服裝保溫性能評價(jià)方法及其優(yōu)化分析

吳冰晶，李 璇

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040）

0 引言

服裝作為人體與環(huán)境之間的媒介，對于調(diào)節(jié)兩者之間的熱傳遞，幫助人體保持舒適的熱平衡，起到至關(guān)重要的作用，尤其在環(huán)境溫度較低的冬季，人們需要借助于棉服、羽絨服等保溫服裝來維持人體的熱舒適。而隨著服裝產(chǎn)品市場的多樣化，如何科學(xué)、全面、系統(tǒng)地評價(jià)此類服裝的保溫性能，越來越受到市場和消費(fèi)者的重視。

簡單來說，普通服裝的保溫效果一般是通過減少人體散熱量來實(shí)現(xiàn)的。傳導(dǎo)、對流、輻射與蒸發(fā)是人體在無濕汗?fàn)顟B(tài)下散熱的主要途徑，約占總散熱量的97%[1]，而服裝對這4 種散熱途徑的影響主要體現(xiàn)在：服裝材料與空氣層的導(dǎo)熱能力主要影響傳導(dǎo)散熱，防風(fēng)性能及服裝封閉程度主要影響對流散熱，輻射率及表面溫度主要影響輻射散熱，透濕指數(shù)及潤濕面積主要影響蒸發(fā)散熱[2]。由此可見，人體、環(huán)境、服裝三者之間存在著極為復(fù)雜的熱交換過程，現(xiàn)有的研究還難以對這一過程進(jìn)行全面的模擬和表征。本文針對服裝保溫性能的評價(jià)，總結(jié)分析了相關(guān)表征指標(biāo)和測試方法，且測試方法涵蓋織物和服裝整體兩個(gè)層面，對有待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和探討。

1 表征指標(biāo)

目前，常用于表征服裝保溫性能的主要指標(biāo)有保溫率、熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)clo值（克羅值）、Tog值（托格值）等，詳見1。

表1 保溫性能表征指標(biāo)

保溫率與熱阻是目前我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中用于表征紡織品保溫性能的常用指標(biāo)[5]。相較而言，保溫率僅表示比率關(guān)系，雖簡單易懂，但在對測試結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)卻存在較大的局限性，而熱阻能夠反映織物自身所具有的性質(zhì)，是一種更為直接、有效的表征方式。另外，有學(xué)者通過測試同一織物在不同層數(shù)下的保溫率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)織物厚度達(dá)到一定程度后保溫率測試結(jié)果基本保持不變，即靈敏度減弱[6]。導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱系數(shù)的表征含義非常接近，僅從含義本身來看，與傳熱系數(shù)相比，導(dǎo)熱系數(shù)更是消除了厚度對結(jié)果可比性的影響。clo值（克羅值）由美國學(xué)者Gagge 和Burton 于1941 年提出[7]，作為一項(xiàng)綜合了人體、服裝、環(huán)境三者考慮的保溫性指標(biāo)，其具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。但事實(shí)上，能夠準(zhǔn)確測得合乎定義的clo 值是十分困難的。目前，采用的暖體假人法實(shí)質(zhì)上已將這一物理—生理—心理指標(biāo)降為了物理—生理指標(biāo)。Tog值是英國常用于表征衣物、寢具保溫性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4]，其與克羅值、熱阻之間存在的關(guān)系為[3]：1 m2·K∕W=6.45 clo=10 Tog。

2 測試方法

服裝保溫性能的測試一般考慮從局部織物和服裝整體兩個(gè)層面入手。通過測試平面織物以表征服裝保溫性能，是目前相關(guān)檢測領(lǐng)域采取的主要方式。與測試服裝整體相比，此類方法相對簡單，易操作，成本較低。然而，服裝的保溫效果并不僅僅取決于面料，服裝的開口、衣下空氣層、穿著層次等設(shè)計(jì)因素的影響同樣不容忽視[2]。因此，測試服裝整體的保溫性能更加能夠達(dá)到貼近實(shí)際穿著的效果，但此類方法成本相對較高，操作較為復(fù)雜，目前主要用于試驗(yàn)研究。

2.1 織物層面

2.1.1 恒溫法

恒溫法是指在確保熱量只能經(jīng)過織物傳遞的前提下，通過測試保持恒溫所需時(shí)間或消耗功率等參數(shù)，從而計(jì)算保溫指標(biāo)的一類方法。GB∕T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》中提及的平板式織物保溫儀法，便采用了恒溫法的基本原理［目前，該標(biāo)準(zhǔn)已更新為GB∕T 11048—2018《紡織品 生理舒適性穩(wěn)定條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》］。

