充氣保暖復合面料厚度與熱阻的相關性分析

苗 雪, 王永進, 王方明

(1. 北京服裝學院 服裝藝術與工程學院, 北京 100029; 2. 蘇州市興豐強紡織科技有限公司, 江蘇 蘇州 215227)

隨著人們生活水平的提升,選擇保暖服裝時已經不只局限于滿足日常保暖需求,更多是追求服裝的輕便、美觀等功能。充氣保暖服作為有潛力代替羽絨服等的一類新型環保類保暖服裝,近來受到廣泛關注和喜愛,也成為了服裝行業的一個研究熱點。目前已有不少關于充氣服的研究報道,蘇文楨等[1]針對充氣服裝的保暖性能進行了測試,證明了充氣服裝在一定程度上具有動態調節保暖效果的功能[2];周冰潔[3]根據人體肌肉線條分布特點對充氣服進行了研發設計,進一步推廣了充氣技術在服裝領域的應用;郝靜雅等[4]驗證和分析了充氣保暖服的熱濕舒適性,發現當充氣馬甲的充氣厚度為20 mm時保暖效果最佳;韓志清等[5]針對充氣防寒服的開口設計進行了研究,為充氣服的結構設計提供了參考;王卓然[6]探討了充氣服的設計方法;崔彥[7]根據充氣調溫材料開發了智能控制系統,改善了充氣服的功能。

在充氣保暖服相關研究中,針對充氣復合面料自身的研究相對較少,而服裝的保暖性受多種因素影響,其中服裝材料是影響其保暖性的重要因素[8]。材料的保暖性能主要取決于材料的導熱系數,靜止空氣的導熱系數最小[9],因此通常作為提升服裝材料保暖性的理想材料,充氣保暖功能服裝也正是利用了這個原理。目前針對空氣層保暖效果研究的人較多,如:毛雷等[10]的研究顯示,空氣層可以增加服裝保暖效果,且空氣層厚度并非越大保暖效果越好,存在最佳值;孫佳慧等[11]通過實驗探究了空氣層對保暖性能的影響,發現空氣層厚度小于10 mm時保暖性能較好。但是,針對充氣量、充氣復合面料厚度與保暖性之間的關系研究相對較少,而探究充氣復合面料厚度與熱阻之間的關系十分必要。本文針對此問題開展研究,通過探究充氣量、充氣復合面料厚度與熱阻之間的關系,建立相關模型,以期為企業及研究人員開發充氣保暖服提供理論參考。

1 實驗設計

1.1 充氣復合面料制作

通過市場調研選取了最常用的不同花型的高密度復合面料(蘇州市興豐強科技有限公司提供)。圖1 為復合面料的結構示意圖[12]。可以看到,復合面料由面布、聚氨酯(PU)膜、待充氣層(空氣通道)、PU膜、底布構成,具有5層結構。通過高溫壓燙對復合面料的面布和底布進行熱塑性聚氨酯(TPU)覆膜,采用3D膠合技術[13]將面料壓出花型,中間留出充氣空間。對復合面料進行封邊、安裝氣嘴,通過手動按壓充氣膠球通入氣體,制成40 cm×40 cm充氣復合面料作為測試試樣。本文實驗選取了12種不同復合面料、3種壓膠花型進行實驗,PU膜相同,均為具有透濕性能的高密度聚氨酯膜,充氣復合面料基本信息如表1所示。表中的面布、底布所用的經紗與緯紗線密度相同。圖2為充氣復合面料壓膠花型示意圖。實驗分別測試了5種不同充氣狀態下的充氣復合面料厚度及熱阻,探究不同充氣復合面料、不同充氣量對充氣復合面料厚度及熱阻的影響規律。充氣量的多少通過外部充氣膠球及充氣軟管進行手動控制。

