新型充氣夾克的研制與保暖性能評(píng)價(jià)

蘇文楨， 盧業(yè)虎,2， 王方明， 宋文芳

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 江蘇 南通 226300； 3. 蘇州市興豐強(qiáng)紡織科技有限公司， 江蘇 蘇州 215227； 4. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人們戶外活動(dòng)的增加，消費(fèi)者對(duì)戶外服裝的便攜性和保暖性提出了更高的要求。在寒冷環(huán)境中，服裝需要有良好的隔熱效果保護(hù)穿著者免受外界環(huán)境的傷害。戶外活動(dòng)人群在不同的活動(dòng)強(qiáng)度下，熱平衡被打破[1]，體溫以及代謝率會(huì)發(fā)生瞬間變化[2-3]，導(dǎo)致人體生理適應(yīng)時(shí)間不足，甚至可能超過人體生理調(diào)節(jié)的極限[4-5]，嚴(yán)重影響人類的健康[6]，因此，對(duì)于寒冷環(huán)境中的戶外活動(dòng)人群來(lái)說，尋找一種有效的保暖調(diào)節(jié)策略就顯得尤為重要。

為了實(shí)現(xiàn)身體的熱平衡，人們會(huì)運(yùn)用各種方式，而服裝是一種最好的調(diào)節(jié)和輔助身體熱平衡的方式，因?yàn)樗粌H可以保護(hù)我們的身體免受外界的直接傷害，還可起到輔助人體開展熱調(diào)節(jié)的作用[7]。在所有的保暖性能調(diào)節(jié)策略中，調(diào)整衣物的隔熱性能是最重要的策略[8]。在活動(dòng)量改變以及環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，通常以改變服裝厚度和層數(shù)的方式來(lái)保持人體的熱舒適性，但是對(duì)于物品便攜性要求很高的戶外活動(dòng)人群來(lái)說，這是非常不方便的[9-10]。另外一種比較有效的方法是電加熱服裝，通過調(diào)節(jié)加熱功率來(lái)產(chǎn)生所需的保暖效果，但是存在電池壽命短、耐洗性與安全性差、成本高等缺點(diǎn)，在日常生活中并不常用[11-12]；因此，研制一種保暖性能可調(diào)且無(wú)需電加熱裝置的防寒服裝是戶外運(yùn)動(dòng)人群的迫切需要。

近幾年來(lái)，研究者們提出了將空氣作為隔熱材料的充氣服裝，期望通過向服裝充入不同的空氣量，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持人體的熱舒適性[13]。其基本理論是，靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)在自然界中最低，服裝的保暖性能主要取決于服裝系統(tǒng)內(nèi)的靜止空氣層含量，在一定范圍內(nèi)，靜止空氣層越厚，服裝系統(tǒng)的保暖性能越好[14]。不同于傳統(tǒng)的保暖服裝，充氣服是一種利用空氣作為保暖材料的服裝。首先，空氣的使用大大降低了服裝的質(zhì)量，使得服裝更輕更薄，更加便攜的同時(shí)極大地增加了戶外活動(dòng)群體的活動(dòng)自由度；其次，空氣是一種源源不斷且不需任何成本的資源，這顯然會(huì)大大降低服裝的生產(chǎn)成本；最后，空氣的應(yīng)用規(guī)避了羽絨等保暖填充材料的使用，保護(hù)生態(tài)、節(jié)約能源且更加環(huán)保；因此，空氣被公認(rèn)為是最理想的隔熱材料。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于充氣服已有相關(guān)研究，第1代充氣服將上身軀干部位水平分成3個(gè)獨(dú)立的空氣室，分別是胸部空氣室、腹部空氣室和腰部空氣室，可以實(shí)現(xiàn)6種不連續(xù)的保暖模式。第2代充氣服將軀干部位分成了更多連續(xù)的空氣室，通過充氣量的連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)保暖性能調(diào)節(jié)的連續(xù)性[15]。雖然市面上可以買到充氣服裝，但是其種類很少，相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)也很少，沒有實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其實(shí)際保暖性能。

