陳益松，徐 軍，袁春艷

(1.東華大學(xué)服裝和藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051;2.東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

出汗熱護(hù)式熱板儀(后文簡(jiǎn)稱出汗熱板儀)具有模擬人體出汗的能力，從而實(shí)現(xiàn)了面料透濕能力的測(cè)量。濕阻是評(píng)價(jià)面料透濕能力的主要指標(biāo)，但有別于Fick定律所定義的濕阻，出汗熱板儀所測(cè)量的濕阻實(shí)際是蒸發(fā)阻力(evaporative resistance or water vapor resistance)，由 Woodcock［1］在 1962 年提出透濕指數(shù)概念時(shí)的熱濕方程所表達(dá)，該理論引導(dǎo)了出汗熱板儀及出汗暖體假人的研制。在形成ISO標(biāo)準(zhǔn)前，已有多款出汗熱板儀在運(yùn)行［2－3］，德國(guó)Hohenstein研究院針對(duì)出汗熱板儀的工作模式進(jìn)一步規(guī)范提出DIN 54101—1(1991)《使用熱調(diào)節(jié)的人體皮膚模型測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱阻和濕阻》簡(jiǎn)稱“皮膚模型”(skin model)，后被采納為ISO 11092—1993《紡織品生理效應(yīng)穩(wěn)態(tài)熱阻與濕阻的測(cè)量(出汗防護(hù)熱板試驗(yàn))》，并被國(guó)際社會(huì)廣泛接受，陸續(xù)成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 31092—1994《紡織品 生理特性 穩(wěn)態(tài)熱阻與濕阻的測(cè)量(出汗防護(hù)熱板試驗(yàn))》和 ASTM F 1868—02《使用出汗熱板儀測(cè)量服裝面料熱阻和濕阻的標(biāo)準(zhǔn)方法》中的一部分。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(cè)定》中的A型儀器即ISO 11092—1993為原本，但儀器的具體形式有所拓展。

干熱護(hù)式熱板儀(后文簡(jiǎn)稱干式熱板儀)是在出汗熱護(hù)式熱板儀的基礎(chǔ)上［4］附加了出汗系統(tǒng)、吹風(fēng)系統(tǒng)及環(huán)境箱后可構(gòu)成符合ISO 11092—1993標(biāo)準(zhǔn)的出汗熱板儀。美國(guó)MTNW公司生產(chǎn)的SGHP出汗熱板儀和ADL Atlas公司生產(chǎn)的M259B出汗熱板儀為主要代表，本文以這2種出汗熱板儀為研究對(duì)象，對(duì)出汗熱板儀的系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析，并使用SGHP出汗熱板儀在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行試驗(yàn)，以期對(duì)后續(xù)研究和使用提供參考。

1 出汗熱板儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較

最初的出汗熱板儀是在干式熱板儀表面覆蓋一層高吸濕棉織物充當(dāng)模擬出汗皮膚，與最早的出汗暖體假人在干式假人身上穿上一層緊身高吸濕棉織物內(nèi)衣做出汗皮膚相似［5］?，F(xiàn)代出汗熱板儀是由專門設(shè)計(jì)的保水測(cè)量熱板并覆蓋一層隔水透濕的微孔膜構(gòu)成出汗模擬皮膚。在一定環(huán)境條件下，通過(guò)測(cè)量熱板的干熱和濕熱功率就可以計(jì)算出被測(cè)面料的熱阻和濕阻。

1.1 SGHP出汗熱板儀

SGHP出汗熱板儀(后文簡(jiǎn)稱SGHP)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)自ASTM型干式熱板儀［4，6］，它可以實(shí)現(xiàn)ASTM F 1868—02(含ISO11092—1993項(xiàng)目)所規(guī)定的熱阻、濕阻及透濕指數(shù)的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量熱板和側(cè)熱護(hù)板的尺寸又分為SGHP-8.2、SGHP-8.25和SGHP-10.5。圖1示出SGHP出汗熱板儀系統(tǒng)的示意圖。

