陳益松，唐曉楠

(東華大學(xué) a.服裝與藝術(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)

人體與環(huán)境的熱濕平衡傳遞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[1]，人體出汗是排泄和調(diào)節(jié)體溫的生理機(jī)制，而服裝包裹在體外，作為人體與環(huán)境進(jìn)行熱濕交換的媒介，它的透濕性能直接影響到人體生理和著裝的舒適性[2]。然而，人們的著裝在很多情況下要求防風(fēng)防雨，通常使用涂層來(lái)解決這一問(wèn)題，但涂層會(huì)破壞面料的透濕透氣性能[3]。使用PTFE(聚四氟乙烯)微孔膜的Gore-Tex層壓復(fù)合面料[4]較好地解決了這一對(duì)矛盾，自其誕生以來(lái)被廣泛應(yīng)用于服裝行業(yè)，特別是戶外運(yùn)動(dòng)與作業(yè)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]介紹了e-PTFE膜物理化學(xué)參數(shù)，分析了層壓織物的防水透濕性、防風(fēng)性以及保暖性等機(jī)理，并將e-PTFE膜復(fù)合面料與其他面料對(duì)比，結(jié)果顯示前者在特定性能方面具有優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[6]探討了影響防水透濕織物性能的因素，較之其他防水透濕織物，微孔膜層壓織物的透濕性是最好的，其織物的抗沾水能力與層壓膜或涂層的抗沾水能力有關(guān)。文獻(xiàn)[7]介紹了防水透濕織物的微孔透濕機(jī)理，并探討了防水透濕織物測(cè)試方法的研究進(jìn)展，指出目前的測(cè)試方法存在著測(cè)試與穿著條件吻合度差的缺陷。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了防水透濕織物防水性和透濕性的檢測(cè)技術(shù)，其中透濕性的檢測(cè)技術(shù)有吸濕法、蒸發(fā)法和模擬法(蒸發(fā)熱板法)，由于各方法衡量織物透濕性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，且測(cè)試結(jié)果難以比較，導(dǎo)致防水透濕紡織品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受限。文獻(xiàn)[9]通過(guò)改變透濕杯的水溫來(lái)測(cè)試Gore-Tex薄膜及其他幾種PTFE微孔薄膜的透濕量，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，透濕量隨水溫的升高而增大，兩者呈指數(shù)型關(guān)系。文獻(xiàn)[10]的研究顯示，對(duì)于某些防水透濕織物，水蒸氣轉(zhuǎn)移性能依賴(lài)于織物及其周?chē)嬖诘臏囟忍荻?，?dāng)外界環(huán)境溫度降低到0 ℃以下，織物對(duì)水蒸氣的蒸發(fā)阻抗將急劇增加。

本文采用YG 601型織物透濕儀和被動(dòng)式微氣候儀兩種試驗(yàn)裝置，在3種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件和4種模擬穿著狀態(tài)下，對(duì)3種6塊Gore-Tex試樣和2塊棉織物試樣進(jìn)行透濕量對(duì)比試驗(yàn)，研究Gore-Tex在著裝狀態(tài)下的透濕性能。

1 試驗(yàn)儀器

1.1 YG 601型織物透濕儀

YG 601型織物透濕儀由恒溫恒濕氣候箱和箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)的8個(gè)透濕杯構(gòu)成，如圖1所示。透濕杯是測(cè)定織物透濕性能的常用方法。

圖1 YG 601型織物透濕儀Fig.1 Fabric moisture permeability apparatus of YG 601 type

氣候箱左右兩側(cè)為多孔壁板，分別為出風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)，兩側(cè)壁之間維持風(fēng)速為0.3～0.5m/s的平行風(fēng)。氣候箱內(nèi)溫度和相對(duì)濕度由箱內(nèi)的溫度傳感器和相對(duì)濕度傳感器檢測(cè)并反饋至控制器，溫度精度可控制在±0.5 ℃，相對(duì)濕度精度可控制在±3%。8個(gè)透濕杯放置在一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的托盤(pán)上，可以保證每只透濕杯所受的環(huán)境影響一致。透濕杯試驗(yàn)方法分吸濕法和蒸發(fā)法，試驗(yàn)時(shí)，吸濕法試樣正面朝內(nèi)，蒸發(fā)法試樣正面朝外，覆蓋于透濕杯上。一定時(shí)間內(nèi)，稱(chēng)取透濕杯的質(zhì)量變化，試樣透濕量的計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：W為試樣每平方米每小時(shí)的透濕量，g/(m2·h); Δm為同一試驗(yàn)組合體兩次稱(chēng)量之差，g;A為試樣有效試驗(yàn)面積，m2;t為試驗(yàn)時(shí)間，h。試樣透濕量為3個(gè)試樣透濕量的算術(shù)平均值。

