風(fēng)速對(duì)單雙層著裝狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)服針織面料濕阻的影響

王利君， 馬希明， 丁殷佳, 陳誠毅

(1. 浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江省服裝工程技術(shù)研究中心， 浙江 杭州 310018)

運(yùn)動(dòng)服作為運(yùn)動(dòng)時(shí)人體與環(huán)境間的中間層，對(duì)二者之間的熱濕傳遞起著十分重要的作用。作為服裝熱濕傳遞性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，熱阻和濕阻常用于構(gòu)建人體與環(huán)境間的熱濕傳遞模型，從而評(píng)價(jià)服裝的熱濕性能[1-3]。服裝的熱阻和濕阻受多種因素影響，包括服裝自身的款式、著裝層數(shù)、衣下間隙、風(fēng)速以及人體運(yùn)動(dòng)及服裝面料自身的性能等[4-6]。

服裝的熱阻、濕阻由面料自身和表面邊界空氣層的熱阻、濕阻組成，風(fēng)速的增加會(huì)擾亂面料內(nèi)部和邊界的空氣層，從而改變服裝的熱濕傳遞性能。于瑤等[7]研究表明，當(dāng)人體靜止站立時(shí)，熱阻隨風(fēng)速的增大而減小。Havenith等[8]選擇了3套正常工作服，測(cè)試了在有風(fēng)狀態(tài)(風(fēng)速為0.7，4.1 m/s)下的熱阻值，并得出了針對(duì)有風(fēng)條件下的正常工作服的熱阻修正方程。Nilsson等[9]針對(duì)冬季防寒服在0.4～1 m/s風(fēng)速下的熱阻值展開了研究，得到了相關(guān)的修正方程。王發(fā)明等[10]利用暖體假人“Walter”測(cè)量了各層服裝及不同組合的熱阻，結(jié)果顯示單件服裝熱阻與服裝組合系統(tǒng)的熱阻之間呈近似指數(shù)關(guān)系。趙蒙蒙等[11]研究表明，通風(fēng)系統(tǒng)的引入可有效減少服裝的濕阻。Cui等[6]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速的提高極大程度上降低了服裝的濕阻。上述研究?jī)?nèi)容主要集中在風(fēng)速與單層面料熱阻、濕阻的關(guān)系上;但運(yùn)動(dòng)服雙層的著裝方式在日常生活中非常普遍，不同的服裝組合后的濕阻也不同，并且很多室外運(yùn)動(dòng)往往是在有風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行,因此，研究風(fēng)速對(duì)面料濕阻的影響以及單雙層著裝狀態(tài)下面料濕阻之間的定性定量關(guān)系，對(duì)于指導(dǎo)企業(yè)和消費(fèi)者合理搭配運(yùn)動(dòng)服裝，提高運(yùn)動(dòng)套裝舒適性具有重要意義。

本文通過對(duì)4種風(fēng)速下12種T恤面料、8種外套面料以及聚類分析后兩兩組合的9種雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料的濕阻進(jìn)行測(cè)試，模擬皮膚-T恤-外套之間的透濕傳遞過程，分析軟風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)速(0.1～1.5 m/s)與單、雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻間的定量關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣與儀器

選用20種市場(chǎng)上常見的運(yùn)動(dòng)服針織面料。1#～12#為T恤面料、13#～20#為外套面料，具體規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Fabric specification parameters

電子天平(沈陽龍騰電子有限公司)、YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀(溫州方圓儀器有限公司)、YG(B)216-Ⅱ型織物透濕量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司)、YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)、Y511型織物密度分析鏡(溫州方圓儀器有限公司)、YG461-III型數(shù)字式織物透氣量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司)、DST52008紡織品干燥速度測(cè)定儀(大榮科學(xué)精器制作所)、SGHP-10.5服裝熱阻和濕阻檢測(cè)系統(tǒng)(美國西北測(cè)試科技公司)。

1.2 織物性能測(cè)試

1.2.1 舒適性

測(cè)試前根據(jù)GB/T 8629—2001《紡織品 試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程序》和GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》對(duì)所有試樣進(jìn)行預(yù)處理和調(diào)濕。在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的條件下，根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》、GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第1部分：?jiǎn)雾?xiàng)組合試驗(yàn)法》、GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》和GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，測(cè)得織物芯吸高度、干燥速度、透濕率和透氣率，如表2所示。

