胡紫婷， 鄭曉慧， 馮銘銘， 王英健，劉 莉， 丁松濤

(1. 北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院， 北京 100029； 2. 軍事科學(xué)院防化研究院 國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191)

透氣型核、化學(xué)、生物即核生化(簡(jiǎn)稱NBC)防護(hù)服是防核放射塵埃、化學(xué)武器和生物武器傷害的綜合性作戰(zhàn)服。在實(shí)際使用規(guī)定中,防護(hù)服穿著于最外層，并且與密閉式防護(hù)裝備組合使用。從熱物理特性角度分析，多層穿著的方式使服裝系統(tǒng)具有很高的熱阻和濕阻，極大限制了人體與外界的干熱和濕熱交換，在作業(yè)負(fù)荷中容易引發(fā)人員的熱應(yīng)激反應(yīng)，因此，獲得最優(yōu)熱濕舒適性是NBC防護(hù)服研發(fā)的要點(diǎn)。

服裝系統(tǒng)的熱濕傳遞主要受外界環(huán)境、服裝設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)發(fā)汗量等因素的影響，其中衣下空氣層是影響服裝熱濕傳遞性能的重要物理指標(biāo)之一。研究表明，衣下空氣層和服裝結(jié)構(gòu)比織物厚度、密度、面密度、導(dǎo)熱系數(shù)等更容易影響服裝的熱阻和濕阻[1-3]，但目前缺少對(duì)NBC防護(hù)服衣下空氣層對(duì)熱阻和濕阻影響的研究，尤其對(duì)于影響空氣層大小及形態(tài)的重要因素——服裝松量的設(shè)計(jì)原則沒有給出清楚的解釋，我國(guó)NBC防護(hù)服也尚未制定專用尺碼號(hào)型標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文通過設(shè)置不同松量，探討了衣下空氣層對(duì)NBC防護(hù)服熱濕傳遞性能的影響。在熱阻和濕阻的測(cè)定中，以往學(xué)者多對(duì)材料進(jìn)行熱濕傳遞研究，但此類研究不能反映服裝系統(tǒng)的整體性能，因此本文采用暖體假人模擬防護(hù)服穿著狀態(tài)，測(cè)定服裝系統(tǒng)的熱阻和濕阻，以期為科學(xué)設(shè)計(jì)NBC防護(hù)服提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)服裝

實(shí)驗(yàn)所用5套服裝模擬了NBC防護(hù)服的實(shí)際著裝狀態(tài)，即采用基礎(chǔ)服裝和防護(hù)裝備內(nèi)穿，透氣型NBC防護(hù)服T01～T05外穿的組合穿著方式，構(gòu)成測(cè)試用NBC防護(hù)服組合S01～S05。服裝著裝效果測(cè)試如圖1所示。

圖1 服裝著裝效果測(cè)試Fig.1 Photo images of thermal manikin in different wearing conditions. (a) Basic garments and protective equipment; (b) NBC protective suit

基礎(chǔ)服裝使用作訓(xùn)服，包括作訓(xùn)短褲、作訓(xùn)內(nèi)衣、作訓(xùn)內(nèi)褲、作訓(xùn)襪、作訓(xùn)鞋。防護(hù)裝備為密閉式NBC防護(hù)專用裝備，包括防護(hù)面具、防護(hù)手套、防護(hù)靴。

實(shí)驗(yàn)中制作5套不同松量透氣型NBC防護(hù)服，其設(shè)計(jì)及防護(hù)功能符合GJB 1750—1993《含炭透氣防毒服通用規(guī)范》的要求。服裝采用雙層面料，外層透氣型面料面密度為245 g/m2，內(nèi)層含炭面料面密度為224 g/m2。在0.5 cN/cm2負(fù)荷條件下，外層面料厚度為0.863 mm，內(nèi)層面料厚度為1.118 mm。防護(hù)服裝結(jié)構(gòu)為上、下兩件式，褲裝設(shè)有背帶，防護(hù)服款式如圖2所示。測(cè)試樣衣尺碼參考假人胸圍90.8 cm、腰圍73.2 cm、臀圍91.8 cm等關(guān)鍵部位尺寸設(shè)定松量，假人關(guān)鍵部位尺寸如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中透氣型NBC防護(hù)服T01～T05松量依次隨圍度及長(zhǎng)度的增加而增大，防護(hù)服關(guān)鍵部位尺寸如表1所示。

圖2 透氣型NBC防護(hù)服款式Fig.2 Permeable NBC protective clothing design.(a)Jacket;(b)Trouser

