服裝面料熱傳遞理論與表征的研究

程浩南

（1.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西南昌330201；2.江西服裝學(xué)院，江西南昌330201）

服裝面料熱傳遞理論與表征的研究

程浩南1,2

（1.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西南昌330201；2.江西服裝學(xué)院，江西南昌330201）

首先介紹了服裝面料熱傳導(dǎo)的機理及表征，展示了服裝面料熱傳遞的傳導(dǎo)、輻射和對流三種方式及相關(guān)內(nèi)容。然后，通過對服裝面料熱傳遞的測試方法進行對比論述，分別介紹了冷卻法、保溫法、恒溫法和暖體假人法的測試指標(biāo)及適用條件，最后，通過總結(jié)分析得到影響服裝面料熱傳遞的四個因素，分別是纖維、紗線、服裝面料結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境，這四個影響因素的影響顯著性并不相同，需要進行更多的試驗去研究證明。服裝面料熱傳遞的研究需要更加注重多學(xué)科協(xié)同合作和多層服裝面料，暖體假人法對服裝面料進行熱傳遞的測試結(jié)果更加精準(zhǔn)，必將成為熱傳遞測試方法的發(fā)展趨勢。

服裝面料；熱傳遞；測試方法；暖體假人法

隨著人們消費水平的不斷提高，消費者在購買服裝的過程中，除了關(guān)注服裝的款式、色彩和材料之外，對于服裝的穿著舒適性也提出了更高的要求。除此之外，人們的活動范圍越來越廣闊，尤其是在特殊自然條件下，服裝的舒適性顯得更加重要。因此，服裝的穿著舒適性的相關(guān)研究需要紡織服裝生產(chǎn)企業(yè)引起高度重視。本文通過閱讀相關(guān)參考文獻，針對服裝舒適性中的熱傳遞理論與表征進行研究，為服裝舒適性的研究提供一些理論參考。

1 服裝面料熱傳導(dǎo)的機理及表征

服裝面料熱傳導(dǎo)的方式主要有三種：傳導(dǎo)、輻射和對流，當(dāng)人體皮膚表面存在汗液時，熱量以蒸發(fā)和擴散的形式散失，這種方式稱為蒸發(fā)散熱。 輻射傳熱是一種以電磁波形式將能量從高溫物質(zhì)傳遞到低溫物質(zhì)的非接觸散熱方式。作為熱交換的基本形式之一，輻射不依賴于任何介質(zhì)且持續(xù)不斷進行。就人體而言，裸露皮膚面積和皮膚與外環(huán)境溫差是影響輻射散熱的主要因素。溫差為正值，人體對外界進行輻射散熱；溫差為負值，人體吸收環(huán)境輻射熱。由斯蒂芬非黑體輻射能量，人體與服裝面料或環(huán)境的輻射傳熱公式如 （1）[5]：

式中：H為單位時間內(nèi)人體與環(huán)境間的輻射傳遞熱能量，W；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.6696×10-8W/(m2·k)；ε1，ε2分別為人體和環(huán)境的輻射率； T1為人體絕對溫度，K；T2為環(huán)境絕對溫度，K；A為人體的有效輻射面積，m2。

傳導(dǎo)散熱是一種接觸性傳熱方式，指溫度不同的兩個物體接觸時，熱量通過中間物質(zhì)，由高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體；或在同一物體內(nèi)產(chǎn)生溫差時，由高溫處傳熱給低溫處的過程。只有存在溫差，并相互接觸的情況下，才會熱傳導(dǎo)存在。通常情況下，人體站立時除足底外基本是與空氣接觸，而空氣的導(dǎo)熱率非常低，服裝面料的導(dǎo)熱率也很小，所以一般情況人體正常著裝通過傳導(dǎo)散失的熱量很少。如果服裝受潮潤濕，導(dǎo)致纖維導(dǎo)熱率增加，保暖性下降。傳導(dǎo)散熱還常發(fā)生在人體與服裝面料接觸的瞬間，皮膚熱量迅速被傳導(dǎo)出去，即通常所說的服裝面料接觸冷暖感。通常用熱阻 R和導(dǎo)熱系數(shù)λ反映服裝面料的熱傳導(dǎo)能力。人體向與其接觸的低溫物體的熱傳導(dǎo)熱量計算公式如 （2）[6]所示：

式中：Φcd為傳導(dǎo)散熱量，W；hcd為所接觸物體的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ts為皮膚平均溫度，℃；to為所接觸物體的溫度，℃；Acd為有效傳導(dǎo)面積，m2。

