服裝保暖性的國內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

劉美娜+羅勝利+王府梅+劉剛中

摘要：文介紹了暖體假人的發(fā)展經(jīng)歷及最新研究成果，對(duì)比分析了服裝保暖性檢測(cè)的現(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)，指出了目前檢測(cè)技術(shù)的主要不足和服裝保暖性能測(cè)試課題的近期研究方向。

關(guān)鍵詞：服裝；保暖性；暖體假人；檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TS941.79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Study on Testing Technology of Clothing Thermal Property

Abstract： In this paper， developments and the latest research progress of thermal manikins are introduced. By analyzing the international evaluation criteria of clothing thermal insulation， it points out the deficiencies of testing technology and the research direction in the near future.

Key words： clothing； thermal property； thermal manikin； testing technology

關(guān)于平面狀紡織品保溫性的測(cè)試，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法都采用平板式保溫儀進(jìn)行測(cè)試。而服裝通常是由面料、里料、輔料和填充材料等縫制成的三維曲面狀產(chǎn)品，其保暖性和熱舒適性不但與各種原材料性能有關(guān)，還與其組合方式高度相關(guān)，因此必須測(cè)試考核服裝成品的保暖性。20世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者就服裝保暖性的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。

1 服裝保暖性檢測(cè)設(shè)備分析

服裝的熱阻是衡量服裝保暖性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，國內(nèi)外一直用“暖體假人”或“出汗假人”測(cè)試曲面狀服裝的熱阻。

1.1 暖體假人的發(fā)展回顧

20世紀(jì)40年代人們開始研發(fā)暖體假人，試圖通過一個(gè)近似人體形態(tài)的假人模擬人體與環(huán)境間的熱濕交換。它的身型高度和三維尺寸和普通成年男子相似，由頭、胸部、背部、腹部、臀部、上肢、手、下肢和腳等解剖段組成。暖體假人本體由銅、鋁或玻璃鋼制作而成，可采用內(nèi)部加熱、內(nèi)表面加熱和外表面加熱，當(dāng)采用內(nèi)部或內(nèi)表面加熱方式時(shí)，為了保持外表溫度均勻，必須用高熱導(dǎo)率的材料制作外殼。

當(dāng)前已經(jīng)有三代暖體假人，第一代暖體假人為單段假人系統(tǒng)，不能反映人體溫度分布，且不能活動(dòng)，只能用于服裝熱阻的一般測(cè)試。第二代暖體假人為多段暖體假人（圖 1），每段采用單獨(dú)控制的加熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了每段體表溫度的單獨(dú)受控，而且假人可以模擬人體不同姿勢(shì)，做一些簡單運(yùn)動(dòng)。第二代暖體假人較第一代有了明顯的改進(jìn)，由簡單的靜態(tài)試驗(yàn)發(fā)展到了動(dòng)態(tài)模擬的需求，仿真性更高。第三代暖體假人也叫出汗暖體假人，除了可以模擬人體比較復(fù)雜的動(dòng)作以外，實(shí)現(xiàn)了假人出汗，能更真實(shí)、全面地反映人體、服裝和環(huán)境的熱濕交換過程，對(duì)服裝的熱濕傳遞性能做出綜合評(píng)價(jià)。

1.2 暖體假人的最新進(jìn)展

現(xiàn)階段暖體假人只適合測(cè)試某些特殊職業(yè)裝的保暖性，由于“假人”形體為特定尺碼的男體，對(duì)于款式多變、大小號(hào)尺碼分布很廣的市場銷售服裝，“假人”的不適用性顯而易見。再者，目前“假人”給出的保暖性指標(biāo)與全身或半身或某些段（圖 1）的單位面積的平均散熱功率對(duì)應(yīng)，多數(shù)衣服很難剛好覆蓋其全身或半身的某些段，衣身和袖子長短、開領(lǐng)高低等款式變化對(duì)整件服裝散熱功率的影響都會(huì)被計(jì)入保暖性指標(biāo)。因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的現(xiàn)有暖體假人卻不能給出任意款式、尺碼服裝的有效保溫部位的保暖性，應(yīng)用價(jià)值不高。