單位：cm。圖3 假人關(guān)鍵部位尺寸Fig.3 Measurements of thermal manikin

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用Artec公司生產(chǎn)的非接觸式手持掃描儀(Eva)，分別對(duì)基礎(chǔ)服裝和防護(hù)裝備著裝假人以及NBC防護(hù)服組合著裝假人進(jìn)行三維掃描，獲取三維圖像。使用掃描配套軟件Artec studio和逆向工程軟件Rapidform對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、擬合和對(duì)齊，并對(duì)著裝假人進(jìn)行衣下空氣層測(cè)量。

表1 透氣型NBC防護(hù)服關(guān)鍵部位尺寸Tab.1 Measurements of permeable NBC protective clothing cm

采用30區(qū)段假人“Newton”，進(jìn)行服裝熱阻和濕阻實(shí)驗(yàn)。使用暖體假人配套軟件ThermDAC記錄各區(qū)段數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案分2步進(jìn)行。第1步：在暖體假人上進(jìn)行衣下空氣層測(cè)定，三維掃描2次。第1次先穿著基礎(chǔ)服裝，然后穿著防護(hù)裝備掃描；第2次在基礎(chǔ)服裝和防護(hù)裝備外層穿著防護(hù)服，然后對(duì)透氣型NBC防護(hù)服組合掃描。衣下空氣層測(cè)定指標(biāo)為體積和平均厚度。第2步：在人工氣候室完成暖體假人實(shí)驗(yàn)，對(duì)透氣型NBC防護(hù)服組合S01～S05進(jìn)行熱阻和濕阻測(cè)定。人工氣候室溫度、濕度分別保持在(21±0.5) ℃和(65±2)%范圍內(nèi)，風(fēng)速小于0.2 m/s。假人采用恒溫(35±0.2)℃控制模式，每次實(shí)驗(yàn)保持假人發(fā)熱量、發(fā)汗量恒定，約30 min后，每隔1 min記錄各區(qū)段的溫度和熱流量數(shù)據(jù)。為消除穿著因素對(duì)測(cè)量精度的影響，三維掃描及暖體假人計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)均需要重復(fù)測(cè)量3次后取平均值，每次測(cè)量前服裝重新穿著。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 衣下空氣層測(cè)定

實(shí)驗(yàn)方案中每套服裝的三維掃描分2次進(jìn)行，獲得2個(gè)著裝狀態(tài)模型，2個(gè)模型間的體積差值即為衣下空氣層體積，二者間的距離即為衣下空氣層平均厚度。衣下空氣層體積計(jì)算公式為

Va=Vn-Vb

式中：Vn為假人內(nèi)穿基本服裝和防護(hù)裝備，外穿透氣型NBC防護(hù)服(T01～T05)的防護(hù)服組合(S01～S05)穿著模型體積，cm3；Vb為假人穿著基本服裝和防護(hù)裝備的模型體積，cm3；Va為衣下空氣層體積，cm3，該體積包含防護(hù)服內(nèi)、外層面料之間的空氣層體積以及防護(hù)服面料體積。由于防護(hù)服面料厚度相對(duì)于衣下空氣層厚度較小，因此不考慮服裝厚度對(duì)衣下空氣層測(cè)定的誤差影響。圖4示出三維人體掃描圖像。將對(duì)齊后的三維圖形進(jìn)行截面提取，即獲得衣下空氣層分布情況。

圖4 三維人體掃描圖像Fig.4 Clothing system scanning image. (a) Basic garments and equipments; (b) Permeable NBC protective suit; (c) Basic garments and equipments aligned with NBC protective suit

1.4.2 服裝熱阻與濕阻測(cè)定

服裝的熱阻和濕阻測(cè)定參考ASTM F1291—2016《使用加熱人體模型測(cè)量服裝隔熱性的試驗(yàn)方法》和ASTM F2370—2016《使用出汗人體模型測(cè)量服裝蒸發(fā)阻力的試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。服裝的總熱阻及總濕阻采用并聯(lián)法計(jì)算，并選取除手、腳以外的所有區(qū)段進(jìn)行計(jì)算。假人各區(qū)段局部熱阻計(jì)算公式[4]為

Rt=(Ts-Ta)A/H

式中：Rt為假人對(duì)應(yīng)區(qū)段的熱阻，m2·℃/W，包括服裝本身的熱阻和服裝外表面空氣邊界層的熱阻；Ts為假人對(duì)應(yīng)部位的皮膚表面溫度，℃；Ta為服裝對(duì)應(yīng)部位環(huán)境中的空氣溫度，℃；A為假人對(duì)應(yīng)部位的皮膚表面積，m2；H為假人對(duì)應(yīng)部位的熱流量，W。各區(qū)段濕阻計(jì)算公式[5-6]為：

