相變降溫軍訓(xùn)服的設(shè)計(jì)開發(fā)與評(píng)價(jià)

周 文，鄭 晴，柯 瑩,2

(1.江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究基地, 江蘇 無錫 214122)

學(xué)生軍訓(xùn)時(shí)需在高溫環(huán)境下完成一系列的軍事訓(xùn)練內(nèi)容。在軍訓(xùn)過程中由于散熱不足，學(xué)生易出現(xiàn)中暑、熱衰竭、熱痙攣等熱應(yīng)激反應(yīng)，直接影響其熱濕舒適性，甚至威脅生命安全[1-2]。傳統(tǒng)軍訓(xùn)服主要采用滌綸面料，吸濕透氣性差且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、缺少通風(fēng)設(shè)計(jì)，無法滿足人體的散熱需求，這是造成軍訓(xùn)時(shí)出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)的主要原因之一[3-4]。

為使人體在高溫環(huán)境中有效散熱，提高熱濕舒適性，許多研究將降溫裝置與服裝相結(jié)合，開發(fā)個(gè)體降溫服?，F(xiàn)有的個(gè)體降溫服包括液體冷卻服[5]、空氣冷卻服[5-7]、相變材料降溫服[7]和混合冷卻服[8-9]。液體冷卻服和空氣冷卻服雖具有顯著的降溫效果[9-10]，但由于連接了制冷系統(tǒng)，其存在高成本、裝置復(fù)雜和不可移動(dòng)的缺點(diǎn)[11]。而相變降溫服主要是依靠相變材料吸收潛熱來降低皮膚表面溫度，有效將穿著者衣下微環(huán)境維持在一個(gè)舒適的溫度(32～34 ℃)，性價(jià)比較高且便于攜帶[9,12-13]。

目前，相變材料已被應(yīng)用于各類職業(yè)服裝，如建筑工勞保服、礦工服、煉鋼服等[14-17]。研究人員通過暖體假人測(cè)試或真人著裝測(cè)試證明在服裝中添加相變材料能有效緩解工作人員的熱應(yīng)激反應(yīng)。常見的將相變材料與紡織品相結(jié)合的生產(chǎn)方法包括紡絲法、相變材料微膠囊法、中空纖維填充法和后整理法[18]。相變材料的降溫效果主要與融化溫度、材料覆蓋面積、用量和潛熱有關(guān)：一方面，降溫速度與皮膚溫度和相變材料(PCM)的融化溫度間的溫度梯度成正相關(guān)，與PCM的覆蓋面積成正相關(guān)，且在炎熱氣候時(shí)，有效的溫度梯度應(yīng)大于等于6 ℃；另一方面，降溫效果的持續(xù)時(shí)間取決于PCM的用量和潛熱[19]。

本文將相變材料添加到傳統(tǒng)軍訓(xùn)服上衣內(nèi)層中，設(shè)計(jì)開發(fā)出一款降溫軍訓(xùn)服。通過人體著裝實(shí)驗(yàn)測(cè)量受試者的皮膚表面溫度、心率、主觀舒適感等指標(biāo)，并對(duì)傳統(tǒng)軍訓(xùn)服與新型降溫軍訓(xùn)服的熱濕舒適性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，研究結(jié)果將減輕學(xué)生夏日高溫下作訓(xùn)時(shí)的熱應(yīng)激反應(yīng)，提高其穿著軍訓(xùn)服時(shí)的熱濕舒適性，同時(shí)也為高校軍事訓(xùn)練服裝及同類型功能性服裝的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 相變降溫軍訓(xùn)服設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)服裝包括降溫軍訓(xùn)服和基礎(chǔ)服裝。降溫軍訓(xùn)服包括長(zhǎng)袖上衣和長(zhǎng)褲(40%棉，60%滌綸)，服裝按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB52/T 1051—2015《學(xué)生用軍訓(xùn)服》進(jìn)行設(shè)計(jì)，上衣長(zhǎng)、胸腰圍、褲長(zhǎng)、褲腰圍分別為69、122、106、90 cm。基礎(chǔ)服裝包括T恤(100 %滌綸)、純棉內(nèi)褲和純棉短襪。