美國(guó)NuDown公司開發(fā)了一種無(wú)需電加熱裝置僅依靠充氣泵就能實(shí)現(xiàn)保暖可調(diào)的充氣服，本文基于NuDown背心[16]開發(fā)了一件新型的充氣夾克，通過暖體假人實(shí)驗(yàn)從充氣量、有無(wú)袖子以及是否穿抓絨衣3個(gè)角度分析其上身局部熱阻以及總熱阻，并與NuDown充氣夾克進(jìn)行比較，客觀地評(píng)價(jià)新型充氣夾克的保暖調(diào)節(jié)能力。研究結(jié)果將有助于高性能充氣服裝的工程化，并為具有保溫調(diào)節(jié)功能的服裝研發(fā)提供參考。

1 充氣夾克研制

1.1 材料選擇

充氣夾克內(nèi)含儲(chǔ)存空氣的氣囊，所需材料應(yīng)不透氣，外層面料需要具備一定的耐磨性和強(qiáng)度。充氣夾克外層、里層面料信息如表1所示。外層為100%滌綸機(jī)織面料，常用作戶外服裝的外層面料，具有良好的抗皺性和保形性；里層為抓絨針織面料，一方面比較親膚，另一方面微小的絨毛組織可以保存更多的靜止空氣，具有良好的保暖性；里層和外層分別采用聚氨酯(TPU)材料單層覆膜，以此保證充氣夾克氣囊的不透氣，TPU膜的面密度為45 g/m2。

表1 充氣夾克面料信息Tab.1 Information of air inflatable jacket fabric

1.2 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的Mountain充氣夾克的外層和里層面料之間通過熱敏膠點(diǎn)熱壓粘結(jié)而成，將衣身分成若干大小相等且相通的正六邊形氣囊。圖1示出了氣囊的膠點(diǎn)粘結(jié)線?？芍?，膠點(diǎn)粘接線部分閉合，以此來(lái)保證氣囊之間的通氣性。為了保證手臂的活動(dòng)性，袖子不設(shè)置氣囊，與衣身通過拉鏈連接，可拆卸。與市售的NuDown充氣夾克相比，本文研發(fā)的Mountain充氣夾克款式相似，均為H型，其他區(qū)別如下：1)NuDown夾克為菱形氣囊，呈豎直方向排列，人體彎腰時(shí)服裝易對(duì)人體產(chǎn)生阻礙作用，Mountain夾克為相互連通的多邊形氣囊，在彎腰時(shí)服裝對(duì)人體的阻礙更小，舒適性更優(yōu)；2)從氣囊占衣身的面積來(lái)看，NuDown夾克上胸部、腋下以及下擺均未設(shè)置氣囊，約占比60%，而Mountain充氣夾克的氣囊分布于整個(gè)衣身，約占比90%，Mountain的氣囊占衣身總面積的比例更大，最大充氣量更大。在左側(cè)口袋部位安裝可以手動(dòng)操控的充氣泵，多次按壓充氣泵充氣，氣囊受到壓力作用厚度增加，空氣層變厚，隔熱性能增加，從而提高保暖性能；當(dāng)按壓充氣泵上的放氣按鈕時(shí)可以放氣，空氣層變薄，保暖性能降低。圖2示出了Mountain充氣夾克正背面款式圖。

圖1 氣囊粘結(jié)線示意圖Fig.1 Pattern of glued line for air cells

圖2 Mountain充氣夾克正背面款式圖Fig.2 Pattern of air inflatable garment. (a) Front; (b) Back

2 暖體假人實(shí)驗(yàn)

