充氣保暖服裝的熱濕舒適性分析

郝靜雅， 李艷梅*， 王方明

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620；2. 蘇州市興豐強(qiáng)紡織科技有限公司，江蘇 蘇州 215228)

保暖是服裝的基本功能。一般通過在服裝里料和面料之間添加保暖絮填料提高服裝的保暖性，保暖絮填料是纖維與靜止空氣的集合體，靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于纖維材料[1]，因此增加服裝中的靜止空氣可有效提高服裝的保暖性，于是科研人員提出了充氣保暖服裝的設(shè)計(jì)思路。

國(guó)內(nèi)研究主要從提高充氣服裝的美觀性和實(shí)用性兩方面優(yōu)化充氣服裝的設(shè)計(jì)。王娟[2]基于人體工學(xué)，將充氣服裝整體分割成很多獨(dú)立且相連的微小氣室，使得服裝在充氣狀態(tài)下產(chǎn)生紋理，并提高了服裝與人體曲面的貼合度。陳存木等[3]著眼于服裝生產(chǎn)與制作，將馬甲設(shè)計(jì)為H型結(jié)構(gòu)，并將服裝前后片紙樣整合為一體，這樣的連通結(jié)構(gòu)減少了剪裁的工序。龔家財(cái)?shù)萚4]從款式設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過壓痕的合理分布，實(shí)現(xiàn)通氣氣道的分隔，并設(shè)置裝有透氣膜的單向充氣口，進(jìn)一步優(yōu)化充氣內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2018年興豐強(qiáng)科技有限公司借鑒羽絨充絨面料的制作方法，開始研發(fā)充氣服裝。作者團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作設(shè)計(jì)了一款充氣保暖馬甲，文中對(duì)其保暖性能、試樣內(nèi)氣壓進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)人體著裝運(yùn)動(dòng)時(shí)的保暖性能、最佳充氣厚度和熱濕舒適性加以評(píng)估，以期為企業(yè)和研究人員提供理論參考。

1 充氣服裝款式設(shè)計(jì)

1.1 面料選擇

充氣服裝面料由蘇州興豐強(qiáng)紡織科技有限公司生產(chǎn)，是以高密滌綸春亞紡為底布、熱壓附著無孔TPU薄膜的閉氣面料。底布面料為100%滌綸高密織物(面密度45 g/m2)，TPU薄膜厚度為0.015 mm，在溫度為80～120 ℃條件下采用FH-PUR熱熔膠復(fù)合機(jī)將薄膜與面料壓合而成(覆膜后閉氣面料的面密度為68 g/m2)，再使用公司膠合專利技術(shù)熱壓出面料的花型。

1.2 款式設(shè)計(jì)

充氣類服裝多為上裝，為使服裝精簡(jiǎn)和實(shí)用，確定款式為H型等寬立領(lǐng)男士馬甲。前后片連裁，并通過前置雙頭開合拉鏈方便服裝的穿脫，并在服裝的右側(cè)口袋中設(shè)置充氣嘴。充氣馬甲的充氣嘴與充氣膠球通過一條內(nèi)置小球的橡膠管相連，擠壓充氣膠球可以為服裝手動(dòng)充氣。馬甲款式如圖1所示，內(nèi)置軟管和膠球如圖2所示。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1原料 與充氣保暖馬甲相同的制作面料。

2.1.2儀器 YG141LA織物厚度儀、平板式保溫儀，均由寧波紡織儀器廠制造；電子游標(biāo)卡尺，德清盛泰芯電子科技有限公司制造；GDH 13 AN電子氣壓計(jì)，德國(guó)Greisinger公司制造。

2.2 方法

2.2.1充氣試樣的制備 通過加熱壓制成邊長(zhǎng)為40 cm的可充氣試樣，并在邊角處熱壓充氣嘴，具體如圖3所示。

2.2.2充氣試樣厚度的測(cè)試 先把試樣靜置在溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±2)%環(huán)境中24 h，使用織物厚度儀測(cè)量其厚度。將圖2中的手動(dòng)充氣膠球和軟管連接，軟管另一頭與充氣試樣的充氣口連接，通過擠壓膠球?qū)υ嚇舆M(jìn)行充氣；充入一定量的氣體后，將正方形亞克力板(邊長(zhǎng)40 cm、厚度4 mm)放置在試樣上，使得試樣盡可能保持平整，再用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣與亞克力板的總厚度，減去亞克力板的厚度后記為試樣的充氣厚度，測(cè)量3次取平均值。

2.2.3充氣試樣保暖性的測(cè)試 依據(jù)GB/T 11048—1989《紡織品保暖性能試驗(yàn)方法》控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±2)% ，平板保溫儀加熱板溫度設(shè)為36 ℃，預(yù)加熱時(shí)間為30 min；在此條件下使用平板保溫儀測(cè)量不同厚度下試樣的保溫率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱阻，測(cè)量3次取平均值。

2.2.4充氣試樣內(nèi)氣壓的測(cè)試 在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)試樣繼續(xù)充氣，以聽到輕微膠膜撕裂聲音時(shí)的充氣厚度為最大值，測(cè)其厚度；使用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)試樣的內(nèi)氣壓，測(cè)量3次取平均值。

2.3 充氣服裝的人體著裝運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象 參與人體著裝運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的5名22～25歲的在校男大學(xué)生(身高175～180 cm，體質(zhì)量68～78 kg，BMI值21～25)，體態(tài)勻稱，身體健康。

2.3.2實(shí)驗(yàn)儀器 學(xué)校自主研發(fā)的溫濕度測(cè)試儀器。硬件主要由溫濕度傳感器、NI數(shù)據(jù)采集裝置和電腦終端組成。在 Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件中將傳感器反饋的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度和濕度的測(cè)試值。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)各個(gè)通路的傳感器進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)標(biāo)定，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性[5]。

