周 文，鄭 晴，柯 瑩,2

(1.江南大學 設計學院，江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省非物質文化遺產研究基地, 江蘇 無錫 214122)

學生軍訓時需在高溫環(huán)境下完成一系列的軍事訓練內容。在軍訓過程中由于散熱不足，學生易出現(xiàn)中暑、熱衰竭、熱痙攣等熱應激反應，直接影響其熱濕舒適性，甚至威脅生命安全[1-2]。傳統(tǒng)軍訓服主要采用滌綸面料，吸濕透氣性差且結構簡單、缺少通風設計，無法滿足人體的散熱需求，這是造成軍訓時出現(xiàn)熱應激反應的主要原因之一[3-4]。

為使人體在高溫環(huán)境中有效散熱，提高熱濕舒適性，許多研究將降溫裝置與服裝相結合，開發(fā)個體降溫服。現(xiàn)有的個體降溫服包括液體冷卻服[5]、空氣冷卻服[5-7]、相變材料降溫服[7]和混合冷卻服[8-9]。液體冷卻服和空氣冷卻服雖具有顯著的降溫效果[9-10]，但由于連接了制冷系統(tǒng)，其存在高成本、裝置復雜和不可移動的缺點[11]。而相變降溫服主要是依靠相變材料吸收潛熱來降低皮膚表面溫度，有效將穿著者衣下微環(huán)境維持在一個舒適的溫度(32～34 ℃)，性價比較高且便于攜帶[9,12-13]。

目前，相變材料已被應用于各類職業(yè)服裝，如建筑工勞保服、礦工服、煉鋼服等[14-17]。研究人員通過暖體假人測試或真人著裝測試證明在服裝中添加相變材料能有效緩解工作人員的熱應激反應。常見的將相變材料與紡織品相結合的生產方法包括紡絲法、相變材料微膠囊法、中空纖維填充法和后整理法[18]。相變材料的降溫效果主要與融化溫度、材料覆蓋面積、用量和潛熱有關：一方面，降溫速度與皮膚溫度和相變材料(PCM)的融化溫度間的溫度梯度成正相關，與PCM的覆蓋面積成正相關，且在炎熱氣候時，有效的溫度梯度應大于等于6 ℃；另一方面，降溫效果的持續(xù)時間取決于PCM的用量和潛熱[19]。

本文將相變材料添加到傳統(tǒng)軍訓服上衣內層中，設計開發(fā)出一款降溫軍訓服。通過人體著裝實驗測量受試者的皮膚表面溫度、心率、主觀舒適感等指標，并對傳統(tǒng)軍訓服與新型降溫軍訓服的熱濕舒適性進行對比評價，研究結果將減輕學生夏日高溫下作訓時的熱應激反應，提高其穿著軍訓服時的熱濕舒適性，同時也為高校軍事訓練服裝及同類型功能性服裝的設計開發(fā)提供參考。

1 相變降溫軍訓服設計

實驗服裝包括降溫軍訓服和基礎服裝。降溫軍訓服包括長袖上衣和長褲(40%棉，60%滌綸)，服裝按照行業(yè)標準DB52/T 1051—2015《學生用軍訓服》進行設計，上衣長、胸腰圍、褲長、褲腰圍分別為69、122、106、90 cm。基礎服裝包括T恤(100 %滌綸)、純棉內褲和純棉短襪。

此次設計降溫軍訓服款式如圖1所示，在傳統(tǒng)軍訓服的上衣內層添加一層滌綸針織網眼面料并縫有口袋，用于放置相變材料封裝包。依據人體不同部位的出汗量，在出汗量較高的前胸和后背位置相變材料包[20-21]：前胸部分共放置40個，考慮到目前學生用軍訓服男女同款，因此前胸放置PCM避開乳房部位；后背部分共放置42個，覆蓋整個背部。每個PCM封裝包的尺寸為3.0 cm×6.5 cm，質量為9 g。由于相變材料具有明顯降溫效果時，其與皮膚表面之間的溫度梯度應大于或等于6 ℃[19]，而人體平衡時平均皮膚溫度為32～34 ℃，運動過后會升至36 ℃左右，因此本文選用相變溫度為18 ℃的PCM，相變潛熱為192 J/g。

圖1 相變降溫軍訓服款式圖

對照實驗服裝選擇不加入相變材料的傳統(tǒng)軍訓服，服裝的其他條件與降溫軍訓服完全相同。

2 人體著裝實驗

2.1 實驗對象

按照GB/T 1335.1—2008《服裝號型 男子》，選取7名號型在175/78 A范圍內的健康男大學生作為受試者。受試者年齡、身高、體重和BMI分別為(21.6 ± 1)歲，(175 ± 3.5) cm，(67 ± 6) kg，(21.8 ± 1.8) kg/m2。所有受試者在實驗前3 h內未進行劇烈運動，穿著服裝均較為合體，無緊繃或其他不適感。

