充氣保暖復合面料厚度與熱阻的相關性分析

苗 雪, 王永進, 王方明

(1. 北京服裝學院 服裝藝術與工程學院, 北京 100029; 2. 蘇州市興豐強紡織科技有限公司, 江蘇 蘇州 215227)

隨著人們生活水平的提升,選擇保暖服裝時已經不只局限于滿足日常保暖需求,更多是追求服裝的輕便、美觀等功能。充氣保暖服作為有潛力代替羽絨服等的一類新型環(huán)保類保暖服裝,近來受到廣泛關注和喜愛,也成為了服裝行業(yè)的一個研究熱點。目前已有不少關于充氣服的研究報道,蘇文楨等[1]針對充氣服裝的保暖性能進行了測試,證明了充氣服裝在一定程度上具有動態(tài)調節(jié)保暖效果的功能[2];周冰潔[3]根據人體肌肉線條分布特點對充氣服進行了研發(fā)設計,進一步推廣了充氣技術在服裝領域的應用;郝靜雅等[4]驗證和分析了充氣保暖服的熱濕舒適性,發(fā)現(xiàn)當充氣馬甲的充氣厚度為20 mm時保暖效果最佳;韓志清等[5]針對充氣防寒服的開口設計進行了研究,為充氣服的結構設計提供了參考;王卓然[6]探討了充氣服的設計方法;崔彥[7]根據充氣調溫材料開發(fā)了智能控制系統(tǒng),改善了充氣服的功能。

在充氣保暖服相關研究中,針對充氣復合面料自身的研究相對較少,而服裝的保暖性受多種因素影響,其中服裝材料是影響其保暖性的重要因素[8]。材料的保暖性能主要取決于材料的導熱系數(shù),靜止空氣的導熱系數(shù)最小[9],因此通常作為提升服裝材料保暖性的理想材料,充氣保暖功能服裝也正是利用了這個原理。目前針對空氣層保暖效果研究的人較多,如:毛雷等[10]的研究顯示,空氣層可以增加服裝保暖效果,且空氣層厚度并非越大保暖效果越好,存在最佳值;孫佳慧等[11]通過實驗探究了空氣層對保暖性能的影響,發(fā)現(xiàn)空氣層厚度小于10 mm時保暖性能較好。但是,針對充氣量、充氣復合面料厚度與保暖性之間的關系研究相對較少,而探究充氣復合面料厚度與熱阻之間的關系十分必要。本文針對此問題開展研究,通過探究充氣量、充氣復合面料厚度與熱阻之間的關系,建立相關模型,以期為企業(yè)及研究人員開發(fā)充氣保暖服提供理論參考。

1 實驗設計

1.1 充氣復合面料制作

通過市場調研選取了最常用的不同花型的高密度復合面料(蘇州市興豐強科技有限公司提供)。圖1 為復合面料的結構示意圖[12]?？梢钥吹?復合面料由面布、聚氨酯(PU)膜、待充氣層(空氣通道)、PU膜、底布構成,具有5層結構。通過高溫壓燙對復合面料的面布和底布進行熱塑性聚氨酯(TPU)覆膜,采用3D膠合技術[13]將面料壓出花型,中間留出充氣空間。對復合面料進行封邊、安裝氣嘴,通過手動按壓充氣膠球通入氣體,制成40 cm×40 cm充氣復合面料作為測試試樣。本文實驗選取了12種不同復合面料、3種壓膠花型進行實驗,PU膜相同,均為具有透濕性能的高密度聚氨酯膜,充氣復合面料基本信息如表1所示。表中的面布、底布所用的經紗與緯紗線密度相同。圖2為充氣復合面料壓膠花型示意圖。實驗分別測試了5種不同充氣狀態(tài)下的充氣復合面料厚度及熱阻,探究不同充氣復合面料、不同充氣量對充氣復合面料厚度及熱阻的影響規(guī)律。充氣量的多少通過外部充氣膠球及充氣軟管進行手動控制。

