具有開放衣下空氣層的織物系統(tǒng)水汽傳遞性能

吳翔翔　王革輝　邵雪寧　趙濤

摘 要：在M 261型織物透濕性能測試儀的基礎(chǔ)上設(shè)計和搭建輔助裝置，實現(xiàn)了對具有開放的衣下空氣層的織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能的測試。利用該裝置對8種織物進行了衣下空氣層厚度分別為4、8、12、16 mm和20 mm時織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能測試。結(jié)果表明：在風速為0.03 m/s的條件下，在一定范圍內(nèi)，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率隨著衣下空氣層厚度的增大而增大；衣下空氣層厚度為4 mm時，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率低于織物的透濕率；衣下空氣層厚度為16 mm時，對于普通織物，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率達到最大，比織物的透濕率高29.3%；衣下空氣層厚度為20 mm時，對于防水透濕織物，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率達到最大，與普通織物相比，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率幾乎沒有差異。

關(guān)鍵詞：織物系統(tǒng)；衣下空氣層厚度；水汽傳遞性能；輔助裝置

中圖分類號：TS941.16 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0145-07

人體無時無刻不在通過皮膚向外排出水汽，即非顯汗量（不感蒸發(fā)量），且當外界環(huán)境溫度升高或人體活動水平提升后人體出顯汗時，部分汗液通過蒸發(fā)成水汽。人體著裝后，若皮膚表面的水汽不能有效地傳遞到外界環(huán)境中，會使衣下空氣層內(nèi)濕度增加，給人體造成不適感［1-3］。衣下空氣層的存在及其厚度變化會使皮膚產(chǎn)生的水汽向外界環(huán)境傳遞的方式發(fā)生改變，造成服裝的濕舒適性不同［4］。實際著裝中，當服裝松量小于等于0（穿著緊身或貼體服裝）時，或服裝的開口完全封閉時，即衣下空氣層厚度為0或衣下空氣層處于封閉狀態(tài)時，人體排出的水汽僅通過織物向外界環(huán)境傳遞，即服裝的水汽傳遞通過織物的透濕性來實現(xiàn)［5-6］；當存在衣下空氣層，而且服裝開口沒有完全封閉時，人體排出的水汽可通過織物的透濕性和服裝開口兩種途徑向外界環(huán)境傳遞，此時服裝的水汽傳遞量為通過服裝開口的水汽傳遞量與透過織物的水汽傳遞量（透濕量）之和。通過服裝開口的水汽傳遞量與服裝開口的大小、衣下微氣候和環(huán)境的水汽壓差，以及衣下空氣層的厚度有關(guān)，透過織物的水汽傳遞量與織物內(nèi)外兩面的水汽壓差及織物的透濕性有關(guān)。

關(guān)于織物透濕性的研究已有很多。Huang等［7-8］對織物透濕性能的多種測試方法進行了對比研究。Onofrei等［9］研究了含有Outlast和Coolmax紗線的針織物的透濕性能，發(fā)現(xiàn)織物的吸濕性和結(jié)構(gòu)對織物的透濕性能有重要影響，透氣性和透濕性也有良好的相關(guān)性。孫雨晴等［10］和陳晴等［11］都研究了織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物透濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)織物的厚度越厚，面密度越大，經(jīng)緯密度越大，透濕性能相對越弱。

Chen等［12］、張昭華等［13］、王修艷等［14］和張雪原等［15］都研究了衣下空氣層厚度對織物系統(tǒng)的蒸發(fā)散熱熱阻的影響，發(fā)現(xiàn)在一定的衣下空氣層厚度范圍內(nèi)，織物系統(tǒng)的蒸發(fā)散熱熱阻都隨著衣下空氣層厚度的增大而增加，超過這個范圍，衣下空氣層厚度進一步增大，織物系統(tǒng)的蒸發(fā)散熱熱阻反而會下降。

