基于模擬實際應用場景下服裝保暖性能無損測試研究

保暖性是服裝服用性能中基本性能指標之一。現有國家標準對于保暖性的測試按照原理分為平板法、蒸發熱板法和暖體假人法[1-3]，其中平板法和蒸發熱板法適用于織物和半成品，不能全面反映服裝成品的保暖性，而且這兩種測試方法中的環境條件（溫度20℃、濕度65%）與實際應用場景不一致，其無法體現在不同環境條件下的保暖性能；另外，蒸發熱板法測試時一般厚度不能超過30mm，不適用較厚的保暖成衣；暖體假人法適用于保暖服裝成衣，又可模擬消費者實際穿著環境，是目前服裝成衣保暖性測試最科學和客觀的方法，然而現有的暖體假人法沒有對男女款假人分類[4]，無法全面體現不同型號人體在實際服用過程中的保暖性能。此外，通過熱阻、濕阻等測試指標表征保暖性，一方面消費者對這些復雜的指標理解較為困難；另一方面因其影響因素較多而且量程有限，均會對其測試結果的準確度產生影響。因此，如何能夠以簡單直觀的方式，準確地評估服裝成衣在各種不同環境條件下的保暖性能是目前科研工作者研究的熱點[5]。

本文以羽絨服產品的保暖性測試為例，選取不同工藝條件下的羽絨成衣作為研究對象，通過構建不同溫度下的環境條件，對羽絨成衣在兩種不同號型的男、女款暖體假人上進行熱量數據采集保暖性測試，同時對在不同環境溫度下羽絨成衣保暖性能進行人體主觀測試試驗，將人體對保暖的主觀評價和暖體假人的熱量客觀量化數據進行對應，系統評估不同工藝條件下羽絨成衣的保暖性能，為羽絨服的開發和研究提供依據和參考。

1 試驗儀器與樣品

1.1 試驗儀器

1.1.1 暖體假人

自制，暖體假人是模擬人體與環境間熱交換過程的儀器設備，其胸圍、頭部、手臂等主要尺寸的幾何造型符合真人群體統計數據的平均值。本文研究對象為羽絨成衣，所用的男、女款暖體假人均取上半身，其基本參數見表1。

表1 男、女款暖體假人上半身基本參數

暖體假人上半身各分區表面皮膚溫度獨立控制，各分區溫度被加熱到一個恒定溫度，其溫度應與正常人體各部位的表面皮膚溫度相近。

1.1.2 環境氣候倉

自制，環境氣候倉的有效空間為（3×3×3）m3；環境溫度范圍為-35℃～40℃，每個溫度下波動為±2℃。

1.1.3 溫度傳感器

暖體假人的皮膚表面溫度和內部溫度測量用傳感器是熱電偶點式溫度傳感器，其厚度小于3mm；每一分區放置3個溫度傳感器，最終顯示的溫度數值是3個溫度傳感器數值的平均值；溫度測量誤差小于0.2℃。

氣候倉內放置環境溫度傳感器3只，分別放置在距暖體假人周圍1.5 m的非等高間隔位置處，溫度傳感器精度優于0.2℃。

1.2 試驗樣品

試驗用羽絨成衣樣品由某品牌公司提供，羽絨成衣樣品為男款和女款羽絨服，基本參數：號型為175/96A和165/88A、顏色為黑色、面料/里料成分為100%滌綸、填充物均為白鴨絨、含絨量為80%，其他具體基本參數見表2。

表2 羽絨服試樣基本參數

2 試驗測試

2.1 羽絨成衣平均功率客觀測試

2.1.1 基本原理

采用平均功率法測試和評價羽絨成衣保暖性能的基本原理是：在模擬人體—服裝—環境之間熱交換達到穩態后，單位時間內要維持人體正常皮膚表面溫度需要發出或消耗的能量，即周期內需要輸出的平均功率，其是一個周期內供熱電源發出或負載消耗的瞬時功率的積分的平均值。其基本方程為公式（1）：

式（1）中：Pa為平均功率，W；pi（t）為瞬時功率，W；U（t）為瞬時電壓，V；I（t）為瞬時電流，A；T為周期。

2.1.2 測試步驟

（1）將環境氣候倉開啟達到測試溫度，將暖體假人置于環境氣候倉中至假人表面皮膚溫度與測試環境溫度一致后，將調濕后的樣品穿著于暖體假人上，測試樣品與暖體假人貼合且無褶皺。

