紡織品冷暖感的表征指標

屠樂希，楊竹麗，王 茜，王府梅，1b

(1.東華大學a.紡織學院; b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620;2.煙臺南山學院 工學院，山東 煙臺264000)

紡織品接觸冷暖感是指其與皮膚接觸后，給人體皮膚的溫度刺激在人的大腦中形成的關于冷或暖的判斷[1]。體表平均溫度一般為33 ℃，冬秋季環(huán)境下存放的紡織品溫度常常低于皮膚溫度，接觸初期熱量從高溫的體表向低溫的紡織品迅速流動，直至接觸的兩表面溫度趨于一致時熱量才會逐漸穩(wěn)定即進入穩(wěn)態(tài)傳熱。進入穩(wěn)態(tài)傳熱之前的部分稱作非穩(wěn)態(tài)傳熱或瞬態(tài)傳熱，其傳熱功率大于穩(wěn)態(tài)傳熱[2]。穩(wěn)態(tài)傳熱過程中覆蓋著紡織品的人體向外散失的熱功率體現(xiàn)紡織品的熱阻或保暖性，而非穩(wěn)態(tài)傳熱過程中人體向外散失的熱功率主要體現(xiàn)紡織品的冷感或暖感，也叫接觸冷暖感。

紡織品的接觸冷暖感是紡織品舒適性的一個重要部分，也是確定其用途的重要依據(jù)。國內(nèi)外關于紡織品保暖性的研究已經(jīng)比較成熟，但是，紡織品冷暖感的相關理論和測試技術卻滯后很多，至今只有上述基本概念和日本KES-F7熱性能測試儀等類似儀器的冷暖感測試方法和指標。而主觀評價雖然能真實反映人對于紡織品冷暖感的判斷，但是量化困難，隨機誤差大[3-7]。從測試硬件技術角度而言，現(xiàn)有的多數(shù)保溫儀都可以同時測試冷暖感，但是缺乏科學完善的冷暖感測試表征指標。

采用瞬態(tài)熱流量最大值Qmax表征紡織品的冷暖感[8，9]是一類理想化的冷暖感測試方法。其主要原因如下：(1)對于冷感很強的試樣，儀器硬件不可能無限量地迅速輸出熱功率，導致實際測量Qmax受儀器參數(shù)限制，不能完全反映試樣的最大熱流量; (2)不能反映對舒適性至關重要的冷感時間長短; (3)當穩(wěn)態(tài)傳熱量差異較大時，Qmax也失去了可比性。

近年來，隨著消費者對紡織品舒適性要求的提高，紡織品接觸冷暖感更加引起國內(nèi)外重視，服裝和床上用品企業(yè)正在研發(fā)溫暖感冬季產(chǎn)品和涼爽感夏季產(chǎn)品。但是，目前國內(nèi)外尚無比較實用可行的冷暖感測試儀器與評價方法。為此，本文借助東華大學和萊州電子儀器有限公司聯(lián)合研制的LDMG -1型寢具保溫儀和LD -1型服裝保溫儀，試驗探索紡織品冷暖感的更佳表征指標。

1 試 驗

1.1 床上用品測試

1.1.1 測試儀器

LDMG -1型寢具保溫儀是根據(jù)英國標準BS5335-2: 2006研制的，試驗板被分為等面積的六部分，各部分配置了獨立的熱板溫度傳感器、加熱元件和控制元件等，對于厚度或保溫性能不均勻的羽絨被等試樣可提高取樣代表性。各部分試驗板的上表面溫度控制在(33±0.1) ℃，測試物理量為試驗板散熱功率、各試驗板溫度隨時間變化的曲線等[10]。

