衣下空氣層對透氣型防護服熱阻和濕阻的影響

胡紫婷， 鄭曉慧， 馮銘銘， 王英健，劉 莉， 丁松濤

(1. 北京服裝學院 服裝藝術(shù)與工程學院， 北京 100029； 2. 軍事科學院防化研究院 國民核生化災害防護國家重點實驗室， 北京 100191)

透氣型核、化學、生物即核生化(簡稱NBC)防護服是防核放射塵埃、化學武器和生物武器傷害的綜合性作戰(zhàn)服。在實際使用規(guī)定中,防護服穿著于最外層，并且與密閉式防護裝備組合使用。從熱物理特性角度分析，多層穿著的方式使服裝系統(tǒng)具有很高的熱阻和濕阻，極大限制了人體與外界的干熱和濕熱交換，在作業(yè)負荷中容易引發(fā)人員的熱應激反應，因此，獲得最優(yōu)熱濕舒適性是NBC防護服研發(fā)的要點。

服裝系統(tǒng)的熱濕傳遞主要受外界環(huán)境、服裝設(shè)計、運動發(fā)汗量等因素的影響，其中衣下空氣層是影響服裝熱濕傳遞性能的重要物理指標之一。研究表明，衣下空氣層和服裝結(jié)構(gòu)比織物厚度、密度、面密度、導熱系數(shù)等更容易影響服裝的熱阻和濕阻[1-3]，但目前缺少對NBC防護服衣下空氣層對熱阻和濕阻影響的研究，尤其對于影響空氣層大小及形態(tài)的重要因素——服裝松量的設(shè)計原則沒有給出清楚的解釋，我國NBC防護服也尚未制定專用尺碼號型標準。為此，本文通過設(shè)置不同松量，探討了衣下空氣層對NBC防護服熱濕傳遞性能的影響。在熱阻和濕阻的測定中，以往學者多對材料進行熱濕傳遞研究，但此類研究不能反映服裝系統(tǒng)的整體性能，因此本文采用暖體假人模擬防護服穿著狀態(tài)，測定服裝系統(tǒng)的熱阻和濕阻，以期為科學設(shè)計NBC防護服提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 實驗服裝

實驗所用5套服裝模擬了NBC防護服的實際著裝狀態(tài)，即采用基礎(chǔ)服裝和防護裝備內(nèi)穿，透氣型NBC防護服T01～T05外穿的組合穿著方式，構(gòu)成測試用NBC防護服組合S01～S05。服裝著裝效果測試如圖1所示。

圖1 服裝著裝效果測試Fig.1 Photo images of thermal manikin in different wearing conditions. (a) Basic garments and protective equipment; (b) NBC protective suit

基礎(chǔ)服裝使用作訓服，包括作訓短褲、作訓內(nèi)衣、作訓內(nèi)褲、作訓襪、作訓鞋。防護裝備為密閉式NBC防護專用裝備，包括防護面具、防護手套、防護靴。

實驗中制作5套不同松量透氣型NBC防護服，其設(shè)計及防護功能符合GJB 1750—1993《含炭透氣防毒服通用規(guī)范》的要求。服裝采用雙層面料，外層透氣型面料面密度為245 g/m2，內(nèi)層含炭面料面密度為224 g/m2。在0.5 cN/cm2負荷條件下，外層面料厚度為0.863 mm，內(nèi)層面料厚度為1.118 mm。防護服裝結(jié)構(gòu)為上、下兩件式，褲裝設(shè)有背帶，防護服款式如圖2所示。測試樣衣尺碼參考假人胸圍90.8 cm、腰圍73.2 cm、臀圍91.8 cm等關(guān)鍵部位尺寸設(shè)定松量，假人關(guān)鍵部位尺寸如圖3所示。實驗中透氣型NBC防護服T01～T05松量依次隨圍度及長度的增加而增大，防護服關(guān)鍵部位尺寸如表1所示。

圖2 透氣型NBC防護服款式Fig.2 Permeable NBC protective clothing design.(a)Jacket;(b)Trouser

