男士針織內(nèi)衣熱性能的測(cè)量與分析

段杏元， 胡源盛

(1. 江蘇理工學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 常州 213001； 2. 康奈爾大學(xué) 人類(lèi)生態(tài)學(xué)院， 美國(guó) 紐約 14850)

男士針織內(nèi)衣熱性能的測(cè)量與分析

段杏元1， 胡源盛2

(1. 江蘇理工學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 常州 213001； 2. 康奈爾大學(xué) 人類(lèi)生態(tài)學(xué)院， 美國(guó) 紐約 14850)

為探明服裝內(nèi)空氣層體積對(duì)男士針織內(nèi)衣熱性能的影響，并比較發(fā)熱內(nèi)衣與普通純棉內(nèi)衣熱性能的差異，使用站立式暖體出汗假人分別對(duì)男士發(fā)熱內(nèi)衣及純棉內(nèi)衣的熱阻與濕阻進(jìn)行了測(cè)量，分別建立了2種內(nèi)衣的空氣體積與熱阻和濕阻之間的多項(xiàng)回歸模型。結(jié)果表明：在所測(cè)內(nèi)衣尺碼范圍內(nèi)，發(fā)熱內(nèi)衣的熱阻和濕阻均逐漸增大，但二者的增加率均先增大后減?。欢胀兠掎樋梼?nèi)衣的熱阻和濕阻則先增大，達(dá)到一定值后逐漸減??；通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)普通純棉針織內(nèi)衣的熱阻和濕阻均高于相應(yīng)尺碼的發(fā)熱內(nèi)衣，但其透濕指數(shù)則小于相應(yīng)尺碼的發(fā)熱內(nèi)衣，說(shuō)明發(fā)熱內(nèi)衣的熱舒適性?xún)?yōu)于普通純棉針織內(nèi)衣。

發(fā)熱內(nèi)衣； 純棉針織內(nèi)衣； 熱阻； 濕阻； 透濕指數(shù)； 熱舒適性； 空氣層體積

服裝與人體之間的空氣層體積是影響服裝熱性能的重要因素。服裝內(nèi)空氣層體積對(duì)其熱舒適性的影響已有實(shí)驗(yàn)性研究。如Psikuta 等[1]認(rèn)為寬松服裝的空氣層體積要比緊身服裝的大。McCullough E A 等[2-3]使用站立式假人分別對(duì)2條寬松長(zhǎng)褲和2條緊身長(zhǎng)褲的熱阻進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)寬松長(zhǎng)褲比緊身長(zhǎng)褲的熱阻要大，且發(fā)現(xiàn)服裝內(nèi)空氣層體積是決定服裝熱阻的一個(gè)重要因素。Havenith 等[4]分別測(cè)量了緊身服裝和寬松服裝熱阻，并得出了和McCullough等[2-3]相似的結(jié)論。Chen等[5]則使用出汗假人研究了夾克的放松量與其熱阻與濕阻的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣層體積較小時(shí)，夾克的熱阻和濕阻均隨空氣層體積的增加而增大。有關(guān)服裝空氣層體積對(duì)服裝熱舒適性的影響，已有研究大部分集中于對(duì)服裝熱阻的測(cè)量，只有少部分進(jìn)行了濕阻的測(cè)量，且缺乏對(duì)功能性發(fā)熱內(nèi)衣的研究。事實(shí)上，不同織物對(duì)服裝熱性能是有一定影響的[6]。本文研究以功能性男士發(fā)熱針織內(nèi)衣及普通純棉針織內(nèi)衣為研究對(duì)象，使用暖體出汗假人[7-9]對(duì)二者的熱阻和濕阻進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其熱舒適性能進(jìn)行比較研究。同時(shí)測(cè)量了內(nèi)衣與假人表面的空氣層體積，用以探明2種不同內(nèi)衣與假人間的空氣體積對(duì)各自熱阻和濕阻的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用內(nèi)衣

為研究服裝內(nèi)空氣層體積與服裝的熱阻和濕阻之間的關(guān)系，選取并制作尺碼為M、L、XL、XXL的男士發(fā)熱針織內(nèi)衣(由遠(yuǎn)紅外發(fā)熱面料制成)和普通純棉針織內(nèi)衣各4件進(jìn)行測(cè)量。2種內(nèi)衣的面料不同，但款式一致。4種尺碼的內(nèi)衣中，M為合體型，L為較合體型，XL和XXL為寬松型。

