服裝保暖性的國內外檢測技術研究現狀與發展趨勢

劉美娜+羅勝利+王府梅+劉剛中

摘要：文介紹了暖體假人的發展經歷及最新研究成果，對比分析了服裝保暖性檢測的現有國際標準，指出了目前檢測技術的主要不足和服裝保暖性能測試課題的近期研究方向。

關鍵詞：服裝；保暖性；暖體假人；檢測技術

中圖分類號：TS941.79 文獻標志碼：A

The Study on Testing Technology of Clothing Thermal Property

Abstract： In this paper， developments and the latest research progress of thermal manikins are introduced. By analyzing the international evaluation criteria of clothing thermal insulation， it points out the deficiencies of testing technology and the research direction in the near future.

Key words： clothing； thermal property； thermal manikin； testing technology

關于平面狀紡織品保溫性的測試，國內外標準測試方法都采用平板式保溫儀進行測試。而服裝通常是由面料、里料、輔料和填充材料等縫制成的三維曲面狀產品，其保暖性和熱舒適性不但與各種原材料性能有關，還與其組合方式高度相關，因此必須測試考核服裝成品的保暖性。20世紀以來，國內外學者就服裝保暖性的檢測技術進行了大量的研究工作。

1 服裝保暖性檢測設備分析

服裝的熱阻是衡量服裝保暖性的一項重要指標。目前，國內外一直用“暖體假人”或“出汗假人”測試曲面狀服裝的熱阻。

1.1 暖體假人的發展回顧

20世紀40年代人們開始研發暖體假人，試圖通過一個近似人體形態的假人模擬人體與環境間的熱濕交換。它的身型高度和三維尺寸和普通成年男子相似，由頭、胸部、背部、腹部、臀部、上肢、手、下肢和腳等解剖段組成。暖體假人本體由銅、鋁或玻璃鋼制作而成，可采用內部加熱、內表面加熱和外表面加熱，當采用內部或內表面加熱方式時，為了保持外表溫度均勻，必須用高熱導率的材料制作外殼。

當前已經有三代暖體假人，第一代暖體假人為單段假人系統，不能反映人體溫度分布，且不能活動，只能用于服裝熱阻的一般測試。第二代暖體假人為多段暖體假人（圖 1），每段采用單獨控制的加熱系統，從而實現了每段體表溫度的單獨受控，而且假人可以模擬人體不同姿勢，做一些簡單運動。第二代暖體假人較第一代有了明顯的改進，由簡單的靜態試驗發展到了動態模擬的需求，仿真性更高。第三代暖體假人也叫出汗暖體假人，除了可以模擬人體比較復雜的動作以外，實現了假人出汗，能更真實、全面地反映人體、服裝和環境的熱濕交換過程，對服裝的熱濕傳遞性能做出綜合評價。

1.2 暖體假人的最新進展

現階段暖體假人只適合測試某些特殊職業裝的保暖性，由于“假人”形體為特定尺碼的男體，對于款式多變、大小號尺碼分布很廣的市場銷售服裝，“假人”的不適用性顯而易見。再者，目前“假人”給出的保暖性指標與全身或半身或某些段（圖 1）的單位面積的平均散熱功率對應，多數衣服很難剛好覆蓋其全身或半身的某些段，衣身和袖子長短、開領高低等款式變化對整件服裝散熱功率的影響都會被計入保暖性指標。因而結構復雜、造價昂貴的現有暖體假人卻不能給出任意款式、尺碼服裝的有效保溫部位的保暖性，應用價值不高。

