面料構(gòu)成對(duì)服裝熱濕傳遞性能的影響

張 悅，戴曉群

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

隨著物質(zhì)生活水平的提高、科技的發(fā)展，人們對(duì)服裝的要求愈來愈高，著裝舒適性成為服裝設(shè)計(jì)中重要的考慮因素。服裝舒適性是人體對(duì)所穿著服裝的綜合評(píng)價(jià)，包括熱濕舒適性、接觸舒適性和視覺舒適性三個(gè)方面[1]。其中，熱濕舒適性是人體-服裝-環(huán)境相互作用的結(jié)果[2]，它是指人體著裝后在不同氣候環(huán)境中人體的產(chǎn)熱及向環(huán)境的散熱達(dá)到平衡時(shí)，感到既不冷又不熱、既不悶又不濕的舒適滿意的服裝性能[3]。

人體產(chǎn)熱由人體的活動(dòng)水平?jīng)Q定，人體散熱通過對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射和蒸發(fā)等方式透過服裝向環(huán)境散熱(或者由環(huán)境吸熱)，產(chǎn)熱和散熱的平衡是體溫恒定的基本條件。如圖1所示，服裝是人體與環(huán)境間熱濕傳遞的阻擋層，因而是影響熱濕舒適性的決定性因素。盡管在寒熱環(huán)境中，服裝的開口設(shè)計(jì)、多層搭配等都會(huì)影響其熱濕舒適性，對(duì)溫?zé)岘h(huán)境中單層著裝而言，面料的構(gòu)成是影響服裝熱濕舒適性最主要因素。本文通過檢索大量國內(nèi)外面料熱濕傳遞及服裝熱濕舒適性相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)該研究的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析面料構(gòu)成對(duì)服裝熱濕舒適性的影響，旨在為面料的熱濕性能設(shè)計(jì)及服裝設(shè)計(jì)中面料的選擇提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖1 人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)熱濕傳遞示意圖

1 服裝熱濕傳遞性能的評(píng)價(jià)方法

1.1 針對(duì)面料熱濕傳遞性能的評(píng)價(jià)

大部分文獻(xiàn)中都對(duì)面料熱濕傳遞性能進(jìn)行了測試。熱傳遞性能常用的指標(biāo)有透氣率、熱傳導(dǎo)率、保溫率和熱阻[4-10]。透氣性指織物兩面存在壓差時(shí)，織物透過空氣的性能，透氣率是反映對(duì)流散熱的一個(gè)重要指標(biāo)，可根據(jù)GB/T 5453標(biāo)準(zhǔn)使用全自動(dòng)透氣量儀測量獲得。熱傳導(dǎo)率是反映傳導(dǎo)散熱的指標(biāo)，指單位截面、單位長度的材料在單位溫差下、單位時(shí)間內(nèi)直接傳導(dǎo)的熱量，由式(1)計(jì)算得到，通常使用KES-F7精密瞬間熱物性測試儀測量。保溫率和熱阻是對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射散熱的綜合結(jié)果。保溫率是指有無面料時(shí)的散熱量之差與無面料時(shí)的散熱量之比的百分率，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T11048 A法使用平板式織物保溫儀測量。熱阻是織物兩面的溫差與垂直通過織物單位面積的熱流量之比，可以最直觀的反映面料的熱傳遞性，織物的總熱阻由式(2)計(jì)算得到，可按照GB/T11048標(biāo)準(zhǔn)使用iSGHP熱阻濕阻測試儀進(jìn)行測量。圖2示意了熱傳導(dǎo)率和熱阻測量方法。

(a)熱傳導(dǎo)率測試[11] (b)熱阻測試[11]

(1)

式中：k——熱傳導(dǎo)率，W/(m·℃)；

W——熱通量，W；

d——厚度，m；

A——試樣測試面積，m2；

ΔT——溫度差，℃。

(2)

