陳益松, 徐　軍, 郭媛媛, 朱成哲, 2

(1. 東華大學(xué) a. 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院； b. 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；2. 韓德秀平壤輕工業(yè)大學(xué)，平壤 朝鮮)

被動(dòng)式微氣候儀的研制及織物透濕性能的測(cè)量

陳益松1a, 1b, 徐軍1a,1b, 郭媛媛1a, 朱成哲1a, 2

(1. 東華大學(xué) a. 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院； b. 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；2. 韓德秀平壤輕工業(yè)大學(xué)，平壤 朝鮮)

介紹了一種采用被動(dòng)式出汗原理研制的微氣候儀，使用Goretex微孔膜復(fù)合織物作為模擬皮膚，在溫控壓力水的作用下實(shí)現(xiàn)了可計(jì)量出汗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)衣下空間微氣候狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和被測(cè)面料濕阻的估算.在30和35 ℃兩種控制溫度下，對(duì)8塊不同纖維成分與組織結(jié)構(gòu)的面料進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)控制溫度為35 ℃下皮膚出汗率、微氣候濕氣壓相較30 ℃下都有所上升，但面料濕阻有所下降；30 ℃時(shí)的出汗率、微氣候濕氣壓和面料濕阻數(shù)據(jù)的變異系數(shù)CV值明顯高于35 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)，說(shuō)明低出汗率情況下儀器的靈敏度相對(duì)較高.

微氣候儀； 皮膚出汗； 透濕性； 濕阻

服裝微氣候的模擬與測(cè)量是服裝舒適性研究中的重要內(nèi)容.微氣候儀最關(guān)鍵的部分是人體出汗的模擬，模擬皮膚的選擇以及汗水如何供給與計(jì)量都是出汗模擬重要的技術(shù)問(wèn)題.最簡(jiǎn)單的出汗模擬方式是在熱板上平放一塊高吸濕面料作為模擬皮膚，向上噴水或注水以實(shí)現(xiàn)“出汗”.如文獻(xiàn)[1]采用該方法研制的微氣候儀，在試驗(yàn)過(guò)程中水蒸發(fā)量受皮膚含水量的不斷減少而變化，從而影響試驗(yàn)的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[2]構(gòu)建的微氣候儀使用注射器多位置定量向模擬皮膚中注水，同樣，試驗(yàn)過(guò)程中隨著皮膚水分的減少，試驗(yàn)的穩(wěn)定性受到影響[3].文獻(xiàn)[4]將聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜與厚度為0.6 mm且分布有直徑為0.3 mm小孔的出汗熱板組合置于水箱上，分別模擬人體無(wú)感出汗和顯性出汗，但對(duì)于如何測(cè)量出汗率沒(méi)有提及.文獻(xiàn)[5]研制了類似出汗平板儀的試驗(yàn)裝置，采用整體稱量的方式來(lái)確定水分的散失量，由于水分的散失量相對(duì)于整個(gè)裝置的質(zhì)量而言只占很小的比例，因此，其測(cè)量精度較低.文獻(xiàn)[6-7]對(duì)文獻(xiàn)[5]的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，研制的織物透濕性測(cè)量裝置使用微孔膜織物作為模擬皮膚，其最大特點(diǎn)是根據(jù)毛細(xì)管原理實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚出汗率的直接測(cè)定，測(cè)量時(shí)需要在系統(tǒng)穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)水閥，根據(jù)水平毛細(xì)管水的位置變化來(lái)判定水分散失量，該方法不適合較大出汗率的模擬與測(cè)量.文獻(xiàn)[8]研制的低溫條件下使用的微氣候儀也使用類似的毛細(xì)管出汗計(jì)量原理.文獻(xiàn)[9]研制的織物微氣候儀是在透濕杯上覆蓋微孔膜模擬皮膚，通過(guò)測(cè)量水位的下降量來(lái)測(cè)量出汗率，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制的水泵向杯中補(bǔ)充水分，但模擬皮膚和透濕杯中水位存在一定的空氣層，其出汗能力受空氣層的影響.文獻(xiàn)[10]研制的圓筒式微氣候儀使用具有微小毛細(xì)孔的管路嵌在高吸濕模擬皮膚下，使用蠕動(dòng)泵循環(huán)供水，水通過(guò)管道的毛細(xì)孔滲出并使模擬皮膚濕潤(rùn)，同時(shí)采用溫度傳感器來(lái)檢測(cè)皮膚表面的潤(rùn)濕狀態(tài)，并控制蠕動(dòng)泵向其供水.文獻(xiàn)[11]改進(jìn)了文獻(xiàn)[10]的圓筒微氣候儀，使用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)出汗率，但該出汗方式屬于主動(dòng)出汗模式[12-13]，無(wú)法直接測(cè)量通過(guò)被測(cè)面料蒸發(fā)的實(shí)際出汗率.以ISO 11092標(biāo)準(zhǔn)研制的出汗平板儀的出汗模擬方式與微氣候儀相似，文獻(xiàn)[14]研制的在低溫(<0℃)條件下使用的出汗熱板儀使用Gore-Tex微孔膜復(fù)合織物作為模擬皮膚，利用水位相等及固液兩相平衡的原理實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)水.美國(guó)ATLAS公司的M259B和MTNW公司的SGHP 8.2/10.5使用纖維素膜作為出汗模擬皮膚，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)條件下的自動(dòng)供水.相對(duì)于微氣候儀，出汗熱板儀的模擬皮膚與面料之間是直接接觸，缺少“微氣候空間”.

