溫度與單位填充量對羽絨服保暖性的影響探究

何雨 溫潤 徐廣標(biāo)

摘 要：保暖性是衡量羽絨服質(zhì)量的重要指標(biāo)。以羽絨服保暖性為研究對象，在不同溫度下測試評價了不同單位填充量的羽絨服內(nèi)膽保暖性的差異，并對其保暖機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明：單位填充量相同的羽絨服內(nèi)膽在零度以下時熱阻隨溫度的降低而增大，零度以上時熱阻變化不明顯;當(dāng)環(huán)境條件相同時，熱阻隨單位填充量增大而增大，但單位填充量增加到120～130 g/m2后熱阻增加不明顯甚至出現(xiàn)略微下降;并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了熱阻-單位填充量-溫度的函數(shù)方程。

關(guān)鍵詞：羽絨服;溫度;單位填充量;熱阻;機(jī)理分析

中圖分類號： TS195.644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）04-0051-06

Abstract： The warmth retention property is an important index to measure the quality of down jackets. Taking the warmth retention property of down jackets as the research object， the differences of the warmth retention of down jackets with different filling density were tested and evaluated at different temperatures， and the warmth retention mechanism under different filling densities was analyzed. The results showed that the thermal resistance of down jacket liner with the same filling density increased with the decrease of temperature below 0 ℃， and the thermal resistance changed little above 0℃. When the environmental conditions were the same， the thermal resistance increased with the increase of filling density. But when the filling density increased to 120 ～ 130 g/m2， the increase of thermal resistance was not obvious or even slightly decreased. The function equation of thermal resistance-filling density-temperature was established according to the experimental data.

Key words： down jacket; temperature; filling density; thermal resistance; mechanism analysis

保暖性是衡量羽絨服質(zhì)量的重要指標(biāo)，現(xiàn)有研究已有從填充物類型[1-3]、含絨率[4-6]、絎縫數(shù)量[6-7]以及面料[8]等方面對羽絨服保暖性進(jìn)行探討，并證實當(dāng)填充物種類相同時填充量是影響羽絨服保暖性的主要因素[9]。現(xiàn)有的羽絨服內(nèi)膽保暖性評價是在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的，然而實際穿著時的溫濕度變化會影響羽絨集合體蓬松結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)膽的熱阻發(fā)生改變[9-11]。傳統(tǒng)觀念中，款式和尺碼相同的羽絨服，填充量越大則保暖性越好。而眾多實驗結(jié)果表明，一定體積的羽絨服內(nèi)膽存在“臨界填充量”，當(dāng)達(dá)到臨界填充量時，熱阻不再隨填充量的增加而穩(wěn)定上升[2，10-11]。現(xiàn)有研究沒有將溫度和單位填充量對羽絨服熱阻的影響做定量研究，因此本研究旨在不同溫度下對不同單位填充量的羽絨服進(jìn)行熱阻測試并進(jìn)行定量分析，得到更為客觀的羽絨服保暖性變化規(guī)律，為羽絨服類產(chǎn)品設(shè)計提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試 樣

采用30 cm×30 cm大小的羽絨服內(nèi)膽面料、填充物為含絨率95%白鵝絨制作試樣。依據(jù)華東地區(qū)暢銷羽絨服單位填充量調(diào)研結(jié)果，設(shè)置樣品單位填充量范圍為40～160 g/m2，以10 g/m2為梯度進(jìn)行充絨。將制成的內(nèi)膽試樣平置，待膽內(nèi)鵝絨分布均勻后，用游標(biāo)卡尺測試內(nèi)膽試樣厚度，各參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗儀器及步驟