（2）穿著樣品的暖體假人加熱至進入動態熱平衡后，至少每5 min檢測和記錄一次環境溫度和平均功率，這種狀態保持30 min以上。

（3）對于調濕后的同一樣品需重復穿脫測試3次，每次測試時間間隔至少15 min。

2.2 羽絨服成衣主觀評價測試

2.2.1 基本原理

在一定穩態環境下，受試個體穿著成衣樣品后，在規定的時間內獲得生理和心理上的冷熱感，通過熱感覺量表（表3）進行等級評價，得到受試群體中熱感覺評價等級為-1、0和1的個體占總受試群體的比例，即熱感覺舒適概率，熱感覺舒適概率值即為成衣保暖主觀評價結果。其計算公式（2）為：

PTC為熱感覺舒適概率，%；ni為表示某一給定等級的答復數，i=1,2,3,4,5,6,7。

在穩態環境下，將受試個體的熱感覺特征分為一個對稱的、具有雙極的七級分度（見表3），中點為中性點，從中性點向兩極方向隨強度增加而各分為3個等級。

表3 熱感覺量表

2.2.2 測試步驟

（1）受試個體通過5杯很冷、冷、舒服、熱、很熱的水進行主觀體驗，體驗5種不同溫度下感覺，統一評價標尺；然后統一穿著標準內衣和羽絨服在20℃環境下靜坐10min。

（2）受試個體穿著成衣樣品進入環境氣候倉后靜止站立，待受試個體表面皮膚溫度和環境氣候倉溫度穩定5min后開始主觀測試，每隔5min按照熱感覺量表（表2）記錄一次主觀測試結果，正常情況這種狀態必須保持30 min，其間若出現熱感覺量表中的兩極情況則立即停止測試。

（3）每個樣品至少需要7個受試個體進行主觀評價測試。

3 結果與討論

3.1 暖體假人內部溫度對羽絨服成衣平均功率測試結果的影響

暖體假人對服裝平均功率的測定，是一個動態平衡的調節過程，即當暖體假人—服裝—環境三者之間熱交換達到穩態時，要維持人體正常皮膚表面溫度需要輸出的平均功率。由于暖體假人本體是一個立體的三維空間結構，因此熱平衡狀態不僅要求各部分皮膚表面溫度達到穩定狀態，而且也要求暖體假人本體內部溫度達到穩定狀態。本文針對暖體假人各部分皮膚表面溫度和內部溫度達到熱平衡狀態進行分析，同時考察暖體假人內部溫度對羽絨成衣平均功率測試結果的影響。選取試驗環境溫度為-5℃、240g男款羽絨成衣，研究在-5℃下男款暖體假人穿上羽絨成衣后肩部皮膚表面溫度（設定溫度為36℃）和內部溫度達到熱平衡狀態過程，以及暖體假人內部溫度對羽絨成衣平均功率測試結果的影響，結果如圖1和圖2所示。

圖1 暖體假人熱平衡過程圖

圖2 暖體假人內部溫度對羽絨成衣平均功率測試結果的影響

從圖1和圖2可以看出，暖體假人在達到一個熱平衡狀態時，其需要經過三個階段，變溫階段——暖體假人各分區部位表面皮膚溫度以較快和平衡的態勢升至設定恒溫點附近，并維持在恒溫點±1℃的范圍之內，暖體假人內部溫度則隨著各分區部位表面皮膚溫度的升高和環境溫度的降低而變化；調溫階段——暖體假人各分區部位表面皮膚溫度正常維持在恒溫點±0.5℃的范圍內波動，而暖體假人內部溫度的變化隨著內部熱量的蓄滿逐漸趨于穩定，而此時平均功率值還會隨著內部溫度的變化而變化；平衡階段——暖體假人各分區部位表面皮膚溫度維持在恒溫點±0.1℃的范圍內波動，基本保持不變，暖體假人內部溫度也達到了穩定值，暖體假人—服裝—環境三者之間熱交換真正達到了一個熱平衡狀態，此時平均功率的值也達到了穩定值。因此只有當內部溫度達到穩定時才進入熱平衡狀態，此時測出的平均功率值才能真實反映出服裝成衣保暖性能，這樣也就消除了內部蓄熱或欠熱引起的結果誤差。

3.2 不同環境溫度下羽絨成衣平均功率客觀測試分析

當環境溫度低于人體正常表面皮膚溫度時，人體的熱量會流失，溫差越大，人體熱量流失得越快，感覺越冷。保暖是為了減緩人體熱量的流失速度，使人體保持恒溫，羽絨成衣起的就是這樣的作用；人體感覺最舒適的基本條件就是維持人體的熱平衡，即人體自身產熱量與向環境散失的熱量之間能量交換達到平衡，當羽絨成衣內的溫度高于人體溫度時，人體已無法正常散熱就會出汗等造成不舒適感。因此，在一定環境溫度下，羽絨成衣要達到最佳的保暖又舒適的效果，對其羽絨的充絨量是有一定要求。

