服裝形變對羽絨服隔熱能力的影響

2022-09-22 14:58:12吳黛唯黃家成王云儀

紡織學報 2022年9期

吳黛唯，黃家成，王云儀,2

1. 東華大學服裝與藝術設計學院，上海 200051； 2. 東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

冷環境中，防寒服保護人體免受低溫侵害，主要通過抑制人體熱散失,促進服裝對環境輻射熱的吸收[1]來實現良好的保暖能力。其中，增加靜止空氣含量以減少人體通過服裝向外界環境的傳導熱，是一種常見的保暖功能設計方法，典型的代表是羽絨服，其優越的隔熱能力得益于其絮填料——羽絨。羽絨具有質輕、高蓬松的特性，因而毛羽間的空隙中存在著大量低導熱系數的靜止空氣[2-3]，當外層面料具備足夠的防風性能時，這部分靜止空氣在很大程度上能夠阻礙人體熱量向外環境的傳遞，幫助人體抵御寒冷侵襲。

然而，空氣流動的不同狀態使其在對服裝隔熱的貢獻中具有多重作用。有研究[4]表明：當著裝人體皮膚溫度為33 ℃，環境溫度為25 ℃時，一旦衣下空氣層厚度超過臨界值16 mm，空氣層將從靜止向自然對流過渡，這將導致衣下空氣層對服裝隔熱作用的影響從積極的低導熱轉向消極的對流散熱。對于羽絨服來說，材料內部的空氣層同樣會因流動狀態的不同而發揮著促進對流熱或阻隔傳導熱這2種截然相反的作用[5-6]，并受到充絨量、蓬松度等因素的影響。可見，羽絨服衣下空氣層、材料內部以及表面邊界空氣層的流動狀態，綜合影響著服裝隔熱性能。在這些空氣層中，靜止與流動空氣量的占比決定著空氣對羽絨服隔熱能力的貢獻大小。

同時，對于羽絨服這種典型的防寒服來說，人們在穿著時常常會經歷坐、靠、躺、背包等各種姿勢或活動，這可能導致蓬松的羽絨服因受壓而變形。在外力壓迫作用下，羽絨服的衣下空氣以及內部空氣會因擠壓而發生轉移或排出，造成靜止空氣與流動空氣量占比的變化，間接影響羽絨服的整體及局部的隔熱性能。目前有關防寒服隔熱性能的測評標準如ISO 15831—2004《服裝生理效應用暖體假人測試服裝熱阻》、ISO 9920—2009《熱環境工效學成套服裝熱阻和濕阻的評定》、ASTM F 1291—2016《用暖體假人測量服裝熱阻的標準方法》、EN 342—2017《防護服:防寒套裝和服裝》等，這些標準中規定的測評方法主要考慮了材料性能、人體運動、環境條件等因素對服裝隔熱性能的影響，并未考慮服裝形變因素。綜上，根據現行標準所測得的羽絨服熱阻在實際應用中仍存在一定的局限性。

基于此，本文根據羽絨服的日常穿用場景，設計服裝形變部位和形變水平，實施暖體假人實驗，對不同形變水平下的羽絨服進行隔熱性能測試，獲取服裝總熱阻和局部熱阻；同時利用三維掃描和圖像處理技術獲取服裝局部體積數據，分析不同的形變水平所引起的局部體積變化，以深入探索形變對熱阻的內在影響機制；另外，加入充絨量因素進一步探究充絨量與形變水平對羽絨服隔熱能力的交互影響。

1 實驗方法

1.1 樣衣定制

在以往關于羽絨服隔熱性能的研究中，充絨量被認為是影響其隔熱性能的主要因素之一。大量實驗[7-9]證明，羽絨服的隔熱性能并非簡單地隨著充絨量的增加而提升，而會在充絨量增至某一范圍時達到最優保暖效果，然后隨著充絨量的繼續增加，其保暖效果會逐漸削弱。這個范圍會受到環境溫度和風速[7]、羽絨服微胞結構與形狀[8-9]、絎線數量[10]、絎縫縮率[11]等的影響。

