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服装及服装材料保温功效的研究 国家棉纺织产品质量监督检验中心  王宝军 【摘要】在大量试验分析的基础上，从研究影响服装保温力的因素出发，提出了提高服装保温功效的理论依据和实用方法及途径。 【关键词】服装保温功效 热阻 微气候 防风 抗低温 着装有生物学和社会学两大功能。调节体温是服装最重要的生物学目的，而今人们并不单纯追求保温，而是致力于既舒适保温又轻便美观，提高其社会学价值。近几年层出不穷的新型保温材料就是个例证。本文力图以服装工效学的观点通过对服装保温功效的研究，阐述服装材料的有效利用与开发，为服装的合理 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与使用提供了依据。 1．保温功效的概念与表征 服装的保温性是三个部分的综合效应：Rt＝Ｒc＋Ｒi＋Ｒo。其中，Rt为服装总热阻；Rc为服装自身热阻，取决于服装材料的热阻；Ri为人体与服装间空气层热阻，它伴随着服装的穿、脱而产生与消失，并取决于服装的款式，因而通常将Ri与Rc合并作为着装热阻Rci来研究；Ro为服装表面滞留空气层热阻，在实际中不易测得，但可通过其对Rci的影响而得知，它主要受气温、风速等影响，如风速加大时Ro降低Rci也相应减小。 服装具有的保温值或总热阻称为保温力。服装材料的结构、服装款式、环境温度、风速等的变化都会引起上述一系列热阻的变化，从而影响服装的保温力。服装在特定条件下的保温力，或条件改变后保温力提高或抵御降低的能力(或效力)称为保温功效。保温功效可通过服装材料自身保温力、环境条件的影响力，如防风效力、耐低温效力及空气层热阻效力等来表征。 2．服装材料的自身保温力 服装材料(面料、衬里、填充料等)的保温力是服装保温力的主体，也是最能主观调节的服装功效因素。服装材料(以下称“材料”)是一种或几种纤维与空气的集合体，材料的保温力实际上就是这个集合体的综合热阻。空气的热导率是最小的，纤维虽也是热的不良导体，但热导率相对空气要大，且各种纤维热导率很接近(见表1)。而材料中空气的含量一般都在60%以上，最高可达99%以上。因此服装材料的热阻主要取决于蓬松度即含气量，纤维种类几乎没有影响，但纤维外形结构因影响蓬松度而关系密切。例如表2中1＃～９＃纤维原料不同，但其单重热阻与含气量基本成正比，9＃因采用了卷曲纤维使其单重热阻很高；10＃～１３＃虽含气量不是最大，但单重热阻和单厚热阻却都很高，这是因为其特殊的结构，使既轻又薄的服装达到较高的保温功效。 表1 几种物质的热导率 物质 热导率W／㎡·℃ 物质 热导率W／㎡·℃ 空气 2.345 粘胶 6.280 羽毛 2.386 木材 3.768 丝 5.230 纸 12.56 毛 5.350 皮革 16.75 棉 7.211 水 58.62 涤纶 8.374 玻璃 104.67 腈纶 5.117 银 41449.3         这里需说明，单厚或单重热阻只是用以对特定材料的保温功效进行比较，不能任意扩展使用。例如4＃羊毛衫，如按单厚热阻折算3层的热阻应为： 8.65×10-2×1.63×3＝0.423℃×㎡·℃而实测只有0.208℃×㎡·℃。其误区是认为热阻随厚度按同比例增加。从表3的实验可以看出，不同厚度的测得的单厚热阻是不同的，单重热阻亦如此。 表2  几种保温材料的结构与保温力 序号 材料名称 质量 g/㎡ 厚度 mm 蓬松度cm2／g 含气量 热阻 ℃㎡·W 单重热阻10-4** 单厚热阻10-2*** 备注 1 毛法兰绒 337.7 1.88 5.57 86.4 0.135 4.00 7.18   2 针织夹层 281.6 2.03 7.21 90.3 0.141 5.01 7.44 面棉夹涤 3 大衣呢 548.0 10.0 18.2 95.4 0.234 4.27 2.34 毛腈 4 羊毛衫 231.7 1.63 7.03 89.2 0.141 6.09 8.65   5 大造毛皮 513.1 