此次設(shè)計(jì)降溫軍訓(xùn)服款式如圖1所示，在傳統(tǒng)軍訓(xùn)服的上衣內(nèi)層添加一層滌綸針織網(wǎng)眼面料并縫有口袋，用于放置相變材料封裝包。依據(jù)人體不同部位的出汗量，在出汗量較高的前胸和后背位置相變材料包[20-21]：前胸部分共放置40個(gè)，考慮到目前學(xué)生用軍訓(xùn)服男女同款，因此前胸放置PCM避開乳房部位；后背部分共放置42個(gè)，覆蓋整個(gè)背部。每個(gè)PCM封裝包的尺寸為3.0 cm×6.5 cm，質(zhì)量為9 g。由于相變材料具有明顯降溫效果時(shí)，其與皮膚表面之間的溫度梯度應(yīng)大于或等于6 ℃[19]，而人體平衡時(shí)平均皮膚溫度為32～34 ℃，運(yùn)動(dòng)過后會(huì)升至36 ℃左右，因此本文選用相變溫度為18 ℃的PCM，相變潛熱為192 J/g。

圖1 相變降溫軍訓(xùn)服款式圖

對(duì)照實(shí)驗(yàn)服裝選擇不加入相變材料的傳統(tǒng)軍訓(xùn)服，服裝的其他條件與降溫軍訓(xùn)服完全相同。

2 人體著裝實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

按照GB/T 1335.1—2008《服裝號(hào)型 男子》，選取7名號(hào)型在175/78 A范圍內(nèi)的健康男大學(xué)生作為受試者。受試者年齡、身高、體重和BMI分別為(21.6 ± 1)歲，(175 ± 3.5) cm，(67 ± 6) kg，(21.8 ± 1.8) kg/m2。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前3 h內(nèi)未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，穿著服裝均較為合體，無緊繃或其他不適感。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在溫度為(32±0.5) ℃，相對(duì)濕度為(50±5)%，風(fēng)速小于0.1 m/s的人工氣候倉(cāng)(日本ESPEC公司)中進(jìn)行。每個(gè)受試者在連續(xù)2天內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，分別穿著傳統(tǒng)軍訓(xùn)服(未添加相變材料)或相變降溫軍訓(xùn)服。相變材料每次實(shí)驗(yàn)前應(yīng)在5 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保證完全凝固。實(shí)驗(yàn)開始前10 min將相變材料從冰箱中拿出，裝入軍訓(xùn)服內(nèi)口袋中，使其表面溫度升至12 ℃左右，避免由于初始溫度過低導(dǎo)致過冷現(xiàn)象。

受試者提前30 min進(jìn)入室溫為(20±2) ℃的實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)環(huán)境，達(dá)到熱平衡狀態(tài)[26](TSK=32～34 ℃)。實(shí)驗(yàn)開始前，采用ICS439型體重秤(瑞士METTLER-TOLEDO AG公司)稱取各部分服裝質(zhì)量和受試者的裸體體重，將DS1921G型i-button溫濕度傳感器(美國(guó)Maxim Integrated公司)用醫(yī)用膠帶(美國(guó)3 M公司)固定于受試者皮膚表面。受試者穿著統(tǒng)一的T恤、襪子、運(yùn)動(dòng)鞋和軍訓(xùn)服。稱量著裝后開始實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)60 min：在F63型跑步機(jī)(美國(guó)SOLE公司)上以4.2 km/h的速度運(yùn)動(dòng)40 min，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后在環(huán)境艙內(nèi)靜坐20 min，如圖2所示。期間，每隔10 min詢問受試者的主觀感受，包括整體、上半身和下半身的熱感、濕感、舒適感。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再次稱取受試者的著裝體重、裸體體重以及各部分服裝質(zhì)量。

圖2 人體著裝實(shí)驗(yàn)

2.3 測(cè)試指標(biāo)

2.3.1 皮膚溫度

采用i-Button溫度傳感器測(cè)量10個(gè)位置的皮膚溫度[22-24]：額頭(A)、胸部(B)、前臂(C)、手背(D)、腹部(E)、上臂(F)、肩胛(G)、腰部(H)、大腿(I)、小腿(J)。根據(jù)ISO 9886—2004《人類工效學(xué).通過生理測(cè)量評(píng)估熱應(yīng)變》，平均皮膚溫度(TSK)、平均軀干溫度(Ttorso)計(jì)算公式分別為：

