氣凝膠防寒服的研制與性能評(píng)價(jià)

蘇文楨 盧業(yè)虎

摘要： 在低溫環(huán)境下，需要穿著具有良好保暖能力的防寒服裝來(lái)保護(hù)穿著者免受傷害。基于氣凝膠良好的隔熱性能及低密度等優(yōu)點(diǎn)，文章研制了一款氣凝膠防寒服裝。同時(shí)招募了6名女性受試者在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行真人穿著實(shí)驗(yàn)，比較了氣凝膠防寒服與沖鋒衣在保暖性能方面的差別。在溫度0 ℃、相對(duì)濕度80%、風(fēng)速0.4 m/s、靜坐90 min實(shí)驗(yàn)條件下，記錄人體局部皮膚溫度和平均皮膚溫度，以及主觀冷暖感。研究結(jié)果表明，穿著氣凝膠防寒服時(shí)人體局部皮膚溫度和平均皮膚溫度均高于穿著沖鋒衣，主觀冷暖感也優(yōu)于沖鋒衣。由此可見(jiàn)，將氣凝膠應(yīng)用到防寒服裝中是可行的，并具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 氣凝膠;防寒服;皮膚溫度;保暖性能;冷暖感

中圖分類(lèi)號(hào)： TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2020）09005805

引用頁(yè)碼： 091111

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.011（篇序）

Development and performance evaluation of aerogel-based cold protective clothing

SU Wenzhen1， LU Yehu1，2

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215006， China;2.Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute， Nantong 226300， China）

Abstract：

In low temperature environment， cold protective clothing with good thermal insulation is required to protect wearers body from cold stress. In this study， aerogel-based cold protective clothing was developed by using the aerogel materials with good thermal insulation performance and low density. Six female subjects voluntarily participated in wearing tests to compare the thermal insulation difference between aerogel-based cold protective clothing and the traditional winter jacket in the artificial climate chamber. The experiments were performed under the conditions of air temperature 0 ℃， relative humidity 80% and wind speed 0.4 m/s， each subject sit still for 90 min. During the test， the local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling were recorded. The results showed that the aerogel-based cold protective clothing was better than the winter jacket in terms of local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling. The research findings demonstrate the feasibility of applying aerogel in cold protective clothing， showing strong practical application value.

Key words：

aerogel; cold protective clothing; skin temperature; thermal insulation property; warm and cool feeling

收稿日期： 20200103;

修回日期： 20200807

基金項(xiàng)目： 中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目（2019020）;蘇州市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（SYG201812）;南通市科技計(jì)劃項(xiàng)目（JC2018039）

作者簡(jiǎn)介： 蘇文楨（1996），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ芊b開(kāi)發(fā)。通信作者：盧業(yè)虎，副教授，yhlu@suda.edu.cn。

防寒服也被稱為冷氣候服，通常是指溫度在-40～10 ℃且有大風(fēng)的環(huán)境中，能夠維持人體正常生理指標(biāo)的服裝[1]。市場(chǎng)上的防寒服主要分為兩類(lèi)：主動(dòng)產(chǎn)熱式防寒服和被動(dòng)隔熱式防寒服[2]。主動(dòng)產(chǎn)熱式防寒服主要是通過(guò)在衣物中添加電子加熱元件達(dá)到保暖效果，這種方式存在很多缺點(diǎn)，比如需要攜帶電池，電池的便攜性、續(xù)航能力及安全性等得不到保障，同時(shí)服裝的洗滌性也受到影響[3]。日常生活中大多是被動(dòng)隔熱式防寒服，通常以增加服裝厚度[4]、改變填充物[5]或多層穿著[6]的方式達(dá)到保暖效果，這也就帶來(lái)了一系列的缺點(diǎn)，例如厚重的服裝降低了穿著者的正常活動(dòng)能力，有些精細(xì)的作業(yè)難以執(zhí)行;運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服裝被壓縮，空氣層厚度減小，隔熱效果下降;纖維吸濕后也會(huì)大幅降低服裝的保暖效果[7]。因此，開(kāi)發(fā)一種克服傳統(tǒng)紡織材料缺點(diǎn)的新型隔熱材料是研究者追求的目標(biāo)。

