充气保暖服装的热湿舒适性分析

郝静雅， 李艳梅*， 王方明

(1. 上海工程技术大学 服装学院，上海 201620；2. 苏州市兴丰强纺织科技有限公司，江苏 苏州 215228)

保暖是服装的基本功能。一般通过在服装里料和面料之间添加保暖絮填料提高服装的保暖性，保暖絮填料是纤维与静止空气的集合体，静止空气的导热系数远小于纤维材料[1]，因此增加服装中的静止空气可有效提高服装的保暖性，于是科研人员提出了充气保暖服装的设计思路。

国内研究主要从提高充气服装的美观性和实用性两方面优化充气服装的设计。王娟[2]基于人体工学，将充气服装整体分割成很多独立且相连的微小气室，使得服装在充气状态下产生纹理，并提高了服装与人体曲面的贴合度。陈存木等[3]着眼于服装生产与制作，将马甲设计为H型结构，并将服装前后片纸样整合为一体，这样的连通结构减少了剪裁的工序。龚家财等[4]从款式设计的角度出发，通过压痕的合理分布，实现通气气道的分隔，并设置装有透气膜的单向充气口，进一步优化充气内胆的结构设计。

2018年兴丰强科技有限公司借鉴羽绒充绒面料的制作方法，开始研发充气服装。作者团队与企业合作设计了一款充气保暖马甲，文中对其保暖性能、试样内气压进行测试，同时对人体着装运动时的保暖性能、最佳充气厚度和热湿舒适性加以评估，以期为企业和研究人员提供理论参考。

1 充气服装款式设计

1.1 面料选择

充气服装面料由苏州兴丰强纺织科技有限公司生产，是以高密涤纶春亚纺为底布、热压附着无孔TPU薄膜的闭气面料。底布面料为100%涤纶高密织物(面密度45 g/m2)，TPU薄膜厚度为0.015 mm，在温度为80～120 ℃条件下采用FH-PUR热熔胶复合机将薄膜与面料压合而成(覆膜后闭气面料的面密度为68 g/m2)，再使用公司胶合专利技术热压出面料的花型。

1.2 款式设计

充气类服装多为上装，为使服装精简和实用，确定款式为H型等宽立领男士马甲。前后片连裁，并通过前置双头开合拉链方便服装的穿脱，并在服装的右侧口袋中设置充气嘴。充气马甲的充气嘴与充气胶球通过一条内置小球的橡胶管相连，挤压充气胶球可以为服装手动充气。马甲款式如图1所示，内置软管和胶球如图2所示。

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1原料 与充气保暖马甲相同的制作面料。

2.1.2仪器 YG141LA织物厚度仪、平板式保温仪，均由宁波纺织仪器厂制造；电子游标卡尺，德清盛泰芯电子科技有限公司制造；GDH 13 AN电子气压计，德国Greisinger公司制造。

2.2 方法

2.2.1充气试样的制备 通过加热压制成边长为40 cm的可充气试样，并在边角处热压充气嘴，具体如图3所示。

2.2.2充气试样厚度的测试 先把试样静置在温度(20±2)℃，相对湿度(65±2)%环境中24 h，使用织物厚度仪测量其厚度。将图2中的手动充气胶球和软管连接，软管另一头与充气试样的充气口连接，通过挤压胶球对试样进行充气；充入一定量的气体后，将正方形亚克力板(边长40 cm、厚度4 mm)放置在试样上，使得试样尽可能保持平整，再用电子游标卡尺测量试样与亚克力板的总厚度，减去亚克力板的厚度后记为试样的充气厚度，测量3次取平均值。

2.2.3充气试样保暖性的测试 依据GB/T 11048—1989《纺织品保暖性能试验方法》控制实验环境温度(20±2)℃、相对湿度(65±2)% ，平板保温仪加热板温度设为36 ℃，预加热时间为30 min；在此条件下使用平板保温仪测量不同厚度下试样的保温率、热传导系数和热阻，测量3次取平均值。

2.2.4充气试样内气压的测试 在相同的实验环境中，对试样继续充气，以听到轻微胶膜撕裂声音时的充气厚度为最大值，测其厚度；使用电子气压计测量此时试样的内气压，测量3次取平均值。

