高溫防護服的舒適工效性能評價與優(yōu)化對策

田 苗，王云儀，張向輝，張忠彬

（1.東華大學(xué)a.服裝和藝術(shù)設(shè)計學(xué)院；b.功能防護服裝研究中心；c.現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100029）

高溫防護服的舒適工效性能評價與優(yōu)化對策

田 苗1a，1b，1c，王云儀1a，1b，1c，張向輝1a，1b，1c，張忠彬2

（1.東華大學(xué)a.服裝和藝術(shù)設(shè)計學(xué)院；b.功能防護服裝研究中心；c.現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100029）

目前對于防護服的開發(fā)往往偏重功能性而忽視舒適性，舒適性不佳最終會影響穿著者的工作效率.針對國內(nèi)工業(yè)中普遍應(yīng)用的3類高溫防護服，進行穿脫便捷性、工效學(xué)和穿著生理負(fù)荷測試，從受試者的穿著反饋探尋防護服對人體造成靈活性限制以及生理負(fù)荷的原因，結(jié)果表明，影響舒適工效性能的主要原因是關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)不合理和材料厚重.根據(jù)防護服裝的功能設(shè)計模式對測試的高溫防護服提出結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略，以達到改善服裝舒適性、降低工作人員生理負(fù)荷、提高工作效率的目的，實現(xiàn)防護服的功能性和舒適性的相對平衡.

高溫防護服；舒適性；工效學(xué)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

防護服是保護人們在生產(chǎn)、工作中避免或減少職業(yè)傷害的一類服裝，是人們抵抗生產(chǎn)生活中各種有害因素的一道屏障［1］.目前對于防護服的開發(fā)和研制往往偏重其功能性，從而造成對服裝舒適性的忽視，導(dǎo)致工作人員的作業(yè)能力下降、干擾其生理平衡，降低感覺反饋，最終使工作人員產(chǎn)生生理壓力并造成工作效率下降［2］.

防護服的防護性能與其材料特性密切相關(guān)，然而具有安全防護性能的材料往往缺乏良好的舒適性能.為達到改善防護服舒適工效性的目標(biāo)，通過優(yōu)化服裝結(jié)構(gòu)造型的技術(shù)途徑，在保證不降低防護服安全防護性的基礎(chǔ)上，可提高人體的活動靈活性，改善人體的熱濕舒適性［3－4］.服裝的構(gòu)成要素多種多樣，其中材料和結(jié)構(gòu)是影響防護服裝舒適工效性和安全防護性的主要因素.防護服裝結(jié)構(gòu)與功能間相互作用關(guān)系如圖1所示.

圖1 防護服結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系Fig.1 Relationship between structure and properties of protective clothing

為了評估國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用的防護服對人體活動靈活性的影響，本文選取了當(dāng)前普遍使用的高溫防護服進行試驗研究，力求從受試者的穿著反饋探尋防護服對人體造成靈活性限制以及生理負(fù)荷的原因，并根據(jù)防護服裝的功能設(shè)計模式［5］對高溫防護服提出結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化策略，以達到改善服裝舒適性、降低工作人員生理負(fù)荷、提高工作效率的目的，在保證不降低防護服安全防護性能的基礎(chǔ)上，達到優(yōu)化舒適工效性的目標(biāo).

1 試 驗

1.1 測試樣本

測試服裝為3類高溫防護服，其規(guī)格如表1所示.其中1＃和3＃服裝配有頭盔、手套和腳套（圖2）.

高溫防護服的面料一般采用麻及合成橡膠，其外表面是一層鋁粉末與合成橡膠的涂層［6］.測試服裝的材料由外層（復(fù)合鋁箔防火布）和舒適層組成，1＃和3＃高溫防護服外層為復(fù)合鋁箔防火布，2＃高溫防護服外層由復(fù)合鋁箔防火布和阻燃布拼合而成.復(fù)合鋁箔防火布具有防火隔熱、反輻射熱等特性，但手感較硬、不易彎折.考慮到熱防護對材料特性要求嚴(yán)格，且復(fù)合鋁箔防火布不宜替換，因此，高溫防護服改進策略的制定將主要從結(jié)構(gòu)方面著手.

表1 測試服裝基本信息Table 1 Basic information of clothing for testing

圖2 測試服裝Fig.2 Clothing for testing

1.2 測試方法

本文利用穿脫衣耗時評價防護服的易用便捷性，引入靈活性指標(biāo)（肢體活動角度）和生理指標(biāo)（心率）［7］分析人體的客觀反應(yīng)，通過主觀問卷的方式評價受試者的主觀感受.