氣凝膠是一種具有納米多孔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，具有很高的孔隙率，固體所占體積比極低，這使得氣凝膠成為目前世界上熱導(dǎo)率最低、密度最小的固體材料，密度低至0.002 g/cm3，常溫常壓下熱導(dǎo)率僅為0.002 W/（m·K），真空室溫?zé)釋?dǎo)率為0.001 W/（m·K）[8]。氣凝膠獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及低密度、低熱導(dǎo)率的優(yōu)良特性，使得它可以作為一種超級(jí)隔熱材料被應(yīng)用到服裝領(lǐng)域。但純的氣凝膠易碎，只有經(jīng)改性后的氣凝膠才能加以利用。研究表明，經(jīng)過(guò)改性后的氣凝膠可耐受1 600 ℃的高溫，同時(shí)還具備很高的物理強(qiáng)度。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[9-11]，發(fā)現(xiàn)氣凝膠在消防服上的應(yīng)用已有相關(guān)研究，其良好的隔熱性能不僅提高了消防服的防火性能，同時(shí)也為消防員的生命安全提供了更好的保障，然而應(yīng)用于消防服的氣凝膠多為SiO2氣凝膠氈或涂層，還存在粉末化脫落等問(wèn)題而不能直接使用，且應(yīng)用于防護(hù)服的舒適性較差，這些問(wèn)題都有待解決。

在防寒服領(lǐng)域，氣凝膠材料已有應(yīng)用探索。2002年，NASA部署下的阿斯彭公司研制出了更具耐受性和柔韌強(qiáng)度的氣凝膠[12]，并將其應(yīng)用到太空服隔熱保溫襯里;意大利服裝公司Corpo Nove生產(chǎn)了在極端寒冷條件下穿著的氣凝膠夾克;2009年，阿斯彭公司和加拿大的高爾夫球裝備商合作研制了一種“零夾層”的氣凝膠纖維，一位加拿大的冒險(xiǎn)家穿著用這種“零夾層”纖維制成的超薄外套挑戰(zhàn)攀登珠穆朗瑪峰，對(duì)這種材料進(jìn)行終極測(cè)試[13]。但是，氣凝膠防寒服裝集中應(yīng)用在一些比較特殊的領(lǐng)域，比如極地科考服裝、航空航天服裝等，面向民用市場(chǎng)的氣凝膠防寒服還很少見(jiàn)，同時(shí)上述報(bào)道大部分來(lái)源于企業(yè)，并未見(jiàn)相關(guān)研究數(shù)據(jù)證實(shí)其優(yōu)越性。因此，本研究旨在設(shè)計(jì)一款氣凝膠防寒服，通過(guò)真人實(shí)驗(yàn)對(duì)比氣凝

膠防寒服和戶外沖鋒衣的保暖性能，以此來(lái)評(píng)價(jià)其實(shí)用價(jià)值，同時(shí)為防寒服的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1?氣凝膠防寒服的研制

1.1?款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究主要比較氣凝膠防寒服與傳統(tǒng)防寒服的保暖能力，氣凝膠防寒服采用氣凝膠材料作為夾層，傳統(tǒng)防寒服采用抓絨內(nèi)膽作為夾層，除夾層材料不同外，要保證二者在面料、尺碼、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和款式設(shè)計(jì)上的一致性。傳統(tǒng)防寒服選用Jackwolfskin的一款沖鋒衣，其款式如圖1（a）所示;除夾層材料不同外，氣凝膠防寒服與沖鋒衣基本一致，如圖1（b）所示。衣身部分采用前后分片結(jié)構(gòu)，袖子為裝袖結(jié)構(gòu)，后片比前片略長(zhǎng)。頭部的可拆卸防風(fēng)帽用拉鏈連接在領(lǐng)子處;左右衣身各設(shè)置一個(gè)口袋;胸前有一個(gè)多功能口袋;袖口采用魔術(shù)貼調(diào)節(jié)大小，有效防止風(fēng)從外部灌入;袖窿底部設(shè)計(jì)有拉鏈，便于在熱應(yīng)激情況下及時(shí)散熱。

