楊 陽， 俞 欣， 章為敬， 張佩華

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 迪肯大學(xué) 前沿材料研究所， 澳大利亞 吉朗 3216)

面料的吸濕涼爽性能是決定夏季服裝及運動服裝的熱濕舒適性的重要指標(biāo)。當(dāng)人體大量出汗后，服裝良好的吸濕性能有利于吸濕排汗，使服裝-人體微環(huán)境保持干燥舒適；然而若汗液不能及時排出，大量的汗液和熱量在服裝-人體微環(huán)境積聚，產(chǎn)生悶熱和黏著感。服裝熱舒適性在很大程度上取決于服裝的熱濕傳遞特性[1-2]、人體周圍環(huán)境(如溫度、環(huán)境空氣的相對濕度和風(fēng)速)以及人體運動量[3]。當(dāng)人體出汗過多時，較低的環(huán)境溫度和相對濕度，以及較高的風(fēng)速有利于服裝-人體微環(huán)境與外界進(jìn)行熱質(zhì)交換。此外，織物良好的導(dǎo)熱性可促進(jìn)熱量快速向外傳遞，有利于人體降溫。當(dāng)活動量較小時，服裝-人體微環(huán)境的汗液以汽態(tài)形式存在，此時服裝的傳熱機(jī)制主要是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[4]。然而，人體大量出汗后，水分蒸發(fā)在維持服裝熱濕舒適性方面起主導(dǎo)作用[5]，這是因為水分蒸發(fā)吸熱，帶走大量的熱量，從而產(chǎn)生涼爽感[6-7]；因此，在大量出汗情況下，維持人體舒適主要由汗液蒸發(fā)吸熱實現(xiàn)[8]，而非織物的傳熱性能。

合理有效的涼爽性能檢測方法是評價織物涼爽性能的必要手段，有助于涼爽織物的設(shè)計和研發(fā)。有關(guān)織物的液態(tài)水分傳遞性能和吸濕快干性能的測試方法較多，主要有液態(tài)水分管理測試[9]、芯吸測試、浸潤性能測試、透濕率測試、水分蒸發(fā)速率測試[10-11]、回潮率測試等[12]。然而此類方法僅適用于對織物的濕態(tài)涼爽性能進(jìn)行定性和一定程度的定量表征，不能完全反映織物的涼爽性能?？椢锏膶?dǎo)熱性能通常通過采用熱平板測試儀[13-14]、暖體假人[15]以及織物觸感測試儀[16]測試織物的熱阻、濕阻、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)來表征，但該類測試方法只能測試織物達(dá)到穩(wěn)態(tài)的熱性能指標(biāo)，適用于對織物干態(tài)涼爽性能的粗略描述。最大熱流量可表征織物的瞬間接觸涼感性能[14,17]，然而該方法僅適用于人體皮膚與織物存在明顯溫差時該織物干態(tài)的瞬間涼感，不能反映織物實際穿著過程中的涼爽性能。為更好地對針織面料的涼爽性能進(jìn)行測試評價，課題組前期提出了一種綜合評價針織面料吸濕涼爽功能的測試方法[18]。本文提出了針織面料的涼爽性能評價方法，并根據(jù)濕態(tài)織物升溫曲線特征以及織物熱阻的測試原理，提出表征織物濕態(tài)涼爽性能的指標(biāo)，通過測試分析織物的透氣率、芯吸高度、單向?qū)裰笖?shù)、擴(kuò)散半徑、干燥速率、熱阻和濕阻，分析影響織物濕態(tài)涼爽性能的因素。

1 實驗材料

為分析影響織物濕態(tài)涼爽性能的因素，使用機(jī)號為E22的多功能小型雙面圓緯機(jī)(BCM/60RG，漳州偉翔精密機(jī)械有限公司)，以及機(jī)號為E34的針織大圓機(jī)(XL-XST，鑫隆針織機(jī)械有限公司)分別制備具有不同熱濕傳遞性能的34種針織面料試樣。試樣的編織結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中數(shù)字為編織路數(shù)。試樣的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 針織面料的編織結(jié)構(gòu)Fig.1 Knitting structure of knitted fabric samples.(a) Double tuck stitch; (b) Double tuck stitch (small mesh); (c) 1×1 interlock; (d) Double tuck stitch (large mesh)