綜上所述，現(xiàn)有的微氣候儀在出汗模擬方面還存在種種局限.本文介紹一種出汗率可調(diào)節(jié)且可直接測(cè)量的新型微氣候儀，用來(lái)測(cè)量衣下微氣候的狀態(tài)和面料的透濕性能.

1　新型微氣候儀研制與應(yīng)用

1.1新型微氣候儀的研制

本文研制的新型微氣候儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在文獻(xiàn)[15]中的出汗模擬皮膚測(cè)試儀的基礎(chǔ)上加裝微氣候空間構(gòu)成的.面料試樣被固定在尼龍?zhí)淄采峡谂c模擬皮膚形成微氣候區(qū)，一對(duì)溫度傳感器和濕度傳感器置于面料試樣下表面，用于檢測(cè)微氣候區(qū)靠近面料部分的溫濕度狀態(tài).

圖1　微氣候儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of micro-climate apparatus

該儀器采用的供水方式與“Walter”假人相似[16]：在供水管中注入蒸餾水形成壓力水柱，由于采用PTFE微孔膜復(fù)合織物作為模擬皮膚，因此，當(dāng)微量水穿透皮膚的微孔膜滲出并在皮膚表面以汗氣的形式不斷蒸發(fā)出去時(shí)，供水管中的水將自動(dòng)補(bǔ)充到模擬皮膚下面的盛水圓盤中，通過(guò)記錄單位時(shí)間內(nèi)水位的下降高度，即可計(jì)算出模擬皮膚的出汗率.在記錄完畢后，需人工向供水管中注水使水位恢復(fù)到原來(lái)設(shè)定位置.

由文獻(xiàn)[15]可知，裸態(tài)模擬皮膚的出汗率受到模擬皮膚的類型、皮膚表面溫度、皮膚內(nèi)水壓力的影響，但由于皮膚微孔膜的隔離作用，皮膚表面并不會(huì)出現(xiàn)明顯的液態(tài)水凝聚.在出汗?fàn)顟B(tài)下的微氣候空間，被測(cè)面料及微氣候空間的空氣層都會(huì)對(duì)皮膚水分的蒸發(fā)產(chǎn)生阻力，進(jìn)而抑制皮膚的出汗能力，穩(wěn)態(tài)時(shí)皮膚的出汗率與透過(guò)面料的蒸發(fā)量達(dá)到平衡，即模擬皮膚的出汗率與通過(guò)被測(cè)面料的透濕量相等.通過(guò)調(diào)節(jié)水柱高度和皮膚溫度可改變模擬皮膚的出汗率和微氣候空間的濕氣壓.