式中：Rct——面料的總熱阻，m2·℃/W；

Ts——熱板表面溫度，℃；

Ta——環(huán)境溫度，℃；

A——熱板測試區(qū)域表面積，m2；

Hd——干熱散失量，W。

面料濕傳遞性能測試中常用指標(biāo)是透濕率和濕阻[12-15]。透濕性是濕氣透過織物的性能，一般用透濕率來表示，由式(3)計(jì)算得到，可以采用GB/T12704標(biāo)準(zhǔn)利用透濕杯測量獲得。濕阻也稱為蒸發(fā)阻抗，是織物兩邊的水蒸氣壓力差與垂直通過織物單位面積的蒸發(fā)熱流量之比[5]，是最直觀反映面料濕傳遞性的指標(biāo)，由式(4)計(jì)算得到，根據(jù)GB/T 11048標(biāo)準(zhǔn)使用iSGHP熱阻濕阻測試儀測量，測量時(shí)需在熱板上鋪一層透濕薄膜，測試在一定水蒸氣分壓差下，透過面料的蒸發(fā)散熱量。

(3)

式中：WVT——透濕量，g/(m2·d)；

Δm——同一試樣組合體兩次稱量之差，g；

S——試樣面積，m2；

t——試測時(shí)間，h。

(4)

式中：Ret——面料的總濕阻，m2·Pa/W；

Ps——熱板表面水蒸氣分壓力，Pa；

Pa——環(huán)境水蒸氣分壓力，Pa；

A——熱板測試區(qū)域表面積，m2；

He——蒸發(fā)散熱量，W。

1.2 針對(duì)服裝熱濕傳遞性能的評(píng)價(jià)

1.2.1 客觀物理指標(biāo)測量

面料制成服裝后穿著時(shí)在各個(gè)身體部位會(huì)形成不同衣下空氣層，導(dǎo)致服裝性能有別于面料性能，因此不能簡單地以面料性能代表服裝性能。目前在服裝熱濕傳遞性能測試中最常用的指標(biāo)是服裝的熱阻和濕阻，暖體假人是測量服裝熱阻、濕阻的工具，能對(duì)單層和多層服裝的熱濕傳遞性能測試，進(jìn)行客觀測量[16-20]。暖體假人將人體分為34個(gè)獨(dú)立控制的熱能區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的測試原理與面料熱阻濕阻儀相同，由可穿脫的織物表層作為發(fā)汗皮膚層，可以模擬人體的熱調(diào)節(jié)機(jī)制，能分別控制皮膚表面溫度、熱流量以及出汗速率，根據(jù)假人單位面積通過的熱流量可以計(jì)算各個(gè)區(qū)域熱阻、濕阻[21]。服裝的總熱阻、總濕阻可以看成是各個(gè)區(qū)域的局部熱阻、濕阻的并聯(lián)或者串聯(lián)的結(jié)果，有并行和串行兩種計(jì)算方法。

1.2.2 著裝熱濕生理指標(biāo)測試和主觀評(píng)價(jià)

著裝人體的熱生理狀態(tài)反映了服裝的熱濕舒適性能[22]，目前的文獻(xiàn)中用心率、核心溫度、皮膚溫度、衣下微環(huán)境溫濕度等指標(biāo)反映熱生理狀態(tài)[23-30]。在進(jìn)行服裝熱濕舒適性的相關(guān)研究時(shí)，使用心率儀和直腸熱敏傳感器分別測量心率、核心溫度在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)間的變化，使用溫濕度傳感器監(jiān)測皮膚溫度和衣下微環(huán)境溫濕度變化。紅外熱像儀在多項(xiàng)研究中[31-35]被用來測量大面積的皮膚溫度分布，也可以用于測量穿著服裝時(shí)任一時(shí)間點(diǎn)的服裝表面溫度分布，是評(píng)價(jià)服裝熱濕性能的一種間接手段。

1.2.3 主觀穿著評(píng)價(jià)