2015年，東華大學(xué)和山東萊州電子儀器有限公司聯(lián)合研制出LD-1型服裝保溫性能測(cè)試儀（圖 2），是考慮服裝三維空間結(jié)構(gòu)和材料熱阻測(cè)試條件的簡化假體。儀器測(cè)試主機(jī)是由紫銅制作的恒溫暖體，沒有四肢，前后身為 2 臺(tái)獨(dú)立的曲面保溫儀。凡是容易因服裝款式變化引起測(cè)試誤差的部位都設(shè)計(jì)為熱護(hù)板，可保證測(cè)試板只向其法向的服裝部位供熱。熱護(hù)板與測(cè)試板的表面溫度都控制在“體溫±0.1 ℃”范圍，體溫可設(shè)計(jì)為33、34或35 ℃。服裝熱阻只用測(cè)試板的散熱量和面積計(jì)算，與熱護(hù)板散熱量和面積無關(guān)。并且考慮羽絨服等產(chǎn)品保溫性的不均勻性，每塊測(cè)試板與熱護(hù)板都被劃分為數(shù)個(gè)區(qū)域，各區(qū)域獨(dú)立測(cè)溫和進(jìn)行恒溫控制?？紤]環(huán)境溫度也參與試樣熱阻計(jì)算，假體外圍距離測(cè)試板25 ～ 30 cm的法向空間內(nèi)安裝有 4 個(gè)環(huán)境溫度測(cè)頭，測(cè)量精度±0.1℃，測(cè)試時(shí)間段內(nèi) 4 個(gè)環(huán)境溫度測(cè)頭的平均溫度用于試樣熱阻計(jì)算。與傳統(tǒng)暖體假人相比，該儀器結(jié)構(gòu)大幅度簡化，只測(cè)試上裝代表性部位的傳熱性能，儀器造價(jià)低；試樣適應(yīng)范圍廣，假體三圍可以增大1.0 ～ 10.0 cm，以便測(cè)試不同尺碼的上裝；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可剔除開領(lǐng)高低、衣服長短、開衩大小、邊緣效應(yīng)等服裝結(jié)構(gòu)對(duì)保溫性測(cè)試值的影響。

2 服裝保暖性檢測(cè)方法分析

對(duì)比研究用暖體假人測(cè)試服裝保暖性的國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM F 2732-2011與BS EN ISO 15831：2004，兩者從適用對(duì)象、測(cè)試環(huán)境、儀器設(shè)備調(diào)試、試樣準(zhǔn)備、計(jì)算方法等方面介紹了熱阻的檢測(cè)方法，對(duì)比結(jié)果如表 1 所示。

從表 1 可以看出，這 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所采用的檢測(cè)方法基本相同。適用對(duì)象都是人體穿著的整套服裝，包括外套、襯衣、牛仔褲、男士內(nèi)衣內(nèi)褲、襪子、運(yùn)動(dòng)鞋、手套、帽子。而針對(duì)市場流通中單件服裝，這樣的檢測(cè)方法無法標(biāo)識(shí)其保暖性指標(biāo)，也就是說現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試評(píng)價(jià)中的可用性很低。