對流散熱是一種接觸性傳熱方式，指流體與所接觸物體表面產(chǎn)生的熱移動現(xiàn)象。因流體溫度不勻而造成流體移動，從而傳遞熱量的方式，稱為自然對流。人體靜止時，皮膚和服裝表面的空氣就存在這種對流。由于其他原因造成流體移動進行熱量傳遞，稱為強迫對流。人體處于運動或在有風(fēng)的環(huán)境中時，這種作用會加劇。實際上，對流散熱過程中導(dǎo)熱和對流兩種形式同時存在。流體接受導(dǎo)熱后再移動，形成熱傳遞，單純的對流并不存在。對流散熱的計算公式如 （3）[5]：

式中：Φcv為對流傳熱量，W；hcv為對流散熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ts為皮膚平均溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；Acv有效對流面積，m2；F是量綱為1的系數(shù)，數(shù)值為風(fēng)速的二次方，風(fēng)速單位采用m/s。

蒸發(fā)散熱在液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象，這種散熱方式在任何溫度條件下都有發(fā)生，當(dāng)環(huán)境溫度高于人體時，其他傳熱方式不再發(fā)揮作用，而蒸發(fā)成為人體散熱的唯一有效形式。但是如果服裝導(dǎo)濕性能不好，人體與服裝面料微環(huán)境區(qū)濕汽與熱量大量滯留，就會產(chǎn)生悶熱感。人體蒸發(fā)散熱還可分為顯汗蒸發(fā)和不顯汗蒸發(fā)兩種形式。前者是在人體活動量較大，或是環(huán)境溫度較高情況下，人體代謝較快，汗液以液態(tài)形式呈現(xiàn)在皮膚表面，然后蒸發(fā)的現(xiàn)象。后者出現(xiàn)在環(huán)境溫度適中或者較低或者活動量不大情況下，人體新陳代謝水平低下，汗液在汗腺中或是在汗腺附近以水汽形式存在帶走熱量，并不潤濕皮膚；計算公式 （4）[6]：

式中：φe為蒸發(fā)散熱量 W/m2；α為水蒸發(fā)系數(shù)，20℃時為 0.68（W·h）/g；G為人體表面的水分蒸發(fā)量，g/(m2·h)。

服裝面料從宏觀上講，是一個纖維和空氣的集合體，它對熱的傳導(dǎo)主要通過傳導(dǎo)、輻射、對流以及一定程度的蒸發(fā)潛熱。常規(guī)狀況下，服裝面料纖維間、紗線間空洞很小，服裝面料與皮膚間空氣層非常稀薄，又基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此對流作用非常微弱。而人體輻射的熱量，大多被服裝面料吸收和反射，穿透過去的很少。再加上空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小，基本不導(dǎo)熱，因此服裝面料主要通過纖維傳導(dǎo)散熱。纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于沿徑向的導(dǎo)熱系數(shù)，熱量大多通過軸向傳輸，然后在纖維搭接處向外傳遞，雖然熱流行進路程大于服裝面料上下表面垂直距離，但此時的熱阻卻是最小[7]。微觀上講，物質(zhì)的熱傳導(dǎo)是電子、聲子、光子和分子的碰撞與運動導(dǎo)熱的結(jié)果。固、液、氣三態(tài)導(dǎo)熱，固體金屬以自由電子為主，聲子的作用較微?。唤Y(jié)晶高聚物取決于聲子的傳導(dǎo)，此外還與結(jié)構(gòu)缺陷、孔穴和無序區(qū)引起的原子、分子和分子鏈段的相互作用碰撞有關(guān)；液體熱傳導(dǎo)載體以電子和聲子為主，液體分子的傳導(dǎo)作用較??；氣體以氣體分子傳導(dǎo)為主。而熱量的傳輸速率，以自由電子碰撞機制最快，聲子碰撞次之，分子或原子碰撞最慢。服裝面料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由于回潮作用含有一定水分，是纖維、水和空氣的集合體。其中，空氣的傳熱最慢，纖維次之，水的導(dǎo)熱系數(shù)最高。一般紡織纖維，20℃時的熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.01~0.4之間，而水的高達0.697。

2 服裝面料熱傳遞的測試方法和指標(biāo)