表2 織物性能參數(shù)Tab.2 Fabric performance parameters

1.2.2 濕 阻

采用服裝熱阻和濕阻檢測(cè)系統(tǒng)和自制網(wǎng)架隔層對(duì)單、雙層組合運(yùn)動(dòng)服針織面料進(jìn)行濕阻測(cè)試。為更好地模擬雙層著裝狀態(tài)，本文搭建網(wǎng)架隔層支撐外層織物，見圖1。

圖1 自制網(wǎng)架Fig.1 Self-made net frame

傳統(tǒng)平鋪式測(cè)量方式因重力因素使雙層織物間空氣層厚度接近于零，實(shí)際由于體溫和衣下間隙，2層織物間存在空氣層。為研究風(fēng)速對(duì)濕阻的影響,結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)易性，測(cè)試時(shí)內(nèi)外層織物的空氣層厚度取7 mm[12]。具體搭建方案如下：首先在內(nèi)層織物上方使用4根高7 mm、長(zhǎng)50 cm的亞克力邊框板圍1圈，然后在其上方放置由直徑為1 mm的鐵絲兩兩間隔2 cm編制成的鐵絲網(wǎng)，最后將測(cè)試所需的外層織物平鋪于鐵絲網(wǎng)上。

為保證環(huán)境箱內(nèi)風(fēng)速的穩(wěn)定性和精確性[13]，本文針對(duì)軟風(fēng)級(jí)別的風(fēng)速范圍，選定0.1、0.5、1.0、1.5 m/s 4種風(fēng)速作為測(cè)試風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)速可精確至±0.05 m/s。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)根據(jù)ISO 11092—2014《紡織品 生理效應(yīng) 穩(wěn)態(tài)條件下耐熱和耐水蒸氣性能的測(cè)量(防護(hù)熱板排汗試驗(yàn))》中濕阻測(cè)試要求設(shè)置環(huán)境箱，溫度為(35±0.1) ℃，濕度為(40±3)%，熱板溫度為(35±0.1) ℃，環(huán)境箱提前預(yù)熱至穩(wěn)態(tài)。然后將已備好的大小為50 cm×50 cm的單層面料或雙層網(wǎng)架隔層面料正面朝上平鋪于玻璃纖維薄膜之上，風(fēng)速傳感器末端調(diào)節(jié)至織物中上方7 mm處，每次測(cè)試需保持穩(wěn)定狀態(tài)30 min，最終得到的數(shù)據(jù)為30 min內(nèi)濕阻的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速對(duì)單層織物濕阻的影響

為定量分析T恤面料和外套面料在不同風(fēng)速下濕阻的變化，參照ISO 11092—2014標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)的面料濕阻定義成標(biāo)準(zhǔn)濕阻，作為各面料濕阻變化的參照值，繪制4種風(fēng)速下T恤面料和外套面料濕阻、標(biāo)準(zhǔn)濕阻與風(fēng)速的三維關(guān)系圖，如圖2所示。

從圖2中4種風(fēng)速下T恤面料的濕阻可以看出：1)總趨勢(shì)上，在軟風(fēng)范圍內(nèi)，T恤面料濕阻隨風(fēng)速的增大而減小。當(dāng)風(fēng)速從0.1 m/s增加到0.5 m/s時(shí)，濕阻顯著減小，當(dāng)風(fēng)速由0.5 m/s增加到1.5 m/s時(shí)，濕阻下降的速度開始趨于平緩。2)在風(fēng)速變化相同的條件下，各面料濕阻減小的程度不同。

同理，對(duì)4種風(fēng)速下外套面料的濕阻進(jìn)行分析可知，外套面料濕阻的變化趨勢(shì)和T恤面料相同。對(duì)單層運(yùn)動(dòng)服面料來說，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)。一方面，導(dǎo)致空氣密度減小，空氣層變薄，水蒸氣透過邊界空氣層的阻力減小；另一方面，空氣的流動(dòng)帶走了織物內(nèi)側(cè)擴(kuò)散的水蒸氣，并以新空氣替代，而新的空氣流經(jīng)織物表面又帶走部分水氣，以此循環(huán)，加快了織物水氣的擴(kuò)散，造成了濕阻的減小。