2.3.3實(shí)驗(yàn)方法 先在溫度為(15±2)℃、相對(duì)濕度為(60±2)%的條件下對(duì)測(cè)試服裝充氣后調(diào)溫調(diào)濕12 h，再讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象在此環(huán)境人工氣候倉中穿著號(hào)型為175/88A的相同襯衣和馬甲進(jìn)行靜坐、行走、慢跑和休息4種活動(dòng)，同時(shí)使用溫濕度測(cè)試儀分別對(duì)左胸口、背部、腰部、腹部[6-7]的襯衫外表面的近體表溫度和空氣層濕度進(jìn)行測(cè)量。圖4為人體著裝運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程，圖5為測(cè)試著裝示意，圖6為傳感器測(cè)試部位示意。

3 結(jié)果與分析

3.1 充氣試樣的保暖性分析

保溫率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱阻是表征樣品導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，試樣的保溫率越高，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，熱阻越大，則蓄熱保暖效果越好。不同厚度樣品的保暖參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可以看出，試樣的充氣厚度越大，保溫率越高，充氣厚度從0～10 mm時(shí)，保溫率和熱阻有明顯的增大，繼續(xù)增加充氣厚度，保溫率和熱阻均有所增大，但是變化幅度不大，充氣厚度和保溫率之間并沒有明顯的線性關(guān)系。

表1 不同厚度樣品的保溫參數(shù)測(cè)試結(jié)果

Tab.1 Results of different thermal parameters under different thicknesses

實(shí)驗(yàn)序號(hào)充氣厚度/mm保溫率/%熱傳導(dǎo)系數(shù)/(W/(m2·℃))熱阻/(m2·K/W)1027.2219.5251.152544.955.10120.9031056.246.50153.4541557.386.21161.2052058.755.86170.5062560.125.45182.90

3.2 充氣試樣的內(nèi)氣壓分析

不同充氣厚度對(duì)應(yīng)的袋內(nèi)氣壓值見表2。利用Origin軟件對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行差值擬合處理，使用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法迭代至收斂，得到非線性擬合方程和差值擬合后的圖像，具體如圖7所示。對(duì)擬合方程的系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，并對(duì)擬合方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，檢驗(yàn)均滿足p<0.05，且相關(guān)性參數(shù)值均高于0.995。由此表明，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，曲線擬合效果良好，符合試樣氣壓內(nèi)的變化規(guī)律。

在充氣過程中，隨著充氣厚度的增加，試樣內(nèi)部的充氣氣壓也在升高，試樣的柔軟性隨之降低；充氣厚度達(dá)到一定量后，繼續(xù)充氣試樣內(nèi)氣壓驟增，直至有薄膜撕裂的微響聲。如此時(shí)繼續(xù)無節(jié)制充氣則會(huì)發(fā)生局部漏氣或者氣袋爆破，影響穿著的安全性，因此試樣內(nèi)氣壓值也是篩選合適充氣厚度的重要指標(biāo)。由圖7可以看出，在此熱壓花型中，充氣厚度大于20 mm時(shí)，試樣內(nèi)氣壓驟然增加；而充氣厚度低于20 mm時(shí)，試樣內(nèi)氣壓變化相對(duì)穩(wěn)定。在氣壓穩(wěn)定的厚度范圍內(nèi)選取最高的充氣厚度，可以使服裝有較好的保暖性能，且確保安全，故確定20 mm為相對(duì)最佳的充氣厚度，并作為后續(xù)服裝實(shí)驗(yàn)的充氣厚度值。

表2 充氣厚度與對(duì)應(yīng)的氣壓值

Tab.2 Inflation thickness and corresponding air pressure value

實(shí)驗(yàn)序號(hào)厚度/mm氣壓/kPa1234567891011121314151617262524232221201918171615141312111012.010.06.34.42.31.81.41.00.70.60.50.40.30.20.20.10

3.3 人體著裝運(yùn)動(dòng)的分析

環(huán)境溫度在35 ℃以下時(shí)體表溫度與溫度感覺密切相關(guān)，體表溫度是衡量人體熱舒適性的重要指標(biāo)，溫度變化不僅可以直觀反映不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體代謝產(chǎn)熱的變化，還可以間接反映人體的熱舒適性[8]。由于傳感器的硬件不易貼在人體上使用，故文中通過測(cè)量衣下空氣層的濕度和襯衫外表面近體表溫度評(píng)價(jià)服裝在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱濕變化。以0.5 min為時(shí)間間隔，取時(shí)間段內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平均值為該時(shí)間單元內(nèi)的溫濕度值，隨后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。5名受試者各部位近體表溫度變化如圖8所示。

4 結(jié)語

通過對(duì)充氣保暖服裝的熱濕舒適性分析，驗(yàn)證了在活動(dòng)量較小時(shí)充氣保暖服裝有良好的熱濕舒適性。保暖性能和氣壓測(cè)試結(jié)果表明，在保證較高的保溫率和較穩(wěn)定的氣壓值時(shí)，這款充氣服裝最大充氣厚度為20 mm。該款充氣服裝在低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)能通過服裝的領(lǐng)口、袖窿口和下擺等開口部位排出濕氣，保證日常工作及生活所需要的服用舒適性，但在跑步過程中的透濕性較差。因此，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)服裝款式、改變服裝結(jié)構(gòu)、在壓膠部位增加微孔等方式提高充氣服裝的透濕性能，使產(chǎn)品性能得到進(jìn)一步完善，增加產(chǎn)品的實(shí)用性。