測(cè)試環(huán)境包括溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速 3 個(gè)因素。對(duì)于服裝保暖性測(cè)試的環(huán)境溫度，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出的是一個(gè)范圍，更注重的是對(duì)溫度穩(wěn)定性的控制。而研究結(jié)果表明，服裝內(nèi)外溫差的大小勢(shì)必影響其對(duì)流散熱和輻射散熱，服裝熱阻隨著環(huán)境溫度的升高有較為顯著升高趨勢(shì)。所以服裝熱阻的測(cè)試必須界定在一定的環(huán)境溫度上，僅僅給出溫度的取值范圍是不科學(xué)的。對(duì)于服裝保暖性測(cè)試中相對(duì)濕度的控制，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都只是對(duì)控制的精度有一定的要求，這是因?yàn)樵谕扑]范圍內(nèi)相對(duì)濕度對(duì)服裝熱阻的影響不明顯。對(duì)于服裝保暖性測(cè)試的環(huán)境風(fēng)速，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求相同，都是給出的固定值。實(shí)際上外界的有風(fēng)環(huán)境會(huì)擾亂邊界空氣層與織物內(nèi)部的含氣量，并增強(qiáng)對(duì)流散熱，最終導(dǎo)致服裝熱阻下降。在軟風(fēng)風(fēng)力范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增大，服裝熱阻呈線性下降趨勢(shì)。對(duì)保暖性要求較高的服裝往往是在寒冷冬季穿著，風(fēng)力是其中一個(gè)很重要的環(huán)境因素，尤其是在沿海和高原地區(qū)。2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的0.4 m/s的風(fēng)速相當(dāng)于 1 級(jí)風(fēng)的風(fēng)力，這樣的測(cè)試條件與服裝的實(shí)際穿著使用環(huán)境大相徑庭，其測(cè)試結(jié)果不能很好地反映實(shí)際使用中的保溫性。

暖體假人的體表溫度實(shí)際上是模擬人體的體表溫度。實(shí)驗(yàn)研究表明，在正常生活、工作狀態(tài)下，體表溫度在32 ～ 35 ℃時(shí)，人的感覺都是比較舒適的。服裝保暖的目的就是要維持人體的體表溫度使其處于舒適狀態(tài)，所以暖體假人的體表溫度應(yīng)該是人體的舒適體表溫度，取值在32 ～ 35 ℃之間即可。

測(cè)試服裝的尺碼要求是合身，與穿著情況相符，這實(shí)際上是模擬人體在真實(shí)環(huán)境中的穿著狀態(tài)。但是“合身”只是一個(gè)定性描述，它沒有給出服裝與暖體假人配合的準(zhǔn)確寬松度，而寬松度的數(shù)值決定了暖體假人與服裝間的空氣含量。在無風(fēng)情況下，靜止空氣的含量會(huì)影響服裝的熱阻測(cè)量值；在有風(fēng)的情況下，流動(dòng)的空氣層會(huì)形成風(fēng)洞效應(yīng)，從而影響服裝的保溫性。所以定性描述的服裝尺寸勢(shì)必導(dǎo)致測(cè)試誤差。

服裝熱阻的計(jì)算方法已經(jīng)形成了一定的理論體系，但是也存在一些應(yīng)用困難的問題。一方面，目前國內(nèi)外的服裝熱阻表征的是服裝單位面積的隔熱效果，不能直接反映服裝對(duì)人體單位面積的保溫效果，因?yàn)橥蝗梭w穿著同一尺碼服裝時(shí)表面積因款式而變化，在傳統(tǒng)定義下不同款式服裝的熱阻值之間失去了可比性，不利于消費(fèi)者理解和運(yùn)用。另一方面，服裝試樣的表面積計(jì)算非常繁瑣。ASTM F 2732-2011與BS EN ISO 15831：2004都采用服裝面積系數(shù)fcl完成暖體假人體表面積與服裝試樣表面積的換算，而fcl的準(zhǔn)確測(cè)量需要采用圖像處理的方法，非常耗時(shí)。所以ASTM F 2732-2011為了方便起見，就對(duì)fcl的取值做了明確的規(guī)定，1#套裝、2#套裝（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的套裝組成）和冬季套裝fcl分別取值1.25、1.30和1.35，這樣計(jì)算數(shù)值的準(zhǔn)確性勢(shì)必下降。上述 2 個(gè)問題都與試樣面積相關(guān)，東華大學(xué)的發(fā)明專利“一種模擬體形的成衣保溫儀的熱阻計(jì)算方法”很好地解決了這 2 個(gè)問題。它將熱阻定義為：標(biāo)準(zhǔn)人穿上合適尺碼的服裝試樣由瞬態(tài)傳熱轉(zhuǎn)變到穩(wěn)態(tài)傳熱以后，標(biāo)準(zhǔn)人的體表溫度和服裝外圍20 ～ 60 cm處空氣層溫度的差值與體表單位面積散失的氣態(tài)熱流功率之比。這一新的表述既避免了服裝表面積的繁瑣測(cè)量，又使得熱阻的實(shí)用意義增強(qiáng)。