本文通過對冬季全國各地平均氣溫分布數據進行分析，選取了4個具有特征性環境溫度點（-25℃、-15℃、-5℃和5℃），研究在各個環境溫度下，男款和女款羽絨成衣的保暖性能，具體測試方法和步驟見2.1，結果如圖3所示。

圖3 不同環境溫度下男、女款羽絨成衣保暖性能客觀測試分析

從圖3可以看出，在環境溫度為5℃、-5℃、-15℃和-25℃時，當暖體假人內部溫度和表面各部位溫度達到穩定時，平均功率均隨著羽絨服充絨量的增加而減小，說明隨著羽絨服充絨量的增加，單位時間內維持人體正常皮膚表面溫度所需要消耗的能量越小。同時，在環境溫度為5℃時，針對男、女款羽絨服，當充絨量達到120g時，其對應平均功率值分別為25.0 W和26.0W，再增加羽絨克重，其對應的平均功率相差不大，說明此時羽絨服可以明顯減緩人體熱量的流失速度，使人體保持恒溫狀態，保暖性能良好。同上推理分析，在環境溫度為-5℃、-15℃和-25℃時，當暖體人體—服裝—環境之間達到一個熱交換平衡時，男、女款羽絨服在達到最佳保暖性能時，其對應的平均功率和充絨量如表4所示。

表4 不同環境溫度下男、女款羽絨服最佳充絨量和平均功率關系

3.3 不同環境溫度下羽絨服成衣保暖性能主觀評價分析

羽絨服成衣保暖性能主觀評價是指通過人體在特定的環境下，以穿著不同種類服裝時生理參數的變化來評價服裝成衣保暖性能的一種方法，其能夠直接真實地反映穿著人員（消費者）實際體驗。

為了試驗數據的準確度和穩定性，本試驗選用年齡為23～28周歲的男[身高(175±5)cm、體重(75±2)kg]和女[身高(160±5)cm、體重（50±2）kg]各7名作為受試個體，進行4個具有特征性環境溫度點（-25℃、-15℃、-5℃和5℃）下羽絨服成衣的保暖性能主觀測試評價，具體測試方法和步驟見2.2，測試評價結果見圖4所示。

圖4 不同環境溫度下男、女款羽絨服成衣保暖性能主觀評價分析

從圖4可以看出，在環境溫度為5℃時，針對男款羽絨服，當充絨量為60g、80g和100g時，受試對象的熱感覺舒適概率PTC為0、0%和14%，即受試對象感覺是不舒適的；而當充絨量大于等于120g時，受試對象的熱感覺舒適概率PTC均為100%，即受試對象感覺是舒適的，這與上述男款羽絨服成衣保暖性能客觀測試分析結果吻合一致。

針對女款羽絨服，當充絨量為60g、80g和100g時，受試對象的熱感覺舒適概率PTC均為0，即受試對象感覺是不舒適的；而當充絨量大于等于120g時，受試對象的熱感覺舒適概率PTC均為100%，即受試對象感覺是舒適的，這也與上述女款羽絨服成衣保暖性能客觀測試分析結果吻合一致。同理通過分析可知，在環境溫度為-5℃、-15℃和-25℃時，男、女款羽絨服成衣保暖性能主觀評價分析與上述客觀測試分析結果均吻合一致。

4 結論

（1）在不同環境溫度下，通過暖體假人對平均功率的測定來評估成衣保暖性能時，只有當暖體假人內部溫度達到穩定時，此時測出的平均功率值才能真實反映出服裝成衣保暖性能，這樣就消除了內部蓄熱或欠熱引起的結果誤差。

（2）在不同環境溫度下，通過對男、女款羽絨服成衣保暖性能客觀測試分析可知：羽絨服成衣的保暖性能和平均功率呈反比關系，平均功率隨著羽絨服充絨量的增加而減小，當充絨量增加到一定程度時，在增加羽絨克重，其對應的平均功率相差不大，此時羽絨服成衣的保暖性能最佳。

（3）在不同環境溫度下，通過對男、女款羽絨服成衣保暖性能主觀評價分析可知：對不同充絨量的男、女款羽絨服，受試對象的熱感覺舒適概率PTC值與不同充絨量的男、女款羽絨服成衣保暖性能客觀測試分析結果吻合一致。

（4）結合羽絨服成衣保暖性能客觀測試分析結果和主觀評價分析結果，說明采用平均功率法來測試和評價羽絨服成衣的保暖性能可真實反映出人體在不同環境條件下的保暖性需求，滿足消費者對服裝舒適性的要求，具有理論上和實踐上的科學性和合理性，其對企業在產品創新開發方面具有指導性作用，也對規范和提升紡織服裝生產企業質量水平具有重要意義。