2 熱濕性能測試方法

織物透氣性采用YG461E-III型全自動透氣性測試儀(寧波紡織儀器廠)，根據(jù)ISO 9237—2017《紡織品 纖維織物透氣性測定》進(jìn)行測試，織物的測試面積為20 cm2，測試壓力為100 Pa。

織物的芯吸高度通過垂直芯吸測試法測定，測試時間為30 min，試樣大小為2.5 cm×30 cm。分別測試織物經(jīng)向和緯向的芯吸高度，以經(jīng)緯向芯吸高度的平均值作為織物的芯吸高度。

織物的液態(tài)水分管理性能采用M290型液態(tài)水分管理測試儀(標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)(香港)股份有限公司)，根據(jù)ASTM D1776—2008e1《紡織品的調(diào)濕和試驗標(biāo)準(zhǔn)實施規(guī)程》測定[19]，試樣的測試面積為8 cm×8 cm。測試使用的人造汗液由1 L蒸餾水和大約9 g氯化鈉混合制成。

干燥速率由RF4008HP型干燥速率測試儀(深圳市瑞鋒儀器有限公司)，按照AATCC TM 201—2013《織物干燥速率：加熱板法》進(jìn)行測試。試樣的測試面積為15 cm×15 cm。

織物的熱生理舒適性采用YG606型熱阻濕阻測試儀(寧波紡織儀器廠)，根據(jù)ASTM D1776/D1776 M—2016《紡織品的調(diào)節(jié)和試驗標(biāo)準(zhǔn)實施規(guī)程》測定。

3 涼爽性能測試方法和評價指標(biāo)

3.1 涼爽性能測試方法

織物的涼爽性能主要表現(xiàn)為2個方面：一是織物具有良好的導(dǎo)熱散熱功能，通過熱傳導(dǎo)的方式將人體皮膚熱量擴(kuò)散至大氣環(huán)境中，起到一定的涼爽作用；二是織物具有良好的導(dǎo)濕散濕功能，當(dāng)人體大量出汗時，通過汗液的快速傳導(dǎo)和蒸發(fā)吸濕，起到?jīng)鏊禍氐男Ч?/p>

為綜合評價織物的涼爽性能，在前期研究[18]的基礎(chǔ)上，提出以干濕態(tài)織物的升溫性能表征其涼爽能力。測試干態(tài)織物在一定熱功率條件下的溫度變化，可表征織物的熱傳導(dǎo)能力；測試濕態(tài)織物在一定熱功率條件下的溫度變化，可綜合表征織物的涼爽性能，包括織物的熱傳遞、水分?jǐn)U散、蒸發(fā)散熱以及相變吸熱等。為進(jìn)行實驗，將YG606 II型織物熱阻濕阻測試儀進(jìn)行改裝設(shè)計，通過增設(shè)程序控制加熱板保持恒定功率加熱，以滿足測試要求。測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test instrument

實驗前，對針織面料進(jìn)行預(yù)處理。干態(tài)測試預(yù)處理：將被測織物放置在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度(相對濕度為(65±1)%，溫度為(20±1) ℃)的恒溫恒濕環(huán)境內(nèi)平衡24 h，使織物達(dá)到熱濕平衡。濕態(tài)測試預(yù)處理：測試被測織物烘干后的質(zhì)量m，然后將被測織物完全浸入三級水中至織物吸水飽和，用羅拉將吸水后的被測織物通過一定的壓力將水分?jǐn)D出至不滴水狀態(tài)，然后將被測織物放置在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下使水分蒸發(fā)擴(kuò)散至被測織物均勻地含20 g液態(tài)水。

3.2 涼爽性能評價指標(biāo)