表1 充氣復合面料基本信息

圖1 復合面料5層結構示意圖

圖2 充氣復合面料試樣花型示意圖

1.2 充氣量標準的確定

通過外界條件向試樣內部充入氣體,通常采用的方式有手捏膠球形式及充氣泵形式等。由于目前在充氣量的確定上,還沒有相應的國家標準或行業(yè)標準,為便于后續(xù)實驗操作,需要確定統(tǒng)一的實驗標準。首先需要對試樣的充滿狀態(tài)進行標準化測試,即對試樣進行充氣極端臨界測試。本文實驗是測試試樣在充滿狀態(tài)下膠球的按壓次數(shù),以聽到面料輕微撕裂聲時為100%充氣量標準,據此分別設定30%、50%、70%充氣量,同時測試復合面料本身的厚度及熱阻,即定義為充氣狀態(tài)為0%時的充氣量。不同的壓膠形狀決定了充氣量的多少,從而又決定了充氣復合面料的厚度。為探究對充氣復合面料熱阻的影響因素,本文分別測試12種復合面料在設定的5種充氣狀態(tài)(0%、30%、50%、70%、100%)下的厚度和熱阻,探究其影響規(guī)律。

本文實驗充氣標準的確定是根據充氣復合面料試樣在臨界撕裂狀態(tài)時的極限測試作為充滿狀態(tài),而非正常人體著裝充氣服時的充滿狀態(tài)。著裝時還需考慮充氣后的內部氣壓狀態(tài)以及著裝舒適性等因素,穿著充氣服的充滿狀態(tài)通常為試樣極端充滿狀態(tài)的一半左右,也可以根據需求進行充氣量的調整。

1.3 充氣復合面料厚度及熱阻測試

1.3.1 實驗設備

YG141 L數(shù)字式織物厚度儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司);YG186蓬松織物測厚儀(寧波紡織儀器廠);M295B熱阻濕阻測試儀(錫萊-亞太拉斯有限公司);電子游標卡尺(昆山杰斯特精密儀器有限公司);長度為40 cm的充氣軟管、充氣膠球、鋼板尺,市售。

1.3.2 充氣復合面料試樣厚度測試

依照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》,對5種不同充氣狀態(tài)下充氣試樣進行厚度測試,即統(tǒng)計0%、30%、50%、70%、100%充氣量時,充氣復合面料的厚度。根據織物厚度測量標準及5種狀態(tài)下的充氣復合厚度范圍,采用不同設備參數(shù)與標準。當充氣量為0%時,即測試復合面料自身厚度,參照普通類織物樣品參數(shù),壓膠面積為(2 000±20) mm2,加壓時間為(10±2 ) s,使用數(shù)字式織物厚度儀測試;充入氣體后試樣變得蓬松,當厚度小于20 mm時,參照蓬松類織物參數(shù),壓腳面積為(20 000±100 ) mm2,加壓時間為(10±2) s,使用數(shù)字式織物厚度儀測試;當厚度大于20 mm時,參照蓬松類織物測試方法,使用蓬松織物測厚儀進行測試。每次實驗測量5次取平均值,對數(shù)據進行統(tǒng)計與分析。

1.3.3 充氣復合面料試樣熱阻測試

依照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》,控制熱阻濕阻測試儀實驗板溫度為(35±0.1) ℃,氣候室內溫度為(20±0.1) ℃,相對濕度為(65±3)%,空氣流速為(1±0.05) m/s,使儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)后,將試樣放入空氣室內進行測試。充氣復合面料試樣熱阻Rct計算公式為

式中:Tm為實驗板表面溫度,℃;Ta為氣候室空氣溫度,℃;A為熱板表面積,m2;H為提供給測試面板的加熱功率,W;ΔHc為熱阻測定中加熱功率的修正量,W;Rct0為熱阻測定的儀器常數(shù),m2·K/W。

分別測試每種試樣在5種充氣狀態(tài)下的熱阻值。注意需要隨著充氣復合面料試樣厚度的不同,調整熱阻濕阻測試儀吹風口的高度,保持在1.5 cm,當試樣厚度較大時,為防止邊緣能量散失,需要在試樣周圍放置相應厚度的黑色泡沫邊框,以減小測試誤差。實驗儀器每15 min出1組數(shù)據,每次實驗取3組有效數(shù)據,計算平均值。