測試主要包括工效學(xué)試驗和穿著生理負(fù)荷試驗.通過工效學(xué)試驗，從靜態(tài)的角度評估防護服本身對人體活動靈活性產(chǎn)生的限制；通過穿著生理負(fù)荷試驗，從動態(tài)的角度評估防護服對人體造成的生理負(fù)荷及對舒適性的影響.

1.2.1 穿脫便捷性測試

在常溫環(huán)境下，使用秒表分別記錄6名受試者穿、脫整套高溫防護服所消耗的時間.

1.2.2 工效學(xué)測試

在環(huán)境溫度為20℃左右的條件下，使用多功能關(guān)節(jié)活動測量儀測量受試者在做8個動作時的肢體活動角度，8個動作包括肩部屈伸性、肩部外展性、肩部旋轉(zhuǎn)性、肘部屈伸性、軀干橫向伸展性、臀部伸展性、臀部橫向伸展性、膝蓋屈伸性［8］，如表2所示.

表2 肢體活動角度測量動作Table 2 Measurement motions of limb activity angle

采用主觀評價表的形式對高溫防護服整體和局部活動靈活性進行評價.評價指標(biāo)為20個，包括5個整體指標(biāo)和15個局部靈活感指標(biāo).評價標(biāo)尺［9］如圖3所示.受試者可以根據(jù)穿著高溫防護服時的自身感覺，在標(biāo)尺范圍內(nèi)的任意位置進行標(biāo)注，以體現(xiàn)他們對高溫防護服的主觀感覺.本標(biāo)尺的優(yōu)點是具有連續(xù)性，可以使受試者進行評價時有更大的選擇空間，從而使主觀評價值更加精確.

圖3 主觀評價標(biāo)尺Fig.3 Scale of subjective evaluation

1.2.3 穿著生理負(fù)荷測試

2 測試結(jié)果與分析

2.1 穿脫便捷性測試

對6名受試者進行穿、脫衣耗時測試，結(jié)果見表3.由表3可以看出，相比于2＃高溫防護服，受試者穿脫帶有頭盔、手套和腳套的1＃和3＃高溫防護服所消耗的時間較長，穿脫便捷性差；較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差說明受試者之間存在較大的個體差異.高溫防護服的穿脫便捷性受到防護服本身的結(jié)構(gòu)、防護服質(zhì)量以及受試者自身等多種因素影響.

表3 穿脫衣耗時Table 3 Time of dressing or undressing

2.2 工效學(xué)測試

2.2.1 肢體活動角度

利用SPSS軟件對肢體活動角度試驗結(jié)果進行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)在0.05的顯著水平下，高溫防護服與肢體動作均是受試者肢體活動角度的顯著影響因素.且經(jīng)過兩兩比較發(fā)現(xiàn)，受試者穿著2＃號高溫防護服時的肢體活動角度（113.0°）顯著大于穿著1＃（101.0°）和3＃（101.5°）高溫防護服的肢體活動角度，說明1＃和3＃高溫防護服對受試者的肢體靈活性限制更大.

圖4為受試者肢體活動角度測試的平均結(jié)果.

圖4 平均肢體活動角度圖Fig.4 Average limb activity angle

由圖4可以看出，受試者在穿著1＃試樣時的肢體活動角度范圍為46.0°～158.3°，穿著2＃試樣時為57.0°～163.75°，穿著3＃試樣時為51.5°～155.5°.分析其原因，可能是2＃試樣外層采用復(fù)合鋁箔與橘色阻燃布相拼材料，對受試者肢體靈活性影響稍小.圖4結(jié)果還表明：1＃試樣腋下、肘部、腰部、臀部等部位需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，3＃試樣腋下、肩部、臀部、膝部等部位需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減少高溫防護服對受試者活動靈活性的限制.

2.2.2 工效學(xué)主觀評價

對防護服進行工效學(xué)主觀評價，評價內(nèi)容包括5個整體感覺項目（穿脫方便度（1）、整體質(zhì)量感（2）、整體松緊感（3）、整體靈活度（4）、穿著總體感覺（5））和15個局部靈活感指標(biāo)（頭頸部（6）、肩部（7）、肘部（8）、手臂（9）、上身（10）、腋下（11）、小臂（12）、腰部（13）、背部（14）、手部（15）、臀部（16）、襠部（17）、膝部（18）、腿部（19）、腳部（20）活動靈活性），評價結(jié)果如圖5所示.

圖5 工效學(xué)主觀評價結(jié)果Fig.5 Subjective evaluation results of ergonomics

由圖5可知，對于防護服整體感覺的5個項目而言，配有頭套、手套和腳套的1＃和3＃試樣的穿脫方便度顯然不如2＃試樣，整體質(zhì)量感、整體靈活度和穿著總體感覺同樣也是2＃＞1＃＞3＃.由于3套高溫防護服均較寬松，因此受試者對整體松緊感的評價均為正向.

