蘇文楨， 盧業(yè)虎,2， 王方明， 宋文芳

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 江蘇 南通 226300； 3. 蘇州市興豐強(qiáng)紡織科技有限公司， 江蘇 蘇州 215227； 4. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人們戶外活動(dòng)的增加，消費(fèi)者對(duì)戶外服裝的便攜性和保暖性提出了更高的要求。在寒冷環(huán)境中，服裝需要有良好的隔熱效果保護(hù)穿著者免受外界環(huán)境的傷害。戶外活動(dòng)人群在不同的活動(dòng)強(qiáng)度下，熱平衡被打破[1]，體溫以及代謝率會(huì)發(fā)生瞬間變化[2-3]，導(dǎo)致人體生理適應(yīng)時(shí)間不足，甚至可能超過(guò)人體生理調(diào)節(jié)的極限[4-5]，嚴(yán)重影響人類的健康[6]，因此，對(duì)于寒冷環(huán)境中的戶外活動(dòng)人群來(lái)說(shuō)，尋找一種有效的保暖調(diào)節(jié)策略就顯得尤為重要。

為了實(shí)現(xiàn)身體的熱平衡，人們會(huì)運(yùn)用各種方式，而服裝是一種最好的調(diào)節(jié)和輔助身體熱平衡的方式，因?yàn)樗粌H可以保護(hù)我們的身體免受外界的直接傷害，還可起到輔助人體開(kāi)展熱調(diào)節(jié)的作用[7]。在所有的保暖性能調(diào)節(jié)策略中，調(diào)整衣物的隔熱性能是最重要的策略[8]。在活動(dòng)量改變以及環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，通常以改變服裝厚度和層數(shù)的方式來(lái)保持人體的熱舒適性，但是對(duì)于物品便攜性要求很高的戶外活動(dòng)人群來(lái)說(shuō)，這是非常不方便的[9-10]。另外一種比較有效的方法是電加熱服裝，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率來(lái)產(chǎn)生所需的保暖效果，但是存在電池壽命短、耐洗性與安全性差、成本高等缺點(diǎn)，在日常生活中并不常用[11-12]；因此，研制一種保暖性能可調(diào)且無(wú)需電加熱裝置的防寒服裝是戶外運(yùn)動(dòng)人群的迫切需要。

近幾年來(lái)，研究者們提出了將空氣作為隔熱材料的充氣服裝，期望通過(guò)向服裝充入不同的空氣量，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持人體的熱舒適性[13]。其基本理論是，靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)在自然界中最低，服裝的保暖性能主要取決于服裝系統(tǒng)內(nèi)的靜止空氣層含量，在一定范圍內(nèi)，靜止空氣層越厚，服裝系統(tǒng)的保暖性能越好[14]。不同于傳統(tǒng)的保暖服裝，充氣服是一種利用空氣作為保暖材料的服裝。首先，空氣的使用大大降低了服裝的質(zhì)量，使得服裝更輕更薄，更加便攜的同時(shí)極大地增加了戶外活動(dòng)群體的活動(dòng)自由度；其次，空氣是一種源源不斷且不需任何成本的資源，這顯然會(huì)大大降低服裝的生產(chǎn)成本；最后，空氣的應(yīng)用規(guī)避了羽絨等保暖填充材料的使用，保護(hù)生態(tài)、節(jié)約能源且更加環(huán)保；因此，空氣被公認(rèn)為是最理想的隔熱材料。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于充氣服已有相關(guān)研究，第1代充氣服將上身軀干部位水平分成3個(gè)獨(dú)立的空氣室，分別是胸部空氣室、腹部空氣室和腰部空氣室，可以實(shí)現(xiàn)6種不連續(xù)的保暖模式。第2代充氣服將軀干部位分成了更多連續(xù)的空氣室，通過(guò)充氣量的連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)保暖性能調(diào)節(jié)的連續(xù)性[15]。雖然市面上可以買(mǎi)到充氣服裝，但是其種類很少，相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)也很少，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其實(shí)際保暖性能。