1.2 被動(dòng)式微氣候儀

被動(dòng)式微氣候儀[11]如圖2所示。采用被動(dòng)供水方式的出汗模擬機(jī)制[12]，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置中的水柱高度和皮膚溫度，改變模擬皮膚的出汗率和微氣候空間的濕氣壓，出汗量可以根據(jù)測(cè)試試樣的透濕能力而自動(dòng)調(diào)節(jié)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了以往微氣候儀在供水和模擬出汗方面的不足。

圖2 被動(dòng)式微氣候儀Fig.2 A passive micro-climate apparatus

被動(dòng)式微氣候儀的模擬出汗系統(tǒng)[13]由供水管1、模擬皮膚5和加熱底盤(pán)9組成。蒸餾水充滿其間并使管中水位高出模擬皮膚h，形成壓力水柱，并在溫度的作用下，壓力水由Gore-Tex微孔膜復(fù)合織物制作的模擬皮膚微量滲出后形成汗液，汗液蒸發(fā)形成的汗氣通過(guò)被測(cè)織物擴(kuò)散到環(huán)境空間。為避免供水管水柱水位下降過(guò)多而影響皮膚出汗?fàn)顟B(tài)的改變，試驗(yàn)中每小時(shí)記錄一次水柱水位下降高度，并進(jìn)行補(bǔ)水使水位恢復(fù)到原來(lái)高度。通常1小時(shí)水位下降為1～7 cm左右，不到總水柱高度(1.5 m)的5%，對(duì)皮膚的出汗量無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。根據(jù)記錄的水柱水位的高度差可以計(jì)算出每小時(shí)水柱中水減少量，即為皮膚的出汗量，計(jì)算如式(2)所示。

(2)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微氣候儀由于內(nèi)外溫差緣故，在微氣候室圓筒壁內(nèi)、試樣支撐架上會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，故織物實(shí)際透濕量應(yīng)減去這部分積水量。 則試樣每小時(shí)的透濕量Q為

Q=Qz-Qj

(3)

式中：Qj為腔內(nèi)每小時(shí)的積水量，g/h。

試樣每平方米每小時(shí)透濕量的計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中：W為試樣每平方米每小時(shí)的透濕量，g/(m2·h);A為試樣的透濕面積，m2。微氣候圓筒壁的內(nèi)半徑為0.08 m，A為0.02 m2。

2 試樣選取及試驗(yàn)條件

2.1 試樣選取

本文選取3種6塊Gore-Tex面料，即三層層壓織物、兩層層壓織物和兩層半層壓織物各2塊，與2種棉織物作對(duì)比。試樣尺寸為24 cm×24 cm(試樣夾直徑為16 cm)。面料的基本參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 試樣面料基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of specimens

(續(xù) 表)

2.2 試驗(yàn)條件

YG 601型織物透濕儀與被動(dòng)式微氣候儀的試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions

YG 601型織物透濕儀的試驗(yàn)操作按GB/T 12704.2—2009進(jìn)行。

微氣候儀的操作需要把試樣固定于測(cè)試裝置的試樣架上，水位加注至距離模擬皮膚高150 cm處，供水管旁固定有米尺，測(cè)量精度為1 mm。當(dāng)溫度測(cè)量系統(tǒng)使皮膚下的水溫控制呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)正式開(kāi)始。向供水管中加水到指定的水位高度，并記錄試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間。1 h(或下降特別慢的為2 h)后，觀察并記錄水柱中水位的刻度值，測(cè)量并記錄試樣表面溫度，再向供水管中加水到試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)指定的水位高度，重復(fù)試驗(yàn)。

3 微氣候儀內(nèi)積水測(cè)量與分析

試驗(yàn)采用吸水能力很強(qiáng)的棉紗來(lái)吸收微氣候室內(nèi)的積水，然后用精度較高的電子天平稱(chēng)量吸水前后棉紗的質(zhì)量，計(jì)算其質(zhì)量差值來(lái)獲得積水量的數(shù)據(jù)。為了不破壞腔內(nèi)微氣候區(qū)的溫濕度平衡，在每3次重復(fù)試驗(yàn)完成后停止試驗(yàn)，打開(kāi)測(cè)試裝置用棉紗收集積水。在不同水溫條件下，1、3、7號(hào)試樣“衣下”微氣候積水量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

(a) 1號(hào)試樣

(b) 3號(hào)試樣

(c) 7號(hào)試樣圖3 在不同水溫條件下3種試樣“衣下”的微氣候積水量隨時(shí)間的變化Fig.3 Accumulated water in microclimate room under three specimens increased with time