本文依據暖體假人體型定制了4件相同款式、不同厚度的羽絨服實驗樣衣，規格尺寸如表1所示。樣衣采用的面料、膽料和里料為塔夫綢，經緯紗線密度分別為22、40 tex，經緯紗排列密度分別為700和440根/(10 cm)，含絨量均為90%。對應常見的不同防寒等級，4件樣衣的充絨量分別為：110 g/m2(薄型)、135 g/m2(普通型)、150 g/m2(中厚型)、180 g/m2(厚型)。

表1 羽絨服樣衣規格尺寸

1.2 形變設計

本文對羽絨服形變的設置方法為：在羽絨服局部安裝系帶，通過收緊系帶使羽絨服產生形變。實驗前需要確定系帶放置部位、設置形變量及形變水平。

1.2.1 形變部位

有研究[12]證實人體的腰部、背部、胸部對寒冷刺激較為敏感。另外，考慮到人體日常負重(背包)時肩部也會受壓，因此，本文主要在上述人體部位模擬羽絨服的受壓形變。通過預實驗確定了4個系帶放置部位，包括：左右肩部(A)、胸圍線(B)、腰圍線(D)以及胸圍和腰圍線之間1/2處(C)。在定制羽絨服樣衣時，預先在這4個部位縫制可進行收緊調節的系帶，以模擬羽絨服受壓后的形變狀態，如圖1所示。

圖1 系帶收緊法模擬羽絨服受壓形變

1.2.2 形變水平

羽絨服受壓后的形變量可用系帶收緊量來表征，本文實驗為此設計了4個形變水平，如表2所示。由于所選形變部位的圍度大小不一，因此,并未設置統一的收緊尺寸，而是針對每個部位，將完全不收緊時的系帶長度記作a0，然后嘗試收到保持合體的最大收緊狀態，測得此時的系帶長度，記作amax，二者之間的差值記作a。每個形變部位均采用以a為基準的相對比例作為形變水平的控制尺度。最終確定的形變水平包括0、a/3、2a/3和a，分別對應無形變、低形變、中形變和高形變狀態，并折算出所對應的系帶收緊量。

表2 形變水平設計

1.3 測試內容

1.3.1 暖體假人熱阻測試

本文實驗參考ISO 15831—2004，采用暖體假人(美國踏石國際集團有限公司)對羽絨服不同形變狀態下的總熱阻和局部熱阻進行測試，每件樣衣重復測試3次取平均值。采用恒皮膚溫度模式，設定假人各區段體表溫度為(34±0.2) ℃，并讓假人以靜止站立姿勢完成實驗。實驗在全天候人工氣候艙中進行，依照標準中規定的低溫小風環境條件為：溫度(0±0.5) ℃，相對濕度(50±20)%，風速(0.4±0.1) m/s。同時，按照標準為羽絨服搭配了統一的內穿服裝及配件，包括貼身保暖內衣、休閑外褲以及手套、襪子和帆布鞋。

1.3.2 服裝形變三維掃描

采用Handyscan 700手持式三維掃描儀(加拿大形創有限公司)對假人裸體表面、不同形變狀態下的著裝外表面進行掃描，表面所貼的掃描標記點用于采集假人、樣衣形態的三維點云數據，如圖2所示。然后利用Geomagic Qualify 2013(美國杰魔軟件有限公司)軟件對捕獲的三維圖像進行處理，包括假人裸體與著裝表面形態的“擬合對齊”“裁剪”及“三維比較”等操作命令，獲取實驗樣衣在4個形變水平下的局部體積。