2.1 冷卻法

冷卻法測試服裝面料熱傳遞性能有圓筒法和平板法兩種測試方式，測試過程中向儀器中加入一定溫度的熱水或者通過電加熱的方式使儀器帶有一定的溫度，且在儀器其他各方面絕熱的情況下，覆蓋包裹上面料樣品，得到冷卻時間t1，然后測試不放置服裝面料時，降到同樣溫度所需的冷卻時間t0，兩者相比，得到時間指數(shù)C，計算見公式（5）：

時間指數(shù) C越大，說明該面料的熱傳遞性能越差。這種方法只能評價隔熱性能的優(yōu)劣，即定性比較，不能得到服裝面料的具體隔熱值[8]。

2.2 保溫法

保溫法與冷卻法相似，也有平板和圓筒兩種形式。平板式將試樣正面向上平鋪于試驗板，試驗板、試驗底板和周圍的保護板采用電加熱至相同溫度，并保持恒溫，然后將面料包覆在測試儀器上，得到有面料包覆時保持試驗板恒溫所需的熱量Q1和無試樣面料包覆時保持試驗板恒溫所需的熱量Q0。圓筒式測試原理與平板式相同。評價指標(biāo)[8]保暖率Qr、傳熱系數(shù)Uf和熱阻Rf，計算見公式 （6）、 （7）和 （8）。

式中：U0為無試樣時試驗板傳熱系數(shù)W/(m2·℃)，U1為有試樣時測試板傳熱系數(shù)W/(m2·℃)。 保暖率Qr越大、傳熱系數(shù)Uf越小和熱阻Rf越小，面料的熱傳遞性能越差。

2.3 恒溫法

恒溫法常用測試儀器為平板式散熱儀，整個儀器放置在恒溫恒濕室內(nèi)進行?？梢阅M人體所處實際環(huán)境及模擬人體出汗，計算得到服裝面料的熱阻和克羅值。測試時，將面料試樣覆蓋于測試熱板上，測試熱板及其周圍和底部的熱護環(huán) （保護板）保持相同恒定的溫度，且使測試板的熱量只能通過試樣散失，調(diào)濕的空氣可平行于試樣上表面流動。待試驗條件穩(wěn)定后，測得通過服裝面料的熱流量得到總熱阻Rct，計算見公式 （9），克羅值通過總熱阻換算見公式 (10)[9]。

式中:Ts為測試熱板表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；Q/A為通過測試板面積上的熱流量，W/m2?？偀嶙鑂ct越大，面料的熱傳遞性能越差。

2.4 暖體假人法

暖體假人是一種可以模擬真人穿著服裝過程，反映服裝整體隔熱透濕性能，能夠比較準(zhǔn)確地測量得到服裝隔熱透濕值的儀器。測試可以得到服裝系統(tǒng)的隔熱值Icl[8]。

式中：As為暖體假人的體表面積，m2；Ts為皮膚平均溫度，℃；Ta環(huán)境溫度，℃；Hd為產(chǎn)熱量，kcal/h。服裝的隔熱值越大，面料的熱傳遞性能越差。

3 影響服裝面料熱傳遞性能的因素

服裝面料是纖維和空氣的集合體，影響服裝面料熱傳遞的因素很多，本文將從纖維、紗線、服裝面料與外界環(huán)境四個方面進行討論。

3.1 纖維對熱傳遞性能的影響

由服裝面料熱傳導(dǎo)機理，服裝面料對熱的傳遞方式主要有傳導(dǎo)、輻射和對流三種，而傳導(dǎo)對熱的的貢獻率遠大于對流和輻射。傳導(dǎo)是一種接觸性散熱方式，服裝面料與皮膚的接觸，主要媒介是纖維，因此纖維的性質(zhì)對服裝面料熱傳導(dǎo)非常重要。纖維結(jié)晶度越高，取向度越好，越有利于晶格的振動傳熱，導(dǎo)熱系數(shù)越大，服裝面料熱傳導(dǎo)性能越好。纖維沿軸向熱傳導(dǎo)性好于沿徑向，有研究表明，纖維平行于熱輻射方向排列時的導(dǎo)熱能力是垂直排列的2~3倍[10]。

3.2 紗線對熱傳遞性能的影響

紗線的導(dǎo)熱體現(xiàn)在內(nèi)部纖維的排列方向、緊密度及空隙率。一般紗線細度越細，纖維沿軸向排列越均勻，纖維與纖維越緊密，因此導(dǎo)熱性越好。捻度與熱傳導(dǎo)能力呈負相關(guān)，捻度越大，纖維排列越緊密，含空氣率越少，導(dǎo)熱性好。此外有研究[11]表明：在其他條件都相同的情況下，短纖紗的熱傳導(dǎo)性不如長絲。因為短纖紗內(nèi)纖維較多，沿軸向有序排列程度不如長絲，因此空隙較多，搭接點少，滯留空氣多，熱傳導(dǎo)性相對較弱。