由于不同纖維力學(xué)性能各異，其服裝成形性也不同，因此有必要對(duì)2種內(nèi)衣面料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。表1示出2種不同針織內(nèi)衣面料的組成與力學(xué)性質(zhì)。其中織物的厚度由FAST-1型織物厚度測(cè)量?jī)x在低負(fù)荷(196 Pa)下進(jìn)行測(cè)量，彎曲剛度使用FAST-2型彎曲剛度測(cè)量?jī)x測(cè)量，織物自身的熱阻則由PREMETEST織物熱阻測(cè)量?jī)x測(cè)量完成。

表1 實(shí)驗(yàn)用內(nèi)衣的力學(xué)性能Tab.1 Physical characteristic of experimental underwear

注：試樣的織物組織均為緯平針。

所有內(nèi)衣均為圓領(lǐng)長(zhǎng)袖針織內(nèi)衣，為使假人的穿著方便，均在后背中心處裝有拉鏈。為使得不同的空氣層體積，2種內(nèi)衣均隨尺碼的增大在胸圍、腰圍、肩寬指標(biāo)上逐漸增加，但領(lǐng)圍、袖長(zhǎng)、衣長(zhǎng)保持一致。內(nèi)衣各部位尺寸如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)用2種內(nèi)衣各部位的測(cè)量Tab.2 Measurements of experimental underwear

1.2 實(shí)驗(yàn)用暖體假人

本文研究中使用站立式出汗假人Walter[8]直接測(cè)量發(fā)熱內(nèi)衣的總體熱阻和濕阻。測(cè)量時(shí)假人上半身穿著不同內(nèi)衣，而下半身則穿著相同的緊身長(zhǎng)褲。

1.3 三維人體掃描儀

測(cè)量使用三維人體掃描儀VITUS，該掃描儀能生成高精度的人體圖像。參照ISO 20685:2005《國(guó)際間比較人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的三維掃描方法》，測(cè)量前使用一個(gè)圓柱形管(高2 100 mm，直徑110 mm，平均最大周長(zhǎng)誤差不超過(guò)1 mm)對(duì)掃描儀進(jìn)行校正。測(cè)量在(25±2)℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行。

為方便掃描，人體掃描使用的是另一個(gè)站立式假人(形態(tài)尺寸特征與假人Walter完全一致)。假人足部離地，從頭部進(jìn)行固定，并可沿著固定點(diǎn)前后左右轉(zhuǎn)動(dòng)，分別對(duì)假人裸體時(shí)和著裝時(shí)進(jìn)行測(cè)量。先進(jìn)行假人的裸體測(cè)量以獲得其裸體的形態(tài)尺寸和體積，再分別穿著2種不同的內(nèi)衣進(jìn)行測(cè)量以獲得穿著服裝后的形態(tài)尺寸和體積。為獲得可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，每次測(cè)量都從假人的不同角度進(jìn)行3次掃描。

1.4 熱阻濕阻及透濕指數(shù)的確定

參考ASTM F1291—2010a《使用暖體假人測(cè)量服裝熱阻的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》可獲得熱阻It的計(jì)算公式

式中：It為熱阻， ℃·m2/W；As為假人的總面積，1.79m2；Ts為面積加權(quán)平均皮膚溫度， ℃；Te為環(huán)境溫度， ℃；Hd為假人的干熱損失，等于總熱損失減去蒸發(fā)熱損失[10]，W。

濕阻的計(jì)算公式則可參考ASTMF2370—2010《使用出汗假人測(cè)量服裝濕阻的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》獲得

式中：Re為濕阻，Pa·m2/W；Pss為皮膚溫度下飽和水分蒸汽壓，Pa；Pas為環(huán)境溫度下飽和水分蒸汽壓，Pa；Ra為環(huán)境相對(duì)濕度，%；Res為皮膚濕阻，8.6Pa·m2/W[6]；He為蒸發(fā)熱損失，W；He=λQ， 其中Q為出汗率，λ為蒸發(fā)熱。