由工效學(xué)主觀評價局部靈活感指標(biāo)的評價結(jié)果可以看出，其評價值大多為負(fù)向，表明受試者認(rèn)為3套高溫防護服的靈活性均不高，其中2＃試樣的靈活性優(yōu)于1＃和3＃試樣.3套高溫防護服均需要在頸部、肩部、肘部、腋下和膝部增加靈活性.其中1＃試樣亟需改進的是上身靈活性，2＃試樣亟需改進的是肩部和肘部的靈活性，3＃試樣亟需改進的是肩部、上身和手臂的靈活性.

綜合工效學(xué)主觀和客觀評價結(jié)果來看，3套高溫防護服均對受試者的肢體活動靈活性產(chǎn)生了較大的限制，試驗結(jié)果明確顯示出受試者所認(rèn)為活動受限的部位，這為高溫防護服的結(jié)構(gòu)改進提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和優(yōu)化方向.

2.3 穿著生理負(fù)荷測試

2.3.1 心率測試

利用動態(tài)心率計實時監(jiān)測受試者在運動過程中心率的變化，評估高溫防護服對人體造成的生理負(fù)荷.在相同運動狀態(tài)下分析受試者心率變化，結(jié)果如圖6所示.其中前5min為準(zhǔn)備階段，5～15min為登臺階階段，15～25min為靜坐階段（連續(xù)階段）.

由圖6可以看出：受試者在高溫環(huán)境（環(huán)境2）中處于靜坐狀態(tài)時的心率要高于常溫環(huán)境（環(huán)境1），但都處于正常范圍之內(nèi)，因此并不會對受試者造成過大的生理負(fù)荷.

圖6 受試者心率變化Fig.6 Heart rate of the participates

在環(huán)境1中，受試者在運動過程中逐漸感受到生理負(fù)荷，導(dǎo)致心率的增加和舒適性感覺的降低.15 min運動停止后，穿著2＃試樣的受試者心率以較快的速率下降，并逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài)，而穿著1＃和3＃試樣的受試者心率恢復(fù)較慢，說明2＃試樣對受試者造成的生理負(fù)荷較小，且對受試者生理狀態(tài)恢復(fù)的抑制作用也小.

在環(huán)境2中，受試者穿著2＃試樣時，心率隨著運動的狀態(tài)而變化，并且具有一定的滯后性.穿著1＃和3＃試樣時，心率并沒有隨著運動的狀態(tài)發(fā)生明顯的變化，說明在高溫環(huán)境中，全部為復(fù)合鋁箔材料的1＃和3＃試樣并未對受試者產(chǎn)生更大的生理負(fù)荷，且具有更好的熱防護作用.因此，高溫防護服的材料對其防護效果具有決定性作用，高溫防護服整體舒適性的優(yōu)化需要采用從結(jié)構(gòu)方面介入的技術(shù)途徑.

2.3.2 穿著生理負(fù)荷實驗主觀評價

兩個測試環(huán)境下各階段受試者對防護服整體舒適性的主觀評價結(jié)果如圖7所示.其中，a代表環(huán)境1中靜坐階段結(jié)束點，b代表環(huán)境1中登臺階階段結(jié)束點，c代表環(huán)境1中跑步階段結(jié)束點，d代表環(huán)境2中靜坐階段結(jié)束點，e代表環(huán)境2中登臺階階段結(jié)束點，f代表環(huán)境2中熱輻射階段結(jié)束點.主觀問卷在每個階段結(jié)束時進行填寫.

圖7 試樣整體舒適性的主觀評價Fig.7 Overall comfort evaluation results of wear trials

由圖7可以看出，在兩種測試環(huán)境下，受試者對于3套高溫防護服整體舒適性的打分均為負(fù)值，且環(huán)境1中的分值略高于環(huán)境2中的分值.受試者對于2＃試樣的舒適性評價值高于1＃和3＃試樣.當(dāng)受試者在常溫環(huán)境下進行運動時，對舒適性的評價值明顯低于靜坐狀態(tài).

在環(huán)境2中，受試者做登臺階運動時，對于3套高溫防護服整體舒適性的評價值顯著下降，但在進行熱輻射時，對舒適性的評價值卻有所升高，說明相對于在高溫環(huán)境中進行運動而言，受試者處于靜止?fàn)顟B(tài)接受熱輻射時舒適性稍好.

受試者在兩種環(huán)境中對高溫防護服熱濕舒適性的主觀評價結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，受試者認(rèn)為穿著3類高溫防護服的熱感覺和濕感覺均不佳，對其主觀評價的打分均為負(fù)值，且在高溫環(huán)境中運動時的熱濕舒適感覺更差.