表1 充氣復合面料基本信息

圖1 復合面料5層結構示意圖

圖2 充氣復合面料試樣花型示意圖

1.2 充氣量標準的確定

通過外界條件向試樣內部充入氣體,通常采用的方式有手捏膠球形式及充氣泵形式等。由于目前在充氣量的確定上,還沒有相應的國家標準或行業標準,為便于后續實驗操作,需要確定統一的實驗標準。首先需要對試樣的充滿狀態進行標準化測試,即對試樣進行充氣極端臨界測試。本文實驗是測試試樣在充滿狀態下膠球的按壓次數,以聽到面料輕微撕裂聲時為100%充氣量標準,據此分別設定30%、50%、70%充氣量,同時測試復合面料本身的厚度及熱阻,即定義為充氣狀態為0%時的充氣量。不同的壓膠形狀決定了充氣量的多少,從而又決定了充氣復合面料的厚度。為探究對充氣復合面料熱阻的影響因素,本文分別測試12種復合面料在設定的5種充氣狀態(0%、30%、50%、70%、100%)下的厚度和熱阻,探究其影響規律。

本文實驗充氣標準的確定是根據充氣復合面料試樣在臨界撕裂狀態時的極限測試作為充滿狀態,而非正常人體著裝充氣服時的充滿狀態。著裝時還需考慮充氣后的內部氣壓狀態以及著裝舒適性等因素,穿著充氣服的充滿狀態通常為試樣極端充滿狀態的一半左右,也可以根據需求進行充氣量的調整。

1.3 充氣復合面料厚度及熱阻測試

1.3.1 實驗設備

YG141 L數字式織物厚度儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司);YG186蓬松織物測厚儀(寧波紡織儀器廠);M295B熱阻濕阻測試儀(錫萊-亞太拉斯有限公司);電子游標卡尺(昆山杰斯特精密儀器有限公司);長度為40 cm的充氣軟管、充氣膠球、鋼板尺,市售。

1.3.2 充氣復合面料試樣厚度測試

依照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》,對5種不同充氣狀態下充氣試樣進行厚度測試,即統計0%、30%、50%、70%、100%充氣量時,充氣復合面料的厚度。根據織物厚度測量標準及5種狀態下的充氣復合厚度范圍,采用不同設備參數與標準。當充氣量為0%時,即測試復合面料自身厚度,參照普通類織物樣品參數,壓膠面積為(2 000±20) mm2,加壓時間為(10±2 ) s,使用數字式織物厚度儀測試;充入氣體后試樣變得蓬松,當厚度小于20 mm時,參照蓬松類織物參數,壓腳面積為(20 000±100 ) mm2,加壓時間為(10±2) s,使用數字式織物厚度儀測試;當厚度大于20 mm時,參照蓬松類織物測試方法,使用蓬松織物測厚儀進行測試。每次實驗測量5次取平均值,對數據進行統計與分析。

1.3.3 充氣復合面料試樣熱阻測試

依照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》,控制熱阻濕阻測試儀實驗板溫度為(35±0.1) ℃,氣候室內溫度為(20±0.1) ℃,相對濕度為(65±3)%,空氣流速為(1±0.05) m/s,使儀器處于穩定狀態后,將試樣放入空氣室內進行測試。充氣復合面料試樣熱阻Rct計算公式為

式中:Tm為實驗板表面溫度,℃;Ta為氣候室空氣溫度,℃;A為熱板表面積,m2;H為提供給測試面板的加熱功率,W;ΔHc為熱阻測定中加熱功率的修正量,W;Rct0為熱阻測定的儀器常數,m2·K/W。

分別測試每種試樣在5種充氣狀態下的熱阻值。注意需要隨著充氣復合面料試樣厚度的不同,調整熱阻濕阻測試儀吹風口的高度,保持在1.5 cm,當試樣厚度較大時,為防止邊緣能量散失,需要在試樣周圍放置相應厚度的黑色泡沫邊框,以減小測試誤差。實驗儀器每15 min出1組數據,每次實驗取3組有效數據,計算平均值。