圖2 羽絨服樣衣及掃描標記點

2 結果與討論

2.1 服裝總熱阻

4個形變水平下包括內搭服裝在內的羽絨服系統總熱阻測試結果如表3所示。

表3 不同形變水平下羽絨服系統的總熱阻

從羽絨服充絨量的角度來看，在無形變狀態下，充絨量越多服裝總熱阻并非越大。表3中的熱阻(R)大小順序為：R135>R150>R180>R110(注：下標數字代表充絨量)，這再次驗證了研究者[7-9]有關存在最佳充絨量使得羽絨服保暖性最好的結論。由于135 g/m2的充絨量使得羽絨含量適中，既不會因充絨量過少、蓬松度不足導致對流散熱過多，也不會因充絨量過多、毛羽間變得更擁擠導致傳導散熱過多，因此，相對于其他羽絨服樣衣來說，該樣衣在羽絨含量、羽絨毛羽間的靜止空氣含量、衣下空氣層含量等各方面均達到了最佳的搭配比例，提供了最優的隔熱能力。

羽絨服發生形變后，4件樣衣的熱阻值均發生了變化。總體上，無論服裝的厚薄程度如何，與系帶完全放松時的無形變狀態相比，羽絨服在低形變時的總熱阻有所增加，隨著形變的繼續增大呈遞減趨勢，且高形變時的熱阻仍低于無形變時的熱阻。這說明羽絨服在形變量逐漸增大的過程中，其材料內部及衣下空間中包括傳導散熱、對流散熱等多種傳熱方式，其各自存在著不同的變化趨勢，從而形成了服裝總熱阻先增后減的綜合效果。

雖然4件樣衣的總熱阻均呈現先增后減的趨勢，但在每次形變狀態改變時熱阻變化率卻有所不同，如表4所示。可發現：低形變與無形變時相比，薄型(110 g/m2)和厚型(180 g/m2)2件樣衣熱阻增加率更高，分別為1.74%、2.19%，反觀普通型(135 g/m2)、中厚型(150 g/m2)樣衣的熱阻僅略微增加(0.18%)或基本沒有變化(0.00%)。而中形變與低形變時相比，4件樣衣熱阻值均下降，但值得注意的是，低形變時熱阻增加率較高的薄型、厚型羽絨服在該形變狀態下的熱阻下降率分別為最低(0.32%)和最高(2.02%)。高形變與中形變時相比，4件樣衣的熱阻繼續下降，但此時的變化率又呈現出不一樣的趨勢，中形變時熱阻下降率最低的薄型樣衣在高形變時呈現出驟降趨勢，下降率為2.28%，是中形變時的7倍多；而中形變時熱阻下降率均較高的普通型、厚型樣衣在高形變時的熱阻下降率減小，分別為0.86%、0.75%，是中形變時的一半左右;該形變狀態下熱阻下降最快的是中厚型羽絨服，下降率達到3.10%。綜上，4件樣衣在不同的形變狀態下會因充絨量的差異而顯現出不同的熱阻變化規律。

表4 形變狀態改變時羽絨服系統總熱阻的變化率

一般來說，低形變時的輕微施壓能夠打破填充不適量(羽絨填充過少或過多)的羽絨服內部及衣下空間的空氣狀態，對增加隔熱、減少散熱產生積極影響；當受壓達到一定程度之后，繼續施壓會轉變之前的空氣狀態，對增加隔熱、減少散熱產生消極影響。低形變狀態下熱阻變化率相似但厚薄差異較大的羽絨服，在中高形變狀態下的變化率相差越來越大，這說明在中高形變時，充絨量因素開始發揮作用，使得不同厚薄的羽絨服呈現出不同的熱阻下降趨勢。

2.2 服裝局部熱阻

由于服裝形變產生于局部，針對本文中4個系帶所影響的身體部位，進一步考察暖體假人在上胸部、下胸部、腰腹部、右腹部、上背部、下背部、腰臀部、右臀部這8個部位的局部熱阻變化。為方便表示，用字母表示暖體假人局部部位：UC為上胸部，UB為上背部，LC為下胸部，LB為下背部，WA為腰腹部，WB為腰臀部，RA為右腹部，RB為右臀部，如圖3所示。