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)皮膚內(nèi)水溫(21 ℃)與環(huán)境溫度相同時(shí)，由于內(nèi)外溫差為零，微氣候室內(nèi)并沒(méi)有積水發(fā)生。由圖3可知，在水溫分別為25、30、35 ℃條件下，當(dāng)水溫與環(huán)境溫度之間的差異越大，微氣候室內(nèi)積水量也越大。所測(cè)試樣微氣候室內(nèi)的積水量基本隨時(shí)間呈線性增加。

由圖3還可知：1號(hào)三層Gore-tex試樣在水溫為30 ℃時(shí)，其積水量要遠(yuǎn)大于7號(hào)棉織物，而水溫為25和35 ℃時(shí)的積水量與棉織物差異不大; 5號(hào)二層Gore-Tex試樣在35 ℃時(shí)其積水量要遠(yuǎn)大于7號(hào)棉織物，而25和30 ℃時(shí)與棉織物差異不大?？傮w而言，Gore-Tex織物的微氣候室內(nèi)的積水量要高于棉織物，這也從另一方面說(shuō)明了Gore-Tex織物的透濕能力要弱于普通棉織物。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用YG 601型織物透濕儀和被動(dòng)式微氣候儀分別對(duì)8種織物試樣進(jìn)行透濕量測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種方法測(cè)得的8種織物透濕量Table 3 The moisture transmission of eight specimens in two methods g/(m2·h)

由表3可知：

(1) 在YG 601型織物透濕儀測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，透濕杯法中的試樣平均透濕量及透濕量差異基本與方法所設(shè)定的試樣兩邊的蒸氣壓差成正比，從大到小依次為：吸濕法、蒸發(fā)法一、蒸發(fā)法二。3種試驗(yàn)條件下6塊Gore-Tex試樣的透濕量雖有差異，但相差不大，都小于普通棉織物。

(2) 在被動(dòng)式微氣候儀的模擬衣下空間的透濕量測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，試樣的平均透濕量與皮膚下的水溫成正比，即水溫越高，皮膚本身的出汗量越大，皮膚表面到環(huán)境間的濕濃度差也越大，試樣的透濕量越大，同時(shí)，微氣候室內(nèi)的積水量也越大。

(3) 被動(dòng)式微氣候儀在水溫為35 ℃時(shí)，試樣兩側(cè)的蒸汽壓差與蒸發(fā)法一相似(試驗(yàn)3和5)，兩種方法所測(cè)的平均透濕量同處一個(gè)量級(jí)。由此說(shuō)明，水蒸氣壓力差是平均透濕量的主要影響因素，在被動(dòng)式微氣候儀測(cè)量中，考慮積水量的做法是正確的。

(4) 相比之下，被動(dòng)式微氣候儀所測(cè)得的試樣透濕量差異比透濕杯要小，甚至不明顯。這是因?yàn)槲夂騼x從模擬皮膚的出汗到微氣候空間再穿過(guò)面料到環(huán)境空氣，出汗本身受模擬皮膚性能、水溫和壓力共同影響較大，而試樣本身對(duì)其影響相對(duì)變小。但從微氣候室的積水量來(lái)看，Gore-Tex試樣的積水量要大于普通面料，說(shuō)明其透濕性能低于普通棉織物。

(5) 從透氣數(shù)據(jù)看，Gore-Tex織物相對(duì)普通織物屬于“基本不透氣”，主要是Gore-Tex織物的PTFE微孔膜對(duì)高氣壓差的氣流阻擋明顯，而在蒸汽濃度的分壓差下(總氣壓差不變)其透濕能力卻接近普通織物。因此，將Gore-Tex織物稱(chēng)之為防風(fēng)透濕面料是準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文使用YG 601型織物透濕儀和被動(dòng)式微氣候儀在7種試驗(yàn)條件下對(duì)3種6塊Gore-Tex復(fù)合織物及2塊棉織物進(jìn)行了透濕能力的測(cè)量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Gore-Tex織物總體表現(xiàn)出很高的透濕能力，其平均透濕能力接近但小于普通棉織物，但透氣能力遠(yuǎn)小于普通棉織物。這說(shuō)明雖然三層或兩層Gore-Tex織物外層面料的織物結(jié)構(gòu)、厚度、外觀形態(tài)以及有無(wú)內(nèi)經(jīng)編保護(hù)層上有較大的差異，但是在特定試驗(yàn)條件下，其透濕量相差不大且具有強(qiáng)大的防風(fēng)穿透能力。Gore-Tex復(fù)合織物的防風(fēng)透濕性能主要取決于其自身PTFE膜，因此將其稱(chēng)之為防風(fēng)透濕面料是準(zhǔn)確的。

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