1.1.2 床上用品試樣

選用秋冬季常用的4款不同絨質(zhì)和不同填充量的羽絨被及另外4款芯材為其他保溫材料的床上用品作為試樣，8種試樣的具體參數(shù)如表1所示。其中，滌綸床墊7和羊毛床墊8是由兩種材料復合而成的同一款床墊的兩表面性能，一面為棉織包袱滌綸絮料，以滌綸床墊7表示，另一面為純羊毛的針織人造毛皮，以羊毛床墊8表示。每款羽絨被在生產(chǎn)廠隨機抽取3條進行測試，每次測試前都需在標準環(huán)境下(溫度為20 ℃、相對濕度為65%)進行平衡，其他材料的床上用品每款只有一個試樣，在同一試樣的數(shù)個不同的部位分別測試3次。

測試環(huán)境為溫度20 ℃、相對濕度65%，執(zhí)行標準BS5335-2: 2006，非穩(wěn)態(tài)時間為3 600 s(60 min)，測試時間為1 800 s(30 min)。

表1 床上用品試樣規(guī)格Table 1 The specifications of bedding samples

1.2 服裝測試

1.2.1 測試儀器

LD -1型服裝保溫性能測試儀的外形結構如圖1所示，簡稱假體。假體前后身類似兩臺獨立的曲面保溫儀，通過調(diào)節(jié)前后身間的距離實現(xiàn)在一套儀器上測量不同尺碼的服裝。假體前后身的中部被設計為試驗板，都被劃分為2～4部分，各部獨立測量和控制熱板溫度，上部、下部以及斷臂面被設計為熱護板，測試過程中試驗板、熱護板和底板的溫度都保持在(33±0.2) ℃。儀器的結構設計使得服裝的開領高低、開衩大小、衣身長短等款式因素都不影響測試服裝單位面積的散熱功率。假體外圍設置有4個溫度傳感器，用于測量試樣周圍的空氣溫度。測試物理量為試驗板溫度和散熱功率隨時間變化的曲線[11]。

圖1 LD -1型服裝保溫性能測試儀Fig.1 LD -1 clothing thermal insulation tester

1.2.2 服裝試樣

本文選用勁霸男裝(上海)有限公司的2種服裝，樣品規(guī)格如表2所示。羊毛衫成分為65%羊毛和35%天絲; 橫機衫為款式比羊毛衫更加合體、適合貼身穿用的針織衫，原料為由1根黏膠長絲與3根36 tex 的棉和黏膠的混紡紗并合加捻而成的纜線。用來測試的2種服裝型號相同，每次測試前都需在標準環(huán)境下(溫度20 ℃、相對濕度65%)進行平衡。

表2 服裝樣品規(guī)格Table 2 The specifications of apparel samples

2 結果討論

2.1 試驗板的加熱功率曲線與儀器控制模式

在試驗板溫度恒定的理想測試條件下，其加熱功率曲線如圖2所示。由圖2可知，試樣與試驗板接觸初期，熱量從高溫試驗板向低溫紡織品試樣迅速流動，加熱功率呈現(xiàn)先迅速增大后逐步減小的變化規(guī)律，直至兩表面溫度趨于一致時加熱功率逐漸穩(wěn)定，即進入穩(wěn)態(tài)傳熱。在進入穩(wěn)態(tài)傳熱以前試驗板加熱功率曲線的“山峰”體現(xiàn)紡織品的冷暖感。

圖2 試驗板溫度恒定時的理論加熱功率曲線Fig.2 The testing boards’ theoretical heating power curve at constant temperature

但是，實際測試中達不到試驗板溫度絕對恒定的理想條件，只能控制試驗板溫度在微小范圍內(nèi)波動，例如(33±0.2) ℃，一旦試驗板溫度低于此范圍的下限，加熱元件開始工作，直到試驗板溫度達到上限后停止工作。每臺儀器的各組加熱元件都有自己的工作模式，圖3是常用的等電壓窗口加熱模式，一旦工作只能輸出恒定熱功率，如果關閉則輸出熱功率為0，即單個加熱元件的輸出熱功率與時間的關系是不等間隔的矩形波，這將導致試驗板的加熱功率曲線與圖2之間出現(xiàn)差異。