根據(jù)織物涼爽性能的評價原理，在空板測試時測試板的溫度與濕態(tài)織物測試時測試板的溫度差值曲線中，定義最大溫差TCmax為織物涼爽溫度。濕態(tài)最大涼爽溫度越大，且達(dá)到最大溫差的時間tCmax越短，織物的涼爽性能越好。即，織物的濕態(tài)涼爽能力與濕態(tài)涼爽溫度成正比，與達(dá)到最大溫差的時間成反比。因此，定義溫度差值曲線的峰值與達(dá)到峰值時間的比值為涼爽溫度指數(shù)(ICT)。升溫差值曲線公式與涼爽溫度指數(shù)公式分別如下：

TC(t)=Tb0(t)-Tb(t)

式中：Tb(t)為測試織物時測試板的實時溫度，℃。Tb0(t)為空板測試時測試板的實時溫度，℃。Tb(t)與Tb0(t)分別簡稱為試樣溫度(或織物溫度)和測試板溫度。

為了便于織物在不同加熱條件和不同測試面積條件下的涼爽性能評價，織物的實時熱阻Rct(t)可根據(jù)織物熱阻的測試方法和計算原理計算。

式中：Rct為織物熱阻，10-3m2·K/W；Rct0為空板熱阻，10-3m2·K/W;Tb為測試板溫度，℃；Ta為測試環(huán)境溫度，℃；A為測試板面積，cm2；Ht為測試板加熱功率，W。

由以上公式可知，織物的實時熱阻與織物溫度和測試板的溫度差成正比。由于熱損失是實現(xiàn)織物涼爽的本質(zhì)手段，而熱阻是阻礙熱損失，因此，定義織物的涼爽能力rC為-Rct(t)，即

由織物涼爽能力公式與織物溫差曲線公式可知，織物的涼爽能力與溫差成正比，且到達(dá)涼爽能力峰值的時間tCmax越短，其濕態(tài)涼爽能力越好。因此,根據(jù)涼爽溫度指數(shù)，可定義涼感能力曲線的峰值與達(dá)到峰值時間的比值為涼爽能力指數(shù)(IC)，涼爽能力指數(shù)和涼爽溫度指數(shù)的值越大，織物的涼爽能力越好。

4 涼爽性能預(yù)測模型建立

4.1 正態(tài)性檢驗

為了建立織物涼爽性能的預(yù)測模型，首先對本文所開發(fā)的34塊試樣的熱濕舒適性能參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗，檢驗實驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性分布。使用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表2。已知，利用變量的偏度和峰度進(jìn)行正態(tài)性檢驗時，在α=0.05的檢驗水平下，若偏度標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)和峰度標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)都在±1.96之間，則可認(rèn)為變量服從正態(tài)分布;若有一個值不滿足，則認(rèn)為不服從正態(tài)分布[20]。由表2可知，所有測試變量的偏度標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)和峰度標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)均在-1.96～1.96之間，即變量符合正態(tài)分布。

表2 描述性統(tǒng)計分析結(jié)果Tab.2 Results of descriptive statistics analysis

4.2 相關(guān)性分析

為研究影響織物涼爽性能的因素，分析涼爽性能參數(shù)與織物熱濕傳遞相關(guān)性能參數(shù)的相關(guān)性。根據(jù)涼爽能力指數(shù)與涼爽溫度指數(shù)的定義可知，涼感溫度指數(shù)與涼爽能力指數(shù)正相關(guān)，因此，只對涼爽溫度、涼爽能力指數(shù)與其他性能參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知:織物的涼爽能力指數(shù)與織物的透氣性、熱阻和濕阻顯著相關(guān);涼爽溫度與織物的熱阻和濕阻顯著相關(guān)。可見，織物的透氣率、熱阻和濕阻影響其涼爽性能；同時單向?qū)裰笖?shù)、芯吸高度和干燥速率對織物的涼爽能力指數(shù)具有一定影響，且單向?qū)裰笖?shù)和擴(kuò)散半徑對織物的涼爽溫度具有一定影響。透氣率和濕阻與涼爽性能正相關(guān)，隨著透氣和透濕性的增強，織物的涼爽性能增強。熱阻與涼爽能力指數(shù)負(fù)相關(guān)，隨著織物熱阻的減小，織物的導(dǎo)熱性能增加，有利于熱量沿織物厚度方向向外界傳遞，從而使織物的涼爽能力增強。

