防寒服保温性与材料组合方式

王蒙, 陈少伟， 王府梅*，3

(1. 东华大学 纺织学院，上海201620；2. 艾莱依时尚股份有限公司，浙江 丽水 323000；3. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

寒冷条件下，环境与人体之间的巨大温差以及大风气候条件会加速人体热量散失，此时防寒服成为维持身体热平衡的重要屏障。防寒服主要分为两类：主动产热式防寒服和被动隔热式防寒服[1]，因目前市面上主动产热式防寒服存在携带电池、洗涤及安全等问题[2]，故大多数防寒服仍为被动式。防寒服的保温性能受材料、环境(风速[3-4]、相对湿度[5])和皮肤温度[6]、衣下空气层厚度、层数[7]、面料的透气性[8-9]等多因素的综合影响。目前，企业普遍采用人体感官经验进行防寒服保温性的评判，成本高、耗时长，并且依赖人的主观能动，缺少客观数据的定量支撑。

文中依据防寒服的原材料组合方式与结构，在模拟真实使用环境下，用方便快捷方式，测试防寒服常用保温材料(木棉絮状材料、羽绒、粗纺大衣呢)与面料组合试样的保温性，探讨环境温度、风速对其影响，寻求提高面料、里料热阻的最佳组合方式，为企业选材和防寒服设计提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1试样 根据冬季防寒服原材料使用情况，选取4种常见保温材料分别与4种常用面料组合，试样规格见表1，保温材料的结构参数见表2，保温材料横断面如图1所示。

表1 试样规格

表2 保温材料结构参数

1.1.2仪器 HFB-1型织物凉感测试仪，江苏斯利浦睡眠产业科技有限公司制造；吹风装置，自行搭建。

1.2 方法

热阻为试样两面温差与垂直通过试样单位面积的热流量之比，即

(1)

式中：R为总热阻[10](m2·K/W)；Ts为传感器表面的平均温度(℃)；Ta为环境的平均温度(℃)；S为传感器总面积(m2)；H为稳态传热中传感器输出的平均功率(W)。

根据GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》[11]，采用织物凉感测试仪测试防寒服用组合试样的热阻，以3次测算的热阻平均值作为该组合的测试结果。测试条件：在人工气候仓内，温度分别设定为(20.0±0.5)，(10.0±0.5)和(0.0±0.5) ℃，相对湿度为(65±3.0)%，风速分别为3.0 ，1.5 m/s和<0.1 m/s。织物凉感测试仪的传感器面积为5 cm×10 cm，模拟体表温度将传感器平均温度设定在33 ℃[12]。

2 结果与分析

热量传递方式包括热传导、热对流、热辐射。多孔材料在温度小于300 ℃时可以忽略辐射散热[13]，人体皮肤和防寒服用组合纺织品之间的温差较小，因此文中主要考虑热传导和热对流对其保温性的影响。自然对流环境(风速<0.1 m/s)下的热阻通常被称作静态热阻，有风状态下的热阻称为动态热阻。

2.1 不同防寒服的静态热阻比较

图2为防寒服常用的4种保温材料分别与4种不同面料组合，在气候仓环境温度10 ℃、相对湿度65%、自然对流环境下测试的热阻。

由图2可以看出，防寒服用组合纺织品的保温性与保温层厚度呈正相关；无保温层时面料的热阻明显下降，说明保温层对热阻的贡献远大于表层面料，即絮状材料或缩绒拉毛处理过的大衣呢在保温方面占主导作用。另外，防寒服用组合纺织品的热阻随外层面料的不同而变化，外层面料的差异主要体现在透气性或挡风性；防寒服用组合纺织品热阻的变化幅度与保温层种类相关，主要是受保温层的纤维种类和纺织结构两方面的影响。

结合表2和图1可以看出，大衣呢的孔隙率低，有一层纤维紧密排列的小孔隙纱线；木棉絮的孔隙率高、孔隙小且均匀；羽绒絮的孔隙率高、但孔隙不均匀，并且存在大孔隙。对于纤维间孔隙比较小的木棉絮料和大衣呢，防寒服用组合纺织品的热阻随外层面料变化的幅度不大，说明自身结构阻挡对流散热的能力强，对外层面料的挡风性依赖程度不高；而对于存在大孔隙的羽绒材料，保温效果与外层面料的挡风性相关程度高。

为剔除试样规格影响，将图2中防寒服用组合纺织品的热阻换算成保温层单位面密度热阻(因为表层面料的热阻值较小，故忽略，下同)，具体结果见表3。

表3 保温层单位面密度热阻

Tab.3 Thermal resistance per unit area of thermal insulation material 单位：(dm4·K)/(W·g)

由表3可以看出，单位面密度热阻从大到小依次为羽绒絮A、羽绒絮B、木棉絮、大衣呢；羽绒絮A与各面料组合的热阻都是最大的，同时表2显示，4种保温材料中羽绒絮A的蓬松度和孔隙率最高，说明蓬松度和孔隙率是影响保温性的两个重要因素。与其他面料相比，面料a与各种保温层组合时热阻都是最大的，而面料a的特性是透气率低、挡风性好。因此，影响防寒服用组合纺织品热阻的关键因素是面料的透气率或挡风性，而面料自身热阻高低对其影响甚微。

2.2 不同防寒服的动态热阻比较

将防寒服常用的4种保温材料分别与4种不同表层面料组合，在环境温度分别为0 ，10 ℃，相对湿度均为65%的条件下以1.5 ，3 m/s两种不同风速分别进行热阻测试，具体结果如图3所示。