圖3 單個加熱元件的輸出功率模式Fig.3 The outputting power mode of the single heating element

采用LDMG -1型寢具保溫儀測試的一款床上用品的溫度和加熱功率曲線如圖4所示，其中溫度曲線中不同的曲線表示每塊獨立試驗板的溫度。由圖4可知，在20 ℃標準環(huán)境中平衡過的床上用品表面剛接觸試驗板時，熱量迅速從試驗板傳向床上用品，試驗板溫度迅速降低，各部分熱板的加熱元件幾乎同時開始工作，故總加熱功率幾乎直線上升，紡織品下表面和內(nèi)部溫度迅速升高。隨著持續(xù)加熱，各部分熱板溫度逐一達到上限，對應的各組加熱元件逐一停止工作，表現(xiàn)為總的加熱功率曲線階呈梯狀下降，直到總加熱功率為0。由于紡織品上表面在持續(xù)向外散熱并且其中部和外層的低溫部分還在吸熱，導致熱板溫度下降，加熱元件重新開啟工作，加熱功率第二次上升，開啟第二個加熱周期。如此繼續(xù)，逐步進入穩(wěn)態(tài)散熱，在穩(wěn)態(tài)散熱過程中每組加熱元件短暫工作后停止，加熱功率曲線上的微小峰值對應著組數(shù)較多的加熱元件同時工作時段，而低谷對應著組數(shù)較少的加熱元件的同時工作時段。

(a) 溫度

(b) 加熱功率

LD -1型服裝保溫儀測試的橫機衫溫度和加熱功率曲線如圖5所示，其中溫度曲線中不同的曲線表示每塊獨立試驗板的溫度。由圖5可知：在試驗初始階段，溫度較低的服裝快速吸收試驗板提供的熱量，試驗板消耗熱功率迅速增大，達到最大值后開始下降; 當服裝內(nèi)各點溫度都趨于穩(wěn)定時，試驗板輸出功率達到極小值，試樣初步進入穩(wěn)態(tài)傳熱。

(a) 溫度

(b) 加熱功率

上述兩套儀器試驗板的加熱功率曲線初始形態(tài)明顯不同，原因是加熱元件的工作電壓不同，寢具保溫儀加熱元件的工作電壓高，而服裝保溫儀加熱元件的工作電壓低。這也說明在非穩(wěn)態(tài)傳熱中測試的加熱功率曲線形態(tài)受儀器的控制參數(shù)的影響，因此現(xiàn)有KES-F7型熱性能測試儀采用Qmax表征紡織品冷暖感顯然存在缺陷。

另外，在非穩(wěn)態(tài)傳熱階段，試驗板的溫度曲線和加熱功率曲線都在表現(xiàn)試樣的冷暖感，特別是加熱功率曲線的“山峰”以及對應時段的溫度曲線更能靈敏地反映試樣的冷暖感，將該時段稱作劇烈非穩(wěn)態(tài)時段，如圖4和5所示。在劇烈非穩(wěn)態(tài)時段，不同區(qū)域的試驗板溫度曲線不盡相同，原因是各區(qū)域與試樣接觸的緊密程度不同。而且同一試樣經(jīng)相同環(huán)境處理后，獨立測試的溫度曲線也不盡相同，因為不能保證試樣與試驗板的接觸緊密程度一致。但是，試驗板的加熱功率曲線非常穩(wěn)定，與試驗操作無關，并且加熱功率曲線可以體現(xiàn)能量變化過程，因此，確定用試驗板的加熱功率曲線分析試樣的冷暖感。

2.2 定義一組冷感指標

KES-F7型熱性能測試儀采用Qmax表征織物的冷暖感，是一類狹隘的冷暖感測試方法。因為不同材料的熱容量差異很大，對于某些冷感很強的試樣而言，為維持試驗板溫度恒定，儀器硬件能否無限量地迅速輸出熱功率是最大問題。目前，測試材料熱學性能儀器的加熱方式主要有電阻加熱、膜加熱、電偶加熱、半導體加熱和激光閃光法加熱等，這些加熱方法都不能保證對任何試樣無限量地輸出熱功率，這就失去了在比較大的冷暖感范圍測試Qmax的可能。同時，儀器供熱模式應該模擬人體對皮膚的供熱方式，人體接觸潤濕紡織品等強冷感材料時不可能無限量地增加供熱量，只能降低皮膚溫度并有限地增加供熱量。在人體感受到紡織品冷感并向外增加供熱量有限的物理條件下，現(xiàn)有冷感指標Qmax不適合表征紡織品的冷暖感。