關(guān)于衣下空氣層的水汽傳遞研究較少。Oh［16］通過將厚度5 mm的壓環(huán)置于織物試樣與試樣之間模擬三層服裝系統(tǒng)層間間隙5 mm時的水汽傳遞測試，發(fā)現(xiàn)水汽傳遞率在實驗期間幾乎處于平衡狀態(tài)，且水汽傳遞率大小主要由外層防水透濕織物決定。Gidik等［17］通過正杯蒸發(fā)法和正杯吸濕法研究了透濕杯內(nèi)靜止空氣層厚度對織物水汽傳遞性能的影響，發(fā)現(xiàn)空氣層厚度的增加會導致織物系統(tǒng)水汽傳遞率的下降。Oh［16］和Gidik等［17］的研究中模擬衣下空氣層是四周封閉的狀態(tài)，而人們?nèi)粘４┲姆b在很多情況下服裝開口是不封閉的。因此，研究具有開放狀態(tài)的衣下空氣層的織物系統(tǒng)的水汽傳遞的影響可以為服裝設(shè)計提供理論支持。

本文在M 261型織物透濕性能測試儀基礎(chǔ)上，通過設(shè)計和搭建輔助裝置，開發(fā)能夠測試具有開放狀態(tài)而且厚度可調(diào)的衣下空氣層的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率的測試設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，探討衣下空氣層厚度和織物的透濕性能對織物系統(tǒng)的水汽傳遞率的影響，期望對服裝的水汽傳遞性能研究和服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計與面料選擇提供指導和幫助。

1 實 驗

1.1 實驗裝置的設(shè)計與搭建

由于目前尚無能夠用于測量服裝水汽傳遞性能的儀器，也沒有能夠用于測量帶有開放的衣下空氣層的織物系統(tǒng)水汽傳遞性能的儀器，本文在M 261型織物透濕性能測試儀基礎(chǔ)上，通過設(shè)計和搭建輔助裝置開發(fā)了能夠用于測量帶有開放而且厚度可調(diào)的衣下空氣層的織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能的儀器。為表述方便，將帶有開放的衣下空氣層的織物系統(tǒng)簡稱為織物系統(tǒng)。

輔助裝置總的設(shè)計思路就是要能夠提供開放而且厚度可調(diào)的衣下空氣層的織物試樣安裝裝置。輔助裝置由三部分構(gòu)成，一是基座，二是試樣支架，三是載樣片。

基座的作用是起定位作用，用于固定試樣支架與透濕杯的水平相對位置，為保證織物試樣能正好覆蓋透濕杯的杯口提供條件。根據(jù)M 261型織物透濕性能測試儀轉(zhuǎn)盤俯視圖，按圖1 所示的結(jié)構(gòu)示意圖將17 mm厚的亞克力板通過I.laser4000激光大師切割出基座，使其上表面與透濕杯安裝在托盤后的杯口平面平齊。將基座的下表面用雙面膠固定到M 261型織物透濕性能測試儀轉(zhuǎn)盤上。

試樣支架的作用有兩個，一是為載樣片提供支撐作用，二是可以調(diào)節(jié)織物衣下空氣層的厚度。試樣支架由若干直徑400 mm和直徑200 mm的亞克力圓片以圓心對齊的方式粘接疊加而成的立柱。除了支架底部是采用厚度3 mm直徑400 mm的圓片以外，其上皆由厚度2 mm直徑200 mm的圓片和厚度2 mm直徑400 mm的圓片依次粘接疊加。試樣支架的結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖和正視圖（側(cè)視圖）如圖2所示。一系列的試樣支架用雙面膠固定在基座的特定位置上，以保證載樣片能穩(wěn)固地放置于試樣支架上并使織物試樣正好位于透濕杯口的正上方，保證試樣的透濕面積與透濕杯口內(nèi)徑對應的面積相等。試樣支架用雙面膠固定在基座上，其實物俯視圖見圖3。

載樣片的作用也有兩個。一是承載（粘貼）織物試樣，二是和試樣支架協(xié)同將織物試樣固定于透濕杯口上方的適當位置。載樣片是用厚度為1 mm的亞克力薄片通過激光切割而制得的，其結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖4所示。鏤空圓的直徑與透濕杯口內(nèi)徑相同，中心保留一個寬度為1 mm的十字線，以防止織物試樣下垂。

1.2 實驗材料

實驗選取了8種質(zhì)地均勻的常用織物作為實驗用織物，其中包括4種機織物（1#—4#），3種針織物（5#—7#），1種防水透濕織物（8#），其基本信息見表1。將每種織物剪取6塊直徑為8.8 cm的圓形試樣。實驗前將剪好的織物試樣置于恒溫恒濕室（溫度（20±2 ）℃、相對濕度（65±2）%）中調(diào)溫調(diào)濕至少24 h。

