研制了類似出汗平板儀的試驗裝置，采用整體稱量的方式來確定水分的散失量，由于水分的散失量相對于整個裝置的質量而言只占很小的比例，因此，其測量精度較低.文獻[6-7]對文獻[5]的系統進行了改進，研制的織物透濕性測量裝置使用微孔膜織物作為模擬皮膚，其最大特點是根據毛細管原理實現對皮膚出汗率的直接測定，測量時需要在系統穩定后關閉進水閥，根據水平毛細管水的位置變化來判定水分散失量，該方法不適合較大出汗率的模擬與測量.文獻[8]研制的低溫條件下使用的微氣候儀也使用類似的毛細管出汗計量原理.文獻[9]研制的織物微氣候儀是在透濕杯上覆蓋微孔膜模擬皮膚，通過測量水位的下降量來測量出汗率，并通過步進電機控制的水泵向杯中補充水分，但模擬皮膚和透濕杯中水位存在一定的空氣層，其出汗能力受空氣層的影響.文獻[10]研制的圓筒式微氣候儀使用具有微小毛細孔的管路嵌在高吸濕模擬皮膚下，使用蠕動泵循環供水，水通過管道的毛細孔滲出并使模擬皮膚濕潤，同時采用溫度傳感器來檢測皮膚表面的潤濕狀態，并控制蠕動泵向其供水.文獻[11]改進了文獻[10]的圓筒微氣候儀，使用流量調節閥調節出汗率，但該出汗方式屬于主動出汗模式[12-13]，無法直接測量通過被測面料蒸發的實際出汗率.以ISO 11092標準研制的出汗平板儀的出汗模擬方式與微氣候儀相似，文獻[14]研制的在低溫(<0℃)條件下使用的出汗熱板儀使用Gore-Tex微孔膜復合織物作為模擬皮膚，利用水位相等及固液兩相平衡的原理實現了自動補水.美國ATLAS公司的M259B和MTNW公司的SGHP 8.2/10.5使用纖維素膜作為出汗模擬皮膚，實現了常規條件下的自動供水.相對于微氣候儀，出汗熱板儀的模擬皮膚與面料之間是直接接觸，缺少“微氣候空間”.

綜上所述，現有的微氣候儀在出汗模擬方面還存在種種局限.本文介紹一種出汗率可調節且可直接測量的新型微氣候儀，用來測量衣下微氣候的狀態和面料的透濕性能.

1　新型微氣候儀研制與應用

1.1新型微氣候儀的研制

本文研制的新型微氣候儀的結構如圖1所示，是在文獻[15]中的出汗模擬皮膚測試儀的基礎上加裝微氣候空間構成的.面料試樣被固定在尼龍套筒上口與模擬皮膚形成微氣候區，一對溫度傳感器和濕度傳感器置于面料試樣下表面，用于檢測微氣候區靠近面料部分的溫濕度狀態.

圖1　微氣候儀結構圖Fig.1　The structure of micro-climate apparatus

該儀器采用的供水方式與“Walter”假人相似[16]：在供水管中注入蒸餾水形成壓力水柱，由于采用PTFE微孔膜復合織物作為模擬皮膚，因此，當微量水穿透皮膚的微孔膜滲出并在皮膚表面以汗氣的形式不斷蒸發出去時，供水管中的水將自動補充到模擬皮膚下面的盛水圓盤中，通過記錄單位時間內水位的下降高度，即可計算出模擬皮膚的出汗率.在記錄完畢后，需人工向供水管中注水使水位恢復到原來設定位置.

由文獻[15]可知，裸態模擬皮膚的出汗率受到模擬皮膚的類型、皮膚表面溫度、皮膚內水壓力的影響，但由于皮膚微孔膜的隔離作用，皮膚表面并不會出現明顯的液態水凝聚.在出汗狀態下的微氣候空間，被測面料及微氣候空間的空氣層都會對皮膚水分的蒸發產生阻力，進而抑制皮膚的出汗能力，穩態時皮膚的出汗率與透過面料的蒸發量達到平衡，即模擬皮膚的出汗率與通過被測面料的透濕量相等.通過調節水柱高度和皮膚溫度可改變模擬皮膚的出汗率和微氣候空間的濕氣壓.

本文的微氣候儀選用的PTFE膜復合織物為Gore-Tex 3層復合織物，其中上層是面密度為165.78 g/m2、經緯密分別為26和19根/cm的錦綸平紋織物，下層是經編保護織物，織物總厚度為0.428 mm.

儀器選用Pt 100鉑電阻溫度傳感器，分辨率為±0.15 ℃.選用Honeywell公司制造的HIH 3610型高分子薄膜濕敏電容式相對濕度傳感器，在無凝結環境中相對濕度的測量范圍為0～100%，測量精度可達-3%～3%，適用環境溫度為-40～85 ℃.

1.2新型微氣候儀的測試應用

人體皮膚表面與最內層服裝之間的空氣層的溫度、濕度、氣流等分布構成人體衣下微氣候，衣下微氣候的狀態與人體著裝舒適性密切相關.本文的微氣候儀可通過測量衣下表面的溫度和相對濕度來觀察強出汗狀態下的衣下微氣候狀態.微氣候空間面料下方的濕氣壓由式(1)計算.

pm=pms·φm

(1)

其中：pm為微氣候空間面料下方的濕氣壓，Pa；pms為被測面料下表面測量點溫度tm下的飽和濕氣壓，Pa；φm為測量點的相對濕度，%.