另外，通過受試者對運動時肢體各部位靈活性的主觀評價發(fā)現(xiàn)，在常溫狀態(tài)下，受試者感受到肩部、膝部、腿部的靈活性較差，而在高溫環(huán)境中，則有更多部位如頭頸部、襠部等活動受限，這為高溫防護服結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù).

綜合工效學(xué)測試和穿著生理負(fù)荷試驗結(jié)果可知，1＃和3＃高溫防護服需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部位為頸部、肩部、肘部、腋下、臀部和膝部等，2＃高溫防護服需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部位為肘部、腋下、腰部和膝部等.

表4 高溫防護服熱濕舒適性主觀評價Table 4 Thermal and moisture comfortable properties of thermal protective clothing

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

基于穿脫便捷性測試、工效學(xué)測試和穿著生理負(fù)荷試驗結(jié)果以及對受試者的訪談，以防護服裝功能設(shè)計模式［5］為理論基礎(chǔ)，對被測的3套高溫防護服的結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化策略［10］，見表5所示.

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略Table 5 Pattern optimization recommendations

續(xù) 表

根據(jù)高溫防護服裝功能設(shè)計的常用手段［5］，在肘部增加褶裥、腋下增加三角插片、膝部增加褶裥等優(yōu)化措施符合高效工作的功能設(shè)計；頭盔眼眶位置上抬、增大領(lǐng)圍尺寸、減小立襠長等優(yōu)化措施符合穿著舒適的功能設(shè)計；改進頭盔的搭扣設(shè)計、將褲門襟改為拉鏈結(jié)構(gòu)等優(yōu)化措施符合易用便捷的功能設(shè)計；改進褲腳口材質(zhì)符合耐久性的功能設(shè)計.

3 結(jié) 語

針對當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用的典型高溫防護服的舒適工效性，本文通過設(shè)計實施評價方案獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有高溫防護服在對人體運動靈活性及對人體產(chǎn)生生理負(fù)荷方面存在問題，影響作業(yè)人員的工作效率.在0.05的顯著水平下，肢體靈活性受到高溫防護服與肢體動作的顯著影響，受試者對本文測試的3類防護服整體靈活性的主觀評價低，評分值分別為－1.25，－0.70和－1.35.受試者在運動時和高溫環(huán)境中生理負(fù)荷增大，且材料全部為復(fù)合鋁箔防火布的1＃和3＃高溫防護服對人體產(chǎn)生的生理負(fù)荷更顯著.

通過提出優(yōu)化高溫防護服結(jié)構(gòu)造型的技術(shù)途徑，實現(xiàn)在保證不降低高溫防護服安全防護性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其舒適工效性.主要對策包括對高溫防護服產(chǎn)生舒適性問題的相應(yīng)部位（如肩部、肘部、腋下、膝部等）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以達到減少防護服對人體活動的限制，以及減輕人體的生理負(fù)荷的目的.

參 考 文 獻

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Comfort－Ergonomics Evaluation and Optimization of Thermal Protective Clothing

TIANMiao1a，1b，1c，WANGYun－yi1a，1b，1c，ZHANGXiang－h(huán)ui1a，1b，1c，ZHANGZhong－bin2
（a.Fashion and Art Design Institute；b.Protective Clothing Research Center；c.Key Laboratory of Clothing Design ＆Technology，Ministry of Education，1.Donghua University，Shanghai 200051，China；2.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 100029，China）

Currently，the research of protective clothing frequently focuses on the function development，thus cause the sacrifice of clothing comfort performance，which will affect work efficiency of the wearers.The dressed／undressed convenient test，ergonomics test and wear trials of physiological load are carried out with three kinds of thermal protective clothing which are widely applied in industry.According to the feedback from participants，the reasons for the human body flexibility limit and physiological load are figured out，which mainly are the unreasonable structure and thick materials.In order to improve the comfort of the thermal protective clothing，reduce physiological load，and improve working efficiency，the structure optimization strategy is proposed on the basis of the common procedure of functional design.Finally，relative balance between functional and comfort performance of thermal protective clothing is achieved.

thermal protective clothing；comfort；ergonomics；structure optimization

TS 941.731

A

1671－0444（2013）06－0754－06

2012－10－15

中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院資助項目（10710494）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51106022）；教育部高校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目（20110075110005，20110075120009）；上海市教委科研創(chuàng)新資助項目（12ZZ068）

田 苗（1989—），女，山東青島人，博士研究生，研究方向為服裝功能性與舒適性.E－mail：ti.miao＠hotmail.com

王云儀（聯(lián)系人），女，副教授，E－mail：wangyunyi＠dhu.edu.cn