本文的微氣候儀選用的PTFE膜復(fù)合織物為Gore-Tex 3層復(fù)合織物，其中上層是面密度為165.78 g/m2、經(jīng)緯密分別為26和19根/cm的錦綸平紋織物，下層是經(jīng)編保護(hù)織物，織物總厚度為0.428 mm.

儀器選用Pt 100鉑電阻溫度傳感器，分辨率為±0.15 ℃.選用Honeywell公司制造的HIH 3610型高分子薄膜濕敏電容式相對(duì)濕度傳感器，在無(wú)凝結(jié)環(huán)境中相對(duì)濕度的測(cè)量范圍為0～100%，測(cè)量精度可達(dá)-3%～3%，適用環(huán)境溫度為-40～85 ℃.

1.2新型微氣候儀的測(cè)試應(yīng)用

人體皮膚表面與最內(nèi)層服裝之間的空氣層的溫度、濕度、氣流等分布構(gòu)成人體衣下微氣候，衣下微氣候的狀態(tài)與人體著裝舒適性密切相關(guān).本文的微氣候儀可通過(guò)測(cè)量衣下表面的溫度和相對(duì)濕度來(lái)觀察強(qiáng)出汗?fàn)顟B(tài)下的衣下微氣候狀態(tài).微氣候空間面料下方的濕氣壓由式(1)計(jì)算.

pm=pms·φm

(1)

其中：pm為微氣候空間面料下方的濕氣壓，Pa；pms為被測(cè)面料下表面測(cè)量點(diǎn)溫度tm下的飽和濕氣壓，Pa；φm為測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)濕度，%.

由于該微氣候儀可以直接測(cè)量通過(guò)面料的透濕量(即皮膚的蒸發(fā)出汗率)，而面料下表面的濕氣壓已測(cè)得，則面料及其上表面空氣層的濕阻可由式(2)計(jì)算.

(2)

其中：Re為面料及其上表面空氣層的濕阻，Pa·m2/W；A為織物的有效測(cè)試面積，m2；pas為環(huán)境溫度為ta下環(huán)境的飽和濕氣壓，Pa；φa為環(huán)境的相對(duì)濕度，%；E為水的汽化熱，30 ℃時(shí)，E=0.675 W·h/g，35 ℃時(shí)，E=0.672 W·h/g；Ge為皮膚蒸發(fā)出汗率，g/h.

2　試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)在溫度為(21±1) ℃、相對(duì)濕度為(65±3)%恒溫恒濕室進(jìn)行，微氣候儀的加熱控制溫度分別設(shè)定為30和35 ℃，對(duì)表1所示的8塊普通服用面料進(jìn)行測(cè)試.用注射器定時(shí)向供水管中注水，起始液面高度設(shè)定為距離盛水盤液面150 cm，在這個(gè)高度左右，模擬皮膚的出汗特性比較線性[15].試驗(yàn)開機(jī)后約2 h試驗(yàn)環(huán)境達(dá)到平衡，此時(shí)試樣吸濕和放濕也達(dá)到平衡.試驗(yàn)正式開始時(shí)，用注射器向供水管中注水使水位恢復(fù)到150 cm處，開始計(jì)時(shí)，1 h后重新讀取水面刻度.再次加水到150 cm，重復(fù)一次試驗(yàn)，連續(xù)測(cè)試3組數(shù)據(jù)(兩次加水的間隔內(nèi)因皮膚出汗引起的水位下降量?jī)H為設(shè)定水柱高度的5%左右，該水位的變化對(duì)皮膚的出汗率及微氣候狀態(tài)影響較小，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可忽略).

根據(jù)讀取的單位時(shí)間內(nèi)的水位下降量，可以按照式(3)計(jì)算出模擬皮膚蒸發(fā)出汗率.