圖3 暖體假人的8個部位與系帶位置

表5～8分別示出4件羽絨服樣衣在4個形變水平下8個部位的局部熱阻。可發現，從暖體假人不同部位來看，UC、UB、RA部位的熱阻一般比LC、LB、WA、WB更小。這一方面是因為前者靠近服裝邊緣開口(領口、下擺)處，更易受到空氣對流散熱的影響，因而熱阻較小；另一方面是因為后者靠近暖體假人凹陷的腰部，服裝與人體之間所形成的衣下靜止空氣層更厚，阻隔傳導散熱能力更強，因而熱阻較大。另外，從熱阻變化幅度來看，LC、LB、WA、WB這些靠近腰部凹陷的部位因形變而產生的熱阻變化率要比體表曲線更為平緩的UC、UB部位更大，說明人體表面凹凸起伏較大的區域由于形成了較厚的衣下空氣層，因此，更易受到形變的影響。同樣的現象可從處于相同水平位置，分別位于暖體假人正、背面的UC、UB部位以及RA、RB部位觀察到。可發現，在同一形變水平下，UC部位熱阻總是小于UB部位，除個別情況外，RA部位熱阻一般均小于RB部位，這也是由更為凹凸的肩背處、后臀處所形成的更大衣下空氣層決定的。

表5 110 g/m2羽絨服系統在不同形變水平下的局部熱阻

表6 135 g/m2羽絨服系統在不同形變水平下的局部熱阻

表7 150 g/m2羽絨服系統在不同形變水平下的局部熱阻

表8 180 g/m2羽絨服系統在不同形變水平下的局部熱阻

根據服裝的局部熱阻及面積權重可計算出服裝總熱阻，如式(1)所示。為說明羽絨服總熱阻的變化規律因服裝厚薄而不同的原因，可從不同形變水平下羽絨服局部熱阻的變化趨勢來分析。

(1)

式中：R總為服裝總熱阻，clo；Ri為服裝覆蓋區段i的局部熱阻，clo；pi為該區段占整個服裝覆蓋區域的面積權重,%；n為服裝覆蓋區域的區段數。

假設羽絨服的局部熱阻Ri在某一形變水平下的變化率為yi，則該局部在下一個形變水平的熱阻為Ri(1+yi)，為便于計算式(1)中等號右邊的變化情況，設置式(2)以表示局部熱阻的倒數1/Ri的變化率δi。

(2)

查閱羽絨服覆蓋的假人各區段面積，計算得出面積權重pi，如表9所示。

表9 羽絨服覆蓋區段不同部位的面積權重

由于各區段的面積權重pi均為百分比形式，同時由式(2)計算得出的δi值一般也為百分比形式。為便于探討樣衣總熱阻的變化情況，定義整數αi表示局部熱阻變化對于總熱阻增加的貢獻情況，即貢獻數。為消除百分比的影響采用下式進行計算。

(3)

需要注意的是，由于系帶A、B、C、D的收緊對左右手臂的服裝形變影響甚微，因此，默認左右手臂在每個形變狀態下的熱阻變化率均為0。另外，假定系帶收緊量對于假人的左右部位是均勻的，那么左腹部、左臀部分別與右腹部、右臀部的局部熱阻變化率保持一致。由于式(1)等號左邊為1/R總，即式(3)中的局部熱阻貢獻數之和代表的是對總熱阻倒數變化的貢獻，因此,當αi>0時，表明局部熱阻對整體熱阻的增加起消極作用,當αi<0時則起積極作用。