由图3可以看出，在同一温度下，防寒服用组合纺织品的热阻均随着风速的增大而减小；在同一风速下，其热阻均随环境温度降低而增大。从图3还可以看出，在风速从1.5 m/s增至3 m/s的条件下，0 ℃时防寒服用组合纺织品的热阻变化幅度大于10 ℃时的，说明在低温条件下风速对防寒服保温性能影响更大。

进一步分析不同条件下表层面料和保温材料组合的热阻变化，发现当同一保温材料与不同面料搭配时，保温材料与面料a组合的热阻明显大于与面料d组合的热阻，说明表层面料透气性对动态保温性有很大影响。这是因为面料的透气率越高，表面对流散热越多。

图3中，在风速3 m/s、温度分别为0 ，10 ℃的条件下，绝大多数情况4种保温材料与面料b组合的热阻都是大于与面料c组合的热阻；而在1.5 m/s风速下，温度仍为0 ，10 ℃时4种保温材料与面料c组合的热阻都大于与面料b组合的热阻，说明风速大时面料b适合做表层面料，而风速小时面料c更宜做表层面料。

为剔除试样规格影响，将环境温度为0 ℃、风速3 m/s条件下防寒服用组合纺织品的热阻换算为保温层单位面密度热阻，具体结果见表4。

表4 保温层单位面密度热阻

Tab.4 Thermal resistance per unit area of thermal insulation material 单位：(dm4·K)/(W·g)

面料保温材料大衣呢木棉絮料羽绒絮A羽绒絮Ba4.8215.4623.9418.70b4.7014.0221.5716.77c4.5913.5321.6115.91d4.2012.6019.5813.63

由表4可以看出，4种保温层热阻从大到小依次为羽绒絮A、羽绒絮B、木棉絮、大衣呢，与表3的规律类似。但是，与表3比较可以发现，表4中各保温材料的热阻值普遍降低，说明在真实有风的使用环境中防寒服保温性低于实验室自然对流时测试的热阻。另外，表4中木棉絮料的热阻与羽绒絮B相差不大，说明木棉絮料具有与羽绒相近的轻而暖的特性，而木棉售价不到羽绒的5%，这体现出木棉的重要应用价值。

2.3 环境温度下防寒服静态热阻比较

在环境温度分别为0 ，10和20 ℃，相对湿度均为65%且自然对流的条件下，将防寒服常用的4种保温材料分别与4种不同表层面料组合进行热阻测试，具体结果如图4所示。

由图4可以看出，防寒服用组合纺织品的静态热阻与环境温度呈负相关，环境温度越低，其静态热阻越高，且环境温度从10 ℃降至0 ℃时热阻值增幅大于从20 ℃降到10 ℃的增幅，说明同样的温度降幅，环境温度越低，防寒服用组合纺织品的传热性越差。究其原因，热传递是通过流体分子运动或固体分子链/基团的振动而产生，由热力学性质可知，分子运动或分子链振动都随着温度的升高而加剧，因此当温度降低时，分子动能减小，纤维间空气分子运动变慢，纤维自身分子链的振动频率变慢，热传递性能减弱，故环境温度越低防寒服热阻越高。

另外，分析图4可以发现，保温材料与面料c组合的静态热阻大于与面料b组合的热阻，说明面料c的静态热阻大于面料b的。结合表1可知，面料c是短纤，而面料b是长丝，热量在短纤维织物中传导要经过大量纤维接触点，相比之下长丝传热通道更为顺畅，故短纤织物的传导热阻高，隔热性好。但是，在图3中面料b、面料c与保温材料组合的热阻时而大时而小，原因是图3的动态热阻受环境风速的影响大，或者说图3的动态热阻中包含的纤维间空气对流散热的占比大。与面料b相比，面料c挡风性差(对流热阻低)、传导热阻高的特性，导致不同环境风速下图3和图4热阻值的差异。这一结果说明在自然对流的室内使用的被类产品不必强调面料的挡风性，而在室外使用的棉衣、睡袋类产品必须考虑面料的挡风性。

3 结语

1)防寒服的保温性与厚度、纤维间堆砌结构密切相关，加入保温材料后保温效果会大幅度提升；在相同面密度条件下，羽绒的保温性能最优；木棉絮料的保温性接近羽绒B。

2)防寒服用组合纺织品的热阻随外层面料挡风性增强而提高，变化幅度与保温材料种类明显相关：对于纤维间孔隙比较小的木棉絮料和大衣呢，其热阻随外层面料变化的幅度不大；而对于纤维间存在较大孔隙的羽绒材料，保温效果高度依赖外层面料的挡风性，外层面料的挡风性能越好，与羽绒组合的纺织品保温性越好。在室外使用的棉衣、睡袋类产品必须考虑面料的挡风性。

3)环境条件对防寒服用组合纺织品的热阻影响很大，风速越大所测热阻值越低，在真实有风的使用环境中防寒服用组合纺织品的热阻值低于实验室自然对流时所测热阻。环境温度越低，所测热阻值越大，低温条件下风速对防寒服保温性影响更大。目前，标准环境(20 ℃，相对湿度65%，风速<0.1 m/s)下测试的防寒服用组合纺织品热阻与真实使用环境中的相差很大，故纺织品及服装保温性测试应在模拟使用环境的人工气候仓中进行。