Re=[(Ps-Pa)A]/[H-(Ts-Ta)A/Rt]

Ps=1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ts)]}

Pa=HR×1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ta)]}

式中：Re為假人對(duì)應(yīng)區(qū)段的局部濕阻，m2·Pa/W；Ps為假人對(duì)應(yīng)區(qū)段皮膚表面的飽和蒸汽壓，Pa；Pa為艙室環(huán)境中對(duì)應(yīng)假人區(qū)段高度下的飽和蒸氣壓，Pa。HR為環(huán)境艙相對(duì)濕度，%。依據(jù)假人各個(gè)區(qū)段局部熱阻和局部濕阻，使用并聯(lián)法可以得到服裝的總熱阻或總濕阻R′，并聯(lián)法計(jì)算公式[7]為

式中：Ri為假人對(duì)應(yīng)區(qū)段的局部熱阻或濕阻，m2·Pa/W；A′為假人整體皮膚表面積,m2。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 透氣型NBC防護(hù)服衣下空氣層

2.1.1 衣下空氣層大小

圖6 透氣型NBC防護(hù)服組合關(guān)鍵部位橫截面空氣層分布Fig.6 Cross-sections taken at critical body parts from aligned 3-D body scanning. (a) Chest; (b) Waist; (c) Hip; (d) Thigh; (e) Calves

服裝對(duì)人體的熱濕傳遞起到阻礙作用，其中服裝包覆所形成的衣下空氣層大小對(duì)服裝的熱濕傳遞性能具有一定影響，圖5示出5套NBC防護(hù)服組合的衣下空氣層體積和平均厚度。NBC防護(hù)服組合S01～S05的衣下空氣層隨服裝松量的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。S01～S05的衣下空氣層體積和平均厚度范圍分別為21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。最大衣下空氣層S05的體積比最小空氣層S01大112.67%，S05衣下空氣層平均厚度比S01大56.07%。S01～S04衣下空氣層體積和平均厚度增長(zhǎng)量較大，S04與S05衣下空氣層體積和平均厚度較為接近。

圖5 透氣型NBC防護(hù)服衣下空氣層體積與平均厚度Fig.5 Air gap volume and average thickness of permeable NBC protective clothing

由衣下空氣層體積和平均厚度變化可看出：衣下空氣層體積和平均厚度變化趨勢(shì)基本一致，每組服裝衣下空氣層體積的差異性與其對(duì)應(yīng)的空氣層平均厚度的差異性基本相似；在服裝測(cè)試范圍內(nèi)，雖然衣下空氣層空間隨服裝松量的增加而增加，但受面料柔軟特性及重力的影響，當(dāng)服裝松量增大到一定程度時(shí)，服裝廓形開始貼近身體，衣下空氣層空間增長(zhǎng)量逐漸減少。

2.1.2 衣下空氣層形態(tài)

服裝的熱濕傳遞性能還受到衣下空氣層形態(tài)的影響，圖6示出胸圍、腰圍、臀圍、大腿最大圍、小腿最大圍等局部衣下空氣層分布。隨著防護(hù)服松量的增大，衣下空氣層厚度逐漸增大；軀干下部的衣下空氣層大于軀干上部，這與服裝款式結(jié)構(gòu)、面料物理屬性有關(guān)；腰部等人體外輪廓曲線向內(nèi)凹陷部位的衣下空氣層厚度較大，胸部、肩胛骨、臀部等人體曲線向外凸起部位的衣下空氣層厚度較小。

由各著裝部位衣下空氣層截面形態(tài)可看出：服裝款式結(jié)構(gòu)、面料物理屬性、服裝放松量和人體外輪廓形態(tài)是影響衣下空氣層分布的主要因素。NBC防護(hù)服因?yàn)樽鲬?zhàn)需要，服裝款式和松量設(shè)計(jì)較為合體，因此各部位較為貼體，橫截面衣下空氣層分布較為均勻。