根據式(3)統計出不同充絨量羽絨服的各局部熱阻在每次形變狀態改變時對總熱阻增加的貢獻數αi的總和，并按正負情況進行區分如表10所示。

表10 形變狀態改變時羽絨服局部熱阻變化對總熱阻增加的貢獻數統計

由表10可發現，正、負貢獻數總和能夠在一定程度上解釋羽絨服系統總熱阻的變化規律。如無形變至低形變時，薄型和厚型的負貢獻數總和遠遠大于正貢獻數總和，因而呈現出總熱阻增加率較高的趨勢；低形變至中形變時，除薄型的正負貢獻數總和之比約為2以外，中厚型、厚型均達到了10倍以上，普通型甚至無負貢獻數，因此，普通型、中厚型、厚型這3件樣衣總熱阻呈現出驟降趨勢，而薄型樣衣的總熱阻下降率放緩；中形變至高形變時，除普通型樣衣的負貢獻數總和高于正貢獻數總和外，其余樣衣的正貢獻數總和均遠大于負貢獻數總和，這也解釋了高形變狀態下普通型樣衣的總熱阻下降率放緩的情況。然而，厚型樣衣在高形變狀態下無負貢獻數，但總熱阻下降率也放緩，這需進一步通過掃描數據加以分析。

2.3 服裝局部形態

采用Geomagic Qualify 2013軟件對掃描得到的暖體假人裸體和著裝時的外表面形態進行圖像處理，獲取了8個局部體積，數據包括了羽絨服本身和衣下空間2部分之和。

表11示出4件羽絨服樣衣在每次形變狀態改變時8個部位的局部體積變化率。可知，絕大多數部位的體積在每次形變程度增加時均減小。其中也有例外，如從無形變向低形變狀態轉變時，一些樣衣(如薄型、中厚型)在上背部的體積有所增加；從低形變向中形變狀態轉變時，一些樣衣(如厚型)在右臀部的體積大大增加；從中形變向高形變狀態轉變時，所有樣衣的上胸部體積均有增加。由此發現，這些部位均靠近服裝邊緣開口處，說明系帶的收緊很可能會將靠近軀干中心部位的空氣擠壓至服裝邊緣部位，使得服裝膨起體積增加。

表11 形變狀態改變時羽絨服系統的局部體積變化率

為進一步探究局部空氣量的變化對服裝局部熱阻的影響，將4件樣衣在3次形變狀態改變時的局部體積和局部熱阻的增減差異進行匯總和分類，如表12所示。為方便表示，羅馬符號Ⅰ(第一象限)代表局部體積和局部熱阻均增加的情況；符號Ⅱ(第二象限)代表體積減小熱阻增加的情況；符號Ⅲ(第三象限)代表二者均減小的情況；符號Ⅳ(第四象限)代表體積增加熱阻減小的情況。

由表12分類結果發現，隨著服裝形變水平的增加，符號Ⅲ在無形變至低形變狀態轉變時零星出現,之后的低形變至中形變、中形變至高形變狀態轉變時大面積出現；符號Ⅱ在無形變至低形變狀態轉變時占比較大,之后的低形變至中形變、中形變至高形變狀態轉變時數量銳減，這說明在略微施壓的情況下，大多數部位的羽絨服內部及衣下的流動空氣先被排出，使得對流散熱效應慢慢減弱，熱阻增加。而隨著中高形變狀態下系帶收緊程度的增加，流動空氣慢慢排盡，羽絨間及衣下的靜止空氣開始不斷排出或轉移，這將削弱靜止空氣量對隔熱作用的貢獻，降低熱阻值。

表12 形變狀態改變時羽絨服局部體積和熱阻的變化情況

從暖體假人的不同部位來看，8個部位可分為2類情況：UC、UB、RA、RB代表變化部位，LC、LB、WA、WB代表穩定部位。具體來說，UC、UB、RA、RB部位涵蓋了所有符號類型，且并未遵循一定的變化規律；相比之下，LC、LB、WA、WB部位的符號變化較為模式化，隨著形變水平的增加，這4個部位的體積一直在減小，而熱阻先增后減或一直減小，僅有個別部位出現熱阻先減后增的情況。這主要是因為變化部位處于服裝邊緣開口處，因此，系帶的束緊不一定減小體積，而有可能將離軀干中心部位較近(穩定部位)的羽絨服內部或衣下空間中的空氣擠壓至邊緣處，導致變化部位的體積增加，而這其中又包含2種情況：一種是羽絨內部的靜止空氣被擠壓至邊緣處，將會增強隔熱作用增大熱阻，對應符號Ⅰ；另一種是衣下空間中的空氣被擠壓至邊緣開口處，將會增強開口處的空氣對流，增加散熱量減小熱阻，對應符號Ⅳ。穩定部位靠近軀干中心處，也是系帶B、C、D施壓的主要部位，因此，其在每一形變狀態下的受壓較為均勻，熱阻的變化較為一致。