1.4 實驗數據處理

對實驗結果進行數據統計,利用Excel進行數據統計整理,使用spss軟件對數據進行單因素分析、相關性及多重比較分析。首先通過皮爾遜相關性分析,分別對各影響因素進行相關性分析,探究充氣量對充氣復合面料厚度、熱阻的影響,并進行擬合回歸分析,建立擬合方程得出相關關系模型。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

圖3示出12種試樣不同充氣量下的厚度測試結果。可以看出,12種試樣的厚度均隨充氣量的增加而變大。在充氣量為0%時,試樣7#厚度最小(0.33 mm)、10#厚度最大(1.37 mm);當充氣量為30%時,試樣7#厚度最大(9.33 mm);充氣量為50%時,試樣11#厚度最大(25.67 mm),試樣6#厚度最小(14.67 mm),試樣厚度之間差異性較為顯著;當充氣量為70%時,試樣10#厚度最大(47.00 mm),試樣1#厚度最小(29 mm),差異性非常顯著;當充氣量為100%時,試樣12#厚度最大(55.67 mm),試樣3#厚度最小(35.00 mm),差異性顯著。實驗結果表明,充氣量決定充氣復合面料試樣厚度的大小,試樣厚度隨充氣量的增加而增大,當充氣量較少時,不同試樣的厚度差異性較小,隨充氣量的增加,不同試樣之間厚度差異性較為顯著。

圖3 充氣復合面料厚度實驗結果

圖4示出12種充氣復合面料熱阻實驗結果。測試結果顯示:當充氣量為0%時,試樣7#熱阻最小(0.120 2 m2·K/W),試樣10#熱阻最大(0.196 3 m2·K/W),試樣7#面料本身的厚度最小且保暖性最差,試樣10#面料本身的厚度最大且熱阻最大,最為保暖;當充氣量為30%時,試樣1#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當充氣量為50%時,試樣2#熱阻最小,試樣10#熱阻最大,且與其它試樣熱阻差異性顯著;當充氣量為70%時,試樣7#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當充氣量為100%時,試樣7#熱阻最小,試樣2#熱阻最大。

圖4 充氣復合面料熱阻實驗結果

實驗結果表明,充氣復合面料試樣熱阻與面料自身的性能有關,試樣10#的底布面料為搖粒絨面料,所以熱阻值相對較大,且與其它面料差異性較為顯著,從整體看充氣復合面料試樣熱阻隨充氣量的增加先上升后趨于穩定。

2.2 多因素相關性分析

對實驗數據進行分析,首先通過皮爾遜相關性分析,探究不同復合面料、充氣量、充氣復合面料厚度及熱阻4個因素之間的相關性,結果如表2所示。復合面料與充氣量、充氣復合面料厚度、熱阻之間的r(皮爾遜相關性系數)值分別為0.000、0.140、0.076,均小于0.3,且p值(檢驗值)均大于0.05,說明復合面料種類這個因素對充氣量、厚度及熱阻相關性不顯著,影響較小,因此,本文實驗可以不考慮復合面料自身對充氣面料厚度和熱阻的影響。充氣量與充氣復合面料厚度及熱阻均呈現較強的顯著性關系,其中充氣量與充氣復合面料厚度的r值為0.946,大于0.8,且p<0.01,證明充氣量與厚度呈現極顯著的正相關關系;充氣量與熱阻之間的r值為0.823,大于0.8,且p<0.01,說明二者之間存在較顯著的正相關關系。充氣量是影響充氣復合面料厚度的直接原因,在不考慮面料對熱阻的影響時,充氣復合面料厚度與熱阻的r值為0.748,說明充氣復合面料厚度與其熱阻存在較強的正相關關系。通過相關性分析可以得出充氣量、充氣復合面料厚度及充氣后熱阻三者之間存在相關性,可以進一步進行回歸分析。

表2 皮爾遜相關性分析

2.3 擬合回歸模型的構建

2.3.1 充氣量與充氣復合面料厚度的關系

根據相關性分析結論,進一步探究充氣量與充氣復合面料厚度之間的關系。通過spss軟件對數據進行回歸分析,選擇Linear線性回歸函數進行線性擬合,結果如圖5所示。將12種充氣復合面料厚度實驗數據并置擬合,得出方程為y=0.401 23x+0.630 3,R2=0.401 46。通過方差分析F檢驗得出F=38.902 0,sig.小于0.05,證明方程模型建立比較成功,說明充氣量與充氣復合面料試樣厚度之間存在正相關關系。