服裝熱濕舒適性主觀評(píng)價(jià)的研究通過在一定溫濕度環(huán)境下進(jìn)行人體穿著實(shí)驗(yàn)，受試者根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的問卷對(duì)穿著服裝過程中的粘感、熱感、冷感、濕感、悶感等進(jìn)行主觀評(píng)分[36-37]。進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)根據(jù)GB/T 18049-2017標(biāo)準(zhǔn)使用PMV(Predicted Mean Vote)指標(biāo)對(duì)服裝的熱濕舒適性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。PMV指標(biāo)分為7級(jí)，取值范圍-3到3，依次表示從冷到熱。

2 面料構(gòu)成對(duì)服裝熱濕性能的影響

2.1 纖維成分

Brazaitis等人[23]在實(shí)驗(yàn)中選擇滌綸和棉兩種纖維成分的T恤進(jìn)行研究，經(jīng)過面料熱濕傳遞性能的測試發(fā)現(xiàn)滌綸織物比棉織物具有更高的透氣性，但透濕性較低。在穿著運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)穿著滌綸織物的受試者在運(yùn)動(dòng)后皮膚溫度更快地恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前的水平并改善了熱感和發(fā)抖/出汗的感覺。Yao[38]發(fā)現(xiàn)棉織物的吸濕性和熱阻高于滌綸織物，在輕微寒冷的環(huán)境中穿著棉質(zhì)睡衣更舒適。Kamijo等人[39-40]在絹絲T恤衫的舒適性評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)在夏季環(huán)境條件下，與純棉襯衫相比，絹絲襯衫穿著過程中的皮膚溫度較低，悶熱感較低。

Karaca等人[7]發(fā)現(xiàn)改變纖維的橫截面形狀可以改變織物的熱阻、濕阻和透氣率等，研究中改性處理后的三葉形滌綸纖維制成的斜紋織物熱阻、濕阻更高，中空滌綸纖維制成的織物具有更高的熱傳導(dǎo)率，但其濕阻和透氣率值較低。Splendore等人[6,26]在改性織物與傳統(tǒng)織物的對(duì)比性研究中發(fā)現(xiàn)改性滌綸織物的液態(tài)水管理性更好，但干熱和水蒸氣傳遞性能稍差，在出汗適度時(shí)改性滌綸襯衫平均評(píng)價(jià)為較舒適，但當(dāng)劇烈運(yùn)動(dòng)后織物變得不再舒適。

構(gòu)成織物的纖維成分是影響服裝熱濕舒適性的主要因素，不同的纖維在制成服裝后會(huì)導(dǎo)致穿著者產(chǎn)生不同的生理響應(yīng)[41]。國內(nèi)外研究表明親水性天然纖維制成的服裝面料在熱濕性能上可能比化學(xué)纖維更優(yōu)越，但在出汗后服裝的舒適性會(huì)有所下降；經(jīng)改性處理的化學(xué)纖維制成織物后被賦予更好的熱濕傳遞性能，在保持服裝熱濕舒適性上更優(yōu)越。

2.2 紗線結(jié)構(gòu)

張華等人[42]測試分析了5種不同混紡比的錦綸/棉混紡織物的熱濕舒適性能，結(jié)果表明混紡織物中錦綸纖維含量在30%時(shí)織物透氣性最好，比例達(dá)到60%時(shí)織物透濕性最好。Hassan等人[8]在滌棉混紡織物的熱濕性能測試中發(fā)現(xiàn)65/35滌/棉混紡織物吸濕性低于100%棉織物，透氣和透濕率低于100%滌綸織物。在真人穿著持續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中65/35滌/棉混紡的熱濕舒適性優(yōu)于100%棉的服裝，低于100%滌綸服裝。Chinnasamy等人[43]在竹/棉混紡比例對(duì)單面針織面料熱舒適性的影響研究中，發(fā)現(xiàn)織物中竹纖維比例的增加會(huì)影響熱舒適性，隨著竹纖維在紗線中的比例增加，織物的熱傳導(dǎo)率降低，濕阻和透氣率增加。Khatun等人[44]在研究線密度對(duì)夏季襯衫面料透氣性的影響中發(fā)現(xiàn)線密度的增加會(huì)導(dǎo)致紗線空隙減少以及織物厚度的增大，從而導(dǎo)致織物透氣性降低。