1.3 織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能的測試

測試環(huán)境溫度為（20±2） ℃，相對濕度為（65±2）%。

1.3.1 織物透濕性能的測試

當衣下空氣層厚度為0 mm時，織物系統(tǒng)的水汽傳遞的唯一途徑就是通過織物的透濕，所以，可以通過測試織物的透濕性能來測得織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能。

測試儀器采用M261型織物透濕能測試儀，透濕杯內(nèi)徑為8.3 cm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速2 r/min（風速為0.03 m/s）。向透濕杯內(nèi)注入46 mL水，置三角架于透濕杯上，試樣正面朝上蓋于三腳架之上，蓋上壓環(huán)并用乙烯膠帶密封透濕杯邊緣，將透濕杯置于轉(zhuǎn)盤之上。開啟儀器，平衡1 h后關(guān)閉電源，利用電子天平稱取初始重量M0，再次開啟儀器透濕2 h后稱取透濕杯重量M1。

根據(jù)公式WVT=24·ΔM/（A·T）計算織物的透濕率，單位為g/（m2·d），其中ΔM= M1-M0，g； A=54.1 cm 為織物的測試面積；T=2 h，為實驗時間。

每種織物測試3塊試樣，取3塊試樣的WVT平均值作為該織物透濕率的測試結(jié)果。

1.3.2 不同衣下空氣層厚度時織物系統(tǒng)水汽傳遞率的測試

測試儀器為在M 261透濕性能測試儀基礎(chǔ)上加裝了輔助裝置的自制織物系統(tǒng)水汽傳遞性能測試儀。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速2 r/min（風速為0.03 m/s）。

使織物試樣正面向上，用雙面膠將織物試樣粘貼在載樣片的指定位置上。向透濕杯內(nèi)注入20 ℃的水46 mL，基座與試樣支架用雙面膠固定于M 261型透濕性能測試儀轉(zhuǎn)盤之上，將粘貼了試樣的載樣片插入試樣支架的第一層，如圖5所示，此時，透濕杯口平面（相當于模擬皮膚表面）與織物試樣內(nèi)表面之間的空氣層厚度為4 mm；將粘貼了試樣的插片插入試樣支架的第二層，此時，透濕杯口平面（相當于模擬皮膚表面）與織物試樣內(nèi)表面之間的空氣層

厚度為8 mm；以此類推，可以得到透濕杯口平面（相當于模擬皮膚表面）與織物試樣內(nèi)表面之間的空氣層厚度為12、16 mm和20 mm。這些空氣層四周都是開放的。

開啟儀器，平衡1 h后關(guān)閉電源，利用電子天平依次稱取8個透濕杯的初始重量M0，再次開啟儀器轉(zhuǎn)動2 h后再依次稱取8個透濕杯的重量M1。

根據(jù)公式WVT=24·ΔM/（A·T）計算織物系統(tǒng)的水汽傳遞率，其中：ΔM= M1-M0，g；WVT為織物系統(tǒng)的水汽傳遞率，g/（m2·d）；A為面料的水汽傳遞測試面積；T=2 h，為實驗時間。

每種織物系統(tǒng)在每種衣下空氣層厚度下的水汽傳遞率取其3個試樣的水汽傳遞率測試結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

不同衣下空氣層厚度下的織物系統(tǒng)水汽傳遞率測試結(jié)果見表2。

2.2 不同織物的透濕性能比較

衣下空氣層厚度為0 mm，即無衣下空氣層時，測得的織物的水汽傳遞率，實際上就是織物的透濕率。由表2可以看出，4種機織物和3種針織物的透濕率在690～785 g/（m2·d）的范圍內(nèi)，相差不太大，防水透濕織物的透濕率為509 g/（m2·d），明顯小于其他織物，說明該防水透濕織物的透濕性明顯不及其他幾種織物。

2.3 有無衣下空氣層對織物系統(tǒng)水汽傳遞率的影響

為了對比分析無衣下空氣層和多種衣下空氣層厚度時織物系統(tǒng)水汽傳遞率是否存在差異，對衣下空氣層厚度為0 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率與衣下空氣層厚度分別為4、8、12、16 mm和20 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率測試結(jié)果進行配對樣本t檢驗，配對樣本t檢驗的結(jié)果見表3。