2.2 透氣型NBC防護(hù)服總熱阻及總濕阻

2.2.1 服裝總熱阻

采用暖體假人分別比較內(nèi)穿基礎(chǔ)服裝和防護(hù)裝備，外穿不同松量NBC防護(hù)服(T01、T02、T03、T04、T05)時(shí)的防護(hù)服組合(S01、S02、S03、S04、S05)的總熱阻和總濕阻。表2示出不同松量防護(hù)服組合的總熱阻、總濕阻變化情況。5套防護(hù)服組合的總熱阻范圍為0.327～0.373 m2·℃/W。在初期階段(即T01、T02、T03階段)，NBC防護(hù)服的熱阻隨服裝松量的增加逐漸增大；當(dāng)衣下空氣層增加至T03時(shí)，熱阻呈現(xiàn)最大值，為0.373 m2·℃/W。在后期階段(即T03、T04、T05階段)，NBC防護(hù)服的熱阻隨著服裝松量的繼續(xù)增加逐漸下降。NBC防護(hù)服最大熱阻(T03階段)較T01和T05階段分別大14.35%和2.02%。

表2 透氣型NBC防護(hù)服組合總熱阻及總濕阻Tab.2 Total thermal and vapor resistance of different permeable NBC protective clothing

經(jīng)過各組均值的多重比較檢驗(yàn)表明，S01與S02、S03、S04、S05之間熱阻差異顯著，但S02、S03、S04、S05之間熱阻差異不顯著?？梢?，松量大的防護(hù)服組合熱阻顯著增加，但較大松量的防護(hù)服組合之間熱阻差異不明顯。

2.2.2 服裝總濕阻

5套NBC防護(hù)服的總濕阻范圍為54.017～59.702 m2·Pa/W。NBC防護(hù)服濕阻隨服裝松量的增加逐漸增大。其中T05號(hào)NBC防護(hù)服濕阻比T01號(hào)NBC防護(hù)服大11%。

經(jīng)過各組均值的多重比較檢驗(yàn)表明，S01與S03、S04、S05之間濕阻差異顯著，但S02、S03、S04、S05之間濕阻差異不顯著?？梢?，濕阻與熱阻變化情況相似，松量大的防護(hù)服組合濕阻顯著增加，但較大松量的防護(hù)服組合之間濕阻差異不明顯。

2.3 衣下空氣層對(duì)服裝熱阻和濕阻的影響

通過體積和厚度2項(xiàng)指標(biāo)將衣下空氣層進(jìn)行量化，分析其對(duì)防護(hù)服組合S01～S05熱阻和濕阻的影響。圖7示出衣下空氣層體積與防護(hù)服總熱阻、總濕阻的關(guān)系。

圖7 衣下空氣層體積與透氣型NBC防護(hù)服組合總熱阻和總濕阻的關(guān)系Fig.7 Relationship between air gap volume and thermal resistance (a) & vapor resistance (b) of NBC protective clothing

2.3.1 衣下空氣層對(duì)熱阻的影響

1)單因素方差分析結(jié)果表明，不同服裝松量的衣下空氣層對(duì)防護(hù)服組合熱阻有顯著影響(P=0.039，即P<0.05)。2)受服裝合體度的影響，隨衣下空氣層的增加，服裝熱阻呈先逐漸增加而后減少的趨勢(shì)，這與其他學(xué)者研究的結(jié)果相符[8]，故防護(hù)服設(shè)計(jì)應(yīng)選擇對(duì)服裝熱量傳遞阻力較小的松量范圍。3)在測(cè)試范圍內(nèi)，最小衣下空氣層S01的服裝熱阻最小，其對(duì)熱量傳遞的阻礙最小，服裝的熱舒適性較好，松量設(shè)計(jì)最優(yōu)，此時(shí)衣下空氣層體積為21 222.67 cm3，衣下空氣層平均厚度為12.48 mm。4)當(dāng)衣下空氣層增加至T03時(shí)，熱阻呈現(xiàn)最大值，此時(shí)衣下空氣層體積為37 311.43 cm3，衣下空氣層平均厚度為16.68 mm。該結(jié)果說明衣下空氣層對(duì)熱阻的影響存在臨界值：當(dāng)服裝與人體形成的衣下空氣層增大到一定程度時(shí)，靜止空氣量較多，服裝的熱阻達(dá)到最大值，服裝對(duì)熱傳遞的阻力最大，服裝熱舒適性較差；當(dāng)超過該臨界值時(shí)，衣下空氣層繼續(xù)增大，衣下空氣對(duì)流加強(qiáng)，使得服裝熱阻降低。5)超過臨界值后，最大空氣層防護(hù)服組合S05與S04熱阻變化差異較小，即服裝松量對(duì)熱阻變化的影響趨于平穩(wěn)，此時(shí)衣下空氣層體積范圍為44 574.88～45 133.68 cm3，衣下空氣層平均厚度范圍為18.96～19.48 mm。此結(jié)果可能是由于松量持續(xù)增加后，較為寬松的T05防護(hù)服受面料具有柔軟特性和重力影響，服裝與人體間的空氣層平均厚度與T04的相似，空氣層增加量較小而導(dǎo)致的?？諝鈱釉龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)熱阻增大量較小這一結(jié)果也與其他學(xué)者的研究結(jié)果相符[9]。6)防護(hù)服組合松量越小其對(duì)熱阻變化率的影響越大，防護(hù)服S01、S02階段熱阻增長(zhǎng)率最大，此時(shí)衣下空氣層體積范圍為21 222.67～37 311.43 cm3，衣下空氣層平均厚度范圍為12.48～14.47 mm；而防護(hù)服組合松量較大時(shí)其對(duì)熱阻變化率的影響則較小，S02、S03階段熱阻增長(zhǎng)率和S03、S04熱阻下降率較小。從各組均值的多重比較檢驗(yàn)結(jié)果同樣可以看出，最小服裝松量防護(hù)服組合S01的熱阻顯著小于其他松量尺寸服裝，且其他服裝熱阻差異不顯著。