單位：cm。圖3 假人關(guān)鍵部位尺寸Fig.3 Measurements of thermal manikin

1.2 實驗設(shè)備

采用Artec公司生產(chǎn)的非接觸式手持掃描儀(Eva)，分別對基礎(chǔ)服裝和防護裝備著裝假人以及NBC防護服組合著裝假人進行三維掃描，獲取三維圖像。使用掃描配套軟件Artec studio和逆向工程軟件Rapidform對點云數(shù)據(jù)進行修正、擬合和對齊，并對著裝假人進行衣下空氣層測量。

表1 透氣型NBC防護服關(guān)鍵部位尺寸Tab.1 Measurements of permeable NBC protective clothing cm

采用30區(qū)段假人“Newton”，進行服裝熱阻和濕阻實驗。使用暖體假人配套軟件ThermDAC記錄各區(qū)段數(shù)據(jù)。

1.3 實驗方案

實驗方案分2步進行。第1步：在暖體假人上進行衣下空氣層測定，三維掃描2次。第1次先穿著基礎(chǔ)服裝，然后穿著防護裝備掃描；第2次在基礎(chǔ)服裝和防護裝備外層穿著防護服，然后對透氣型NBC防護服組合掃描。衣下空氣層測定指標為體積和平均厚度。第2步：在人工氣候室完成暖體假人實驗，對透氣型NBC防護服組合S01～S05進行熱阻和濕阻測定。人工氣候室溫度、濕度分別保持在(21±0.5) ℃和(65±2)%范圍內(nèi)，風速小于0.2 m/s。假人采用恒溫(35±0.2)℃控制模式，每次實驗保持假人發(fā)熱量、發(fā)汗量恒定，約30 min后，每隔1 min記錄各區(qū)段的溫度和熱流量數(shù)據(jù)。為消除穿著因素對測量精度的影響，三維掃描及暖體假人計測數(shù)據(jù)均需要重復測量3次后取平均值，每次測量前服裝重新穿著。

1.4 測定方法

1.4.1 衣下空氣層測定

實驗方案中每套服裝的三維掃描分2次進行，獲得2個著裝狀態(tài)模型，2個模型間的體積差值即為衣下空氣層體積，二者間的距離即為衣下空氣層平均厚度。衣下空氣層體積計算公式為

Va=Vn-Vb

式中：Vn為假人內(nèi)穿基本服裝和防護裝備，外穿透氣型NBC防護服(T01～T05)的防護服組合(S01～S05)穿著模型體積，cm3；Vb為假人穿著基本服裝和防護裝備的模型體積，cm3；Va為衣下空氣層體積，cm3，該體積包含防護服內(nèi)、外層面料之間的空氣層體積以及防護服面料體積。由于防護服面料厚度相對于衣下空氣層厚度較小，因此不考慮服裝厚度對衣下空氣層測定的誤差影響。圖4示出三維人體掃描圖像。將對齊后的三維圖形進行截面提取，即獲得衣下空氣層分布情況。

圖4 三維人體掃描圖像Fig.4 Clothing system scanning image. (a) Basic garments and equipments; (b) Permeable NBC protective suit; (c) Basic garments and equipments aligned with NBC protective suit

1.4.2 服裝熱阻與濕阻測定

服裝的熱阻和濕阻測定參考ASTM F1291—2016《使用加熱人體模型測量服裝隔熱性的試驗方法》和ASTM F2370—2016《使用出汗人體模型測量服裝蒸發(fā)阻力的試驗方法》等標準進行。服裝的總熱阻及總濕阻采用并聯(lián)法計算，并選取除手、腳以外的所有區(qū)段進行計算。假人各區(qū)段局部熱阻計算公式[4]為

Rt=(Ts-Ta)A/H

式中：Rt為假人對應區(qū)段的熱阻，m2·℃/W，包括服裝本身的熱阻和服裝外表面空氣邊界層的熱阻；Ts為假人對應部位的皮膚表面溫度，℃；Ta為服裝對應部位環(huán)境中的空氣溫度，℃；A為假人對應部位的皮膚表面積，m2；H為假人對應部位的熱流量，W。各區(qū)段濕阻計算公式[5-6]為：