由表3可以看出，對于5組配對樣本，其顯著性P值均小于0.05，說明無衣下空氣層和衣下空氣層厚度分別為4、8、12、16 mm和20 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率都有顯著差異。在風速為0.03 m/s（接近靜止空氣）的條件下，衣下空氣層厚度為0 mm和4 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率差值的平均值為63 g/（m2·d），說明衣下空氣層厚度為4 mm時比衣下空氣層厚度為0 mm時的織物系統(tǒng)水汽傳遞率低。衣下空氣層厚度為0 mm 和衣下空氣層厚度為8、12、16 mm和20 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率差值的平均值都為負值，說明衣下空氣層厚度為8、12、16 mm和20 mm時比衣下空氣層厚度為0 mm時的織物系統(tǒng)水汽傳遞率高。

分析原因，在風速為0.03 m/s（接近靜止空氣）的條件下，水汽主要通過擴散進行傳遞。在有開放的衣下空氣層的情況下，織物系統(tǒng)通過兩個途徑進行水汽傳遞，一是通過服裝開口，即衣下空氣層四周的開口，二是通過織物的透濕。一方面，因為衣下空氣層四周的開口面積為衣下空氣層厚度和試樣透濕區(qū)域（透濕杯內(nèi)徑對應的圓）的周長的乘積，而試樣透濕區(qū)域的周長是不變的，使得衣下空氣層四周的開口的面積會隨著衣下空氣層厚度的增大而增大，進而使得通過衣下空氣層四周的開口的水汽傳遞量隨衣下空氣層厚度的增大而增大。另一方面，隨著衣下空氣層厚度的增大，織物內(nèi)表面與“皮膚”的距離增大，織物內(nèi)表面的水氣壓降低，使得織物內(nèi)外兩面的水汽壓差減小，進而使得通過織物的透濕量減小?？椢锵到y(tǒng)通過兩個途徑進行的水汽傳遞，隨著衣下空氣層厚度的增大而此消彼長。

結(jié)合表2，對于普通織物，當衣下空氣層厚度為4 mm時，通過衣下空氣層的水汽傳遞量不及4 mm的衣下空氣層厚度所導致的織物透濕量的減小，使得此時的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率低于衣下空氣層厚度為0 mm時織物系統(tǒng)的水汽傳遞率（織物的透濕率）；當衣下空氣層厚度為8 mm及以上時，通過衣下空氣層的水汽傳遞量超過了8 mm及以上的衣下空氣層厚度所導致的織物透濕量的減小，使得此時的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率高于衣下空氣層厚度為0 mm時的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率（織物的透濕率）；對于防水透濕織物，當衣下空氣層厚度為4 mm及以上時，通過衣下空氣層的水汽傳遞量超過了4 mm及以上的衣下空氣層厚度所導致的織物透濕量的減小，使得此時的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率高于衣下空氣層厚度為0 mm時的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率（織物的透濕率）。

其中，在衣下空氣層厚度為0 mm 和衣下空氣層厚度為16 mm時測得的織物系統(tǒng)水汽傳遞率差值的平均值為206 g/（m2·d），達到最大，比8種織物的透濕率的平均值提高29.3%，這表明，即使在風速為0.03 m/s（接近靜止空氣）的條件下，服裝寬松量的設(shè)計對服裝的濕舒適性也可以產(chǎn)生較大的影響。

2.4 衣下空氣層厚度對織物系統(tǒng)水汽傳遞率的影響

空氣層厚度從4 mm增加到20 mm時，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，對于普通織物（1#—7#），當空氣厚度不超過16 mm時，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率隨著衣下空氣層厚度的增加而有較大的提高；對于防水透濕織物（8#），當衣下空氣層厚度增大到20 mm時，其水汽傳遞率進一步提高，達到906 g/（m2·d），與其他幾種織物的織物系統(tǒng)的水汽傳遞率幾乎沒有差別，而比該織物的透濕率高78.0%。原因是，當衣下空氣層厚度增大時，一方面織物內(nèi)表面的水氣壓有所降低，使織物的內(nèi)外兩面的水氣壓差降低，通過織物傳遞的水汽量降低；另一方面，隨著衣下空氣層厚度增大，通過衣下空氣層四周的開口的水汽傳遞量也隨之增大，兩方面共同作用的結(jié)果，使得織物系統(tǒng)（特別是防水透濕織物）的水汽傳遞率隨著衣下空氣層厚度增大而增大。