本文參照ISO 15831—2004《服裝-生理效應(yīng)-采用暖體假人測(cè)試服裝的熱阻》，借助Newton暖體假人測(cè)試充氣夾克的熱阻，氣候室空氣溫度和相對(duì)濕度分別控制為(15±0.2) ℃和(50±5)%，暖體假人皮膚溫度恒定在34 ℃。實(shí)驗(yàn)過程中，暖體假人穿著純棉內(nèi)褲、一套純棉針織保暖內(nèi)衣、充氣夾克、薄絨長(zhǎng)褲、棉襪、運(yùn)動(dòng)鞋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要上身穿著抓絨衣，抓絨衣位于保暖內(nèi)衣和充氣夾克之間。分別研究了4種充氣量、充氣夾克有無(wú)袖子和是否穿抓絨衣對(duì)熱阻的影響。4種充氣量條件分別編號(hào)為con、1/3 full、2/3 full和full。其中：con為未充氣狀態(tài)；full即充滿氣狀態(tài)，此時(shí)Mountain和NuDown夾克的氣囊厚度均為1.9 cm。根據(jù)full情況下的充氣泵按壓次數(shù)，分別設(shè)定1/3 full和2/3 full的按壓次數(shù)。每次實(shí)驗(yàn)至少測(cè)量3次，保證熱阻變異系數(shù)低于5%。

本文測(cè)試了充氣夾克上身熱阻和局部熱阻，計(jì)算上身熱阻時(shí)不包括頭和手，局部熱阻包括上臂、下臂、胸部、腹部和背部。采用One Way ANOVA 方差分析和多重比較分析探索各因素對(duì)充氣夾克局部和上身總熱阻的影響。顯著性差異水平p<0.05時(shí)，標(biāo)記為“*”；p<0.01時(shí)，標(biāo)記為“**”。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 充氣量對(duì)熱阻的影響

3.1.1 充氣量對(duì)局部熱阻的影響

圖3示出不同充氣量情況下Mountain充氣夾克的局部熱阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各部位的熱阻與充氣量成正比，隨著充氣量的增加，各部位的熱阻隨之增加。各部位充氣狀態(tài)的熱阻均顯著高于未充氣狀態(tài)(p<0.01)。在胸部、腹部、背部這些氣囊覆蓋部位，不同充氣量的熱阻增幅更加明顯，呈現(xiàn)出極顯著差異(p<0.01)隨著充氣量的增加，氣囊的厚度不斷增加，暖體假人與外界的熱傳導(dǎo)/對(duì)流和熱輻射降低，保暖性增強(qiáng)。在沒有氣囊覆蓋的上臂和下臂不同充氣量之間也呈現(xiàn)出顯著性差異。雖然沒有其他3個(gè)部位增幅明顯，但是充氣狀態(tài)熱阻比未充氣狀態(tài)略增加3%，而且，熱阻隨著充氣量的增加也有所增加。上述現(xiàn)象說明了充氣夾克充氣后增加了氣囊的厚度但降低了衣下空氣層的厚度，影響了服裝內(nèi)部的通風(fēng)，降低了煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致手臂處熱阻輕微增加。

圖3 不同充氣量下Mountain充氣夾克的局部熱阻Fig.3 Local thermal insulation of Mountain in different air inflation volumes

3.1.2 充氣量對(duì)上身總熱阻的影響

圖4示出市售的一款NuDown充氣夾克與本文研制的Mountain充氣夾克在不同充氣量下的總熱阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在每種充氣量下Mountain充氣夾克的總熱阻均顯著高于NuDown(p<0.01)。這說明Mountain充氣夾克的保暖性能更好。Mountain充滿氣時(shí)需要的空氣量更多，這可能是熱阻較NuDown大的原因之一。2種充氣夾克充氣狀態(tài)下總熱阻均顯著高于未充氣狀態(tài)(p<0.01)。Mountain充氣夾克充氣狀態(tài)下，上身總熱阻隨著充氣量的增加而增加，總熱阻增幅分別為6.4%、2.9%、0.2%。NuDown充氣夾克隨著充氣量的增加總熱阻反而略微減小。這一結(jié)果表明Mountain充氣夾克在充氣狀態(tài)下比NuDown充氣夾克具有更佳的保暖調(diào)節(jié)能力。