2015年，東華大學和山東萊州電子儀器有限公司聯合研制出LD-1型服裝保溫性能測試儀（圖 2），是考慮服裝三維空間結構和材料熱阻測試條件的簡化假體。儀器測試主機是由紫銅制作的恒溫暖體，沒有四肢，前后身為 2 臺獨立的曲面保溫儀。凡是容易因服裝款式變化引起測試誤差的部位都設計為熱護板，可保證測試板只向其法向的服裝部位供熱。熱護板與測試板的表面溫度都控制在“體溫±0.1 ℃”范圍，體溫可設計為33、34或35 ℃。服裝熱阻只用測試板的散熱量和面積計算，與熱護板散熱量和面積無關。并且考慮羽絨服等產品保溫性的不均勻性，每塊測試板與熱護板都被劃分為數個區域，各區域獨立測溫和進行恒溫控制。考慮環境溫度也參與試樣熱阻計算，假體外圍距離測試板25 ～ 30 cm的法向空間內安裝有 4 個環境溫度測頭，測量精度±0.1℃，測試時間段內 4 個環境溫度測頭的平均溫度用于試樣熱阻計算。與傳統暖體假人相比，該儀器結構大幅度簡化，只測試上裝代表性部位的傳熱性能，儀器造價低；試樣適應范圍廣，假體三圍可以增大1.0 ～ 10.0 cm，以便測試不同尺碼的上裝；結構設計可剔除開領高低、衣服長短、開衩大小、邊緣效應等服裝結構對保溫性測試值的影響。

2 服裝保暖性檢測方法分析

對比研究用暖體假人測試服裝保暖性的國際標準ASTM F 2732-2011與BS EN ISO 15831：2004，兩者從適用對象、測試環境、儀器設備調試、試樣準備、計算方法等方面介紹了熱阻的檢測方法，對比結果如表 1 所示。

從表 1 可以看出，這 2 個標準所采用的檢測方法基本相同。適用對象都是人體穿著的整套服裝，包括外套、襯衣、牛仔褲、男士內衣內褲、襪子、運動鞋、手套、帽子。而針對市場流通中單件服裝，這樣的檢測方法無法標識其保暖性指標，也就是說現有的標準在實際產品測試評價中的可用性很低。

測試環境包括溫度、相對濕度和風速 3 個因素。對于服裝保暖性測試的環境溫度，2 個標準給出的是一個范圍，更注重的是對溫度穩定性的控制。而研究結果表明，服裝內外溫差的大小勢必影響其對流散熱和輻射散熱，服裝熱阻隨著環境溫度的升高有較為顯著升高趨勢。所以服裝熱阻的測試必須界定在一定的環境溫度上，僅僅給出溫度的取值范圍是不科學的。對于服裝保暖性測試中相對濕度的控制，2 個標準都只是對控制的精度有一定的要求，這是因為在推薦范圍內相對濕度對服裝熱阻的影響不明顯。對于服裝保暖性測試的環境風速，2 個標準的要求相同，都是給出的固定值。實際上外界的有風環境會擾亂邊界空氣層與織物內部的含氣量，并增強對流散熱，最終導致服裝熱阻下降。在軟風風力范圍內，隨著風速的增大，服裝熱阻呈線性下降趨勢。對保暖性要求較高的服裝往往是在寒冷冬季穿著，風力是其中一個很重要的環境因素，尤其是在沿海和高原地區。2 個標準設定的0.4 m/s的風速相當于 1 級風的風力，這樣的測試條件與服裝的實際穿著使用環境大相徑庭，其測試結果不能很好地反映實際使用中的保溫性。

暖體假人的體表溫度實際上是模擬人體的體表溫度。實驗研究表明，在正常生活、工作狀態下，體表溫度在32 ～ 35 ℃時，人的感覺都是比較舒適的。服裝保暖的目的就是要維持人體的體表溫度使其處于舒適狀態，所以暖體假人的體表溫度應該是人體的舒適體表溫度，取值在32 ～ 35 ℃之間即可。

測試服裝的尺碼要求是合身，與穿著情況相符，這實際上是模擬人體在真實環境中的穿著狀態。但是“合身”只是一個定性描述，它沒有給出服裝與暖體假人配合的準確寬松度，而寬松度的數值決定了暖體假人與服裝間的空氣含量。在無風情況下，靜止空氣的含量會影響服裝的熱阻測量值；在有風的情況下，流動的空氣層會形成風洞效應，從而影響服裝的保溫性。所以定性描述的服裝尺寸勢必導致測試誤差。