由圖2可見,T恤面料和外套面料濕阻與風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)濕阻之間的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此嘗試使用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式非線性擬合。為求得最佳多項(xiàng)式擬合結(jié)果，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階、二階、三階、四階多項(xiàng)式擬合。

圖2 4種風(fēng)速下T恤面料和外套面料濕阻與風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)濕阻的三維關(guān)系圖Fig.2 Three-dimensional relationship between moisture resistance and wind speed, standard moisture resistance of T-shirt fabric (a) and outwear fabric (b) under 4 kinds of wind speed

一階：

f1(x,y)=k0+k1x+k2y

二階：

f2(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy

三階：

f3(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy+

k5x3+k6x2y

四階：

f4(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy+

k5x3+k6x2y+k7x4+k8x3y

式中：f(x,y)為濕阻，m2·Pa/W；x為風(fēng)速，m/s；y為標(biāo)準(zhǔn)濕阻，m2·Pa/W；k0,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8均為待定系數(shù)。計(jì)算不同階數(shù)多項(xiàng)式擬合結(jié)果的均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、擬合優(yōu)度(R2)和平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)，如表3所示。

表3 T恤和外套面料不同階數(shù)多項(xiàng)式擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of T-shirt and outerwear fabrics with different order polynomials

由表3可見，隨著多項(xiàng)式階數(shù)的增加，擬合優(yōu)度隨之提高，但呈現(xiàn)出放緩趨勢(shì)。尤其是階數(shù)由三階到四階時(shí)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)并沒有明顯的提高;但是擬合公式卻變得更為復(fù)雜，計(jì)算量增加,因此,綜合考慮公式的復(fù)雜程度和擬合優(yōu)度問題，最終選擇三階多項(xiàng)式作為擬合公式。

T恤面料：

fT(x,y)=30.626+85.525x+0.620y+

72.289x2+0.065xy+25.589x3+

0.104x2y

外套面料：

fo(x,y)=32.567-83.733 4x+0.392y+

81.147x2+0.029xy-26.701x3+

0.144x2y

2.2 風(fēng)速對(duì)雙層組合織物濕阻的影響

2.2.1 聚類分析

為提高實(shí)驗(yàn)效率，需選出有代表性的T恤、外套面料，以模擬雙層著裝狀態(tài)。依據(jù)影響濕阻變化的性能指標(biāo)：透氣率、透濕率、芯吸高度、干燥速率、標(biāo)準(zhǔn)濕阻(即本文中風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)所測(cè)得的濕阻)，對(duì)12種T恤面料和8種外套面料分別進(jìn)行Q型聚類分析。Q型聚類能將性質(zhì)相近的面料分在同一類，把性質(zhì)差異較大的分在不同的類，聚類結(jié)果見圖3。

由圖3可知，T恤面料可分為3類：{1#，2#，3#，4#，9#}；{5#，7#，10#}；{6#，8#，12#，11#}，從中各挑選1種面料作為代表，即4#、10#、11#，將它們分別命名為A1、A2、A3。外套面料也可分成3類：{13#，14#，18#}；{16#，20#}；{15#，17#，19#}，從中各挑選1種面料作為代表，即13#、16#、17#，將它們分別命名為B1、B2、B3。

2.2.2 風(fēng)速對(duì)雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻的影響

將上述所選的代表性T恤面料和外套面料作為內(nèi)外層，兩兩組合成9種雙層組合織物。對(duì)4種風(fēng)速下T恤-外套雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料的濕阻進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可看出，風(fēng)速對(duì)雙層組合織物濕阻總的變化趨勢(shì)和下降速度開始變平緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與單層織物相同。結(jié)合風(fēng)速對(duì)單層織物的影響可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對(duì)織物濕阻的影響主要是以下2個(gè)方面：一方面是由于風(fēng)壓作用，氣流透入織物，擾亂了織物內(nèi)部的空氣層以及衣下空氣層；另一方面是由于風(fēng)使邊界層空氣變薄，邊界層空氣的濕阻值降低，從而使織物總的濕阻值降低。

圖3 T恤面料與外套面料聚類結(jié)果Fig.3 Clustering results of T-shirt fabrics (a) and outwear fabrics (b)

表4 風(fēng)速對(duì)雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻的影響Tab.4 Effect of wind speed on moisture resistance of double-layers sportswear fabric combination