圖4 4種充氣夾克不同充氣量下的總熱阻比較Fig.4 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown in different air inflation volumes

3.2 袖子對(duì)熱阻的影響

3.2.1 袖子對(duì)局部熱阻的影響

本文進(jìn)一步研究了有無(wú)袖子對(duì)Mountain充氣夾克局部熱阻的影響，結(jié)果見圖5?？芍徽撛谀囊环N充氣量情況下，除了胸部，其他部位在有袖子時(shí)的熱阻均顯著高于無(wú)袖子時(shí)(p<0.01)，這一結(jié)果說明袖子確實(shí)會(huì)對(duì)充氣夾克熱阻產(chǎn)生影響。有袖子時(shí)上臂和下臂的服裝厚度增加，熱阻增加，這是可以預(yù)測(cè)到的，但是在其他部位，有無(wú)袖子時(shí)表現(xiàn)出的巨大差異是很有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在腹部和背部，有袖子時(shí)熱阻明顯大于沒有袖子時(shí)的熱阻，con條件下分別增加43.5%和15.6%，full條件下分別增加49.9%和15.9%，但是胸部的熱阻恰好相反，有袖子時(shí)熱阻反而減小，con條件下減小3.9%，full條件下減小2.8%。沒有袖子時(shí)，暖體假人與外界環(huán)境在袖窿部位有一定的空隙，且在腹部和背部服裝與假人之間存在較大的空氣層，外界冷空氣與服裝內(nèi)的暖空氣熱交換明顯，產(chǎn)生對(duì)流，散熱加強(qiáng)，從而導(dǎo)致腹部和背部的熱阻大幅下降，在胸部服裝與假人之間的間隙較小，因此有無(wú)袖子對(duì)局部熱阻的影響較小，熱阻小幅增加可能與衣下通風(fēng)增加有關(guān)，人體腹部與胸部之間產(chǎn)生了熱交換。多重比較分析結(jié)果顯示，有無(wú)袖子時(shí)，充氣量對(duì)上臂和下臂沒有影響，但是在胸部、腹部和背部呈現(xiàn)出極顯著差異(p<0.01)，由于袖子沒有設(shè)置氣囊，所以充氣量對(duì)其熱阻沒有影響，在胸部、腹部和背部充氣后氣囊的厚度增加，與外界的熱交換減少，熱阻增加，表現(xiàn)出顯著性差異。

圖5 有無(wú)袖子情況下Mountain充氣夾克的局部熱阻Fig.5 Local thermal insulation of Mountain air inflatable jacket with or without sleeves

3.2.2 袖子對(duì)上身總熱阻的影響

圖6示出2種充氣夾克在有無(wú)袖子時(shí)的上身總熱阻。在con和full 2種充氣量條件下，2種充氣夾克在有袖子時(shí)的總熱阻均顯著高于無(wú)袖子時(shí)的熱阻(p<0.01)。有袖子時(shí)，暖體假人與外界環(huán)境的熱交換減少，服裝總熱阻增加，這與圖4所示的局部熱阻變化一致。充滿氣狀態(tài)下(full)的熱阻均大于不充氣(con)時(shí)的熱阻(p<0.01)，無(wú)袖子時(shí)，NuDown增加8.6%，Mountain增加2.4%；有袖子時(shí)，NuDown增加3.6%，Mountain增加9.6%，增幅更為明顯。這對(duì)充氣服的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義，考慮到上臂和下臂的肢體活動(dòng)較多，大多充氣服沒有袖子或者袖子部位不設(shè)置氣囊，根據(jù)本文研究結(jié)果可知，在充氣服的設(shè)計(jì)中可以添加袖子來(lái)提高充氣服的保暖性能，且袖子對(duì)其他部位的局部保暖性也有一定的積極影響。