14.0 27.3 96.8 0.238 4.64 1.70 腈纶 6 絮棉 398.9 26.0 65.1 99.0 0.385 9.65 1.48   7 喷胶棉 250.0 24.0 96.0 99.2 0.332 13.28 1.38 涤纶 8 羊毛絮料 232.0 19.0 81.9 99.1 0.278 11.90 1.46 短绒 9 涤纶棉 172.0 7.36 42.3 98.3 0.294 17.38 4.00 三维卷曲 10 熔喷棉 108.8 2.65 25.8 95.6 0.244 22.43 8.87 超细丙纶 11 红外絮片 137.4 3.07 22.3 96.8 0.195 14.19 6.35   12 太空棉 97.4 2.13 21.9 96.7 0.250 25.67 11.74 镀铝膜 13 羊毛绒絮片 95.6 3.40 35.1 97.8 0.179 18.72 5.26 双膜                     注：服装学研究中热阻的单位有时用Clo(克罗)表示，并有1℃㎡·W＝6.461Clo； **单位：(℃㎡·W)/g/㎡； ***单位：(℃㎡·W)/mm； 表3  多层材料热阻变化表 材料 名称 质量 g/㎡ 厚度mm 热阻／单厚热阻 1层 2层 3层 4层 5层 涤纶绸 55.0 0.08 0.105/ 1.31 0.114／0.75 0.125／0.52 0.147／0.46 0.152／0.38 华达呢 250.0 0.41 0.127／ 0.31 0.140／0.17 0.159／0.13 0.175／0.107 0.202／0.099 羊毛衫 231.4 1.84 0.143／0.078 0.178／0.048 0.208／0.038 0.250／0.034 0.286／0.031 羊毛绒 171.0 7.57 0.238／0.031 0.288／0.019 0.333／0.015 0.357／0.012 0.385／0.010 太空棉 94.7 2.59 0.233／0.090 0.264／0.061 0.296／0.038 0.328／0.032 0.359／0.027                 注：热阻及单厚热阻的单位同表2。 3.环境条件与保温功效 服装在实际穿着中的保温力如何，只看其自身保温力是不够的，还要看环境恶劣后保温力能维持甚至提高的程度，这也是保温功效的表征。对服装保温力能构成威胁的主要是风速、气温、温度等，以下着重讨论前两个方面。 (一)防风效力 从直观上讲，防风性好，热量损失小，相对保温性提高，也就是保温功效好。为考查服装的这一性能，我们对40余种材料在KES-TL冷温感仪上进行了改变风速的保温性测定。首先测定无风(风速＜0.1m/s)时的热阻，然后从材料垂直方向恒速给风，再测定热阻，逐步调高风速就得到了材料热阻随风速的变化曲线，图1和表4是部分材料的测试结果。根据以上结果可得出以下结论。 表4  服装材料防风效力分析表 序号 材料名称 质量g/㎡ 厚度mm 透气 量㎡／ ㎡·S 热阻℃㎡·W 热阻降低率(%) 无风 1.5 m/s 3 m/s 1.5 m/s 3 m/s 1 毛涤纶 231.0 0.47 0.11 0.116 0.0900 0.0802 22.4 31.0 2 涤纶绸 55.0 0.08 0.37 0.101 0.0700 0.0550 30.7 45.5 3 针织面料 179.8 0.78 2.91 0.118 0.080 0.667 32.2 43.5 4 灯芯绒 286.7 1.09 0.03 0.128 0.110 0.099 14.1 22.7 5 法兰绒 337.7 1.88 0.45 0.135 0.118 0.105 12.6 22.2 6 针织夹层 281.6 2.03 0.792 0.146 0.114 0.104 21.9 28.8 7 熔喷棉 108.8 2.75 0.397 0.233 0.182 0.167 21.9 28.3 8 红外絮片 