有了熱阻和濕阻的值，透濕指數(shù)im可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO9920:2007《環(huán)境人類(lèi)工效學(xué)·服裝隔熱和抗蒸發(fā)的評(píng)定》進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)下式：

1.5 內(nèi)衣與假人間空氣層體積的確定

空氣層體積[11]可應(yīng)用Geomagic軟件計(jì)算著裝后假人體積與裸體時(shí)假人體積的差值獲得。其計(jì)算公式為

Vair=Vcl-Vbody

式中：Vair為內(nèi)衣與假人之間的空氣層體積，cm3；Vcl為著裝假人的體積，cm3；Vbody為裸體假人的體積，cm3。

1.6 熱阻和濕阻測(cè)量方案

測(cè)量實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕的人工氣候室進(jìn)行，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別為(25±2)℃，(65±5)%。測(cè)量過(guò)程中假人的平均皮膚溫度均維持在35 ℃。且測(cè)量前所有實(shí)驗(yàn)用內(nèi)衣都在人工氣候室放置24 h。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)所有內(nèi)衣均測(cè)量3次，且在下一次測(cè)量時(shí)都需先脫下再重新穿上后進(jìn)行測(cè)量。熱阻與濕阻的測(cè)量至少經(jīng)過(guò)8 h，待內(nèi)衣水分積聚速度穩(wěn)定后取其測(cè)量值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同內(nèi)衣熱阻與濕阻及透濕指數(shù)分析

表3示出2種不同內(nèi)衣的熱阻、濕阻、透濕指數(shù)及空氣層體積的測(cè)量與計(jì)算結(jié)果。

表3 2種內(nèi)衣的熱阻、濕阻、透濕指數(shù)及空氣層體積Tab.3 Thermal insulation evaporative resistance and permeability of underwear with different air gap volumes

對(duì)發(fā)熱內(nèi)衣而言，在測(cè)量范圍內(nèi)，其總體熱阻及濕阻隨尺碼的增大均逐漸增加，但熱阻與濕阻的變化有所差異。對(duì)熱阻來(lái)說(shuō)，當(dāng)尺碼從M增加到XL時(shí)，其增加較為明顯，但從XL到XXL時(shí)，其增加率逐漸減小。這是因?yàn)樵谝欢y(cè)量范圍內(nèi)，隨內(nèi)衣尺碼的增加，服裝內(nèi)空氣層厚度也增大，由于靜止的空氣有較好的熱阻，再加上內(nèi)衣面料吸收紅外線(xiàn)后能產(chǎn)生熱量，使得內(nèi)衣整體的熱阻有所增加，但隨空氣層體積的增大，由空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱損失也逐漸增加，因此熱阻的增加率會(huì)逐漸減小。從表3同樣也能看到，當(dāng)尺碼從M增加到L時(shí)，濕阻的增加較為明顯，但從L增加到XXL時(shí)，其增加率逐漸減小。

對(duì)普通純棉內(nèi)衣而言，熱阻和濕阻均隨尺碼的增加而增大，但當(dāng)內(nèi)衣尺碼增加到XL時(shí)，開(kāi)始隨尺碼的增大而減小。這是因?yàn)殡S著尺碼的增加，內(nèi)衣中靜止的空氣層逐漸增大，當(dāng)空氣層厚度達(dá)到一定值時(shí)，伴隨著內(nèi)衣開(kāi)口部位(如下擺等)的增大，由空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱損失也逐漸增加，導(dǎo)致其熱阻與濕阻的下降。

對(duì)2種內(nèi)衣的熱阻和濕阻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)衣尺碼相同時(shí)，普通純棉針織內(nèi)衣的熱阻要大于發(fā)熱內(nèi)衣。盡管表1顯示發(fā)熱內(nèi)衣面料的熱阻大于普通內(nèi)衣面料，但從表3能看出，同樣尺碼下，普通內(nèi)衣的比發(fā)熱內(nèi)衣的要大，這使得普通內(nèi)衣所包含的靜止空氣要多，因此其熱阻也大。從表3還能看出普通內(nèi)衣的濕阻也大于相應(yīng)尺碼的發(fā)熱內(nèi)衣的濕阻，這與內(nèi)衣面料的纖維組成有很大關(guān)系，普通內(nèi)衣由100%棉纖維制成，其吸濕性較好，濕阻也大。