由表12的符號變化也可從側面說明不同厚薄的羽絨服系統總熱阻變化規律不一的原因。從無形變向低形變狀態轉變時，薄型、厚型樣衣的大多數部位為符號Ⅱ，表明當充絨量較少時，服裝內部較為空蕩，流動空氣量占比較大，略微的施壓就能夠排出流動空氣，使得熱阻增大；當充絨量較多時，服裝內部較為緊實，羽絨體積占比較大，但羽絨之間仍存在些許空隙，此時的空隙相當于織物孔洞，能夠促進散熱，略微的施壓會減少這些空隙，使得羽絨纖維之間更為緊密，減少散熱作用，增大熱阻。而普通型和中厚型樣衣的符號Ⅲ數量均占有一半左右，說明在近一半左右的部位內，由于羽絨填充適量，靜止空氣量已達最優配比，略微施壓會降低靜止空氣量從而減小熱阻。上述分析便解釋了低形變狀態下最薄和最厚的2件樣衣熱阻增加率更高的現象。

從低形變向中形變狀態轉變時，系帶收緊達到中等程度，薄型樣衣仍有一定數量的部位表現為符號Ⅱ，即處于排出流動空氣、減少對流散熱作用的過程中，因此，總熱阻下降率是4件樣衣中最低的(0.32 %)。其余3件樣衣的大多數部位均為符號Ⅲ，說明有的部位內部因靜止空氣不斷排出而導致熱阻下降；有的部位內部已無空氣，繼續增加形變會壓縮羽絨本身的厚度，縮短傳導散熱路徑，縮小服裝內外表面溫差，降低熱阻值。

從中形變向高形變狀態轉變時，系帶收緊量達到最大值，各樣衣的總熱阻均下降至最低。值得注意的是，普通型樣衣在中形變至高形變狀態轉變時表現出更多的符號Ⅰ和Ⅱ，而符號Ⅲ占比下降；反觀其他3件樣衣，其符號Ⅲ占比達到最大，且主要集中在軀干中心部位。這說明當充絨量適中時，即使服裝形變程度增至保持合體的最大限度，對于某些部位來說形變對隔熱仍會起一些積極作用；而當充絨量過少或過多時，對軀干中心部位來說形變水平的增加最終會削弱隔熱效果，降低保暖性。上述分析可以解釋普通型樣衣在高形變時熱阻下降率放緩的情況。然而，由表12尚不能說明厚型樣衣的總熱阻在高形變時下降率也放緩的原因，需考慮結合左右手臂的局部熱阻變化率來綜合分析，本文中暫不討論。

綜上所述，一般情況下隨著服裝形變水平的增加，一開始會排出流動空氣，流動空氣排盡后會繼續排出羽絨握持的靜止空氣，即先降低對流散熱作用,后降低空氣層隔熱作用，因此，熱阻先增后減；之后的靜止空氣排盡，羽絨間仍存在一些空隙，這些空隙起著促進散熱的作用，形變水平的繼續增加能減少空隙，增加熱阻；當空隙消失羽絨服內已無空氣，傳導散熱成為主導散熱方式時，繼續增加形變則會壓縮羽絨本身的厚度，縮短傳熱路徑，減小熱阻。上述過程中，羽絨服體積在逐漸減少(見圖4)，而熱阻的變化卻呈“M”型趨勢，即先增后減、再增加、最后減少。羽絨服充絨量的不同僅會改變上述過程的初始空氣狀態，當充絨量較少時，可能存在流動空氣量占比較大的初始情況；當充絨量較多時，可能存在靜止空氣量或羽絨本身體積占比較大的情況。