圖5 充氣量與充氣復合面料厚度擬合回歸模型

2.3.2 充氣量與充氣復合面料熱阻的關系

使用Origin軟件將實驗結果繪制散點圖,觀察散點圖的分布發現,充氣量與充氣復合面料熱阻存在線性趨勢,但并不完全呈線性關系,因此進行非線性曲線擬合,結果如圖6所示。將12組數據并置擬合,選擇Logistic模型,通過Levenberg-Marquardt迭代優化算法,得出模型方程y=A2+(A1-A2)/(1+(x/x0)p)。式中:A1為0.138 08±0.007 02;A2為0.433 8±0.307 11;x0為24.629 45±80.197 49;p為0.604 93±1.027 6。擬合優度R2=0.906 85,擬合收斂,且達到Chi-sqr容差值,擬合模型建立成功。

圖6 充氣量與熱阻擬合回歸模型

通過殘差分析對方程進行檢驗,可以得出該模型的Durbin-Watson檢驗值在[0,4]之間,且觀察其殘差圖處于相對滿意狀態,證明該擬合模型有價值,因此可以通過充氣量判斷充氣復合面料試樣的熱阻值,二者存在相關性。充氣量越多試樣的熱阻越大,當充氣量較少時,熱阻值提升較快;當充氣量在50%以內時,熱阻值變化最為顯著,保暖效果提升極為明顯;之后隨充氣量的增加,熱阻值趨于平穩。

2.3.3 充氣復合面料厚度與其熱阻的關系

圖7 充氣復合面料厚度與熱阻擬合回歸模型

實驗結果證明充氣復合面料厚度越大其熱阻值越大,且厚度在0～20 mm時熱阻值變化最大,保暖效果最為顯著;當厚度超過20 mm時,熱阻值變化較小趨于平穩,因此,可以認為充氣復合面料厚度通常在20 mm左右保暖性能相對較好且較為穩定,可作為充氣保暖服裝厚度的選擇參考依據。同樣也可以根據不同的環境需求,對其厚度(充氣量)進行調整,從而達到不同的保暖效果。

3 結 論

本文選取充氣保暖服裝市場上常見的12種復合面料,通過測試充氣后的厚度及熱阻,探究不同充氣量、充氣復合面料厚度及其熱阻三者之間的關系,建立了關系模型,并得出以下結論。

1)充氣量越大充氣復合面料厚度越大,二者呈線性分布狀態。當充氣量較小時,不同充氣復合面料厚度差異性較小;充氣量越大,不同充氣復合面料之間的厚度差異性越顯著。

2)充氣量與熱阻可以建立Logistic模型,當充氣量處于50%以內時熱阻變化較為顯著,保暖效果顯著,隨著充氣量不斷增加,熱阻值逐漸趨于穩定。

3)充氣復合面料厚度與熱阻可以建立Logistic模型,充氣后熱阻隨充氣量的增加,呈現先顯著增加后趨于平穩的趨勢。充氣復合面料厚度在20 mm左右時,其保暖性能相對較好且較為穩定,可以根據需求調整充氣復合面料厚度以達到不同保暖效果。

綜上所述,本文通過實驗證實了充氣復合面料具有調控熱阻功能,且充氣復合面料厚度與熱阻存在一定的相關規律性,在日常著裝時可以根據所建模型,對充氣量及充氣復合面料厚度進行調整,從而滿足不同環境下的保暖需求,同時也為相關研究人員提供數據參考。充氣功能服裝的整體保暖性受服裝面料、款式、著裝方式等多種因素影響,且保暖服裝的功能性和舒適性可能存在相互牽制,如何兼顧保暖性與舒適性,也是未來研究的方向之一。