3.3 結(jié)論

基于M 261型織物透濕性能測試儀，通過設(shè)計和搭建輔助裝置，模擬人體皮膚和織物間具有開放的衣下空氣層時織物系統(tǒng)的水汽傳遞，研究織物系統(tǒng)的水汽傳遞規(guī)律，得到以下結(jié)論：

a）搭建了配合M 261型織物透濕能測試儀就可以測試織物系統(tǒng)的水汽傳遞性能的裝置。

b）在風速為0.03 m/s的條件下，當衣下空氣層厚度為4 mm時，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率低于織物的透濕率。

c）在風速為0.03 m/s的條件下，在一定的衣下空氣層厚度范圍內(nèi)，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率隨著衣下空氣層厚度的增大而增大。

d）對于普通織物，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率在衣下空氣層厚度為16 mm時達到最大值，比織物的透濕率增大29.3%；對于透濕性較低的防水透濕織物，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率在衣下空氣層厚度為20 mm時達到最大值，與普通織物相比，織物系統(tǒng)的水汽傳遞率幾乎沒有差異。

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Water vapor transfer performance of a fabric systemwith an underwear air layer

WU Xiangxianga， WANG Gehui SHAO Xueninga， ZHAO Taoc，d

Abstract： The human body transfers water vapor to the outside environment by sweating. If water vapor fails to be transferred to the outside environment effectively， it will accumulate in the underwear air layer， resulting in increased humidity and human discomfort. The underwear air layer is affected by the skin surface curvature， fabric quality and clothing profile of various parts of the human body. The influence of its existence and thickness on water vapor transmission is relatively complicated. The research on the influence of underwear air layer on wet comfort is also relatively complicated. With the development of related instruments such as perspiration hot plate instrument and water vapor transmission tester， more and more studies have been done on heat transfer of fabric underwear air layer and water vapor transmission of enclosed air layer around. However， the opening air layer around the fabric also has a significant influence on the water vapor transfer performance of the fabric system， which is different from that of the closed air layer. At the same time， there is no corresponding instrument to detect the water vapor transfer performance of the fabric under the open state.

To study the water vapor transfer performance of fabric under the open state of the air layer around， we developed an instrument for measuring water vapor transmission of the fabric system with an open underwear air layer through the design and construction of auxiliary devices on the basis of M 261 fabric moisture permeability tester， and simulated the water vapor transmission rate of the fabric under different air layer thicknesses. On this basis， the corresponding analysis method was used to study the influence of the existence and thickness of the underwear air layer on the water vapor transmission rate of the fabricsystem. Specifically， under the condition of wind speed of 0.03 m/s， when the thickness of the underwear air layer is 4 mm， the water vapor transmission rate of the fabricsystem is lower than the water vapor transmission rate of the fabric. Under the condition of wind speed of 0.03 m/s， the water vapor transmission rate of thefabricsystem increases with the increase of underwear air layer thickness within a certain range. For ordinary clothing fabrics， the water vapor transmission rate of the fabricsystem reaches the maximum value when the thickness of the underwear air layer is 16 mm， which increases by 29.3% compared with the water vapor transmission rate of the fabric. For the waterproof permeable fabric with a low water vapor transmission rate， the water vapor transmission rate of the fabric system reaches the maximum when the underwear air layer thickness is 20 mm， and there is almost no difference with the water vapor transmission rate of the fabric system for ordinary fabric.

The simulated measurement of the water vapor transmission rate in the underwear air layer is closer to the actual wearing state. The water vapor transmission testing device and experimental method of thefabricsystem designed can provide reference for further research on the water vapor transmission testing in the underwear air layer.

Keywords： fabricsystem; the thickness of underwear air layer; water vapor transfer performance; accessory device

收稿日期：20230402 網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230606

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0309101）

作者簡介：吳翔翔（1996—），男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性與功能服裝方面的研究。

通信作者：王革輝，E-mail：gehuiwang@dhu.edu.cn