2.1.2 冷卻法

冷卻法的一般原理是：將試樣置于加熱到一定溫度的熱體上，通過一定時(shí)間內(nèi)熱體溫度下降的值或下降到一定溫度所消耗的時(shí)間來衡量試樣的保溫性能。與測試周期較長的保溫法相比，冷卻法的測試時(shí)間相對較短，但其由于無法定量測試熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)等織物自身固有的熱傳遞指標(biāo)，因此，一般僅適用于簡單定性比較織物保溫效果的情況。

2.1.3 雙板法

雙板法是通過測試時(shí)將試樣放置于2 塊溫度不同的金屬板之間，因試樣上下表面存在溫差而導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生傳熱，通過記錄平衡時(shí)的熱流量即可計(jì)算得到熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)值。對于受壓易變形的織物，如填絮料類織物，尤其要注意上層金屬板對試樣可能產(chǎn)生的壓力作用，避免因試樣形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差。

2.1.4 其他方法

除了上述幾種較為成熟的方法外，還有諸多為提高保溫性能測試準(zhǔn)確性和效率而進(jìn)行的研究性嘗試。董陳磊[8]將瞬態(tài)平面熱源法（TPS）應(yīng)用于織物保溫性能的測試，研究采用TPS2500 型Hot Disk熱常數(shù)分析儀對芳綸1313∕1414水刺非織造布的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并探討了儀器的核心——探頭對織物測試的適用性，最終發(fā)現(xiàn)采用薄膜探頭的分析儀可適用于一定厚度織物的導(dǎo)熱系數(shù)的測試。肖俐等[9]嘗試通過熱線法測試碳纖維織物、芳綸織物、玄武巖織物的導(dǎo)熱系數(shù)（此方法通常被認(rèn)為是測量流體熱導(dǎo)率最精確的方法之一，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于粉末、薄紙等材料的測量），但該研究并未有效證明其測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。陳益松等[10]針對GB∕T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)定條件下熱阻和濕阻的測定》測試過程中空板上方空氣層熱阻并不能完全替代測試面料上方空氣層熱阻的問題，提出了一種回歸測量法，即：通過測量逐層疊加面料的總熱阻，進(jìn)行線性回歸分析，直接得到單層面料的熱阻及其上方空氣層的熱阻，通過與傳統(tǒng)測量方法測試結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，回歸法在一定程度上的確能提高熱阻測量的準(zhǔn)確度。

2.2 服裝整體層面

2.2.1 暖體假人法

暖體假人法是目前用于測試服裝整體保溫性能的重要方法，其綜合考慮了服裝材料、服裝款式、層次搭配等多方面因素[11]，借助假人穿著服裝進(jìn)行測試，避免了真人試驗(yàn)中個(gè)體差異和心理因素的影響，試驗(yàn)重復(fù)性好，并能實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境條件下的產(chǎn)品測試。

暖體假人系統(tǒng)一般由至少包括“假人”本體系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，測試需在特定的人工氣候倉內(nèi)進(jìn)行。其中，“假人”模型多為固定規(guī)格的男體，其對一些款式固定、尺碼分類少的特殊職業(yè)用服裝適應(yīng)性較強(qiáng)，而對款式靈活多變、尺碼劃分較細(xì)的日常服裝，則較難模擬出接近實(shí)際的穿著效果。除此之外，暖體假人系統(tǒng)使用和維護(hù)的價(jià)格高昂，且占用空間較大。

針對暖體假人系統(tǒng)存在體型單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的情況，2014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型服裝保溫性能測試儀。與傳統(tǒng)的暖體假人相比，該儀器的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在：采用無四肢的假人上身軀干；可通過調(diào)節(jié)假人前后身距離改變胸圍、腰圍、臀圍尺寸；通過調(diào)整測試板的位置，避開開領(lǐng)高低、下擺開衩等服裝結(jié)構(gòu)因素的影響[12]。

2.2.2 紅外熱像法

紅外熱像技術(shù)采用光電設(shè)備來測量紅外輻射，能夠?qū)⑷搜蹮o法看見的紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外熱像分布圖[13]，該圖可直觀表達(dá)出人體在穿著條件下的實(shí)際溫度分布情況。為驗(yàn)證紅外熱像測試結(jié)果與主觀評價(jià)之間的一致性，鄭晶晶[14]選用8 款不同成分的機(jī)織圍巾，分別由受試者佩戴后拍攝紅外熱像圖，并由受試者對圍巾冷暖感進(jìn)行主觀評價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)兩種測試結(jié)果之間存在較好的一致性。然而，目前該類方法發(fā)展尚未成熟，尤其測試結(jié)果與保溫性能之間尚未建立合理、科學(xué)的表征指標(biāo)。