為了更好地實(shí)現(xiàn)出汗模擬，SGHP的測(cè)量熱板8和側(cè)熱護(hù)板11上表面加工成具有淺薄紋路的顆粒狀形態(tài)以提供含水空間，供水管14通過(guò)多個(gè)均布的水孔向表面供水，纖維素微孔膜6覆蓋在熱板表面，膜下液態(tài)水通過(guò)膜的微孔向外析出并蒸發(fā)形成汗水，但阻止液態(tài)水大量通過(guò)。

圖1 SGHP出汗熱板儀系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Diagram of SGHP sweating hotplate system

為了保證1 m/s環(huán)境空氣均勻流過(guò)測(cè)量熱板，SGHP設(shè)置了距離測(cè)量熱板100 mm的導(dǎo)流板4，為了減少熱板儀的橫向尺寸，將進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)成L型，環(huán)境風(fēng)進(jìn)入測(cè)量區(qū)域前需旋轉(zhuǎn)90°。與熱板儀直接相連通信的環(huán)境空氣溫度傳感器2和相對(duì)濕度傳感器3安裝在L型進(jìn)風(fēng)道上。

SGHP供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙，負(fù)壓儲(chǔ)水箱22內(nèi)的空氣與外界完全隔離，調(diào)節(jié)靜壓管23的水位，使水位顯示管21顯示的水位與熱板儀上表面水平相同或略高，水箱自動(dòng)以該水位向熱板儀供水，由于供水箱密封，箱內(nèi)水位的下降會(huì)在箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓(相對(duì)于大氣壓)，可使輸出水位基本保持不變。圖2示出SGHP供水系統(tǒng)原理圖。

SGHP使用的環(huán)境箱是協(xié)作廠家的產(chǎn)品，具有獨(dú)立的溫濕度控制系統(tǒng)(溫度傳感器16和濕度傳感器17)，但并不與SGHP直接聯(lián)動(dòng)。當(dāng)SGHP自帶的溫濕度傳感器2、3發(fā)現(xiàn)有較大的數(shù)據(jù)偏離時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境箱的溫濕度設(shè)置數(shù)據(jù)。

1.2 M259B出汗熱板儀

M259B出汗熱板儀(后文簡(jiǎn)稱M259B)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是ISO型干式熱板儀，不同于ASTM型的平行結(jié)構(gòu)，其熱護(hù)板為側(cè)熱護(hù)板與底熱護(hù)板連體的U型結(jié)構(gòu)［4］，但它的吹風(fēng)系統(tǒng)和環(huán)境箱是一體的。圖3示出M259B的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖2 SGHP自動(dòng)供水系統(tǒng)Fig.2 SGHP water automatic supplier

圖3 M259B出汗熱板儀系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.3 Diagram of M259B sweating hotplate system

與SGHP不同，M259B的測(cè)量熱板6是由含微孔結(jié)構(gòu)的粉末合金制成，約3 mm厚，供水管11通入該微孔熱板上表面后水分散到合金的微孔內(nèi)部，同樣，纖維素微孔膜4微孔覆蓋在熱板表面形成出汗模擬皮膚。

M259B采用機(jī)電式控制供水系統(tǒng)，使用浮式水位傳感器感知水位，當(dāng)比測(cè)量熱板下降1 mm時(shí)，供水泵向熱板儀補(bǔ)水。這種供水方式為間歇式，具有一定的波動(dòng)性［7］，較SGHP采用靜壓原理自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性略差。

M259B測(cè)量區(qū)域上方是空間較大的環(huán)境箱，環(huán)境箱兩側(cè)在靠近測(cè)量平面處分別有一個(gè)高為55 mm的長(zhǎng)條型出風(fēng)口和吸風(fēng)口。由于測(cè)量熱板上方無(wú)附加導(dǎo)流板，經(jīng)過(guò)熱板的氣流流場(chǎng)必然與具有導(dǎo)流板的SGHP有所不同，同時(shí)，M259B的環(huán)境箱內(nèi)表面的紅外發(fā)射率和吸收率也與SGHP的有機(jī)玻璃導(dǎo)流板的環(huán)境不同，這些因素是否會(huì)引起測(cè)量差異目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