1.4 實驗數(shù)據處理

對實驗結果進行數(shù)據統(tǒng)計,利用Excel進行數(shù)據統(tǒng)計整理,使用spss軟件對數(shù)據進行單因素分析、相關性及多重比較分析。首先通過皮爾遜相關性分析,分別對各影響因素進行相關性分析,探究充氣量對充氣復合面料厚度、熱阻的影響,并進行擬合回歸分析,建立擬合方程得出相關關系模型。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

圖3示出12種試樣不同充氣量下的厚度測試結果?？梢钥闯?12種試樣的厚度均隨充氣量的增加而變大。在充氣量為0%時,試樣7#厚度最小(0.33 mm)、10#厚度最大(1.37 mm);當充氣量為30%時,試樣7#厚度最大(9.33 mm);充氣量為50%時,試樣11#厚度最大(25.67 mm),試樣6#厚度最小(14.67 mm),試樣厚度之間差異性較為顯著;當充氣量為70%時,試樣10#厚度最大(47.00 mm),試樣1#厚度最小(29 mm),差異性非常顯著;當充氣量為100%時,試樣12#厚度最大(55.67 mm),試樣3#厚度最小(35.00 mm),差異性顯著。實驗結果表明,充氣量決定充氣復合面料試樣厚度的大小,試樣厚度隨充氣量的增加而增大,當充氣量較少時,不同試樣的厚度差異性較小,隨充氣量的增加,不同試樣之間厚度差異性較為顯著。

圖3 充氣復合面料厚度實驗結果

圖4示出12種充氣復合面料熱阻實驗結果。測試結果顯示:當充氣量為0%時,試樣7#熱阻最小(0.120 2 m2·K/W),試樣10#熱阻最大(0.196 3 m2·K/W),試樣7#面料本身的厚度最小且保暖性最差,試樣10#面料本身的厚度最大且熱阻最大,最為保暖;當充氣量為30%時,試樣1#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當充氣量為50%時,試樣2#熱阻最小,試樣10#熱阻最大,且與其它試樣熱阻差異性顯著;當充氣量為70%時,試樣7#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當充氣量為100%時,試樣7#熱阻最小,試樣2#熱阻最大。

圖4 充氣復合面料熱阻實驗結果

實驗結果表明,充氣復合面料試樣熱阻與面料自身的性能有關,試樣10#的底布面料為搖粒絨面料,所以熱阻值相對較大,且與其它面料差異性較為顯著,從整體看充氣復合面料試樣熱阻隨充氣量的增加先上升后趨于穩(wěn)定。

2.2 多因素相關性分析

對實驗數(shù)據進行分析,首先通過皮爾遜相關性分析,探究不同復合面料、充氣量、充氣復合面料厚度及熱阻4個因素之間的相關性,結果如表2所示。復合面料與充氣量、充氣復合面料厚度、熱阻之間的r(皮爾遜相關性系數(shù))值分別為0.000、0.140、0.076,均小于0.3,且p值(檢驗值)均大于0.05,說明復合面料種類這個因素對充氣量、厚度及熱阻相關性不顯著,影響較小,因此,本文實驗可以不考慮復合面料自身對充氣面料厚度和熱阻的影響。充氣量與充氣復合面料厚度及熱阻均呈現(xiàn)較強的顯著性關系,其中充氣量與充氣復合面料厚度的r值為0.946,大于0.8,且p<0.01,證明充氣量與厚度呈現(xiàn)極顯著的正相關關系;充氣量與熱阻之間的r值為0.823,大于0.8,且p<0.01,說明二者之間存在較顯著的正相關關系。充氣量是影響充氣復合面料厚度的直接原因,在不考慮面料對熱阻的影響時,充氣復合面料厚度與熱阻的r值為0.748,說明充氣復合面料厚度與其熱阻存在較強的正相關關系。通過相關性分析可以得出充氣量、充氣復合面料厚度及充氣后熱阻三者之間存在相關性,可以進一步進行回歸分析。

表2 皮爾遜相關性分析

2.3 擬合回歸模型的構建

2.3.1 充氣量與充氣復合面料厚度的關系

根據相關性分析結論,進一步探究充氣量與充氣復合面料厚度之間的關系。通過spss軟件對數(shù)據進行回歸分析,選擇Linear線性回歸函數(shù)進行線性擬合,結果如圖5所示。將12種充氣復合面料厚度實驗數(shù)據并置擬合,得出方程為y=0.401 23x+0.630 3,R2=0.401 46。通過方差分析F檢驗得出F=38.902 0,sig.小于0.05,證明方程模型建立比較成功,說明充氣量與充氣復合面料試樣厚度之間存在正相關關系。