3.3 服裝面料對熱傳遞性能的影響

服裝面料厚度、平方米克重、經(jīng)緯密、孔隙率、含氣率、回潮率對其熱傳導(dǎo)性都有一定影響。其中，厚度和平方米克重對服裝面料熱阻影響很大。服裝面料厚度越厚，熱阻越大，服裝面料每增加 1 mm，熱阻增加0.025（℃·m2）/W，相當(dāng)于 0.16 clo[8]。厚度相同時，平方米克重越大，熱阻值越小，因為纖維間接觸緊密，傳熱通道縮短，吸熱散熱加快[12]。服裝面料經(jīng)緯密越大，孔隙率越小，導(dǎo)熱性越好，平紋孔隙率相對較小，導(dǎo)熱性好于斜紋和緞紋。由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)比纖維小許多，服裝面料含氣率越高，熱阻值越大，隔熱性越好。服裝面料回潮率越大，起始熱阻值越小[13]。此外，表面粗糙度也對熱傳導(dǎo)有一定影響，服裝面料表面越光滑，表面熱邊界層越薄，導(dǎo)熱性越好。

3.4 外界環(huán)境對熱傳遞性能的影響

外界條件的變化對服裝面料熱傳導(dǎo)影響很大?？諝鉂穸雀邥r，纖維吸濕量大，服裝面料的導(dǎo)熱性能增強，隔熱性下降；環(huán)境溫度與熱阻呈負相關(guān)，溫度越高，導(dǎo)熱載體 （電子、聲子、分子、光子等）、分子鏈段及晶格的運動或震動越強烈，導(dǎo)熱散熱速率加快，熱阻減小；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大時，服裝面料中靜止空氣數(shù)量和邊界空氣層厚度降低，隔熱性降低，導(dǎo)熱性增強；此外，大氣壓也對其有一定影響，大氣壓越低，空氣密度越小，導(dǎo)熱性能變?nèi)酢?/p>

4 結(jié)論

由于服裝面料的熱傳遞是一個復(fù)雜過程，需要進行更多研究服裝的熱濕舒適性。

（1）在服裝面料熱傳遞的研究過程中需要進行多學(xué)科交叉協(xié)同合作，需要利用醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機相關(guān)知識，進行更加深入的研究。

（2）消費者在服裝穿著過程中往往是多層著裝，在目前服裝面料熱傳遞的測試方法中往往針對的是單層面料，這樣的測試結(jié)果與人體實際穿著感覺存在誤差。

（3）暖體假人法雖然投入成本較大，但是，采用此方式對服裝面料進行熱傳遞的測試結(jié)果更加精準(zhǔn)，也必將成為熱傳遞測試方法的發(fā)展趨勢。

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RESEARCH ON HEAT TRANSFER THEORY AND CHARACTERIZATION OF GARMENT

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi ProvincialModern Research Center of Clothing Engineering Technology，Nanchang Jiangxi330201，China. 2.Jiangxi Institute of Fashion Technology，Nanchang Jiangxi330201，China)

The paper introduces themechanism and characterization of the heat transfer in garment fabric，and shows the conduction，radiation and convection of the heat transfer in garment and the related contents. Then，through the comparison of the testmethods for the heat transfer in garment fabrics，the test indexes and applicable conditions of the coolingmethod，the thermal insulation method，the constant temperature method and the warm dummymethod are introduced respectively.Finally，summarizing four factors for the influence of the heat transfer，namely，fiber，yarn，fabric structure and external environment，the impact of these four factors is not the same significance，more experiments are needed to testify.The research on the heat transfer in clothing fabrics needs to pay more attention to the cooperation ofmulti-disciplinary and multi-layer garment fabrics.The results of warm-up dummy method are more accurate and will be the testing trend of heat transfer testmethods.

clothing fabrics，heat transferring，testmethods，warm-up dummymethods

TS101.92

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.02.004

1672-500X(2017)02-0015-05

2017-02-15

程浩南 （1986-），男，河南周口人，碩士，助教，研究方向為紡織材料改性及測試技術(shù)的改進。