1.2?夾層設(shè)計(jì)及衣身面料

傳統(tǒng)的沖鋒衣采用可拆卸抓絨內(nèi)膽，可單獨(dú)穿著也可與沖鋒衣一起穿著，抓絨內(nèi)膽設(shè)在服裝最里層，通過(guò)扣袢和衣身相連。氣凝膠防寒服選用氣凝膠作為夾層材料，該材料存在粉末化脫落問(wèn)題，為了保證服用性能將其縫制在面料與里料之間，不可拆卸，并在領(lǐng)部、袖口部、下擺處與外層和里料連接。氣凝膠防寒服與沖鋒衣構(gòu)造如圖2所示。氣凝膠防寒服外層采用與Jackwolfskin沖鋒衣相同的高密度防水防風(fēng)涂層面料（覆膜），里料為100%聚酯纖維，氣凝膠材料（深圳中凝科技有限公司）厚度為3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.020 W/（m·K），平方米質(zhì)量為200 g/m2。

2?實(shí)?驗(yàn)

2.1?準(zhǔn)?備

本實(shí)驗(yàn)招募6名女性受試者，年齡為（23±1）歲，BMI指數(shù)為（19.4±0.2）。受試者在實(shí)驗(yàn)前一天內(nèi)不許飲酒，不做劇烈的身體運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前2 h內(nèi)不進(jìn)食、不吸煙、喝茶或咖啡。每位受試者進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，即穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服各一次，為了排除人體對(duì)冷環(huán)境適應(yīng)性的影響兩次試驗(yàn)之間至少間隔一天。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持受試者著裝一致，上裝穿著內(nèi)衣、一件中厚款秋衣和待測(cè)試外套（沖鋒衣和氣凝膠防寒服），下裝穿著內(nèi)褲、一條150 g加絨打底褲和一條運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)褲（雙層：面料加里料）。因氣凝膠夾克主要覆蓋人體上身，本研究主要采集受試者肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂共六個(gè)部位的皮膚溫度。

2.2?流?程

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了中國(guó)長(zhǎng)江區(qū)域冬季的戶外溫度，最冷的月份氣溫在0 ℃左右。因此，真人實(shí)驗(yàn)的氣候室溫度為（0±0.2） ℃，相對(duì)濕度（80±10）%，風(fēng)速（0.4±0.1） m/s。實(shí)驗(yàn)前正常環(huán)境溫度為（25±1） ℃，相對(duì)濕度為（50±10）%，風(fēng)速（0.15±0.1） m/s。實(shí)驗(yàn)前貼好傳感器穿著實(shí)驗(yàn)服裝靜坐30 min達(dá)到熱平衡后進(jìn)入氣候室，避免由于劇烈運(yùn)動(dòng)等其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。所有實(shí)驗(yàn)均在人工氣候室進(jìn)行，受試者保持靜坐姿勢(shì)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)90 min，傳感器每30 s記錄一次數(shù)據(jù)，同時(shí)每15 min向受試者詢問(wèn)一次冷暖感（-4非常冷，-3冷，-2涼，-1有點(diǎn)涼，0舒適，1有點(diǎn)暖，2暖，3熱，4非常熱）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者要盡量保持靜止?fàn)顟B(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后受試者離開(kāi)氣候室，待身體恢復(fù)正常體溫后，取下貼好的皮膚傳感器，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于該實(shí)驗(yàn)只測(cè)量上身皮膚溫度，所以計(jì)算全身平均皮膚溫度的八點(diǎn)法不適用于本實(shí)驗(yàn)。根據(jù)人體上半身各部位的面積分布算出各部位對(duì)應(yīng)的比例參數(shù)，計(jì)算得到各部位的權(quán)重，即肩部為0.2，胸部為0.13，腹部為0.18，腰部為0.11，上臂為0.2，下臂為0.18。因此上身平均皮膚溫度計(jì)算公式為：