美國(guó)NuDown公司開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需電加熱裝置僅依靠充氣泵就能實(shí)現(xiàn)保暖可調(diào)的充氣服，本文基于NuDown背心[16]開(kāi)發(fā)了一件新型的充氣夾克，通過(guò)暖體假人實(shí)驗(yàn)從充氣量、有無(wú)袖子以及是否穿抓絨衣3個(gè)角度分析其上身局部熱阻以及總熱阻，并與NuDown充氣夾克進(jìn)行比較，客觀地評(píng)價(jià)新型充氣夾克的保暖調(diào)節(jié)能力。研究結(jié)果將有助于高性能充氣服裝的工程化，并為具有保溫調(diào)節(jié)功能的服裝研發(fā)提供參考。

1 充氣夾克研制

1.1 材料選擇

充氣夾克內(nèi)含儲(chǔ)存空氣的氣囊，所需材料應(yīng)不透氣，外層面料需要具備一定的耐磨性和強(qiáng)度。充氣夾克外層、里層面料信息如表1所示。外層為100%滌綸機(jī)織面料，常用作戶外服裝的外層面料，具有良好的抗皺性和保形性；里層為抓絨針織面料，一方面比較親膚，另一方面微小的絨毛組織可以保存更多的靜止空氣，具有良好的保暖性；里層和外層分別采用聚氨酯(TPU)材料單層覆膜，以此保證充氣夾克氣囊的不透氣，TPU膜的面密度為45 g/m2。

表1 充氣夾克面料信息Tab.1 Information of air inflatable jacket fabric

1.2 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的Mountain充氣夾克的外層和里層面料之間通過(guò)熱敏膠點(diǎn)熱壓粘結(jié)而成，將衣身分成若干大小相等且相通的正六邊形氣囊。圖1示出了氣囊的膠點(diǎn)粘結(jié)線。可知，膠點(diǎn)粘接線部分閉合，以此來(lái)保證氣囊之間的通氣性。為了保證手臂的活動(dòng)性，袖子不設(shè)置氣囊，與衣身通過(guò)拉鏈連接，可拆卸。與市售的NuDown充氣夾克相比，本文研發(fā)的Mountain充氣夾克款式相似，均為H型，其他區(qū)別如下：1)NuDown夾克為菱形氣囊，呈豎直方向排列，人體彎腰時(shí)服裝易對(duì)人體產(chǎn)生阻礙作用，Mountain夾克為相互連通的多邊形氣囊，在彎腰時(shí)服裝對(duì)人體的阻礙更小，舒適性更優(yōu)；2)從氣囊占衣身的面積來(lái)看，NuDown夾克上胸部、腋下以及下擺均未設(shè)置氣囊，約占比60%，而Mountain充氣夾克的氣囊分布于整個(gè)衣身，約占比90%，Mountain的氣囊占衣身總面積的比例更大，最大充氣量更大。在左側(cè)口袋部位安裝可以手動(dòng)操控的充氣泵，多次按壓充氣泵充氣，氣囊受到壓力作用厚度增加，空氣層變厚，隔熱性能增加，從而提高保暖性能；當(dāng)按壓充氣泵上的放氣按鈕時(shí)可以放氣，空氣層變薄，保暖性能降低。圖2示出了Mountain充氣夾克正背面款式圖。

圖1 氣囊粘結(jié)線示意圖Fig.1 Pattern of glued line for air cells

圖2 Mountain充氣夾克正背面款式圖Fig.2 Pattern of air inflatable garment. (a) Front; (b) Back

2 暖體假人實(shí)驗(yàn)