儀器：HFB-1型織物冷暖感平板儀、紅外熱像儀（測試內(nèi)膽試樣上表面溫度）、溫濕度儀、風(fēng)速儀。平板儀的有效發(fā)熱面積為10 cm×5 cm，試樣在其表面難以保持平整易導(dǎo)致羽絨分布不勻。此外考慮內(nèi)膽試樣四周散熱的影響，在內(nèi)膽試樣的上下表面增加固型隔熱板：將兩塊30 cm×30 cm絕熱鋁塑板中部挖空10 cm×5 cm，如圖1所示放置在試樣上下兩側(cè)并加持，模擬羽絨服內(nèi)膽絎縫以保證羽絨分布均勻，同時使平板儀的熱量通過絕熱板鏤空部位穩(wěn)定向上傳輸。測試地點在氣候倉，設(shè)備型號Q-WI-20-2，該倉自帶空氣循環(huán)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，通過壓縮機(jī)制冷產(chǎn)生低溫環(huán)境，通過溫度控制系統(tǒng)以及空氣循環(huán)系統(tǒng)，可控制倉內(nèi)的溫濕度。為了保持所測試樣周圍風(fēng)速穩(wěn)定，放置了上下表面挖空的箱體罩在測試儀器外，如圖2所示。

試驗步驟：依據(jù)華東地區(qū)冬季氣候統(tǒng)計情況，測試溫度控制為-6～15 ℃，并以每3 ℃設(shè)置實驗溫度梯度;0～15 ℃時相對濕度穩(wěn)定在40%，-6～0 ℃時相對濕度降至30%;平板儀外的箱體內(nèi)風(fēng)速控制在1 m/s。待氣候倉內(nèi)溫濕度風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，將13只內(nèi)膽試樣平鋪排列，在倉內(nèi)預(yù)調(diào)濕24 h。調(diào)濕結(jié)束后將內(nèi)膽試樣經(jīng)鏤空絕熱板上下加持好，平鋪在平板儀上，待熱板溫度達(dá)到設(shè)定溫度且傳熱穩(wěn)定后，測試30 min，并記錄實時熱流量Q（W/m2）、環(huán)境溫度T（℃）、環(huán)境相對濕度（%）、環(huán)境風(fēng)速（m/s）、試樣上表面平均溫度t1（℃）、熱板上表面平均溫度t2（℃）。重復(fù)3次，取每周期穩(wěn)定5 min后數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行計算。

T溫度下服裝熱阻：I=0.155×（t2-t1）/Q（1）

式中：I熱阻，clo;t1試樣上表面平均溫度，℃;t2熱板上表面平均溫度，℃;Q熱流量，W/m2。

13塊內(nèi)膽試樣在8個溫度下（相對濕度40%±10%;風(fēng)速≤1 m/s）的測試結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對熱阻的影響

由表2可看出，內(nèi)膽試樣熱阻在零度以下呈現(xiàn)隨溫度升高減小的趨勢，而零度以上熱阻變化不明顯。以40、80、120、160 g/m2為例分析溫度對試樣熱阻影響如圖3所示。

由圖3可以看出，在0℃附近不同試樣的熱阻隨溫度變化趨勢均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。以40 g/m2試樣為例：當(dāng)溫度由-6 ℃上升至0 ℃熱阻下降0.137 clo，熱阻變化率為0.023 clo/℃。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 9920—2007《服裝基本熱阻》可知，在這6 ℃的溫度變化范圍內(nèi)，保暖性的下降值相當(dāng)于單件夾克背心的熱阻0.13 clo;由0 ℃升至15 ℃時，熱阻變化率只有0.008 clo/℃，幾乎無變化。綜合13種單位填充量的內(nèi)膽試樣測試結(jié)果來看，變化規(guī)律有一致性：0～15 ℃范圍內(nèi)，隨溫度的升高內(nèi)膽試樣熱阻較為穩(wěn)定;-6 ℃～0 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高試樣的熱阻呈現(xiàn)減小的規(guī)律。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有兩點：a）當(dāng)環(huán)境溫度設(shè)置為零度附近或以下時，空氣中的水蒸氣由于溫度過低而凝結(jié)，致使氣候倉溫度在零下時的相對濕度降低25%～30%，比零上溫度的氣候倉相對濕度小10%～15%，內(nèi)膽試樣的熱阻會受到相對濕度的影響發(fā)生顯著的變化：羽絨纖維的絨枝和絨小枝使羽絨的比表面積較大，羽絨有一定的吸濕性;當(dāng)環(huán)境相對濕度較大時，羽絨集合體回潮率增大，其蓬松結(jié)構(gòu)較相對濕度更低時的結(jié)構(gòu)差，羽絨集合體的熱阻將明顯變小，傳熱系數(shù)增大，熱量損失增多，降低了羽絨服內(nèi)膽的整體保暖性能[10，12]。b）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，溫度降低導(dǎo)致空氣密度變大（溫度由0 ℃降至-6 ℃時空氣密度增加0.029kg/m3），氣流流動減慢。此外，試樣周圍的氣流使內(nèi)膽表面存在對流換熱，此時對流散熱減少，使得熱流量Q減少，羽絨服內(nèi)膽試樣的熱阻增大[12-14]。