Tm=0.2Tshoulder+0.13Tchest+0.18Tabdomen+0.11Twaist+0.2Tuparm+0.18Tforearm（1）

式中：Tm為平均皮膚溫度，Tshoulder為胸部溫度，Tchest為腹部溫度，Tabdomen為腰部溫度，Tuparm為上臂溫度，Tforearm為下臂溫度。

2.3?統(tǒng)計(jì)分析

采用One Way ANOVA方差檢驗(yàn)比較穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服兩種情況下局部皮膚溫度、平均皮膚溫度和主觀冷暖感的差異。當(dāng)顯著性差異水平p<0.05時(shí)，標(biāo)記為“*”;當(dāng)顯著性差異水平p<0.01時(shí)，標(biāo)記為“** ”。

3?結(jié)果與分析

3.1?防寒服質(zhì)量

本實(shí)驗(yàn)研制的氣凝膠防寒服與沖鋒衣結(jié)構(gòu)相同，面料、里料、輔料均相同，唯一不同的是氣凝膠防寒服采用氣凝膠作為夾層，而沖鋒衣夾層為抓絨內(nèi)膽。利用電子秤對(duì)兩件防寒服分別稱量，稱得沖鋒衣和氣凝膠防寒服的質(zhì)量分別為0.9 kg和0.88 kg?？梢?jiàn)氣凝膠防寒服略輕，但兩種服裝的質(zhì)量差別不明顯，氣凝膠材料的密度有待于進(jìn)一步優(yōu)化，使防寒服變得更輕更薄。

3.2?各部位皮膚溫度

圖3為穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服時(shí)肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂皮膚溫度的變化情況。觀察圖3可知，不論穿著哪種防寒服，各部位的皮膚溫度都會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸下降，但是穿著氣凝膠防寒服時(shí)，皮膚溫度下降比較緩慢，下降溫度更少。隨著時(shí)間的增加，各部位皮膚溫度的下降速度逐漸變緩，在肩部、胸部和腹部下降速度逐漸趨于平緩，皮膚溫度小幅波動(dòng)幾乎不再變化，而在上臂和下臂部位，皮膚溫度持續(xù)下降。值得注意的是，二者在腰部皮膚溫度的差異最小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服腰部皮膚溫度差值為0.99 ℃，低于肩部的2.4 ℃、胸部的2.4 ℃、腹部的2 ℃、上臂的2.5 ℃和下臂的2.6 ℃。

從圖3還可以看出，肩部、胸部、腹部、腰部皮膚溫度的下降程度低于上臂和下臂。穿著沖鋒衣時(shí)，肩部、胸部、腹部、腰部90 min內(nèi)分別下降4.1、4.4、5.5、4.9 ℃，穿著氣凝膠防寒服分別下降1.9、2.3、3.3、3.6 ℃;穿著沖鋒衣時(shí)，上臂和下臂皮膚溫度下降明顯，90 min內(nèi)分別下降6.2、6.7 ℃，穿著氣凝膠防寒服時(shí)，兩部位分別下降3.8、4.3 ℃，明顯低于沖鋒衣的下降溫度。由此表明，氣凝膠防寒服在身體局部的保暖效果要明顯優(yōu)于沖鋒衣，同時(shí)相比肩部、胸部、腹部和腰部，上臂和下臂的保暖效果更弱一些，在今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)手臂部位的熱保護(hù)。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，沖鋒衣和氣凝膠防寒服在肩部表現(xiàn)出差異性，10～70 min表現(xiàn)出顯著性差異，其中10～15 min極顯著;在胸部、腹部、腰部、上臂和下臂這些部位，只有部分時(shí)間表現(xiàn)出顯著性差異。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中人體處于靜坐狀態(tài)，服裝在胸部、腹部、腰部與人體存在一定的間隙，空氣層較大，服裝面料的熱傳導(dǎo)散熱對(duì)總散熱量的貢獻(xiàn)相對(duì)較少，所以兩件服裝之間的差異并不明顯。而手臂放置在桌子上，下臂與服裝接觸，因此氣凝膠防寒服在20、50、65～75、90 min均表現(xiàn)出較好的保暖性能。鑒于實(shí)驗(yàn)樣本量有限，在某些部位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的差異，在下一步研究中將深入考慮。