表3 織物熱濕傳遞性能參數(shù)與涼爽溫度、涼爽能力指數(shù)的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between thermal-wet parameters and cooling property

4.3 多元線性回歸預(yù)測模型建立

4.3.1 多重線性檢驗

通過以上分析可知：織物涼爽能力指數(shù)與其透氣率、熱阻和濕阻顯著相關(guān)，與織物的芯吸高度、單向?qū)裰笖?shù)和干燥速率在一定程度上相關(guān)；織物涼爽溫度與其熱阻和濕阻顯著相關(guān)，與擴(kuò)散半徑和單向?qū)裰笖?shù)在一定程度上相關(guān)。在進(jìn)行多元線性回歸前，應(yīng)檢驗相關(guān)熱濕性能參數(shù)間的線性相關(guān)性，以此確定多元回歸分析的方法。

圖3示出與涼爽性能參數(shù)相關(guān)的熱濕性能參數(shù)的線性相關(guān)性分析結(jié)果。由圖可知：芯吸高度與透氣率、擴(kuò)散半徑和干燥速率具有較好的線性相關(guān)性；且擴(kuò)散半徑與透氣率、芯吸高度、單向?qū)裰笖?shù)和干燥速率線性相關(guān)。用判定系數(shù)R2來表示自變量和因變量之間線性相關(guān)的關(guān)聯(lián)程度的指標(biāo)，R2越接近1，其線性擬合度越好。通過分析可知：芯吸高度與透氣率、擴(kuò)散半徑和干燥速率具有較好的線性相關(guān)，R2分別為0.587、0.652、0.563；擴(kuò)散半徑與透氣率、單向?qū)裰笖?shù)和干燥速率的R2分別為0.339、0.204、0.464。說明芯吸高度與透氣率、擴(kuò)散半徑、干燥速率具有較顯著的線性相關(guān)性，擴(kuò)散半徑與透氣率、單向?qū)裰笖?shù)和干燥速率具有一定的線性相關(guān)性。主要原因是該類性能參數(shù)均與織物的孔隙大小和分布密切相關(guān)。由于相關(guān)熱濕參數(shù)間存在線性相關(guān)性，因此，在進(jìn)行涼爽性能參數(shù)與相關(guān)熱濕性能參數(shù)的多元線性回歸分析時，應(yīng)考慮模型存在多重共線性的問題。

圖3 熱濕性能參數(shù)的線性相關(guān)性分析結(jié)果Fig.3 Linear correlation analysis results of thermal-wet performance parameters

4.3.2 基于逐步回歸法建立預(yù)測模型

針對多元共線性問題，可利用逐步回歸法篩選并剔除引起多重共線性的變量[21]。

4.3.2.1涼爽能力指數(shù)的預(yù)測模型 表4示出涼爽能力指數(shù)與熱濕性能參數(shù)的多元線性回歸預(yù)測分析和方差分析的結(jié)果。由表可知，模型1、2和3的顯著性均小于0.01，且3個模型的線性擬合R2值均較接近于1，說明3個模型均具有統(tǒng)計學(xué)意義，且具有較好的擬合度。模型1為引入單一變量熱阻的一元線性回歸模型，模型2為引入熱阻和濕阻的二元線性回歸模型，模型3為引入熱阻、濕阻和干燥速率的三元線性回歸模型。隨著引入自變量的增多，模型1、2和3的R2值逐漸增大，說明其線性回歸模型的擬合度越來越好?？梢?，模型3為涼爽能力指數(shù)預(yù)測最優(yōu)模型。

表4 涼爽能力指數(shù)與熱濕性能參數(shù)的 多元線性回歸預(yù)測分析和方差分析結(jié)果Tab.4 Prediction analysis and variance analysis results based on stepwise method between cooling capacity index and thermal-wet performance parameters

表5示出涼爽能力指數(shù)與熱濕性能參數(shù)的多元線性回歸模型系數(shù)矩陣。通過以上分析可知，模型3為最優(yōu)線性模型，因此，織物的涼爽能力指數(shù)可在一定程度上根據(jù)其熱阻、濕阻和干燥速率進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測模型公式為