值得一提的是，在華東地區(qū)的實際冬季氣候中，有與氣候倉相同的相對濕度、風(fēng)速變化規(guī)律：冬季溫度越低，往往相對濕度減小空氣干燥且風(fēng)速減小，尤其是華東地區(qū)12月、1月的天氣情況，因此實驗雖無法完全排除氣候倉內(nèi)溫度變化帶來的相對濕度、風(fēng)速變化對實驗結(jié)果的影響，卻更好地反映了冬季華東地區(qū)羽絨服熱阻隨溫度的變化規(guī)律。對于活動水平為2MET的人來說，當(dāng)服裝的熱阻每變化0.1 clo，服裝的溫度適用范圍有1.32 ℃之差[13];服裝熱阻每變化0.1 clo就能使人體的熱感覺發(fā)生變化，因此將不同單位填充量的羽絨服內(nèi)膽放在不同的環(huán)境中表征其熱阻值是有必要的[16]。

2.2 單位填充量對熱阻的影響

由表2可看出，13塊試樣單位填充量達(dá)到120～130 g/m2后，熱阻的上升趨于平緩。以-3、3、9、15 ℃為例，具體分析由40 g/m2升至160 g/m2時熱阻變化規(guī)律如圖4所示。

圖4可以看出，由40 g/m2增加為120 g/m2時試樣的熱阻穩(wěn)定增加，由120 g/m2增加為160 g/m2過程中試樣的熱阻增加很小或略微下降。其中試樣在40～80g/m2變化時熱阻增長較快，隨著單位填充量繼續(xù)增加，熱阻增長變緩甚至出現(xiàn)負(fù)增長，說明熱阻不是隨著內(nèi)膽的單位填充量增加而穩(wěn)定增加。如-3 ℃時130 g/m2試樣的熱阻增長為負(fù);9 ℃時，120 g/m2與130 g/m2時的熱阻基本相同、150 g/m2與160 g/m2時的熱阻基本相同。這一現(xiàn)象與羽絨服內(nèi)膽特殊的結(jié)構(gòu)以及羽絨集合體特殊的保暖機(jī)理共同導(dǎo)致的單位填充量增大使羽絨服內(nèi)膽主要傳熱路徑發(fā)生改變有關(guān)[18]，將在下文2.4部分具體分析變化機(jī)理。

2.3 溫度、單位填充量、熱阻函數(shù)關(guān)系

依據(jù)測試數(shù)據(jù)表2，在溫度-6～15 ℃、相對濕度40%±10%、風(fēng)速≤1 m/s的條件下，利用MATLAB得到熱阻-溫度-單位填充量函數(shù)關(guān)系如式（2）：