新版本M259B的熱阻和濕阻測(cè)量范圍分別由原來(lái)的0.002～2.0 m2·℃/W和2～1000 m2·Pa/W拓展到0.001～2.0 m2·℃/W 和1 ～1000 m2·Pa/W，減少了薄型面料出現(xiàn)負(fù)值的可能。

2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

ISO 11092—1993規(guī)定，1 m/s風(fēng)速條件下的熱阻和濕阻測(cè)量方法是出汗熱板儀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，很多國(guó)家或區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)基本與之相同或稍作修改，相比之下ASTM F1868—02做了較大的擴(kuò)充，增加了不等溫濕阻、透濕指數(shù)等的測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，也可以根據(jù)需要自定義測(cè)試條件或在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行修改。表1示出使用SGHP常用的測(cè)量項(xiàng)目及相關(guān)的測(cè)試條件。其中，A-Rct、B-Ret在 ISO 11092—1993、GB/T 11048—2008和ASTM F 1868—02中完全一致，而 C-Rct與 C-Ret作為 ASTM F 1868—02標(biāo)準(zhǔn)中的另一子項(xiàng)也經(jīng)常用到。本文使用C-Rct和CRet與 A-Rct、B-Ret進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2.1 熱阻的測(cè)量

在A-Rct與C-Rct的干態(tài)熱阻測(cè)量中，它們的環(huán)境溫度設(shè)定和空氣流速的規(guī)定不同，但都是在熱板儀不充水，也不覆蓋纖維素膜的干態(tài)下進(jìn)行，僅依靠測(cè)量熱板與環(huán)境氣流的熱交換測(cè)量，熱阻測(cè)量的公式為

式中:Rcf為面料的熱阻，℃·m2/W;Rct為熱板儀所測(cè)面料與上表面空氣層的總熱阻，℃·m2/W;Rct0為空板條件下依據(jù)式(2)所測(cè)空氣層的熱阻，℃·m2/W;A為測(cè)量熱板的面積，m2;ts為測(cè)量熱板溫度，℃;ta為環(huán)境空氣溫度，℃;Hc為測(cè)量熱板加熱功率，W;△Hc為熱阻測(cè)量校正功率，在儀器校準(zhǔn)時(shí)確定，W。

2.2 等溫濕阻的測(cè)量

目前尚無(wú)法對(duì)出汗熱板儀有效測(cè)量區(qū)域(測(cè)量熱板部分)的出汗量進(jìn)行精確測(cè)量，難以對(duì)濕阻進(jìn)行直接測(cè)量。B-Ret采用等溫法進(jìn)行測(cè)量，即將環(huán)境氣流的溫度設(shè)定為與測(cè)量熱板一樣的35℃，這樣測(cè)量熱板與環(huán)境氣流之間沒有溫差，也就沒有干熱傳遞，測(cè)量熱板所消耗的功率僅由測(cè)量熱板表面的水蒸發(fā)引起，通過(guò)直接測(cè)量濕熱功率從而避開了實(shí)際出汗量的測(cè)定。該方法濕阻的計(jì)算式為

表1 SGHP常用的測(cè)量項(xiàng)目和測(cè)試條件Tab.1 Common test items and test conditions by SGHP

式中:Ref為面料的濕阻，Pa·m2/W;Ret為熱板儀所測(cè)面料與上表面空氣層的總濕阻，Pa·m2/W;Ret0為空板條件下依據(jù)式(4)所測(cè)流動(dòng)空氣層的熱阻，Pa·m2/W;psf為測(cè)量熱板控制溫度ts下的飽和水蒸氣壓，Pa;φa環(huán)境空氣的相對(duì)濕度，%;測(cè)量熱板纖維素膜下的相對(duì)濕度為100%;He為測(cè)量熱板濕熱功率，W;△He為濕阻測(cè)量校正功率，在儀器校準(zhǔn)時(shí)確定，W。