3 今后的研究方向

服裝保暖性的科學(xué)評(píng)價(jià)體系主要包括 2 個(gè)方面，一是精確實(shí)用的檢測(cè)儀器，二是科學(xué)合理的檢測(cè)方法。通過以上分析可以看出現(xiàn)有的檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法都存在一些不足，同時(shí)也指明了今后的研究方向。

3.1 暖體假人的設(shè)計(jì)改進(jìn)

傳統(tǒng)意義的暖體假人由頭部、胸部、腹部、背部、臀部、手、腿、腳組成，至少需要15個(gè)模塊構(gòu)成假體，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且尺碼或型號(hào)單一，只能測(cè)試某一規(guī)格型號(hào)的服裝，再者測(cè)試時(shí)必須穿著內(nèi)外、上下全套服裝，測(cè)試步驟繁瑣。LD-1型服裝保溫性能測(cè)試儀克服了暖體假人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型號(hào)單一的缺點(diǎn)，但它只是針對(duì)上裝保暖性測(cè)試的簡化假人，僅是服裝保暖性測(cè)試設(shè)備的一個(gè)組成部分。一套完整的服裝保溫性能測(cè)試儀還須進(jìn)一步研發(fā)下裝或褲類、襪類服裝的保溫性能測(cè)試儀。

3.2 服裝保暖性的檢測(cè)方法研究

為形成全面、客觀、公正和科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，需解決以下 3 方面問題。首先，研究確定服裝保暖性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。測(cè)試環(huán)境中溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速都會(huì)影響服裝保暖性的測(cè)試結(jié)果，尤其是溫度和風(fēng)速 2 個(gè)因素。確定這些因素的關(guān)鍵應(yīng)該是明確服裝的實(shí)際使用環(huán)境，只有在接近使用環(huán)境的人工氣候室（控制溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速）測(cè)試服裝熱阻方能給出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。所以防寒服必須在低溫下測(cè)試，戶外服應(yīng)該在比較強(qiáng)的風(fēng)速下測(cè)試。定性描述是不夠的，必須確定出一個(gè)合理的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，這需要調(diào)研全國范圍內(nèi)代表性地區(qū)在冬季的溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境條件。

第二，需要定量規(guī)范服裝與暖體假人配合的寬松度。寬松度因人而異，因服裝類型而異，例如正裝和休閑裝，在實(shí)際穿用中的寬松度不同。合理的評(píng)價(jià)體系應(yīng)該結(jié)合人和服裝的各種因素進(jìn)行綜合考慮，在調(diào)研的基礎(chǔ)上確定合理的數(shù)值。

第三，需要推算服裝熱阻與使用環(huán)境溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在服裝或其產(chǎn)品介紹上標(biāo)識(shí)其適合的使用環(huán)境溫度。服裝熱阻應(yīng)該能給人們出行給出合理性建議，熱阻與環(huán)境溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系就尤其重要。這需要調(diào)研分析人體生理學(xué)領(lǐng)域的研究資料，匯總分析出中等運(yùn)動(dòng)和輕微強(qiáng)度下的健康中年人、兒童、老人體表單位面積的散熱量，根據(jù)不同人的體表散熱量，計(jì)算出所需服裝熱阻與使用環(huán)境溫度的圖表對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 小結(jié)

目前國內(nèi)外服裝保暖性檢測(cè)的設(shè)備和方法尚不健全，不能給出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。通過研制科學(xué)實(shí)用的服裝保暖性測(cè)試儀器和測(cè)試方法，可幫助企業(yè)科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能，有利于研究開發(fā)防寒服、戶外服、舒適內(nèi)衣等高檔服裝，提升我國紡織服裝企業(yè)的競爭力。

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