3 存在問題及改進(jìn)建議

通過上述分析可知，雖然目前服裝保溫性能的評價(jià)方法眾多，但仍缺乏一種貼合實(shí)際、準(zhǔn)確度高、通用性強(qiáng)的評價(jià)方法。綜合來看，為了更好地推進(jìn)評價(jià)方法的完善，研究人員應(yīng)著重關(guān)注下述問題的解決：

（1）表征指標(biāo)難以統(tǒng)一，研究成果之間的可比性較差，且未能發(fā)揮對終端消費(fèi)者的指導(dǎo)意義。鑒于保溫性能的測試原理存在較大差異，因而衍生出了多種保溫性能的表征指標(biāo)。此外，測試時(shí)常采用溫度、紅外輻射等進(jìn)行間接表征，但這類因素并不具象且不穩(wěn)定，導(dǎo)致指標(biāo)本身就帶有一定程度的不確定性。雖然目前用于保溫性能的表征指標(biāo)較多，但消費(fèi)者對產(chǎn)品的保溫性能還是缺少直接、量化的認(rèn)識，很難將測試指標(biāo)與實(shí)際保溫效果快速地聯(lián)系起來。

（2）測試方法普遍存在局限性和片面性。從織物層面來看，不考慮服裝結(jié)構(gòu)、穿搭層次等的影響，僅以織物測試結(jié)果來表征服裝整體的保溫效果并不合理。從服裝整體層面來看，以應(yīng)用最廣的暖體假人為例，一方面需要解決假人與服裝之間松量配合的問題（包括如何調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)多少），另一方面目前測試采用的內(nèi)搭服裝單一，并不符合人們實(shí)際的穿著習(xí)慣。紅外熱像法表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，但現(xiàn)有研究多數(shù)采用真人穿著試驗(yàn)，發(fā)展合適的試樣承載裝置是該方法廣泛應(yīng)用前需解決的重要問題。

（3）測試環(huán)境不統(tǒng)一，且未能很好地貼合實(shí)際。環(huán)境溫度、相對濕度和風(fēng)速均對服裝保溫效果有所影響，其中溫度和風(fēng)速的影響尤為顯著[15]。在當(dāng)前保溫性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，測試環(huán)境存在較大的差異[16]，不同學(xué)者在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究時(shí)也未采用統(tǒng)一的測試環(huán)境，因而所得的研究成果難以進(jìn)行有效比較，如國家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》要求測試時(shí)在空氣溫度20 ℃、相對濕度65%、空氣流速1 m∕s的條件下進(jìn)行，明顯與實(shí)際使用環(huán)境存在差異，很大程度上降低了測試結(jié)果的實(shí)際參考意義。

針對上述提到的問題與不足，結(jié)合未來服裝保暖性能測試的發(fā)展趨勢，建議：

（1）規(guī)范表征指標(biāo)，一方面可對指標(biāo)按原理進(jìn)行分類，對同一類型中可相互轉(zhuǎn)化的指標(biāo)進(jìn)行精簡，同時(shí)應(yīng)規(guī)范指標(biāo)名稱；另一方面，建立不同類型指標(biāo)之間的聯(lián)系，從而增加不同表征結(jié)果之間的可比較性。此外，從消費(fèi)者的角度來看，建立起表征指標(biāo)與實(shí)際使用環(huán)境之間的關(guān)系尤為重要。

（2）提高測試方法的精確度和可信度。需要把關(guān)注點(diǎn)放在如何使測試過程更貼近實(shí)際應(yīng)用上，重點(diǎn)包括：實(shí)現(xiàn)儀器與服裝之間松量的可調(diào)節(jié)性，通過調(diào)研將人們的實(shí)際穿搭考慮到試驗(yàn)中去等等，更重要的是，對這些參數(shù)進(jìn)行定量規(guī)范化。

（3）冬季保暖服裝的測試應(yīng)在低溫條件下進(jìn)行，并應(yīng)針對輕便羽絨服、棉服、防寒服等不同類型的御寒服裝設(shè)置不同的環(huán)境溫度。此外，戶外穿著的服裝應(yīng)著重考慮風(fēng)速，設(shè)置合理的風(fēng)速參數(shù)。一套科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境條件，對提高測試結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值具有極為重要的意義。

在當(dāng)今保暖服裝輕便化、多樣化的發(fā)展趨勢下，科學(xué)、有效地對保溫效果作出確切的評價(jià)，無論是對相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，還是對市場消費(fèi)者而言，都具有十分重要的意義。從實(shí)際性和實(shí)用性出發(fā)，對現(xiàn)階段的服裝保溫性能評價(jià)方法進(jìn)行剖析，希望研究結(jié)果對相關(guān)評價(jià)體系的完善和規(guī)范提供參考借鑒。