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 紡織學院，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 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

寒冷條件下，環境與人體之間的巨大溫差以及大風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：主動產熱式防寒服和被動隔熱式防寒服[1]，因目前市面上主動產熱式防寒服存在攜帶電池、洗滌及安全等問題[2]，故大多數防寒服仍為被動式。防寒服的保溫性能受材料、環境(風速[3-4]、相對濕度[5])和皮膚溫度[6]、衣下空氣層厚度、層數[7]、面料的透氣性[8-9]等多因素的綜合影響。目前，企業普遍采用人體感官經驗進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，缺少客觀數據的定量支撐。

文中依據防寒服的原材料組合方式與結構，在模擬真實使用環境下，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，探討環境溫度、風速對其影響，尋求提高面料、里料熱阻的最佳組合方式，為企業選材和防寒服設計提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1試樣 根據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，試樣規格見表1，保溫材料的結構參數見表2，保溫材料橫斷面如圖1所示。

表1 試樣規格

表2 保溫材料結構參數

1.1.2儀器 HFB-1型織物涼感測試儀，江蘇斯利浦睡眠產業科技有限公司制造；吹風裝置，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為環境的平均溫度(℃)；S為傳感器總面積(m2)；H為穩態傳熱中傳感器輸出的平均功率(W)。

根據GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩態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果。測試條件：在人工氣候倉內，溫度分別設定為(20.0±0.5)，(10.0±0.5)和(0.0±0.5) ℃，相對濕度為(65±3.0)%，風速分別為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定在33 ℃[12]。

2 結果與分析

熱量傳遞方式包括熱傳導、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和熱對流對其保溫性的影響。自然對流環境(風速<0.1 m/s)下的熱阻通常被稱作靜態熱阻，有風狀態下的熱阻稱為動態熱阻。

2.1 不同防寒服的靜態熱阻比較

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，在氣候倉環境溫度10 ℃、相對濕度65%、自然對流環境下測試的熱阻。

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；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遠大于表層面料，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在透氣性或擋風性；防寒服用組合紡織品熱阻的變化幅度與保溫層種類相關，主要是受保溫層的纖維種類和紡織結構兩方面的影響。

結合表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，說明自身結構阻擋對流散熱的能力強，對外層面料的擋風性依賴程度不高；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性相關程度高。

為剔除試樣規格影響，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、擋風性好。因此，影響防寒服用組合紡織品熱阻的關鍵因素是面料的透氣率或擋風性，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兩種不同風速分別進行熱阻測試，具體結果如圖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速的增大而減小；在同一風速下，其熱阻均隨環境溫度降低而增大。從圖3還可以看出，在風速從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速對防寒服保溫性能影響更大。

進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，發現當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，在風速3 m/s、溫度分別為0 ，10 ℃的條件下，絕大多數情況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，說明風速大時面料b適合做表層面料，而風速小時面料c更宜做表層面料。

為剔除試樣規格影響，將環境溫度為0 ℃、風速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的規律類似。但是，與表3比較可以發現，表4中各保溫材料的熱阻值普遍降低，說明在真實有風的使用環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%，這體現出木棉的重要應用價值。

2.3 環境溫度下防寒服靜態熱阻比較

在環境溫度分別為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行熱阻測試，具體結果如圖4所示。

由圖4可以看出，防寒服用組合紡織品的靜態熱阻與環境溫度呈負相關，環境溫度越低，其靜態熱阻越高，且環境溫度從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動或固體分子鏈/基團的振動而產生，由熱力學性質可知，分子運動或分子鏈振動都隨著溫度的升高而加劇，因此當溫度降低時，分子動能減小，纖維間空氣分子運動變慢，纖維自身分子鏈的振動頻率變慢，熱傳遞性能減弱，故環境溫度越低防寒服熱阻越高。

另外，分析圖4可以發現，保溫材料與面料c組合的靜態熱阻大于與面料b組合的熱阻，說明面料c的靜態熱阻大于面料b的。結合表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要經過大量纖維接觸點，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的動態熱阻受環境風速的影響大，或者說圖3的動態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擋風性差(對流熱阻低)、傳導熱阻高的特性，導致不同環境風速下圖3和圖4熱阻值的差異。這一結果說明在自然對流的室內使用的被類產品不必強調面料的擋風性，而在室外使用的棉衣、睡袋類產品必須考慮面料的擋風性。

3 結語

1)防寒服的保溫性與厚度、纖維間堆砌結構密切相關，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；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性增強而提高，變化幅度與保溫材料種類明顯相關：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性，外層面料的擋風性能越好，與羽絨組合的紡織品保溫性越好。在室外使用的棉衣、睡袋類產品必須考慮面料的擋風性。

3)環境條件對防寒服用組合紡織品的熱阻影響很大，風速越大所測熱阻值越低，在真實有風的使用環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。環境溫度越低，所測熱阻值越大，低溫條件下風速對防寒服保溫性影響更大。目前，標準環境(20 ℃，相對濕度65%，風速<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境中的相差很大，故紡織品及服裝保溫性測試應在模擬使用環境的人工氣候倉中進行。