Ge=ρπr2Δh

(3)

表1　試驗(yàn)面料的基本參數(shù)Table 1　Basic parameters of specimens

式中：ρ為水的密度，21 ℃時(shí)為998 kg/m3；r為水管半徑，3 mm；Δh為1 h水柱的下降量，mm.試驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算結(jié)果如表2所示.從試驗(yàn)過(guò)程與表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)量結(jié)果Table 2　Experiment data and results

(1) 本文設(shè)計(jì)的新型微氣候儀是成功的，其首次實(shí)現(xiàn)了出汗率的測(cè)量，通過(guò)不同水壓和控制溫度的設(shè)定，可以模擬不同的微氣候狀態(tài)并可實(shí)時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.

(2) 改變控制溫度可以改變模擬皮膚的出汗率，同時(shí)微氣候空間的濕氣壓發(fā)生相應(yīng)變化，面料濕阻的測(cè)量結(jié)果也發(fā)生一定的變化.在35 ℃的控制溫度下，皮膚的平均出汗率相較30 ℃的控制溫度下由1.02 g/h增加到1.77 g/h, 增幅為73.5%；衣下平均相對(duì)濕度為89.6%，相比92.4%略有下降，但濕氣壓卻由3 072 Pa增加到了3 525 Pa，增幅為14.7%；面料的平均濕阻由43.3 Pa·m2/W降低到32.3 Pa·m2/W，降幅為25.4%.

(3) 控制溫度為30 ℃時(shí)，儀器測(cè)得的出汗率、衣下濕氣壓和面料濕阻數(shù)據(jù)的變異系數(shù)明顯高于35 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)，說(shuō)明低出汗率情況下儀器的靈敏性相對(duì)較高.

3　結(jié)　語(yǔ)

本文介紹了一種新研制的微氣候儀，該儀器采用被動(dòng)式出汗原理，實(shí)現(xiàn)了出汗率的調(diào)節(jié)與測(cè)量，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模擬衣下空間微氣候狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量.實(shí)測(cè)表明，儀器設(shè)計(jì)合理，工作正常.

通過(guò)對(duì)8塊不同面料的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在同一測(cè)試條件下，面料的衣下濕氣壓和濕阻差異不大，但在不同的試驗(yàn)條件下，皮膚的出汗率有較大變化，衣下微氣候的濕氣壓變化較大，同時(shí)面料的濕阻也相應(yīng)地發(fā)生變化.

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A Passive Micro-climate Apparatus Development and Measurement of Moisture Permeability of Fabric

CHENYi-song1a, 1b,XUJun1a,1b,GUOYuan-yuan1a,JUSong-chol1a, 2

(a.Fashion and Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education,1. Donghua University, Shanghai 200051, China;2. Handosu Pyony Yang Light Insdustry University, Pyony Yang, DPR Korea)

A novel micro-climate apparatus built based on passive-perspiring principle with measurable perspiring capacity was introduced, through artificial skin made by Goretex microporous membrane complex fabric under heated and pressure water. The state of micro-climate under clothing can be measured in a real time way and the evaporative resistance of fabric in test can be estimated finally by using this apparatus. Eight pieces of fabric with different fiber components and structure organizations were measured under two control temperatures of 30 and 35 ℃. The research result indicated that the perspiring rates, humidity pressures in micro-climate increased, but the evaporative resistance of fabric decreased at 35 ℃ compared to 30 ℃. The coefficient of variation (CV) of perspiring rate, humidity pressure and fabric’s evaporative resistance at 30 ℃ were obviously higher than that at 35 ℃, which indicated that the instrument had higher sensitivity at low perspiring rate.

micro-climate apparatus; skin sweating; moisture permeability; evaporative resistance

1671-0444(2015)03-0309-04

2014-02-19

陳益松(1964—)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，教授，博士，研究方向?yàn)榉b舒適性及光學(xué)三維測(cè)量.E-mail: cys@dhu.edu.cn

TS 101.9

A