近年來的多項(xiàng)研究表明面料的熱濕傳遞性能會(huì)隨著紗線中纖維混紡比例的改變而發(fā)生變化，尤其體現(xiàn)在織物的透濕性和吸濕性方面；紗線線密度會(huì)影響紗線間空隙的大小和織物的厚度，紗線空隙大小又會(huì)使織物含氣量發(fā)生變化，從而改變面料的透氣性，對(duì)面料熱濕傳遞性能產(chǎn)生影響。

2.3 面料結(jié)構(gòu)

Stoffberg等人[45]通過測量26種商用西裝面料的單位面積質(zhì)量、面料厚度等織物參數(shù)，在面料熱濕性能測試中獲得面料的透氣性、透濕率、熱阻和濕阻，研究發(fā)現(xiàn)織物參數(shù)中尤其是單位面積質(zhì)量、面料厚度是影響面料熱濕傳遞的主要因素。Umair等人[46]在探究機(jī)織物結(jié)構(gòu)對(duì)透氣性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與平紋織物相比，采用斜紋組織的織物可顯著改善透氣性。Nielsen等人[4]測量了5種不同結(jié)構(gòu)針織內(nèi)衣的熱阻、濕阻，結(jié)果表明不同的針織結(jié)構(gòu)會(huì)造成內(nèi)衣的熱阻和濕阻不同，并且在進(jìn)行真人間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)衣針織結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致人體平均皮膚溫度、平均皮膚濕度存在顯著差異。

無論是針織物還是機(jī)織物，面料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)熱濕傳遞性能的影響是顯著的，面料的單位面積質(zhì)量、厚度、密度等都是造成熱濕性能差異的原因，這種差異在著裝后主要體現(xiàn)在穿著者皮膚溫度、濕度的不同。

2.4 面料后整理

Splendore等人[26]等將滌綸面料經(jīng)過活性炭改性處理后制成長袖襯衫，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)出汗適度時(shí)，由于添加活性炭的滌綸襯衫吸濕能力增強(qiáng)，可以輕松去除皮膚上的濕氣，能給穿著者帶來舒適感。Bhuiyan等人[47]通過在棉織物上添加超吸收性聚合物涂層，改善了棉織物的熱阻和濕阻，由于汗液在皮膚或內(nèi)衣上的積聚減少，從而大大提高了織物的熱舒適性。Yang等人[48]通過疏水整理開發(fā)了8個(gè)樣品，面料的疏水性改善了織物在單向水傳輸和熱濕舒適性方面的性能。Dalbai等人[49]在研究經(jīng)過各種后整理的襯衫亞麻織物的熱濕舒適性時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有整理均改善了亞麻織物的導(dǎo)熱率和熱阻值，而且將酶、柔軟劑和交聯(lián)劑一起應(yīng)用于織物時(shí)，可獲得最高的濕阻。

由此可見，通過面料的后整理，例如親水、疏水或單向?qū)裉幚怼⒃诳椢镏屑尤牖钚蕴坎牧系?，在一定程度上能引起面料熱濕傳遞性能的變化，以此來改變服裝的熱濕舒適性。

3 結(jié)語

熱濕舒適性研究中采用的評(píng)價(jià)方法有面料和服裝兩個(gè)層面：面料測量主要是熱濕傳遞性能；服裝測量除客觀的熱濕性能外，還有穿著實(shí)驗(yàn)中人體熱濕生理指標(biāo)測試和主觀評(píng)價(jià)。面料從纖維成分和斷面形態(tài)、紗線粗細(xì)和結(jié)構(gòu)、織物組織和結(jié)構(gòu)、面料后整理各個(gè)方面都對(duì)面料熱濕傳遞及服裝的熱濕性能有復(fù)雜的影響。目前全面系統(tǒng)性研究缺乏，很難對(duì)某個(gè)方面的影響做簡單結(jié)論，服裝熱濕性傳遞影響機(jī)制更是有待進(jìn)一步研究。