137.4 3.07 1.907 0.196 0.161 0.134 17.9 31.6   红外絮片+膜     0.210 0.197 0.175 0.167 10.7 15.2 9 羊毛衫 231.7 1.63 1.55 0.141 0.112 0.074 20.6 46.9   羊毛衫(双层) 463.4 3.30 0.730 0.164 0.138 0.122 15.8 25.6 10 大衣呢 548.0 10.0 0.370 0.234 0.222 0.208 5.1 11.1 11 絮棉 398.9 26.0 0.435 0.385 0.357 0.333 7.2 13.5 12 喷胶棉 250.0 24.0 2.481 0.333 0.270 0.204 18.9 38.8   呀胶棉+膜     0.215 0.334 0.300 0.271 9.0 18.9 13 人造毛皮 513.1 14.0 1.24 0.238 0.212 0.203 10.9 14.7 14 太空棉 127.2 2.42 0.196 0.204 0.161 0.152 18.0 2565 15 复合太空棉 331.5 15.0 0.120 0.368 0.340 0.313 7.6 14.9 16 羊毛绒絮片 95.6 3.40 0.158 0.179 0.167 0.157 7.7 12.3 17 羊毛絮料 232.8 19.0 2.33 0.278 0.235 0.190 14.4 31.7   羊毛絮料+膜     0.250 0.279 0.260 0.250 6.5 10.4                     1.材料热阻随风速增加，先是急速下降，而后缓慢且大体呈线性降低。 2.一定风速下各种材料热阻降低率(即：无风热阻-有风热阻/无风热阻×100%)是不同的，它可作为防风效力的表征。 3.防风效力主要取决于材料的透气性，当透气量超过一定界限(约1m3/m2·s)时，防风效力急速下降，如３＃，８＃，９＃，１２＃，１７＃，而如在其迎风一侧覆上一层极薄的带孔塑膜(透气量为0.24m3／㎡·s，厚度为0.04mm)，使综合透气量降至一定限度，则保温功效大大提高。 4.厚度也是影响防风效力的重要因素之一，在透气量相近的情况下，防风效力与厚度成正比。如１＃、２＃透气量虽不大，而厚度很小，其防风效力都不高；而13＃正相反。 透气性和厚度何以决定材料的防风效力呢?从理论上讲，材料与材料中蕴含着的大量静止空气构成了稳定的微气候阻热层，保持人体热量。当有风袭来，材料中的空气产生流动，微气候被破坏，人体散热增加，从而产生冷感，亦即保温力相对下降。从而材料透气性的大小决定了防风效力的大小；当材料厚度小时，空气层较薄，风袭来时，气流“穿过”材料的障碍小，热量损失大；而材料较厚时，气流“传递”中损失大，人体热量损失则小，因此厚度也影响着防风效力。 从以上分析不难解释呢大衣、棉大衣、毛皮大衣等为什么能挡风寒，而喷胶棉、羊毛衫只有用透气小的面料缝制或加外套、风衣才挡风寒。以上结果为服装材料开发及服装合理配伍提供了依据。太空棉、羊毛绒、熔喷棉等正是利用了这一点，充分发挥了材料保温功效，尽显轻薄暖的特点。 (二)耐低温效力 材料的保温性通常是在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 条件下测定的，而实际使用条件下如何呢?物理学认为物质的热导率随温度降低而降低，但没有提供相应关系及实验证明资料。对此，我们选用几种填充料进行了耐低温试验，结果与上述理论是吻合的，而且气温越低保温力提高越多(见表5)，表明材料具有天然耐低温效力，但效力大小与其结构有很大关系，太空析因其与众不同的结构使其耐低温效力激增。 这一特性为服装的选料及使用提供了这样一条线索：一种特定服装虽从理论上讲自身保温力是一定的，即适应的气温是一定的，而因耐低温效力的发挥，使其实际能适应的气温要低得多，因此选料尽可从轻便入手，而当采用了特殊结构的材料，服装更加轻便或者说适应的气温范围更广。 