為進(jìn)一步比較2種內(nèi)衣的熱舒適性，有必要對(duì)二者的透濕指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析。發(fā)熱內(nèi)衣的透濕指數(shù)均高于同樣尺碼的普通內(nèi)衣的透濕指數(shù)，且在XL時(shí)，2種內(nèi)衣的透濕指數(shù)差別非常明顯，說(shuō)明發(fā)熱內(nèi)衣的熱舒適性能比普通純棉內(nèi)衣要好。且發(fā)熱內(nèi)衣的透濕指數(shù)在M時(shí)最大，在L時(shí)最小，說(shuō)明內(nèi)衣在M時(shí)其熱舒適性最好，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的空氣層體積為1 888 cm3，說(shuō)明內(nèi)衣的熱阻與濕阻是影響其熱舒適性能的重要因素。

2.2 內(nèi)衣與假人皮膚間空氣層體積分析

如表3所示，普通純棉內(nèi)衣的空氣層體積均大于相應(yīng)尺碼的發(fā)熱內(nèi)衣的空氣層體積。這主要是因?yàn)榭椢锏牧W(xué)性能如質(zhì)量、彎曲剛度、懸垂性等均會(huì)影響到服裝的外觀(guān)狀態(tài)，也就會(huì)影響到服裝內(nèi)空氣層的厚度，因此，即使是相同尺碼的內(nèi)衣，所使用的面料不同，空氣層的體積也會(huì)有所不同。對(duì)這2種內(nèi)衣來(lái)說(shuō)，織物面密度與厚度的比值基本一致，但普通純棉內(nèi)衣織物的彎曲剛度明顯大于發(fā)熱內(nèi)衣織物，因此純棉內(nèi)衣織物的懸垂性也相對(duì)較小，導(dǎo)致其空氣層體積偏大。

2.3 空氣體積與熱阻和濕阻的關(guān)系

2.3.1 空氣層體積與熱阻的關(guān)系

內(nèi)衣內(nèi)空氣層體積與內(nèi)衣熱阻的關(guān)系如圖1所示。從圖1及表3可看出，在內(nèi)衣測(cè)量范圍內(nèi)，發(fā)熱內(nèi)衣總體熱阻雖隨內(nèi)衣尺碼增加，但從M到XL增加較快，從XL到XXL增加則變得緩慢，增加率逐漸減小。而普通純棉內(nèi)衣的總體熱阻則表現(xiàn)為先增大后減小。為進(jìn)一步分析空氣層體積對(duì)內(nèi)衣熱阻的影響，分別建立了空氣層體積與2種內(nèi)衣熱阻之間的多項(xiàng)式回歸模型。

對(duì)發(fā)熱內(nèi)衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.97,p<0.05)所示：

y=0.131 3-6×10-10x2+8×10-6x

式中：y為內(nèi)衣的總體熱阻；x為內(nèi)衣與假人之間的空氣層體積。

對(duì)普通純棉內(nèi)衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.94,p<0.05)所示：

y=0.143 7-9×10-11x2+2×10-6x

式中：y為內(nèi)衣的總體熱阻；x為內(nèi)衣與假人之間的空氣層體積。

從回歸模型可看出，2種內(nèi)衣的熱阻在一定空氣層體積范圍內(nèi)均會(huì)逐漸增加，但當(dāng)空氣層體積達(dá)到一定值后，熱阻會(huì)隨其增大而減小。

2.3.2 空氣層體積與濕阻的關(guān)系

圖2示出內(nèi)衣內(nèi)空氣層體積與濕阻的關(guān)系。

從圖2和表3可看出，在內(nèi)衣測(cè)量范圍內(nèi)，發(fā)熱內(nèi)衣濕阻在逐漸增加，但從M到L增加較快，從L到XXL增加則變緩，增加率逐漸減小。普通內(nèi)衣的濕阻則先增加后減少。為進(jìn)一步分析空氣層厚度對(duì)2種內(nèi)衣濕阻的影響，建立了2種內(nèi)衣空氣層體積與濕阻之間的多項(xiàng)回歸模型。