2.3 不等溫濕阻的測(cè)量

在C-Ret的不等溫法濕阻測(cè)量中，因?yàn)闇y(cè)量熱板與環(huán)境空氣之間存在10℃的溫差，測(cè)量熱板消耗的功率即有溫差引起的干熱傳遞，也有出汗蒸發(fā)引起的濕熱傳遞，由于測(cè)量區(qū)域的出汗量無(wú)法測(cè)量，解決方案就是采用二步測(cè)量法:先在不出汗的狀態(tài)測(cè)量干熱功率，按式(2)進(jìn)行;再在出汗?fàn)顟B(tài)下測(cè)量干濕熱總功率，將干濕熱總功率減去干熱功率即為濕熱功率，則該方法濕阻的計(jì)算公式為

式中:paf為環(huán)境空氣ta下的飽和濕蒸氣壓，Pa;Ht為出汗?fàn)顟B(tài)測(cè)量熱板的總功率消耗，W。

在此標(biāo)準(zhǔn)下，面料本身的濕阻同樣以總濕阻減去空板的濕阻即按式(3)進(jìn)行計(jì)算，但Ret0同樣需要按二步法在空板情況下按式(5)進(jìn)行測(cè)量。但是，面料在干熱阻測(cè)量時(shí)并沒有吸入水分，而在濕阻測(cè)量過(guò)程中，面料是吸入水分的，會(huì)導(dǎo)致在出汗?fàn)顟B(tài)下通過(guò)面料的干熱功率與純干態(tài)測(cè)量時(shí)不一致的問(wèn)題［8－9］，因此在用式(5)計(jì)算時(shí)，會(huì)引入這個(gè)誤差。由于面料吸濕后熱阻會(huì)下降，通過(guò)的干熱功率會(huì)降低，因此按C-Ret測(cè)量，面料的濕阻值相對(duì)于真實(shí)值將偏低。

由于在C-Ret標(biāo)準(zhǔn)下是假定同一面料多層疊加后熱阻和濕阻與面料層數(shù)呈線性關(guān)系，校準(zhǔn)方法與ISO 11092—1993不同，此時(shí)在公式無(wú)△Hc和△He功率修正項(xiàng)。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本文試驗(yàn)選擇棉、化纖、麻、毛4大類共20塊面料使用SGHP-10.5分別對(duì)熱阻(A-Rct、C-Rct)及濕阻(B-Ret、C-Ret)進(jìn)行測(cè)量。表2示出試驗(yàn)面料種類及其參數(shù)。

表3示出不同標(biāo)準(zhǔn)下面料熱阻和濕阻的試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

分別對(duì)表 3 中 A-Rct與 C-Rct、B-Ret與 C-Ret的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，檢測(cè)它們的總體均值是否有顯著性差異。A-Rct、C-Rct、B-Ret和 C-Ret的數(shù)據(jù)經(jīng)K-S檢驗(yàn)都服從正態(tài)分布，符合檢驗(yàn)條件，A-Rct與C-Rct、B-Ret與 C-Ret對(duì)應(yīng) t統(tǒng)計(jì)量概率 p值分別為0.732和0.001。

以0.05的顯著性水平判斷，A-Rct與C-Rct不存在顯著差異，實(shí)際上它們之間的均值偏差只有0.6%，空板值也只相差0.3%，由此推斷C-Rct校準(zhǔn)后的風(fēng)速與A-Rct的風(fēng)速基本一致，同時(shí)5℃的溫差設(shè)定差異對(duì)熱阻的測(cè)量結(jié)果沒有影響，文獻(xiàn)［10］也曾給出1℃的溫差設(shè)定差異對(duì)熱阻測(cè)量無(wú)影響的結(jié)論。