表5  几种材料的耐低温效力 材料名称 质量 g/㎡ 厚度 ㎜ 热阻(℃㎡／W) 热阻提高率(%) 20℃ -5℃ -25℃ -5℃ -25℃ 羽绒制品 140.0 41.0 0.423 0.442 0.600 4.4 40.7 绵羊裘皮 1063.1 14.2 0.242 0.273 0.357 12.8 47.1 人造毛皮 494.9 10.2 0.184 0.195 0.250 6.1 36.0 针刺絮片 298.0 8.5 0.211 0.227 0.283 7.7 33.8 太空棉 231.7 3.8 0.125 0.153 0.205 23.3 64.7 蓬松太空棉 290.6 6.5 0.173 0.202 0.289 16.6 67.2 双面太空棉 301.4 8.3 0.226 0.240 0.330 6.0 46.0                 4.空气层与保温功效 实际穿着中服装与人体间存在着一定空间，即空气层。它的存在使服装综合热阻提高，服装所伴生的空气层厚度由其尺寸、款式所决定，因此研究综合热阻与空气层的关系，可找出服装与人体最佳空间，充分体现服装的保温功效，为服装款式设计提供依据。 特制绝热框架将试样“架起”一定空间，从5mm起逐渐提高空气层厚度，便得到材料总热阻与空气层厚度的变化曲线，部分结果见图2和表6。 根据40余种材料测试数据可得出以下结论： 1．总热阻随空气层厚度的加大先升后降，较紧密的材料15mm左右为峰值，较疏松的材料10mm左右为峰值。 表6  10mm空气层时保温效力分析表 序号 含气量 (%) 热阻(℃㎡／W) 有风热阻降低率(%) 较无空气层热阻提高率（%） 无风 3m/s风 无风 3m/s风 1 66.5 0.192 0.172 10.4 65.5 114.5 2 50.0 0.200 0.147 26.5 90.8 167.3 3 83.3 0.217 0.167 23.0 83.9 150.4 4 82.9 0.204 0.172 1.57 59.4 73.7 5 86.4 0.222 0.189 14.9 64.4 80.0 6 90.3 0.238 0.208 12.6 63.0 100.0 7 95.6 0.303 0.263 13.2 30.9 57.5 8 96.8 0.250 0.204 18.4 27.6 48.1 9 89.2 0.222 0.148 33.3 60.0 100.0 10 95.4 0.312 0.270 17.6 33.3 29.9 11 99.0 0.455 0.417 8.4 18.3 25.2 12 99.2 0.345 0.222 35.7 3.5 8.8 13 96.8 0.278 0.232 16.5 16.9 14.3 14 96.7 0.277 0.238 14.1 35.8 56.6 15 98.4 0.400 0.375 6.2 8.7 19.8 16 97.8 0.244 0.192 21.3 36.3 22.3 17 99.1 0.323 0.272 15.8 16.2 43.2               注：材料名称规格等资料参见表4 2.一这空气层时的热阻较无空气层时的提高率与材料的结构有明显关系，即含气量越小热阻提高率越大，空气层的“功效”越高。 3.有空气层时，有风比无风时的热阻下降率明显低于无空气层时的结果(见表4)；同时较无空气层的热阻提高率是有风的高于无风的。这说明服装与皮肤间空间层不仅可以提高服装的保温力，也能提高防风效力，进而提高了服装的综合保温功效。 对于上述事实可以这样来分析，服装与肤体间静止空气层相当于一阻热层，服装综合热阻随其增加而增加，当厚度达到一定界限，空气层内气体将产生流动，并与外界形成对流，服装热阻将随之降低，该临界值称为最适厚度，此时保温功效最大，含气量较小的材料可“容纳”更多的空气，因而最适厚度就大，同时“附带”的空气比其自身所具有的多，热阻提高率也大(如１＃～５＃)，而含气量较大的材料正相反。