另外，KES-F7型熱性能測試儀測試的試樣面積小，導致厚型試樣由于邊緣效應而引起較大誤差，而且不能直接對被子和服裝等成品進行測試，需要裁剪試樣，裁剪會改變試樣的傳熱通道。Qmax不能反映對舒適性至關重要的冷感時間長短。當不同試樣的熱阻差異大即穩(wěn)態(tài)傳熱量差異大時，Qmax也失去了可比性。為此，筆者定義一組冷暖感指標如下：

(1) 冷感時間t(s)，定義為加熱功率曲線的“山峰”或劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱的時間段，即有冷感的時間段，如圖6所示。

t=t1-t0

(1)

式中：t0為冷感起始時間；t1為冷感結束時間。

圖6 3種冷感指標提取方法的示意圖Fig.6 The ketch of three cool feeling’s extraction methods

(2) 冷感時段總散熱量W1(J/m2)，即在冷感時間t內(nèi)單位面積試樣散失的總熱量，如圖6的陰影部分所示，其值越大則試樣的冷感越強。

(2)

式中：Q(t)為試驗板加熱功率隨時間變化的曲線；A為試驗板總面積。

(3)純冷感散熱量W2(J/m2)，即紡織品與人體皮膚接觸初期，由于兩者溫差引起人體向紡織品傳遞的熱量，如圖6的斜線部分所示，W2越大則冷感越強，W2還與試樣熱容量、面密度有關。紡織品吸收熱量W2(即經(jīng)歷冷感時間t)以后，其內(nèi)表面與皮膚溫度一致，外表面與環(huán)境溫度一致，厚度方向形成穩(wěn)定的溫度梯度，從而進入穩(wěn)態(tài)傳熱階段。

(3)

實際上W1由兩部分組成：一部分是試樣本身的穩(wěn)態(tài)傳熱性能決定的散熱量，如圖6的網(wǎng)格區(qū)域所示; 另一部分是由于紡織品與人體皮膚的溫差引起的人體向紡織品傳遞的熱量W2。一般情況下，冷感時間t和純冷感散熱量W2能夠組合表征紡織品的冷暖感。在判斷紡織品的適用季節(jié)或用途時，冷感時段總散熱量W1也具有應用價值。

上述指標適合窗口加熱等任何加熱方式，并且物理含義明確。

對于任一紡織品，至少應該使用冷感時間和冷感散熱量兩方面指標表征其冷感特性。當產(chǎn)品的保溫性或熱阻不同時，應該使用冷感時間t和純冷感散熱量W2比較其冷暖感特性；當產(chǎn)品的保溫性或熱阻接近時，可以使用冷感時間t和冷感時段總散熱量W1比較其冷暖感特性。

2.3 冷感始終時間點的判定方法討論

在上述3個冷感指標中，冷感起始時間t0和冷感結束時間t1是至關重要的。只有準確地找到這兩個時間，才能真實計算樣品的冷感時段總散熱量W1，以便準確度量冷暖感。

從圖4和5可以看出，實測的劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱時段的結束時刻也與儀器控制模式有關，有時會出現(xiàn)一個極小值。另外，起始時間與操作人員放置試樣的速度有關，這顯然不合常理。并且，儀器測試的加熱功率曲線不可避免地存在噪聲，即小波動。

為避免上述儀器參數(shù)、操作速度及信號噪聲的影響，這里規(guī)定如下：

(1) 對試驗板的加熱功率曲線先進行平滑濾波處理，如圖7所示，在平滑后的加熱功率曲線上尋找冷感起始時間t0點和冷感結束時間t1點;