本文參照ISO 15831—2004《服裝-生理效應(yīng)-采用暖體假人測(cè)試服裝的熱阻》，借助Newton暖體假人測(cè)試充氣夾克的熱阻，氣候室空氣溫度和相對(duì)濕度分別控制為(15±0.2) ℃和(50±5)%，暖體假人皮膚溫度恒定在34 ℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，暖體假人穿著純棉內(nèi)褲、一套純棉針織保暖內(nèi)衣、充氣夾克、薄絨長(zhǎng)褲、棉襪、運(yùn)動(dòng)鞋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要上身穿著抓絨衣，抓絨衣位于保暖內(nèi)衣和充氣夾克之間。分別研究了4種充氣量、充氣夾克有無(wú)袖子和是否穿抓絨衣對(duì)熱阻的影響。4種充氣量條件分別編號(hào)為con、1/3 full、2/3 full和full。其中：con為未充氣狀態(tài)；full即充滿氣狀態(tài)，此時(shí)Mountain和NuDown夾克的氣囊厚度均為1.9 cm。根據(jù)full情況下的充氣泵按壓次數(shù)，分別設(shè)定1/3 full和2/3 full的按壓次數(shù)。每次實(shí)驗(yàn)至少測(cè)量3次，保證熱阻變異系數(shù)低于5%。

本文測(cè)試了充氣夾克上身熱阻和局部熱阻，計(jì)算上身熱阻時(shí)不包括頭和手，局部熱阻包括上臂、下臂、胸部、腹部和背部。采用One Way ANOVA 方差分析和多重比較分析探索各因素對(duì)充氣夾克局部和上身總熱阻的影響。顯著性差異水平p<0.05時(shí)，標(biāo)記為“*”；p<0.01時(shí)，標(biāo)記為“**”。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 充氣量對(duì)熱阻的影響

3.1.1 充氣量對(duì)局部熱阻的影響

圖3示出不同充氣量情況下Mountain充氣夾克的局部熱阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各部位的熱阻與充氣量成正比，隨著充氣量的增加，各部位的熱阻隨之增加。各部位充氣狀態(tài)的熱阻均顯著高于未充氣狀態(tài)(p<0.01)。在胸部、腹部、背部這些氣囊覆蓋部位，不同充氣量的熱阻增幅更加明顯，呈現(xiàn)出極顯著差異(p<0.01)隨著充氣量的增加，氣囊的厚度不斷增加，暖體假人與外界的熱傳導(dǎo)/對(duì)流和熱輻射降低，保暖性增強(qiáng)。在沒(méi)有氣囊覆蓋的上臂和下臂不同充氣量之間也呈現(xiàn)出顯著性差異。雖然沒(méi)有其他3個(gè)部位增幅明顯，但是充氣狀態(tài)熱阻比未充氣狀態(tài)略增加3%，而且，熱阻隨著充氣量的增加也有所增加。上述現(xiàn)象說(shuō)明了充氣夾克充氣后增加了氣囊的厚度但降低了衣下空氣層的厚度，影響了服裝內(nèi)部的通風(fēng)，降低了煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致手臂處熱阻輕微增加。

圖3 不同充氣量下Mountain充氣夾克的局部熱阻Fig.3 Local thermal insulation of Mountain in different air inflation volumes

3.1.2 充氣量對(duì)上身總熱阻的影響

圖4示出市售的一款NuDown充氣夾克與本文研制的Mountain充氣夾克在不同充氣量下的總熱阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在每種充氣量下Mountain充氣夾克的總熱阻均顯著高于NuDown(p<0.01)。這說(shuō)明Mountain充氣夾克的保暖性能更好。Mountain充滿氣時(shí)需要的空氣量更多，這可能是熱阻較NuDown大的原因之一。2種充氣夾克充氣狀態(tài)下總熱阻均顯著高于未充氣狀態(tài)(p<0.01)。Mountain充氣夾克充氣狀態(tài)下，上身總熱阻隨著充氣量的增加而增加，總熱阻增幅分別為6.4%、2.9%、0.2%。NuDown充氣夾克隨著充氣量的增加總熱阻反而略微減小。這一結(jié)果表明Mountain充氣夾克在充氣狀態(tài)下比NuDown充氣夾克具有更佳的保暖調(diào)節(jié)能力。