Re=[(Ps-Pa)A]/[H-(Ts-Ta)A/Rt]

Ps=1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ts)]}

Pa=HR×1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ta)]}

式中：Re為假人對應區(qū)段的局部濕阻，m2·Pa/W；Ps為假人對應區(qū)段皮膚表面的飽和蒸汽壓，Pa；Pa為艙室環(huán)境中對應假人區(qū)段高度下的飽和蒸氣壓，Pa。HR為環(huán)境艙相對濕度，%。依據(jù)假人各個區(qū)段局部熱阻和局部濕阻，使用并聯(lián)法可以得到服裝的總熱阻或總濕阻R′，并聯(lián)法計算公式[7]為

式中：Ri為假人對應區(qū)段的局部熱阻或濕阻，m2·Pa/W；A′為假人整體皮膚表面積,m2。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 透氣型NBC防護服衣下空氣層

2.1.1 衣下空氣層大小

圖6 透氣型NBC防護服組合關(guān)鍵部位橫截面空氣層分布Fig.6 Cross-sections taken at critical body parts from aligned 3-D body scanning. (a) Chest; (b) Waist; (c) Hip; (d) Thigh; (e) Calves

服裝對人體的熱濕傳遞起到阻礙作用，其中服裝包覆所形成的衣下空氣層大小對服裝的熱濕傳遞性能具有一定影響，圖5示出5套NBC防護服組合的衣下空氣層體積和平均厚度。NBC防護服組合S01～S05的衣下空氣層隨服裝松量的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。S01～S05的衣下空氣層體積和平均厚度范圍分別為21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。最大衣下空氣層S05的體積比最小空氣層S01大112.67%，S05衣下空氣層平均厚度比S01大56.07%。S01～S04衣下空氣層體積和平均厚度增長量較大，S04與S05衣下空氣層體積和平均厚度較為接近。

圖5 透氣型NBC防護服衣下空氣層體積與平均厚度Fig.5 Air gap volume and average thickness of permeable NBC protective clothing

由衣下空氣層體積和平均厚度變化可看出：衣下空氣層體積和平均厚度變化趨勢基本一致，每組服裝衣下空氣層體積的差異性與其對應的空氣層平均厚度的差異性基本相似；在服裝測試范圍內(nèi)，雖然衣下空氣層空間隨服裝松量的增加而增加，但受面料柔軟特性及重力的影響，當服裝松量增大到一定程度時，服裝廓形開始貼近身體，衣下空氣層空間增長量逐漸減少。

2.1.2 衣下空氣層形態(tài)

服裝的熱濕傳遞性能還受到衣下空氣層形態(tài)的影響，圖6示出胸圍、腰圍、臀圍、大腿最大圍、小腿最大圍等局部衣下空氣層分布。隨著防護服松量的增大，衣下空氣層厚度逐漸增大；軀干下部的衣下空氣層大于軀干上部，這與服裝款式結(jié)構(gòu)、面料物理屬性有關(guān)；腰部等人體外輪廓曲線向內(nèi)凹陷部位的衣下空氣層厚度較大，胸部、肩胛骨、臀部等人體曲線向外凸起部位的衣下空氣層厚度較小。

由各著裝部位衣下空氣層截面形態(tài)可看出：服裝款式結(jié)構(gòu)、面料物理屬性、服裝放松量和人體外輪廓形態(tài)是影響衣下空氣層分布的主要因素。NBC防護服因為作戰(zhàn)需要，服裝款式和松量設(shè)計較為合體，因此各部位較為貼體，橫截面衣下空氣層分布較為均勻。