對(duì)發(fā)熱內(nèi)衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.98,p<0.05)所示：

y=19.148-1×10-7x2+0.001 7x

式中：y為內(nèi)衣的濕阻；x為內(nèi)衣與假人表面之間空氣層體積。

對(duì)普通純棉內(nèi)衣而言，其回歸模型如下式(R2=0.92,p<0.05)所示：

y=19.021-2×10-7x2+0.002 5x

式中：y為內(nèi)衣的濕阻；x為內(nèi)衣與假人表面之間空氣層體積。

從回歸模型可看出，2種內(nèi)衣的濕阻在一定空氣層體積范圍內(nèi)增加，當(dāng)空氣體積達(dá)到一定值后，濕阻均會(huì)隨著空氣體積的增大而減小。

3 結(jié) 論

1)在所測(cè)空氣層體積范圍內(nèi)，發(fā)熱內(nèi)衣的熱阻和濕阻雖然都在逐漸增加，但對(duì)熱阻而言，從M到XL增加較為明顯，而從XL到XXL增加較為平緩，增加率在逐漸減??；對(duì)濕阻來(lái)說(shuō)，從M到L增加較為明顯，但從L到XXL增加較為平緩，增加率也在逐漸減小。而普通純棉針織內(nèi)衣的熱阻和濕阻均從M開(kāi)始增加，到達(dá)XL則開(kāi)始減少。

2)發(fā)熱內(nèi)衣的透濕指數(shù)均大于相應(yīng)尺碼的普通純棉針織內(nèi)衣的透濕指數(shù)，說(shuō)明發(fā)熱內(nèi)衣的熱舒適性?xún)?yōu)于普通純棉針織內(nèi)衣。

3)從所建立的回歸模型來(lái)看，2種內(nèi)衣的熱阻與濕阻均隨空氣層厚度的增加而增大到最大值，而后再逐漸減小，這與空氣層體積的增加導(dǎo)致空氣對(duì)流的增強(qiáng)而使得熱損失增大是有很大關(guān)系的。進(jìn)一步研究表明，發(fā)熱內(nèi)衣的透濕指數(shù)在M時(shí)最高，說(shuō)明尺碼為M的內(nèi)衣穿著舒適性最好，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的空氣層體積為1 888 cm3。

后續(xù)研究還要進(jìn)一步對(duì)發(fā)熱內(nèi)衣的舒適性及美觀(guān)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定發(fā)熱內(nèi)衣舒適性與美觀(guān)性兼顧的內(nèi)衣放松量的設(shè)計(jì)。

FZXB

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Measurement and analysis on thermal properties of
men′s knitted underwears

DUAN Xingyuan1, WU Yuenshing2

(1.SchoolofArtDesign,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou,Jiangsu213001,China;2.CollegeofHumanEcology,CornellUniversity,NewYork14850,U.S.A)

To research influence of air volume under clothing on thermal properties of men′s underwear, a standing sweating fabric manikin was used to measure the thermal insulation and the evaporative resistance of body heat underwear and regular cotton underwear, and the thermal comforts of the both were compared. Two polynomial regression equations were established separately to predict the thermal insulation and the evaporative resistance from air gap volumes. The results proved that the thermal insulation and the evaporative resistance of the body heat underwear gradually increase with the underwear size within the measurement range, but the increase rates of the both increase first and then decrease, while the thermal insulation and the evaporative resistance of the regular underwear increases first and then decrease when reaching a certain value. Further study shows the thermal insulation and the evaporative resistance of regular underwear is higher than those of the body heat underwear of the same size, but the moisture permeability index of the regular underwear is smaller than that of the body heat underwear, which shows the thermal comfort of the body heat underwear is better.

body heat underwear; regular cotton underwear; thermal insulation; evaporative resistance; moisture permeability; thermal comfort; air gap volume

10.13475/j.fzxb.20151103405

2015-11-17

2016-07-13

2014年江蘇省教育廳高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(2014SJB441)；2014年江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目(KYQ14506)

段杏元(1974—)，女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榉b舒適性與合身性。E-mail：dxy0126@163.com。

TS 941.17

A