服裝熱阻的計算方法已經形成了一定的理論體系，但是也存在一些應用困難的問題。一方面，目前國內外的服裝熱阻表征的是服裝單位面積的隔熱效果，不能直接反映服裝對人體單位面積的保溫效果，因為同一人體穿著同一尺碼服裝時表面積因款式而變化，在傳統定義下不同款式服裝的熱阻值之間失去了可比性，不利于消費者理解和運用。另一方面，服裝試樣的表面積計算非常繁瑣。ASTM F 2732-2011與BS EN ISO 15831：2004都采用服裝面積系數fcl完成暖體假人體表面積與服裝試樣表面積的換算，而fcl的準確測量需要采用圖像處理的方法，非常耗時。所以ASTM F 2732-2011為了方便起見，就對fcl的取值做了明確的規定，1#套裝、2#套裝（標準規定的套裝組成）和冬季套裝fcl分別取值1.25、1.30和1.35，這樣計算數值的準確性勢必下降。上述 2 個問題都與試樣面積相關，東華大學的發明專利“一種模擬體形的成衣保溫儀的熱阻計算方法”很好地解決了這 2 個問題。它將熱阻定義為：標準人穿上合適尺碼的服裝試樣由瞬態傳熱轉變到穩態傳熱以后，標準人的體表溫度和服裝外圍20 ～ 60 cm處空氣層溫度的差值與體表單位面積散失的氣態熱流功率之比。這一新的表述既避免了服裝表面積的繁瑣測量，又使得熱阻的實用意義增強。

3 今后的研究方向

服裝保暖性的科學評價體系主要包括 2 個方面，一是精確實用的檢測儀器，二是科學合理的檢測方法。通過以上分析可以看出現有的檢測儀器和檢測方法都存在一些不足，同時也指明了今后的研究方向。

3.1 暖體假人的設計改進

傳統意義的暖體假人由頭部、胸部、腹部、背部、臀部、手、腿、腳組成，至少需要15個模塊構成假體，結構非常復雜，且尺碼或型號單一，只能測試某一規格型號的服裝，再者測試時必須穿著內外、上下全套服裝，測試步驟繁瑣。LD-1型服裝保溫性能測試儀克服了暖體假人結構復雜、型號單一的缺點，但它只是針對上裝保暖性測試的簡化假人，僅是服裝保暖性測試設備的一個組成部分。一套完整的服裝保溫性能測試儀還須進一步研發下裝或褲類、襪類服裝的保溫性能測試儀。

3.2 服裝保暖性的檢測方法研究

為形成全面、客觀、公正和科學的評價方法，需解決以下 3 方面問題。首先，研究確定服裝保暖性測試的標準環境。測試環境中溫度、相對濕度和風速都會影響服裝保暖性的測試結果，尤其是溫度和風速 2 個因素。確定這些因素的關鍵應該是明確服裝的實際使用環境，只有在接近使用環境的人工氣候室（控制溫度、相對濕度和風速）測試服裝熱阻方能給出科學合理的評價。所以防寒服必須在低溫下測試，戶外服應該在比較強的風速下測試。定性描述是不夠的，必須確定出一個合理的標準環境條件，這需要調研全國范圍內代表性地區在冬季的溫濕度、風速等環境條件。

第二，需要定量規范服裝與暖體假人配合的寬松度。寬松度因人而異，因服裝類型而異，例如正裝和休閑裝，在實際穿用中的寬松度不同。合理的評價體系應該結合人和服裝的各種因素進行綜合考慮，在調研的基礎上確定合理的數值。

第三，需要推算服裝熱阻與使用環境溫度的對應關系，在服裝或其產品介紹上標識其適合的使用環境溫度。服裝熱阻應該能給人們出行給出合理性建議，熱阻與環境溫度的對應關系就尤其重要。這需要調研分析人體生理學領域的研究資料，匯總分析出中等運動和輕微強度下的健康中年人、兒童、老人體表單位面積的散熱量，根據不同人的體表散熱量，計算出所需服裝熱阻與使用環境溫度的圖表對應關系。

4 小結

目前國內外服裝保暖性檢測的設備和方法尚不健全，不能給出科學合理的評價。通過研制科學實用的服裝保暖性測試儀器和測試方法，可幫助企業科學評價產品性能，有利于研究開發防寒服、戶外服、舒適內衣等高檔服裝，提升我國紡織服裝企業的競爭力。

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