2.2 透氣型NBC防護服總熱阻及總濕阻

2.2.1 服裝總熱阻

采用暖體假人分別比較內(nèi)穿基礎(chǔ)服裝和防護裝備，外穿不同松量NBC防護服(T01、T02、T03、T04、T05)時的防護服組合(S01、S02、S03、S04、S05)的總熱阻和總濕阻。表2示出不同松量防護服組合的總熱阻、總濕阻變化情況。5套防護服組合的總熱阻范圍為0.327～0.373 m2·℃/W。在初期階段(即T01、T02、T03階段)，NBC防護服的熱阻隨服裝松量的增加逐漸增大；當衣下空氣層增加至T03時，熱阻呈現(xiàn)最大值，為0.373 m2·℃/W。在后期階段(即T03、T04、T05階段)，NBC防護服的熱阻隨著服裝松量的繼續(xù)增加逐漸下降。NBC防護服最大熱阻(T03階段)較T01和T05階段分別大14.35%和2.02%。

表2 透氣型NBC防護服組合總熱阻及總濕阻Tab.2 Total thermal and vapor resistance of different permeable NBC protective clothing

經(jīng)過各組均值的多重比較檢驗表明，S01與S02、S03、S04、S05之間熱阻差異顯著，但S02、S03、S04、S05之間熱阻差異不顯著?？梢?，松量大的防護服組合熱阻顯著增加，但較大松量的防護服組合之間熱阻差異不明顯。

2.2.2 服裝總濕阻

5套NBC防護服的總濕阻范圍為54.017～59.702 m2·Pa/W。NBC防護服濕阻隨服裝松量的增加逐漸增大。其中T05號NBC防護服濕阻比T01號NBC防護服大11%。

經(jīng)過各組均值的多重比較檢驗表明，S01與S03、S04、S05之間濕阻差異顯著，但S02、S03、S04、S05之間濕阻差異不顯著?？梢?，濕阻與熱阻變化情況相似，松量大的防護服組合濕阻顯著增加，但較大松量的防護服組合之間濕阻差異不明顯。

2.3 衣下空氣層對服裝熱阻和濕阻的影響

通過體積和厚度2項指標將衣下空氣層進行量化，分析其對防護服組合S01～S05熱阻和濕阻的影響。圖7示出衣下空氣層體積與防護服總熱阻、總濕阻的關(guān)系。

圖7 衣下空氣層體積與透氣型NBC防護服組合總熱阻和總濕阻的關(guān)系Fig.7 Relationship between air gap volume and thermal resistance (a) & vapor resistance (b) of NBC protective clothing

2.3.1 衣下空氣層對熱阻的影響

1)單因素方差分析結(jié)果表明，不同服裝松量的衣下空氣層對防護服組合熱阻有顯著影響(P=0.039，即P<0.05)。2)受服裝合體度的影響，隨衣下空氣層的增加，服裝熱阻呈先逐漸增加而后減少的趨勢，這與其他學者研究的結(jié)果相符[8]，故防護服設(shè)計應選擇對服裝熱量傳遞阻力較小的松量范圍。3)在測試范圍內(nèi)，最小衣下空氣層S01的服裝熱阻最小，其對熱量傳遞的阻礙最小，服裝的熱舒適性較好，松量設(shè)計最優(yōu)，此時衣下空氣層體積為21 222.67 cm3，衣下空氣層平均厚度為12.48 mm。4)當衣下空氣層增加至T03時，熱阻呈現(xiàn)最大值，此時衣下空氣層體積為37 311.43 cm3，衣下空氣層平均厚度為16.68 mm。該結(jié)果說明衣下空氣層對熱阻的影響存在臨界值：當服裝與人體形成的衣下空氣層增大到一定程度時，靜止空氣量較多，服裝的熱阻達到最大值，服裝對熱傳遞的阻力最大，服裝熱舒適性較差；當超過該臨界值時，衣下空氣層繼續(xù)增大，衣下空氣對流加強，使得服裝熱阻降低。5)超過臨界值后，最大空氣層防護服組合S05與S04熱阻變化差異較小，即服裝松量對熱阻變化的影響趨于平穩(wěn)，此時衣下空氣層體積范圍為44 574.88～45 133.68 cm3，衣下空氣層平均厚度范圍為18.96～19.48 mm。此結(jié)果可能是由于松量持續(xù)增加后，較為寬松的T05防護服受面料具有柔軟特性和重力影響，服裝與人體間的空氣層平均厚度與T04的相似，空氣層增加量較小而導致的?？諝鈱釉龃蟮揭欢ǔ潭葧r熱阻增大量較小這一結(jié)果也與其他學者的研究結(jié)果相符[9]。6)防護服組合松量越小其對熱阻變化率的影響越大，防護服S01、S02階段熱阻增長率最大，此時衣下空氣層體積范圍為21 222.67～37 311.43 cm3，衣下空氣層平均厚度范圍為12.48～14.47 mm；而防護服組合松量較大時其對熱阻變化率的影響則較小，S02、S03階段熱阻增長率和S03、S04熱阻下降率較小。從各組均值的多重比較檢驗結(jié)果同樣可以看出，最小服裝松量防護服組合S01的熱阻顯著小于其他松量尺寸服裝，且其他服裝熱阻差異不顯著。