圖6 有無(wú)袖子情況下2種充氣夾克的上身總熱阻比較Fig.6 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown with or without sleeves

3.3 抓絨衣對(duì)熱阻的影響

3.3.1 抓絨衣對(duì)局部熱阻的影響

圖7示出是否穿抓絨衣對(duì)Mountain充氣服局部熱阻的影響。結(jié)果表明，在con和full 2種充氣量情況下，穿抓絨衣時(shí)所有部位的熱阻均顯著高于不穿抓絨衣時(shí)的熱阻(p<0.01)，腹部的差異尤其明顯。穿抓絨衣時(shí)，服裝層數(shù)增多，整個(gè)服裝系統(tǒng)的空氣層變厚，保暖性能增強(qiáng)。其次，穿抓絨衣充滿氣(full)比未充氣(con)，上臂和下臂熱阻分別增加6.4%和2.9%，胸部、腹部、背部熱阻分別增加-2.6%、-2.8%和-4.5%，而不穿抓絨衣時(shí)，熱阻增加6.3%～22.7%，不穿抓絨衣時(shí)熱阻增幅更加明顯。由于胸部、腹部、背部空氣層厚度較薄，當(dāng)穿著抓絨衣時(shí)，服裝充氣后擠壓了衣下的空氣層厚度，在這些部位的局部熱阻反而較不充氣時(shí)下降，因此，穿抓絨衣時(shí)充氣夾克的熱阻增加反而沒有不穿時(shí)明顯。

圖7 穿抓絨衣對(duì)局部熱阻的影響Fig.7 Effect of fleece on local thermal insulation

3.3.2 穿抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響

圖8示出是否穿抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響。在con和full 2種充氣狀態(tài)下，2種充氣夾克在穿抓絨衣時(shí)的總熱阻都顯著大于不穿抓絨衣的熱阻(p<0.01)，這與它們?cè)诰植繜嶙璧谋憩F(xiàn)一致。2種充氣夾克，充滿氣狀態(tài)下的總熱阻均大于未充氣的熱阻，穿抓絨衣時(shí)，NuDown的上身總熱阻增加3.4%，Mountain的減小3.0%；不穿抓絨衣時(shí)，NuDown的增加3.6%，Mountain的增加9.6%。以上結(jié)果表明在穿著充氣服裝時(shí)，應(yīng)充分考慮服裝的搭配，不能一味地增加空氣層厚度或增加服裝的層數(shù)，可能會(huì)造成保暖性能的下降。

圖8 抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響Fig.8 Effect of fleece on total thermal insulation

4 結(jié) 論

本文研制了一款將空氣作為保暖材料的充氣夾克，通過一系列暖體假人實(shí)驗(yàn)，分別從充氣量、有無(wú)袖子、是否穿抓絨衣3個(gè)角度評(píng)價(jià)了其保暖性能，并與NuDown充氣夾克進(jìn)行了對(duì)比研究，得到以下結(jié)論：

1)充氣狀態(tài)的局部熱阻和總熱阻明顯高于未充氣狀態(tài)，且充氣量會(huì)顯著影響服裝的熱阻，充氣量越大，服裝的熱阻就越高。在保暖性調(diào)節(jié)方面，Mountain充氣服比NuDown充氣服更有效。

2)有袖子時(shí)充氣服的保暖效果更好，腹部和背部在沒有袖子時(shí)熱阻下降尤為明顯。

3)穿抓絨衣雖然會(huì)增加服裝系統(tǒng)的熱阻，但是對(duì)充氣夾克保暖性能的調(diào)節(jié)能力有影響。

綜上所述，本文研發(fā)的Mountain充氣夾克比NuDown充氣夾克具有更優(yōu)異的保暖調(diào)節(jié)能力，后續(xù)需進(jìn)一步通過人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果。