由于該微氣候儀可以直接測量通過面料的透濕量(即皮膚的蒸發出汗率)，而面料下表面的濕氣壓已測得，則面料及其上表面空氣層的濕阻可由式(2)計算.

(2)

其中：Re為面料及其上表面空氣層的濕阻，Pa·m2/W；A為織物的有效測試面積，m2；pas為環境溫度為ta下環境的飽和濕氣壓，Pa；φa為環境的相對濕度，%；E為水的汽化熱，30 ℃時，E=0.675 W·h/g，35 ℃時，E=0.672 W·h/g；Ge為皮膚蒸發出汗率，g/h.

2　試驗及結果分析

試驗在溫度為(21±1) ℃、相對濕度為(65±3)%恒溫恒濕室進行，微氣候儀的加熱控制溫度分別設定為30和35 ℃，對表1所示的8塊普通服用面料進行測試.用注射器定時向供水管中注水，起始液面高度設定為距離盛水盤液面150 cm，在這個高度左右，模擬皮膚的出汗特性比較線性[15].試驗開機后約2 h試驗環境達到平衡，此時試樣吸濕和放濕也達到平衡.試驗正式開始時，用注射器向供水管中注水使水位恢復到150 cm處，開始計時，1 h后重新讀取水面刻度.再次加水到150 cm，重復一次試驗，連續測試3組數據(兩次加水的間隔內因皮膚出汗引起的水位下降量僅為設定水柱高度的5%左右，該水位的變化對皮膚的出汗率及微氣候狀態影響較小，實際測量過程中可忽略).

根據讀取的單位時間內的水位下降量，可以按照式(3)計算出模擬皮膚蒸發出汗率.

Ge=ρπr2Δh

(3)

表1　試驗面料的基本參數Table 1　Basic parameters of specimens

式中：ρ為水的密度，21 ℃時為998 kg/m3；r為水管半徑，3 mm；Δh為1 h水柱的下降量，mm.試驗測試與計算結果如表2所示.從試驗過程與表2的試驗結果可以看出：

表2　試驗數據及測量結果Table 2　Experiment data and results

(1) 本文設計的新型微氣候儀是成功的，其首次實現了出汗率的測量，通過不同水壓和控制溫度的設定，可以模擬不同的微氣候狀態并可實時對相關參數進行測量.

(2) 改變控制溫度可以改變模擬皮膚的出汗率，同時微氣候空間的濕氣壓發生相應變化，面料濕阻的測量結果也發生一定的變化.在35 ℃的控制溫度下，皮膚的平均出汗率相較30 ℃的控制溫度下由1.02 g/h增加到1.77 g/h, 增幅為73.5%；衣下平均相對濕度為89.6%，相比92.4%略有下降，但濕氣壓卻由3 072 Pa增加到了3 525 Pa，增幅為14.7%；面料的平均濕阻由43.3 Pa·m2/W降低到32.3 Pa·m2/W，降幅為25.4%.

(3) 控制溫度為30 ℃時，儀器測得的出汗率、衣下濕氣壓和面料濕阻數據的變異系數明顯高于35 ℃時的數據，說明低出汗率情況下儀器的靈敏性相對較高.

3　結　語

本文介紹了一種新研制的微氣候儀，該儀器采用被動式出汗原理，實現了出汗率的調節與測量，并同時實現了模擬衣下空間微氣候狀態參數的實時測量.實測表明，儀器設計合理，工作正常.

通過對8塊不同面料的測量，發現在同一測試條件下，面料的衣下濕氣壓和濕阻差異不大，但在不同的試驗條件下，皮膚的出汗率有較大變化，衣下微氣候的濕氣壓變化較大，同時面料的濕阻也相應地發生變化.

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A Passive Micro-climate Apparatus Development and Measurement of Moisture Permeability of Fabric

CHENYi-song1a, 1b,XUJun1a,1b,GUOYuan-yuan1a,JUSong-chol1a, 2

(a.Fashion and Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education,1. Donghua University, Shanghai 200051, China;2. Handosu Pyony Yang Light Insdustry University, Pyony Yang, DPR Korea)

A novel micro-climate apparatus built based on passive-perspiring principle with measurable perspiring capacity was introduced, through artificial skin made by Goretex microporous membrane complex fabric under heated and pressure water. The state of micro-climate under clothing can be measured in a real time way and the evaporative resistance of fabric in test can be estimated finally by using this apparatus. Eight pieces of fabric with different fiber components and structure organizations were measured under two control temperatures of 30 and 35 ℃. The research result indicated that the perspiring rates, humidity pressures in micro-climate increased, but the evaporative resistance of fabric decreased at 35 ℃ compared to 30 ℃. The coefficient of variation (CV) of perspiring rate, humidity pressure and fabric’s evaporative resistance at 30 ℃ were obviously higher than that at 35 ℃, which indicated that the instrument had higher sensitivity at low perspiring rate.

micro-climate apparatus; skin sweating; moisture permeability; evaporative resistance

1671-0444(2015)03-0309-04

2014-02-19

陳益松(1964—)，男，湖南寧遠人，教授，博士，研究方向為服裝舒適性及光學三維測量.E-mail: cys@dhu.edu.cn

TS 101.9

A