圖4 4種充氣夾克不同充氣量下的總熱阻比較Fig.4 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown in different air inflation volumes

3.2 袖子對(duì)熱阻的影響

3.2.1 袖子對(duì)局部熱阻的影響

本文進(jìn)一步研究了有無(wú)袖子對(duì)Mountain充氣夾克局部熱阻的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。可知，不論在哪一種充氣量情況下，除了胸部，其他部位在有袖子時(shí)的熱阻均顯著高于無(wú)袖子時(shí)(p<0.01)，這一結(jié)果說(shuō)明袖子確實(shí)會(huì)對(duì)充氣夾克熱阻產(chǎn)生影響。有袖子時(shí)上臂和下臂的服裝厚度增加，熱阻增加，這是可以預(yù)測(cè)到的，但是在其他部位，有無(wú)袖子時(shí)表現(xiàn)出的巨大差異是很有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在腹部和背部，有袖子時(shí)熱阻明顯大于沒(méi)有袖子時(shí)的熱阻，con條件下分別增加43.5%和15.6%，full條件下分別增加49.9%和15.9%，但是胸部的熱阻恰好相反，有袖子時(shí)熱阻反而減小，con條件下減小3.9%，full條件下減小2.8%。沒(méi)有袖子時(shí)，暖體假人與外界環(huán)境在袖窿部位有一定的空隙，且在腹部和背部服裝與假人之間存在較大的空氣層，外界冷空氣與服裝內(nèi)的暖空氣熱交換明顯，產(chǎn)生對(duì)流，散熱加強(qiáng)，從而導(dǎo)致腹部和背部的熱阻大幅下降，在胸部服裝與假人之間的間隙較小，因此有無(wú)袖子對(duì)局部熱阻的影響較小，熱阻小幅增加可能與衣下通風(fēng)增加有關(guān)，人體腹部與胸部之間產(chǎn)生了熱交換。多重比較分析結(jié)果顯示，有無(wú)袖子時(shí)，充氣量對(duì)上臂和下臂沒(méi)有影響，但是在胸部、腹部和背部呈現(xiàn)出極顯著差異(p<0.01)，由于袖子沒(méi)有設(shè)置氣囊，所以充氣量對(duì)其熱阻沒(méi)有影響，在胸部、腹部和背部充氣后氣囊的厚度增加，與外界的熱交換減少，熱阻增加，表現(xiàn)出顯著性差異。

圖5 有無(wú)袖子情況下Mountain充氣夾克的局部熱阻Fig.5 Local thermal insulation of Mountain air inflatable jacket with or without sleeves

3.2.2 袖子對(duì)上身總熱阻的影響

圖6示出2種充氣夾克在有無(wú)袖子時(shí)的上身總熱阻。在con和full 2種充氣量條件下，2種充氣夾克在有袖子時(shí)的總熱阻均顯著高于無(wú)袖子時(shí)的熱阻(p<0.01)。有袖子時(shí)，暖體假人與外界環(huán)境的熱交換減少，服裝總熱阻增加，這與圖4所示的局部熱阻變化一致。充滿氣狀態(tài)下(full)的熱阻均大于不充氣(con)時(shí)的熱阻(p<0.01)，無(wú)袖子時(shí)，NuDown增加8.6%，Mountain增加2.4%；有袖子時(shí)，NuDown增加3.6%，Mountain增加9.6%，增幅更為明顯。這對(duì)充氣服的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義，考慮到上臂和下臂的肢體活動(dòng)較多，大多充氣服沒(méi)有袖子或者袖子部位不設(shè)置氣囊，根據(jù)本文研究結(jié)果可知，在充氣服的設(shè)計(jì)中可以添加袖子來(lái)提高充氣服的保暖性能，且袖子對(duì)其他部位的局部保暖性也有一定的積極影響。