表2 試驗(yàn)面料及參數(shù)Tab.2 Test specimens and parameters

表3 試驗(yàn)結(jié)果及相對(duì)偏差Tab.3 Test results and relative deviations

以0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，B-Ret與C-Ret的數(shù)據(jù)存在顯著差異。但B-Ret與C-Ret的空板差異僅為0.5%，B-Ret測(cè)量面料的濕阻值平均要比C-Ret測(cè)量的高17.7%，20塊面料中有18塊面料的B-Ret值要比C-Ret大，也證實(shí)了C-Ret不等溫濕阻的二步法測(cè)量中，由于面料吸濕后熱阻下降導(dǎo)致的干熱流量上升被忽略，因此導(dǎo)致不等溫濕阻測(cè)量的濕阻值偏低。該結(jié)論與出汗暖體假人測(cè)量的結(jié)論相同［9］。C-Ret并沒有因測(cè)量條件更接近實(shí)際穿著條件(存在溫差)而產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。但C-Ret卻在透濕指數(shù)的測(cè)量中更有應(yīng)用價(jià)值。

在2次濕阻的測(cè)量過(guò)程中，面料的平均吸濕率分別為4.2%和4.5%，其中多塊吸濕率差的面料出現(xiàn)明顯的液態(tài)水積聚，部分面料下方微孔膜上也有手可以觸摸到的液態(tài)水，這是因?yàn)槌龊蛊つw的汗水不能得到正常的蒸發(fā)而產(chǎn)生液態(tài)水積聚(理論上膜與面料之間不應(yīng)有液態(tài)水出現(xiàn))，這些都可能影響面料本身濕阻的測(cè)量準(zhǔn)確性。

4 與M259B的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

本文并沒有將SGHP-10.5與M259B直接進(jìn)行比較，而是與已發(fā)表的M259B的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了間接比較。文獻(xiàn)［11］中使用M259B根據(jù)所測(cè)9塊面料的A-Rct和B-Ret平均值分別為0.0294℃·m2/W和2.73 Pa·m2/W，是本文SGHP-10.5所測(cè)量20塊面 料 熱 濕 阻 平 均 值0.0157℃·m2/W 和4.86 Pa·m2/W的 1.89和0.56倍，屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)。而使用M259B的空板空氣層的熱阻和濕阻分別為0.249℃·m2/W 和88.82 Pa·m2/W，是 SGHP-10.5所測(cè)值0.0741℃·m2/W和6.00 Pa·m2/W的3.4和14.8倍，雖然SGHP-10.5與M259B的氣流層因風(fēng)道設(shè)計(jì)差異有所不同，但不可能相差如此巨大，說(shuō)明2種熱板儀本身存在明顯的系統(tǒng)間差異，這種差異可能是基礎(chǔ)干熱板儀的結(jié)構(gòu)差異(即測(cè)量熱板與熱護(hù)板之間的結(jié)構(gòu)形式)以及校準(zhǔn)的差異造成，這有待進(jìn)一步研究，但根據(jù)現(xiàn)有對(duì)1 m/s空氣層的熱阻和濕阻的測(cè)量數(shù)據(jù)可以判斷認(rèn)為文獻(xiàn)［11］中M259B的誤差更大一些。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)際上2種典型的SGHP和M259B出汗熱板儀的系統(tǒng)特點(diǎn)以及出汗技術(shù)進(jìn)行了分析。對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下特別是等溫濕阻和不等溫濕阻的測(cè)量模式的產(chǎn)生緣由進(jìn)行了闡述。使用SGHP-10.5出汗熱板對(duì)20塊面料的熱阻、等溫濕阻和不等溫濕阻進(jìn)行了測(cè)量，在熱阻測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)A-Rct與C-Rct的測(cè)量結(jié)果非常接近。在濕阻測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)B-Ret的等溫濕阻要比C-Ret的不等溫濕阻普遍大，均值高17.7%，推斷原因是不等溫濕阻為二步法測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中假設(shè)面料在干態(tài)條件下的熱阻與吸濕后的熱阻相同造成，這也是二步法測(cè)量的主要問(wèn)題，但不等溫法可以在同一溫差和濕度差條件下分別對(duì)面料的隔熱和透濕性能進(jìn)行測(cè)量，與實(shí)際穿著情況比較接近，有較高的現(xiàn)實(shí)意義。本文還與文獻(xiàn)中M259B的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)空板數(shù)據(jù)差異很大，推測(cè)M259B測(cè)試儀相較SGHP-10.5可能存在更大的系統(tǒng)誤差。

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