式中：x為單位填充量，g/m2;y為溫度，℃;z為熱阻，clo。

擬合方程曲面圖如圖5所示。

2.4 保暖性變化機(jī)理分析

羽絨的樹狀分叉結(jié)構(gòu)、絨枝的多向分布結(jié)構(gòu)使得羽絨絨朵間有一定間距，羽絨的靜電容量小絨毛在極小的電荷下就會相互排斥，以上特點使得羽絨服內(nèi)膽富含大量靜止空氣。為了使羽絨服在人體穿著、運(yùn)動時也能保持絨朵的均勻分布和相對靜止、不跑絨以維持更多的空氣，羽絨服在制作時需要對內(nèi)膽進(jìn)行絎縫來限制絨朵的運(yùn)動空間，如圖6所示。

隨著單位填充量的增大，內(nèi)膽截面的絨朵分布和內(nèi)膽的傳熱方式均會發(fā)生改變。3種單位填充量內(nèi)膽的截面絨朵分布示意如圖7所示;內(nèi)膽的綜合傳熱方式如圖8所示。

結(jié)合圖8分析不同單位填充量的保暖性變化機(jī)理，如圖7（a）當(dāng)羽絨服內(nèi)膽的單位填充量小時，絨朵與絨朵之間有一定空間，絨朵自然分散不受擠壓，羽絨集合體內(nèi)孔隙率較大，內(nèi)部空氣對流傳熱，此時的羽絨服內(nèi)膽的熱量散失主要來源于非靜止氣體的熱傳導(dǎo)、羽絨纖維間的熱對流和熱輻射。如圖7（b）當(dāng)羽絨服內(nèi)膽的單位填充量增大時，內(nèi)膽單位絎縫空間的表面積一定而厚度增加，單位體積內(nèi)羽絨纖維數(shù)量增多，絨朵與絨朵之間空隙率減小，增大了空氣流動的阻力，絨朵內(nèi)、絨朵間維持了更多的靜止空氣，使對流傳熱顯著降低，此時內(nèi)膽內(nèi)的熱對流、熱輻射熱傳導(dǎo)的綜合值最小，使得內(nèi)膽隔熱性能提高。如圖7（c）當(dāng)內(nèi)膽的單位填充量持續(xù)增大時，內(nèi)部孔隙率變小，能夠容納的靜空氣量減少，同時纖維間熱傳導(dǎo)增加，使集合體的導(dǎo)熱系數(shù)反而升高。由于內(nèi)膽單位絎縫空間內(nèi)的表面積不變，且內(nèi)膽并無明顯的厚度方向上增大，絨朵與絨朵之間有絨毛或絨枝的接觸，羽絨纖維之間接觸點增多使得傳熱路徑變得通暢，此時羽絨服內(nèi)膽內(nèi)的熱對流和熱輻射雖然受到阻礙，但由于熱傳導(dǎo)值急劇增大，致使單位填充量過大的羽絨服內(nèi)膽的隔熱性能并無明顯增大甚至?xí)霈F(xiàn)隔熱性能降低的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

a）不同溫度區(qū)間，溫度對羽絨服內(nèi)膽熱阻影響規(guī)律不同：-6～0 ℃時羽絨服內(nèi)膽熱阻隨溫度升高而減小;0～15 ℃時內(nèi)膽熱阻隨溫度升高幾乎不變。

b）當(dāng)環(huán)境條件相同時，內(nèi)膽的熱阻隨單位填充量增大而增大，但單位填充量增加到120～130 g/m2后熱阻增加不明顯，達(dá)到140 g/m2后繼續(xù)增加羽絨服內(nèi)膽單位填充量，熱阻出現(xiàn)略微下降。

c）依據(jù)試驗結(jié)果建立了-6～15 ℃溫度范圍內(nèi)的單位填充量—溫度—熱阻函數(shù)方程。并分析了羽絨服內(nèi)膽保暖性變化機(jī)理：隨著單位填充量增大內(nèi)膽的羽絨分布和散熱方式發(fā)生改變，內(nèi)膽主要散熱方式由熱對流變?yōu)槔w維間的熱傳導(dǎo)。

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