2.3 雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

為進(jìn)一步尋求風(fēng)速、單層T恤濕阻、單層外套濕阻以及雙層T恤外套組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻之間的關(guān)系，對(duì)風(fēng)速和單、雙層組合織物濕阻進(jìn)行多元貝葉斯回歸分析。

1)針對(duì)雙層組合織物濕阻建立多元貝葉斯回歸模型：

Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+ε

式中：X1,X2,X3分別表示雙層組合織物的內(nèi)層織物濕阻、外層織物濕阻以及風(fēng)速；β1,β2,β3為其相應(yīng)系數(shù)；β0為常數(shù)項(xiàng)；ε為不同風(fēng)速下織物濕阻測(cè)試時(shí)的隨機(jī)誤差。

3)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，模型的擬合優(yōu)度R2為0.988 4，平均絕對(duì)誤差(MAE)為0.830 1，均方根誤差(RMSE)為1.001 6，平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)為3.20%。圖4示出濕阻測(cè)試值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比。

圖4 濕阻預(yù)測(cè)值與測(cè)試值對(duì)比Fig.4 Comparison between predicted and output values

當(dāng)平均絕對(duì)百分比誤差低于20%時(shí)，可認(rèn)為模型預(yù)測(cè)性良好[14]。此處模型的平均絕對(duì)百分比誤差低于10%，與測(cè)試值相似度很高。這一結(jié)果表明，在軟風(fēng)范圍內(nèi)該模型能很好地利用單層面料的濕阻值預(yù)測(cè)雙層組合面料的濕阻值，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，可以為企業(yè)選購運(yùn)動(dòng)服面料提供指導(dǎo)。

4)最終可確定軟風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)速、T恤面料、外套面料以及T恤-外套雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料之間的濕阻模型：

Rdouble=13.293 3+0.807 3RA+

0.258 8RB-0.601 8v

式中：Rdouble為T恤-外套雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻，m2·Pa/W；RA為T恤面料濕阻，m2·Pa/W；RB為外套面料濕阻，m2·Pa/W；v為軟風(fēng)范圍內(nèi)風(fēng)速，m/s。

通過對(duì)模型的分析可知，內(nèi)層面料濕阻所占比重比外層面料的濕阻大，選擇運(yùn)動(dòng)服套裝時(shí)要格外注重T恤的散濕性能。

3 結(jié) 論

本文著重研究風(fēng)速與單、雙層組合面料濕阻之間的關(guān)系，為消費(fèi)者和企業(yè)在外界軟風(fēng)范圍的運(yùn)動(dòng)服著裝和搭配提供參考意見。采用美國SGHP-10.5服裝熱阻和濕阻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)上常用的12種T恤面料和8種外套面料進(jìn)行了4種風(fēng)速下的面料濕阻測(cè)試，并且通過聚類分析，選取3種T恤面料和3種外套面料為代表，利用搭建網(wǎng)架隔層模擬T恤和外套的雙層著裝狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了定量測(cè)試不同風(fēng)速下T恤與外套雙層組合運(yùn)動(dòng)服針織面料之間的濕阻。研究結(jié)論如下：

1)在軟風(fēng)范圍內(nèi)(0.1～1.5 m/s)，風(fēng)速對(duì)單、雙層組合織物濕阻總的影響趨勢(shì)是相同的。當(dāng)風(fēng)速從0.1 m/s增加到0.5 m/s時(shí)，濕阻均隨風(fēng)速的增加顯著減??；當(dāng)風(fēng)速由0.5 m/s增加到1.5 m/s時(shí)，濕阻的下降速度均開始趨于平緩。

2)在軟風(fēng)范圍內(nèi)，分別構(gòu)建了單層面料(T恤或外套面料)濕阻與風(fēng)速間的三階多項(xiàng)式模型，以及雙層組合面料濕阻與內(nèi)外層面料濕阻之間的線性模型。2個(gè)模型均具有良好的預(yù)測(cè)性，平均絕對(duì)百分比誤差都在5%以內(nèi)。

3)通過對(duì)雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻模型的分析發(fā)現(xiàn),內(nèi)層T恤面料的濕阻對(duì)雙層組合運(yùn)動(dòng)服面料濕阻的影響更大，著裝時(shí)要格外注重T恤的散濕性能。