2.2 實驗方案

實驗在溫度為(32±0.5) ℃，相對濕度為(50±5)%，風速小于0.1 m/s的人工氣候倉(日本ESPEC公司)中進行。每個受試者在連續(xù)2天內隨機進行2次實驗，分別穿著傳統(tǒng)軍訓服(未添加相變材料)或相變降溫軍訓服。相變材料每次實驗前應在5 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保證完全凝固。實驗開始前10 min將相變材料從冰箱中拿出，裝入軍訓服內口袋中，使其表面溫度升至12 ℃左右，避免由于初始溫度過低導致過冷現(xiàn)象。

受試者提前30 min進入室溫為(20±2) ℃的實驗室適應環(huán)境，達到熱平衡狀態(tài)[26](TSK=32～34 ℃)。實驗開始前，采用ICS439型體重秤(瑞士METTLER-TOLEDO AG公司)稱取各部分服裝質量和受試者的裸體體重，將DS1921G型i-button溫濕度傳感器(美國Maxim Integrated公司)用醫(yī)用膠帶(美國3 M公司)固定于受試者皮膚表面。受試者穿著統(tǒng)一的T恤、襪子、運動鞋和軍訓服。稱量著裝后開始實驗，整個實驗60 min：在F63型跑步機(美國SOLE公司)上以4.2 km/h的速度運動40 min，運動結束后在環(huán)境艙內靜坐20 min，如圖2所示。期間，每隔10 min詢問受試者的主觀感受，包括整體、上半身和下半身的熱感、濕感、舒適感。實驗結束后，再次稱取受試者的著裝體重、裸體體重以及各部分服裝質量。

圖2 人體著裝實驗

2.3 測試指標

2.3.1 皮膚溫度

采用i-Button溫度傳感器測量10個位置的皮膚溫度[22-24]：額頭(A)、胸部(B)、前臂(C)、手背(D)、腹部(E)、上臂(F)、肩胛(G)、腰部(H)、大腿(I)、小腿(J)。根據ISO 9886—2004《人類工效學.通過生理測量評估熱應變》，平均皮膚溫度(TSK)、平均軀干溫度(Ttorso)計算公式分別為：

TSK=0.07×(TA+TF+TC)+0.175×(TG+TB)+

0.05×TD+0.19×TI+0.2×TJ

(1)

Ttorso=0.25×(TB+TG+TE+TH)

(2)

式中：TSK為平均皮膚溫度，Ttorso為平均軀干溫度，TA為額頭溫度，TF為上臂溫度，TC為前臂溫度，TG為肩胛溫度，TB為胸部溫度，TD為手背溫度，TI為大腿溫度，TJ為小腿溫度，TE為腹部溫度，TH為腰部溫度，其單位均為℃。

2.3.2 主觀感受

本文實驗采用的主觀評價包括3個主觀感受(熱舒適感、熱感、濕感)，評價標尺如表1～3所示。

表1 熱舒適感主觀比例標尺

表2 熱感主觀比例標尺

表3 濕感主觀比例標尺

2.3.3 出汗量、汗液蒸發(fā)量及汗液蒸發(fā)率

實驗前后用體重秤稱量受試者的裸體體重、著裝體重，以及各部分服裝的質量，計算出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率，計算公式如下：

Sp=W0-W1

(3)

Sp′=W0′-W1′

(4)

(5)

式中：Sp為出汗量，g；W0和W1分別為實驗前后受試者的裸體體重，g；Sp′為汗液蒸發(fā)量，g；W0′和W1′分別為實驗前后受試者的著裝體重，g；φ為汗液蒸發(fā)率。

2.4 數(shù)據分析方法

采用SPSS V.20.0軟件(國際商業(yè)機器公司)進行數(shù)據分析。采用雙因素重復測量方差(Two-way repeated ANOVA)分析比較降溫軍訓服和傳統(tǒng)軍訓服的平均皮膚溫度和局部皮膚溫度的差異。當主效應顯著時，則進一步用Bonferroni法進行事后檢驗，比較2件服裝各指標在各個時間點的差異(以10 min為間隔)。

采用配對樣本t檢驗比較穿著降溫軍訓服與傳統(tǒng)軍訓服時的主觀感受(熱感、濕感和舒適感)、出汗量和汗液蒸發(fā)率之間是否存在顯著性差異。

當檢驗結果p< 0.05時，則判定2組之間的差異有顯著性。

3 實驗結果與分析

3.1 降溫軍訓服對皮膚溫度的影響

胸部、腹部、肩胛和后腰是相變材料的主要覆蓋部位，局部皮膚溫度變化如圖3所示。可看出相變降溫軍訓服顯著降低了軀干部位的皮膚溫度。其中，局部皮膚溫度相差最大的部位在肩胛，最大降低3.83 ℃；其次在后腰，最大降低2.58 ℃；腹部最大降低1.88 ℃；胸部最大降低1.61 ℃。相變降溫軍訓服對不同部位的降溫影響不同，主要與相變材料的覆蓋位置和覆蓋面積有關。