TSK=0.07×(TA+TF+TC)+0.175×(TG+TB)+

0.05×TD+0.19×TI+0.2×TJ

(1)

Ttorso=0.25×(TB+TG+TE+TH)

(2)

式中：TSK為平均皮膚溫度，Ttorso為平均軀干溫度，TA為額頭溫度，TF為上臂溫度，TC為前臂溫度，TG為肩胛溫度，TB為胸部溫度，TD為手背溫度，TI為大腿溫度，TJ為小腿溫度，TE為腹部溫度，TH為腰部溫度，其單位均為℃。

2.3.2 主觀感受

本文實(shí)驗(yàn)采用的主觀評(píng)價(jià)包括3個(gè)主觀感受(熱舒適感、熱感、濕感)，評(píng)價(jià)標(biāo)尺如表1～3所示。

表1 熱舒適感主觀比例標(biāo)尺

表2 熱感主觀比例標(biāo)尺

表3 濕感主觀比例標(biāo)尺

2.3.3 出汗量、汗液蒸發(fā)量及汗液蒸發(fā)率

實(shí)驗(yàn)前后用體重秤稱量受試者的裸體體重、著裝體重，以及各部分服裝的質(zhì)量，計(jì)算出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率，計(jì)算公式如下：

Sp=W0-W1

(3)

Sp′=W0′-W1′

(4)

(5)

式中：Sp為出汗量，g；W0和W1分別為實(shí)驗(yàn)前后受試者的裸體體重，g；Sp′為汗液蒸發(fā)量，g；W0′和W1′分別為實(shí)驗(yàn)前后受試者的著裝體重，g；φ為汗液蒸發(fā)率。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS V.20.0軟件(國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差(Two-way repeated ANOVA)分析比較降溫軍訓(xùn)服和傳統(tǒng)軍訓(xùn)服的平均皮膚溫度和局部皮膚溫度的差異。當(dāng)主效應(yīng)顯著時(shí)，則進(jìn)一步用Bonferroni法進(jìn)行事后檢驗(yàn)，比較2件服裝各指標(biāo)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的差異(以10 min為間隔)。

采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較穿著降溫軍訓(xùn)服與傳統(tǒng)軍訓(xùn)服時(shí)的主觀感受(熱感、濕感和舒適感)、出汗量和汗液蒸發(fā)率之間是否存在顯著性差異。

當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果p< 0.05時(shí)，則判定2組之間的差異有顯著性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 降溫軍訓(xùn)服對(duì)皮膚溫度的影響

胸部、腹部、肩胛和后腰是相變材料的主要覆蓋部位，局部皮膚溫度變化如圖3所示?？煽闯鱿嘧兘禍剀娪?xùn)服顯著降低了軀干部位的皮膚溫度。其中，局部皮膚溫度相差最大的部位在肩胛，最大降低3.83 ℃；其次在后腰，最大降低2.58 ℃；腹部最大降低1.88 ℃；胸部最大降低1.61 ℃。相變降溫軍訓(xùn)服對(duì)不同部位的降溫影響不同，主要與相變材料的覆蓋位置和覆蓋面積有關(guān)。

注：*表示p<0.05，下同。圖3 局部皮膚溫度

在穿著降溫軍訓(xùn)服的前10 min，肩胛和后腰的溫度明顯降低，這是由于后背部位與相變材料接觸更緊密，相變材料的吸熱效果更明顯，從而降低了肩胛和后腰的皮膚溫度。

平均皮膚溫度變化如圖4所示?？梢钥闯觯禍剀娪?xùn)服和傳統(tǒng)軍訓(xùn)服的平均皮膚溫度在10 ～ 60 min均有顯著差異(p< 0.05)，說明相變材料顯著降低了受試者的熱生理溫度。