2.3.2 衣下空氣層對(duì)濕阻的影響

1)單因素方差分析結(jié)果表明，不同松量的衣下空氣層對(duì)防護(hù)服組合濕阻有顯著影響(P=0.048，即P<0.05)。2)受服裝合體度的影響，服裝濕阻隨衣下空氣層的增加而增大。不同服裝松量的衣下空氣層對(duì)熱阻和濕阻的影響不同，這一結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果相符[10]。防護(hù)服設(shè)計(jì)應(yīng)選擇對(duì)服裝透濕傳遞阻力較小的松量范圍。3)在測(cè)試范圍內(nèi)，同樣是最小衣下空氣層S01的服裝濕阻最小，其對(duì)透濕的阻礙最小，服裝的熱濕舒適性較好，松量設(shè)計(jì)最優(yōu)。4)最大空氣層防護(hù)服組合S05與S04濕阻變化差異較小，此時(shí)服裝松量對(duì)濕阻變化的影響趨于平穩(wěn)，這一變化與熱阻情況相似。5)雖然濕阻與服裝松量成一定的正相關(guān)關(guān)系，但各防護(hù)服組合間的濕阻增長(zhǎng)率不同。S01、S02階段濕阻增長(zhǎng)率較大，S02、S03、S04階段濕阻增長(zhǎng)率較小?？梢姺雷o(hù)服組合松量越小其對(duì)濕阻變化率的影響越大，而松量較大時(shí)其對(duì)濕阻變化率的影響則較小，這一情況也與熱阻變化相似。從各組均值的多重比較檢驗(yàn)結(jié)果同樣可以看出，最小服裝松量防護(hù)服組合S01的濕阻顯著小于S03～S05，且其他服裝濕阻差異不顯著。

綜合衣下空氣層對(duì)熱阻和濕阻的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)，透氣型NBC防護(hù)服在保證運(yùn)動(dòng)松量的情況下，服裝松量設(shè)計(jì)較小時(shí)，防護(hù)服組合的總熱阻和總濕阻最小，服裝對(duì)熱、濕傳遞的阻礙最小，服裝熱濕舒適性較好。

3 結(jié)束語

本文對(duì)5套不同松量的透氣型核生化(NBC)防護(hù)服進(jìn)行三維掃描和暖體假人實(shí)驗(yàn)分析常溫條件下衣下空氣層對(duì)熱阻和濕阻的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，衣下空氣層隨服裝松量的增加而增大，衣下空氣層體積和平均厚度的范圍分別為21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。在不同松量設(shè)置條件下，衣下空氣層變化對(duì)防護(hù)服熱阻和濕阻的影響顯著，服裝總熱阻隨著服裝松量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，總熱阻范圍為0.327～0.373 m2·℃/W；服裝總濕阻隨著服裝松量的增加而增大，總濕阻范圍為54.017～59.702 m2·Pa /W。測(cè)試樣衣中松量最小的透氣型NBC防護(hù)服組合S01的總熱阻和總濕阻最小，其對(duì)應(yīng)衣下空氣層的體積和平均厚度分別為21 222.67 cm3和12.48 mm，此時(shí)服裝對(duì)人體與外界的干熱和濕熱交換阻力較少。設(shè)計(jì)透氣型NBC防護(hù)服時(shí)，在保障防護(hù)安全和運(yùn)動(dòng)自由度的情況下，衣下空氣層較小的服裝，即松量較小的服裝，其總熱阻、總濕阻較小，服裝熱濕舒適性較好，服裝對(duì)人體熱應(yīng)激效應(yīng)的影響最小。

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