涼爽能力指數(shù)=34.917-0.813×熱阻+

2.576×濕阻+3.863×干燥速率

表5 涼爽能力指數(shù)與熱濕性能參數(shù)的 多元線性回歸模型系數(shù)矩陣Tab.5 Coefficient matrix of multiple linear regression model between cooling capacity index and thermal-wet performance parameters

4.3.2.2涼爽溫度的預(yù)測模型 采用逐步回歸多元線性回歸模型預(yù)測涼爽溫度，以涼爽溫度為因變量，以熱阻、濕阻、擴(kuò)散半徑和單向?qū)裰笖?shù)為自變量，進(jìn)行多元線性回歸分析，分析結(jié)果分別如表6、7所示。由表6可知，模型1和2的R2分別為0.486和0.658，且顯著性均小于0.01，說明模型與數(shù)據(jù)的擬合程度較好，且模型具有統(tǒng)計學(xué)意義。由于模型2的線性判定系數(shù)大于模型1，因此模型2具有更好的擬合度，可作為涼爽溫度預(yù)測模型。由表7較優(yōu)模型2可知，涼爽溫度與熱阻負(fù)相關(guān)，與擴(kuò)撒半徑正相關(guān)，涼爽溫度的預(yù)測模型為

涼爽溫度=8.311-0.149×熱阻+0.048×擴(kuò)散半徑

表6 涼爽溫度與熱濕性能參數(shù)的 多元線性回歸預(yù)測分析和方差分析結(jié)果Tab.6 Prediction analysis and variance analysis results based on stepwise method between cooling temperature and thermal-wet performance parameters

表7 涼爽溫度與熱濕性能參數(shù)的 多元線性回歸模型系數(shù)矩陣Tab.7 Coefficient matrix of multiple linear regression model based on stepwise method between cooling temperature and thermal-wet performance parameters

5 結(jié) 論

本文在針織面料吸濕涼爽性能測試和評價方法的基礎(chǔ)上，提出針織面料涼爽性能的測試和評價方法，并結(jié)合織物熱阻的測試方法和計算原理，提出針織面料涼爽性能的評價指標(biāo)：涼爽能力指數(shù)和涼爽溫度指數(shù)。濕態(tài)織物涼爽能力曲線的峰值與達(dá)到峰值的時間的比值為涼爽能力指數(shù)，空板升溫與濕態(tài)織物升溫差值曲線的峰值與達(dá)到峰值的時間的比值為涼爽溫度指數(shù)，涼爽能力指數(shù)與涼爽溫度指數(shù)正相關(guān)。涼爽溫度指數(shù)適用于相同測試條件下，不同織物的涼爽性能對比；涼爽能力指數(shù)不受測試時加熱功率和織物測試面積的影響，適用范圍更廣。涼爽溫度和涼爽能力指數(shù)值越大，織物的涼爽性能越好。

影響織物涼爽能力指數(shù)的主要因素為織物的干燥速率、熱阻和濕阻，較高的干燥速率和較小的熱阻有利于織物的涼爽性能；而相對較大的濕阻對織物的涼爽性能具有促進(jìn)作用。影響織物涼爽溫度的主要因素為擴(kuò)散半徑和熱阻，擴(kuò)散半徑與涼爽溫度正相關(guān)，熱阻與涼爽溫度負(fù)相關(guān)。基于逐步回歸法建立了多元線性回歸模型：涼爽能力指數(shù)=34.917-0.813×熱阻+2.576×濕阻+3.863×干燥速率;涼爽溫度=8.311-0.149×熱阻+0.048×擴(kuò)散半徑。通過干燥速率、熱阻和濕阻預(yù)測織物的涼爽能力指數(shù)，通過擴(kuò)散半徑和熱阻預(yù)測織物的涼爽溫度。本文研究結(jié)果可在一定程度上根據(jù)相關(guān)熱濕性能參數(shù)預(yù)測織物的涼爽性能，有助于涼爽針織面料的開發(fā)和性能評價。