圖4 平均皮膚溫度

Mitchell D等[25]的研究表明，人體熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度為32～34 ℃，當(dāng)平均皮膚溫度超過35 ℃時(shí)，90 %的人會(huì)感覺到熱；31.5 ℃是舒適的下緣，大部分人會(huì)感到?jīng)鏊?。傳統(tǒng)軍訓(xùn)服的平均皮膚溫度在10 min后已超過34 ℃，30 min后超過35 ℃；而降溫軍訓(xùn)服在前40 min的運(yùn)動(dòng)階段均未超過35 ℃，說明相變材料能緩解軍訓(xùn)服著裝者的熱應(yīng)激反應(yīng)。但休息階段，降溫軍訓(xùn)服的平均皮膚溫度仍繼續(xù)上升，主要與相變材料完全融化而失去降溫效果有關(guān)。

平均軀干溫度變化如圖5所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，穿著降溫軍訓(xùn)服的受試者的平均軀干溫度均顯著低于傳統(tǒng)軍訓(xùn)服(p< 0.05)，最高平均軀干溫度分別為34.79 ℃和35.64 ℃。可見，由于軀干部位服裝為相變材料的主要添加位置，明顯減緩了皮膚溫度的上升。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程內(nèi)，降溫軍訓(xùn)服的平均軀干溫度上升緩慢，且均未超過34 ℃，著裝者處于熱舒適的狀態(tài)。

圖5 平均軀干溫度

3.2 降溫軍訓(xùn)服對(duì)出汗量和汗液蒸發(fā)的影響

受試者分別穿著傳統(tǒng)軍訓(xùn)服和降溫軍訓(xùn)服實(shí)驗(yàn)前后的出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率，見表4。可以看出，受試者穿著降溫軍訓(xùn)服的平均出汗量比穿著傳統(tǒng)軍訓(xùn)服時(shí)低42.43 g，說明相變材料的降溫效果有效抑制了著裝者的出汗程度。但降溫軍訓(xùn)服的汗液蒸發(fā)率低于傳統(tǒng)軍訓(xùn)服3.1%，這是由于服裝添加有一層相變材料，相變材料的透氣透濕性能較差，且測(cè)試結(jié)果表明相變材料間隙分布越緊密，透氣透濕性越差[26]，因此相變材料封裝包的添加反而降低了降溫軍訓(xùn)服的透濕性能。

表4 受試者的平均出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率

3.3 降溫軍訓(xùn)服對(duì)主觀熱濕舒適感的影響

圖6是受試者上半身主觀熱濕舒適感的平均值對(duì)比圖。從圖中可以看出，受試者穿著降溫軍訓(xùn)服時(shí)上半身的主觀舒適感、熱感和濕感均優(yōu)于傳統(tǒng)軍訓(xùn)服。2種服裝條件下，受試者上半身的舒適感在10～50 min有顯著差異(p<0.05)，熱感和濕感在10～60 min有顯著差異(p<0.05)，說明相變材料的添加，使著裝者感到更加舒適、涼爽且出汗更少。

圖6 主觀感受對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，受試者整體的主觀熱濕舒適感與上半身的感受接近，且SPSS數(shù)據(jù)分析顯示受試者穿著降溫軍訓(xùn)服時(shí)整體的舒適感、熱感及濕感均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)軍訓(xùn)服。由于下裝未作改良，受試者下半身的熱濕舒適感不具有顯著性差異(p>0.05)。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用相變材料，設(shè)計(jì)了一款降溫軍訓(xùn)服。通過人體著裝實(shí)驗(yàn)，獲得著裝者的皮膚溫度、出汗量和主觀熱濕舒適感。與傳統(tǒng)軍訓(xùn)服進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相變材料的應(yīng)用使著裝者的局部皮膚溫度、平均皮膚溫度與平均軀干溫度均有顯著性降低，其中肩胛部位降溫效果最明顯，最大降低3.83 ℃，平均皮膚溫度最大降低0.95 ℃，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中皮膚溫度均為超過35 ℃；受試者的出汗量明顯減少，平均出汗量降低42.43 g；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，穿著降溫軍訓(xùn)服時(shí)，受試者的主觀熱濕舒適感也顯著提高。

在后續(xù)的研究中，可通過改變相變材料的分布規(guī)律以及添加方式，進(jìn)一步提高相變降溫服裝的熱防護(hù)效果以及透氣透濕性。