圖6 有無(wú)袖子情況下2種充氣夾克的上身總熱阻比較Fig.6 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown with or without sleeves

3.3 抓絨衣對(duì)熱阻的影響

3.3.1 抓絨衣對(duì)局部熱阻的影響

圖7示出是否穿抓絨衣對(duì)Mountain充氣服局部熱阻的影響。結(jié)果表明，在con和full 2種充氣量情況下，穿抓絨衣時(shí)所有部位的熱阻均顯著高于不穿抓絨衣時(shí)的熱阻(p<0.01)，腹部的差異尤其明顯。穿抓絨衣時(shí)，服裝層數(shù)增多，整個(gè)服裝系統(tǒng)的空氣層變厚，保暖性能增強(qiáng)。其次，穿抓絨衣充滿氣(full)比未充氣(con)，上臂和下臂熱阻分別增加6.4%和2.9%，胸部、腹部、背部熱阻分別增加-2.6%、-2.8%和-4.5%，而不穿抓絨衣時(shí)，熱阻增加6.3%～22.7%，不穿抓絨衣時(shí)熱阻增幅更加明顯。由于胸部、腹部、背部空氣層厚度較薄，當(dāng)穿著抓絨衣時(shí)，服裝充氣后擠壓了衣下的空氣層厚度，在這些部位的局部熱阻反而較不充氣時(shí)下降，因此，穿抓絨衣時(shí)充氣夾克的熱阻增加反而沒(méi)有不穿時(shí)明顯。

圖7 穿抓絨衣對(duì)局部熱阻的影響Fig.7 Effect of fleece on local thermal insulation

3.3.2 穿抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響

圖8示出是否穿抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響。在con和full 2種充氣狀態(tài)下，2種充氣夾克在穿抓絨衣時(shí)的總熱阻都顯著大于不穿抓絨衣的熱阻(p<0.01)，這與它們?cè)诰植繜嶙璧谋憩F(xiàn)一致。2種充氣夾克，充滿氣狀態(tài)下的總熱阻均大于未充氣的熱阻，穿抓絨衣時(shí)，NuDown的上身總熱阻增加3.4%，Mountain的減小3.0%；不穿抓絨衣時(shí)，NuDown的增加3.6%，Mountain的增加9.6%。以上結(jié)果表明在穿著充氣服裝時(shí)，應(yīng)充分考慮服裝的搭配，不能一味地增加空氣層厚度或增加服裝的層數(shù)，可能會(huì)造成保暖性能的下降。

圖8 抓絨衣對(duì)上身總熱阻的影響Fig.8 Effect of fleece on total thermal insulation

4 結(jié) 論

本文研制了一款將空氣作為保暖材料的充氣夾克，通過(guò)一系列暖體假人實(shí)驗(yàn)，分別從充氣量、有無(wú)袖子、是否穿抓絨衣3個(gè)角度評(píng)價(jià)了其保暖性能，并與NuDown充氣夾克進(jìn)行了對(duì)比研究，得到以下結(jié)論：

1)充氣狀態(tài)的局部熱阻和總熱阻明顯高于未充氣狀態(tài)，且充氣量會(huì)顯著影響服裝的熱阻，充氣量越大，服裝的熱阻就越高。在保暖性調(diào)節(jié)方面，Mountain充氣服比NuDown充氣服更有效。

2)有袖子時(shí)充氣服的保暖效果更好，腹部和背部在沒(méi)有袖子時(shí)熱阻下降尤為明顯。

3)穿抓絨衣雖然會(huì)增加服裝系統(tǒng)的熱阻，但是對(duì)充氣夾克保暖性能的調(diào)節(jié)能力有影響。

綜上所述，本文研發(fā)的Mountain充氣夾克比NuDown充氣夾克具有更優(yōu)異的保暖調(diào)節(jié)能力，后續(xù)需進(jìn)一步通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果。