圖5 充氣量與充氣復合面料厚度擬合回歸模型

2.3.2 充氣量與充氣復合面料熱阻的關系

使用Origin軟件將實驗結果繪制散點圖,觀察散點圖的分布發(fā)現(xiàn),充氣量與充氣復合面料熱阻存在線性趨勢,但并不完全呈線性關系,因此進行非線性曲線擬合,結果如圖6所示。將12組數(shù)據并置擬合,選擇Logistic模型,通過Levenberg-Marquardt迭代優(yōu)化算法,得出模型方程y=A2+(A1-A2)/(1+(x/x0)p)。式中:A1為0.138 08±0.007 02;A2為0.433 8±0.307 11;x0為24.629 45±80.197 49;p為0.604 93±1.027 6。擬合優(yōu)度R2=0.906 85,擬合收斂,且達到Chi-sqr容差值,擬合模型建立成功。

圖6 充氣量與熱阻擬合回歸模型

通過殘差分析對方程進行檢驗,可以得出該模型的Durbin-Watson檢驗值在[0,4]之間,且觀察其殘差圖處于相對滿意狀態(tài),證明該擬合模型有價值,因此可以通過充氣量判斷充氣復合面料試樣的熱阻值,二者存在相關性。充氣量越多試樣的熱阻越大,當充氣量較少時,熱阻值提升較快;當充氣量在50%以內時,熱阻值變化最為顯著,保暖效果提升極為明顯;之后隨充氣量的增加,熱阻值趨于平穩(wěn)。

2.3.3 充氣復合面料厚度與其熱阻的關系

圖7 充氣復合面料厚度與熱阻擬合回歸模型

實驗結果證明充氣復合面料厚度越大其熱阻值越大,且厚度在0～20 mm時熱阻值變化最大,保暖效果最為顯著;當厚度超過20 mm時,熱阻值變化較小趨于平穩(wěn),因此,可以認為充氣復合面料厚度通常在20 mm左右保暖性能相對較好且較為穩(wěn)定,可作為充氣保暖服裝厚度的選擇參考依據。同樣也可以根據不同的環(huán)境需求,對其厚度(充氣量)進行調整,從而達到不同的保暖效果。

3 結 論

本文選取充氣保暖服裝市場上常見的12種復合面料,通過測試充氣后的厚度及熱阻,探究不同充氣量、充氣復合面料厚度及其熱阻三者之間的關系,建立了關系模型,并得出以下結論。

1)充氣量越大充氣復合面料厚度越大,二者呈線性分布狀態(tài)。當充氣量較小時,不同充氣復合面料厚度差異性較小;充氣量越大,不同充氣復合面料之間的厚度差異性越顯著。

2)充氣量與熱阻可以建立Logistic模型,當充氣量處于50%以內時熱阻變化較為顯著,保暖效果顯著,隨著充氣量不斷增加,熱阻值逐漸趨于穩(wěn)定。

3)充氣復合面料厚度與熱阻可以建立Logistic模型,充氣后熱阻隨充氣量的增加,呈現(xiàn)先顯著增加后趨于平穩(wěn)的趨勢。充氣復合面料厚度在20 mm左右時,其保暖性能相對較好且較為穩(wěn)定,可以根據需求調整充氣復合面料厚度以達到不同保暖效果。

綜上所述,本文通過實驗證實了充氣復合面料具有調控熱阻功能,且充氣復合面料厚度與熱阻存在一定的相關規(guī)律性,在日常著裝時可以根據所建模型,對充氣量及充氣復合面料厚度進行調整,從而滿足不同環(huán)境下的保暖需求,同時也為相關研究人員提供數(shù)據參考。充氣功能服裝的整體保暖性受服裝面料、款式、著裝方式等多種因素影響,且保暖服裝的功能性和舒適性可能存在相互牽制,如何兼顧保暖性與舒適性,也是未來研究的方向之一。