圖7 LD -1型服裝保溫儀測試的試樣原加熱功率曲線及光滑后的加熱功率曲線Fig.7 The original and smoothed thermal power curve of the sample tested by LD -1 clothing thermal insulation tester

2.4 冷感指標的效果考查

為了驗證上述算法的有效性，選取表1所示的4款不同絨質(zhì)和不同填充量的羽絨被及4款其他纖維的床上用品作為試樣。測試前，4名有經(jīng)驗人員對8款試樣的冷感作過詳細觸摸考評，一致認為，舊棉被5的冷感最強、冷感時間最長，夏用鴨絨被1的冷感較強，而其他羽絨被的冷感較弱，羽絨被中鵝絨被的冷感更弱，滌綸被的冷感比羊毛被弱。

用LDMG -1型寢具保溫儀測試各試樣的加熱功率曲線，計算上述冷暖感指標。每款羽絨被在三弘集團的大貨中隨機抽取3條，其他芯材的試樣每條在不同部位測試3次。各試樣冷感散熱量和冷感時間測試結果如表3所示。

表3 各式樣冷暖感測試結果Table 3 The result of samples’ cool feeling

由表3可以看出，純冷感散熱量W2最能反映實際情況。舊棉被的純冷感最強; 同一條毛滌床墊，棉面的冷感比羊毛面的冷感更強; 夏用鴨絨被1的冷感比其他幾款春秋和冬用羽絨被大。這些都和主觀評價規(guī)律相符合，由此證明可以用純冷感散熱量來評價紡織品的冷暖感。

由表3可以看出各組試樣的冷感時間差距不大。舊棉被以及厚度較薄的床墊(滌綸床墊6)和夏用羽絨被(鴨絨被1)等試樣的冷感時間最大，這和理論相符。舊棉被本身厚度較大，質(zhì)量大，熱容量大[12]，冷感較強，進入穩(wěn)態(tài)所需要的時間較長，冷感時間長。厚度較薄的紡織品熱量流通得比較快，散失的熱量多，需要吸收的熱量也多，故進入穩(wěn)態(tài)所需要的時間也較長，冷感時間長。由此結果可以看出，本文定義的冷感時間符合理論預期，具有可行性。

3 結 語

借助LDMG -1型寢具保溫儀和LD -1型服裝保溫儀測試的物理量，用于研究評價平面狀或曲面狀纖維制品和服裝的冷暖感測試方法以及表征指標，得出以下結論：

(1) 通過加熱功率曲線和溫度曲線的分析，可以看出保溫儀測得的加熱功率曲線更能夠反映紡織品的冷感特性。因為在劇烈非穩(wěn)態(tài)時段，由于各區(qū)域與試樣接觸的緊密程度不同，所以不同區(qū)域的試驗板溫度曲線不盡相同，并且不能保證每次試驗時試樣與試驗板的接觸緊密程度是一致的。但是，試驗板的加熱功率曲線非常穩(wěn)定，與試驗操作無關，并且加熱功率曲線可以反映能量變化過程，因此，確定用試驗板的加熱功率曲線分析計算人體與紡織品接觸初期的冷暖感指標。

(3) 紡織品冷暖感應該用冷感時間和冷感散熱量兩方面指標組合表征。冷感散熱量指標包括冷感時段總散熱量W1和純冷感散熱量W2兩項，后者比前者更具可比性。冷感時間越長、純冷感散熱量越大，冷感越強。

關于冷暖感的各指標大小，除了與試樣材質(zhì)、結構等自身因素有關外，還明顯與試樣預處理條件相關。實際需要的冷暖感指標往往不是標準環(huán)境平衡后的測試值，冬季產(chǎn)品的冷暖感指標可能為在冷環(huán)境預處理后的測試值，夏季產(chǎn)品的冷暖感指標可能為在熱濕環(huán)境下預處理后的測試值，因此，下一步將討論冷暖感的測試方法。

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