因此最适厚度和空气层的作用程度与材料自身结构密切相关。 由此可提出服装尺寸与款式的设计思路：紧密单薄的面料可采用宽松式，以充分利用空气层来提高保温功效，而蓬松丰厚的材料则从合体出发适当放松。 5.服装的适应能力 前面讨论了服装自身保温及服用条件改变后其保温功效的大小。那么一件服装究竟能适应什么样的环境?为此，我们不妨以一身高为175mm、体重65Kg的“标准人”在风速小于0.25m/s、湿度小于50%的正常环境中从事一般性工作为条件，建立服装气候模型，人体感觉舒适的基本条件是体表温度33℃，人体与服装间空气的相对湿度50%～60%，风速15m/min。图3给出了在4种情形下服装应具备的热阻值。 Ⅰ-总热阻(包括空气层) Ⅱ-内层为单衬衣，外层为所示服装 Ⅲ-内层为单衬衣，外层为单外套，中层为所示服装 Ⅳ-内层为单衬衣，中层为毛衣类，外层为所示服装。 其中某层着装热阻为： R＝A(T内-T外)／Q  (℃·㎡／W) 式中：A—某层服装散热面积㎡ T内—某层服装内表温度℃ T外—某层服装外表温度℃ Q—通过服装的人体散热量W 通过曲线图可以方便地求出特定服装能适应的环境，服装的总保温力(热阻)Rt(℃·㎡／W)由下式求得：Rt=Rc(1+ηaηwηt) 式中，Rc-服装材料自身保温力，应为面料里料、填充料的综合保温力。面里料热阻一般在0.02～0.05℃·㎡／W范围内； ηɑ ———空气层效力(%) ηｗ——防风效力(%) ηｔ——耐低温效力(%) 其中ηɑ、ηｗ或ηｔ根据服装穿用条件可为0，如室内服装的防风效力作0计。 下面举例来说明上述公式及图3的应用。 设表4中9＃羊毛衫与人体空间10mm，在表4和表6中我们已经测得；Rc=0.141℃·㎡／W，ηa＝60.0%，ηｗ＝-46.9%，ηｔ暂且按表5中人造毛皮一档估为6.1%。可以分几种情况来分析： 1.在室内穿着ηｗ为0，温度不太低时ηｗ亦可作为0，于是Rｔ＝0.141(1+60.0%)＝0.226℃·㎡／W，从图3可查得在情形Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中的服装可适应的气温大约为8、1、-7℃。 2.在风速3m/s的环境中，若不考虑低温效应，ηｔ＝0，Rｔ＝(0.141)(1+60.0%-46.9%)＝0.159℃·㎡／W，则在情形Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的服装适应气温大约为15、10、3℃ 3.在上述2的环境中考虑耐低温因素，则Rｔ＝1.41(1+60%-46.9%+6.1%)＝0.165℃·㎡／W，在情形Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的服装适应气温大约为13、7、-1℃。 同样方法可估计14＃太空棉和16＃羊毛绒絮片的适应温度，综合列于表7 表7  几种材料适应环境 材料 室内 室外有风 室外低温 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 9＃ 8 1 -7 15 10 3 13 7 -1 14＃ -4 -13 -22 -2 -9 -15 -3 -11 19 16＃ 7 0 -8 9 2 -6 8 1 -7                     从上表看出羊毛衫在室内外的适应温度相差很大，说明保温性受环境影响非常大；太空棉和羊毛絮片对环境变化的适应性则很强，这主要是由于它们的结构使防风性大大增强，而太空棉的耐低温性也提高明显。 6.结束语 服装的保温性受服装材料、服装款式及穿着环境条件等综合作用。合理设计材料结构、服装款式、着装合理配伍，可充分发挥服装的保温功效、使之适应更广泛的环境，达到既暖又轻且美的时代要求。 参考资料 1.《服装卫生学》(日)庄司光著 张军译 轻工业出版社 1987年版 2.《服装的舒适与功能》(美)L.福特等著 曹俊周译 纺织工业出版社1984年版 3.《试论太空棉性能特点与产品开发》王宝军 纺织标准与质量 1994.4