2.3.2 衣下空氣層對濕阻的影響

1)單因素方差分析結(jié)果表明，不同松量的衣下空氣層對防護服組合濕阻有顯著影響(P=0.048，即P<0.05)。2)受服裝合體度的影響，服裝濕阻隨衣下空氣層的增加而增大。不同服裝松量的衣下空氣層對熱阻和濕阻的影響不同，這一結(jié)果與其他學者的研究結(jié)果相符[10]。防護服設(shè)計應選擇對服裝透濕傳遞阻力較小的松量范圍。3)在測試范圍內(nèi)，同樣是最小衣下空氣層S01的服裝濕阻最小，其對透濕的阻礙最小，服裝的熱濕舒適性較好，松量設(shè)計最優(yōu)。4)最大空氣層防護服組合S05與S04濕阻變化差異較小，此時服裝松量對濕阻變化的影響趨于平穩(wěn)，這一變化與熱阻情況相似。5)雖然濕阻與服裝松量成一定的正相關(guān)關(guān)系，但各防護服組合間的濕阻增長率不同。S01、S02階段濕阻增長率較大，S02、S03、S04階段濕阻增長率較小?？梢姺雷o服組合松量越小其對濕阻變化率的影響越大，而松量較大時其對濕阻變化率的影響則較小，這一情況也與熱阻變化相似。從各組均值的多重比較檢驗結(jié)果同樣可以看出，最小服裝松量防護服組合S01的濕阻顯著小于S03～S05，且其他服裝濕阻差異不顯著。

綜合衣下空氣層對熱阻和濕阻的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)，透氣型NBC防護服在保證運動松量的情況下，服裝松量設(shè)計較小時，防護服組合的總熱阻和總濕阻最小，服裝對熱、濕傳遞的阻礙最小，服裝熱濕舒適性較好。

3 結(jié)束語

本文對5套不同松量的透氣型核生化(NBC)防護服進行三維掃描和暖體假人實驗分析常溫條件下衣下空氣層對熱阻和濕阻的影響，實驗結(jié)果表明，衣下空氣層隨服裝松量的增加而增大，衣下空氣層體積和平均厚度的范圍分別為21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。在不同松量設(shè)置條件下，衣下空氣層變化對防護服熱阻和濕阻的影響顯著，服裝總熱阻隨著服裝松量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，總熱阻范圍為0.327～0.373 m2·℃/W；服裝總濕阻隨著服裝松量的增加而增大，總濕阻范圍為54.017～59.702 m2·Pa /W。測試樣衣中松量最小的透氣型NBC防護服組合S01的總熱阻和總濕阻最小，其對應衣下空氣層的體積和平均厚度分別為21 222.67 cm3和12.48 mm，此時服裝對人體與外界的干熱和濕熱交換阻力較少。設(shè)計透氣型NBC防護服時，在保障防護安全和運動自由度的情況下，衣下空氣層較小的服裝，即松量較小的服裝，其總熱阻、總濕阻較小，服裝熱濕舒適性較好，服裝對人體熱應激效應的影響最小。

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