注：*表示p<0.05，下同。圖3 局部皮膚溫度

在穿著降溫軍訓服的前10 min，肩胛和后腰的溫度明顯降低，這是由于后背部位與相變材料接觸更緊密，相變材料的吸熱效果更明顯，從而降低了肩胛和后腰的皮膚溫度。

平均皮膚溫度變化如圖4所示?？梢钥闯?，降溫軍訓服和傳統(tǒng)軍訓服的平均皮膚溫度在10 ～ 60 min均有顯著差異(p< 0.05)，說明相變材料顯著降低了受試者的熱生理溫度。

圖4 平均皮膚溫度

Mitchell D等[25]的研究表明，人體熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度為32～34 ℃，當平均皮膚溫度超過35 ℃時，90 %的人會感覺到熱；31.5 ℃是舒適的下緣，大部分人會感到涼爽。傳統(tǒng)軍訓服的平均皮膚溫度在10 min后已超過34 ℃，30 min后超過35 ℃；而降溫軍訓服在前40 min的運動階段均未超過35 ℃，說明相變材料能緩解軍訓服著裝者的熱應激反應。但休息階段，降溫軍訓服的平均皮膚溫度仍繼續(xù)上升，主要與相變材料完全融化而失去降溫效果有關。

平均軀干溫度變化如圖5所示。整個實驗過程，穿著降溫軍訓服的受試者的平均軀干溫度均顯著低于傳統(tǒng)軍訓服(p< 0.05)，最高平均軀干溫度分別為34.79 ℃和35.64 ℃?？梢?，由于軀干部位服裝為相變材料的主要添加位置，明顯減緩了皮膚溫度的上升。在整個實驗過程內，降溫軍訓服的平均軀干溫度上升緩慢，且均未超過34 ℃，著裝者處于熱舒適的狀態(tài)。

圖5 平均軀干溫度

3.2 降溫軍訓服對出汗量和汗液蒸發(fā)的影響

受試者分別穿著傳統(tǒng)軍訓服和降溫軍訓服實驗前后的出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率，見表4。可以看出，受試者穿著降溫軍訓服的平均出汗量比穿著傳統(tǒng)軍訓服時低42.43 g，說明相變材料的降溫效果有效抑制了著裝者的出汗程度。但降溫軍訓服的汗液蒸發(fā)率低于傳統(tǒng)軍訓服3.1%，這是由于服裝添加有一層相變材料，相變材料的透氣透濕性能較差，且測試結果表明相變材料間隙分布越緊密，透氣透濕性越差[26]，因此相變材料封裝包的添加反而降低了降溫軍訓服的透濕性能。

表4 受試者的平均出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率

3.3 降溫軍訓服對主觀熱濕舒適感的影響

圖6是受試者上半身主觀熱濕舒適感的平均值對比圖。從圖中可以看出，受試者穿著降溫軍訓服時上半身的主觀舒適感、熱感和濕感均優(yōu)于傳統(tǒng)軍訓服。2種服裝條件下，受試者上半身的舒適感在10～50 min有顯著差異(p<0.05)，熱感和濕感在10～60 min有顯著差異(p<0.05)，說明相變材料的添加，使著裝者感到更加舒適、涼爽且出汗更少。

圖6 主觀感受對比圖

實驗數(shù)據還表明，受試者整體的主觀熱濕舒適感與上半身的感受接近，且SPSS數(shù)據分析顯示受試者穿著降溫軍訓服時整體的舒適感、熱感及濕感均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)軍訓服。由于下裝未作改良，受試者下半身的熱濕舒適感不具有顯著性差異(p>0.05)。

4 結 論

本文應用相變材料，設計了一款降溫軍訓服。通過人體著裝實驗，獲得著裝者的皮膚溫度、出汗量和主觀熱濕舒適感。與傳統(tǒng)軍訓服進行對比，發(fā)現(xiàn)相變材料的應用使著裝者的局部皮膚溫度、平均皮膚溫度與平均軀干溫度均有顯著性降低，其中肩胛部位降溫效果最明顯，最大降低3.83 ℃，平均皮膚溫度最大降低0.95 ℃，且整個實驗過程中皮膚溫度均為超過35 ℃；受試者的出汗量明顯減少，平均出汗量降低42.43 g；對比發(fā)現(xiàn)，穿著降溫軍訓服時，受試者的主觀熱濕舒適感也顯著提高。

在后續(xù)的研究中，可通過改變相變材料的分布規(guī)律以及添加方式，進一步提高相變降溫服裝的熱防護效果以及透氣透濕性。