3.3?平均皮膚溫度

圖4為受試者穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服平均皮膚溫度的變化。在0～90 min內(nèi)，穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服受試者的平均皮膚溫度都呈下降趨勢(shì)，沖鋒衣平均皮膚溫度的下降程度要高于氣凝膠防寒服。穿著沖鋒衣時(shí)，0～90 min內(nèi)平均皮膚溫度下降5.4 ℃，最終溫度為28.1 ℃;穿著氣凝膠防寒服時(shí)，在50 min以后溫度下降趨于平緩，0～90 min內(nèi)平均皮膚溫度下降3.2 ℃，最終溫度為30.3 ℃。對(duì)比可知，穿著氣凝膠防寒服時(shí)受試者平均皮膚溫度下降更少，最終的溫度也比沖鋒衣高，其保暖效果更好。另外，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，20～30 min和45～90 min，穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服兩種情況下平均皮膚溫度出現(xiàn)顯著性差異。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的短暫及人體對(duì)冷環(huán)境的適應(yīng)性，因此二者在平均皮膚溫度方面未表現(xiàn)出差異性。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，二者在保暖性能上的差異開(kāi)始顯現(xiàn)，氣凝膠防寒服擁有更好的保暖性能，因此在45～90 min二者呈現(xiàn)顯著性差異。

3.4?冷暖感對(duì)比

圖5為90 min內(nèi)受試者穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服冷暖感的變化情況。不論穿著哪種防寒服，人體的冷暖感都會(huì)下降。在剛進(jìn)入人工氣候室時(shí)，受試者的總體冷暖感都是0（舒適），進(jìn)入氣候室15 min后穿著沖鋒衣開(kāi)始覺(jué)得涼，冷暖感迅速下降，最后達(dá)到-3（冷）;而氣凝膠防寒服出現(xiàn)冷感覺(jué)的時(shí)間比沖鋒衣晚，實(shí)驗(yàn)最終冷暖感為-2（涼）。因此，氣凝膠防寒服在低溫狀態(tài)下的冷暖感要優(yōu)于沖鋒衣。

4?結(jié)?論

基于氣凝膠優(yōu)良的隔熱性能及低密度等優(yōu)點(diǎn)，本研究將氣凝膠材料應(yīng)用到防寒服中，研制出一款氣凝膠防寒服。通過(guò)真人實(shí)驗(yàn)比較了沖鋒衣和氣凝膠防寒服在質(zhì)量、局部皮膚溫度、平均皮膚溫度和冷暖感四個(gè)方面的表現(xiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。

1）在局部皮膚溫度方面，穿著氣凝膠防寒服的受試者皮膚溫度下降更少，下降速度更加緩慢。相比于軀干部位，胳膊遠(yuǎn)離心臟且脂肪較少，上臂和下臂的皮膚溫度下降程度高于肩部、胸部、腹部和腰部，在今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)對(duì)手臂的熱保護(hù)。另外，軀干部位中腰部皮膚溫度下降最少。

2）在平均皮膚溫度方面，穿著氣凝膠防寒服的受試者平均皮膚溫度下降更緩，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加逐漸穩(wěn)定，平均皮膚溫度下降更少。

3）在冷暖感方面，氣凝膠防寒服出現(xiàn)冷感覺(jué)的時(shí)間比沖鋒衣晚，而且最終的冷暖感等級(jí)高于沖鋒衣。

因此，不論從哪個(gè)方面來(lái)看，氣凝膠防寒服的保暖效果都要優(yōu)于沖鋒衣，將氣凝膠應(yīng)用到防寒服中是可行的，且本研究成果具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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