2.3 充气服装的人体着装运动实验

2.3.1实验对象 参与人体着装运动实验的5名22～25岁的在校男大学生(身高175～180 cm，体质量68～78 kg，BMI值21～25)，体态匀称，身体健康。

2.3.2实验仪器 学校自主研发的温湿度测试仪器。硬件主要由温湿度传感器、NI数据采集装置和电脑终端组成。在 Labview数据采集系统软件中将传感器反馈的电压信号转化为温度和湿度的测试值。实验前需对各个通路的传感器进行测试和校准标定，以确保实验数据的真实可靠性[5]。

2.3.3实验方法 先在温度为(15±2)℃、相对湿度为(60±2)%的条件下对测试服装充气后调温调湿12 h，再让实验对象在此环境人工气候仓中穿着号型为175/88A的相同衬衣和马甲进行静坐、行走、慢跑和休息4种活动，同时使用温湿度测试仪分别对左胸口、背部、腰部、腹部[6-7]的衬衫外表面的近体表温度和空气层湿度进行测量。图4为人体着装运动实验流程，图5为测试着装示意，图6为传感器测试部位示意。

3 结果与分析

3.1 充气试样的保暖性分析

保温率、热传导系数和热阻是表征样品导热性能的重要参数，试样的保温率越高，热传导系数越小，热阻越大，则蓄热保暖效果越好。不同厚度样品的保暖参数测试结果见表1。由表1可以看出，试样的充气厚度越大，保温率越高，充气厚度从0～10 mm时，保温率和热阻有明显的增大，继续增加充气厚度，保温率和热阻均有所增大，但是变化幅度不大，充气厚度和保温率之间并没有明显的线性关系。

表1 不同厚度样品的保温参数测试结果

Tab.1 Results of different thermal parameters under different thicknesses

实验序号充气厚度/mm保温率/%热传导系数/(W/(m2·℃))热阻/(m2·K/W)1027.2219.5251.152544.955.10120.9031056.246.50153.4541557.386.21161.2052058.755.86170.5062560.125.45182.90

3.2 充气试样的内气压分析

不同充气厚度对应的袋内气压值见表2。利用Origin软件对表2中数据进行差值拟合处理，使用Levenberg-Marquardt优化算法迭代至收敛，得到非线性拟合方程和差值拟合后的图像，具体如图7所示。对拟合方程的系数进行t检验，并对拟合方程进行F检验，检验均满足p<0.05，且相关性参数值均高于0.995。由此表明，在95%的置信区间内，曲线拟合效果良好，符合试样气压内的变化规律。

在充气过程中，随着充气厚度的增加，试样内部的充气气压也在升高，试样的柔软性随之降低；充气厚度达到一定量后，继续充气试样内气压骤增，直至有薄膜撕裂的微响声。如此时继续无节制充气则会发生局部漏气或者气袋爆破，影响穿着的安全性，因此试样内气压值也是筛选合适充气厚度的重要指标。由图7可以看出，在此热压花型中，充气厚度大于20 mm时，试样内气压骤然增加；而充气厚度低于20 mm时，试样内气压变化相对稳定。在气压稳定的厚度范围内选取最高的充气厚度，可以使服装有较好的保暖性能，且确保安全，故确定20 mm为相对最佳的充气厚度，并作为后续服装实验的充气厚度值。

表2 充气厚度与对应的气压值

Tab.2 Inflation thickness and corresponding air pressure value

实验序号厚度/mm气压/kPa1234567891011121314151617262524232221201918171615141312111012.010.06.34.42.31.81.41.00.70.60.50.40.30.20.20.10

3.3 人体着装运动的分析

环境温度在35 ℃以下时体表温度与温度感觉密切相关，体表温度是衡量人体热舒适性的重要指标，温度变化不仅可以直观反映不同运动状态下人体代谢产热的变化，还可以间接反映人体的热舒适性[8]。由于传感器的硬件不易贴在人体上使用，故文中通过测量衣下空气层的湿度和衬衫外表面近体表温度评价服装在不同运动状态下的热湿变化。以0.5 min为时间间隔，取时间段内实时数据平均值为该时间单元内的温湿度值，随后进行统计和分析。5名受试者各部位近体表温度变化如图8所示。

4 结语

通过对充气保暖服装的热湿舒适性分析，验证了在活动量较小时充气保暖服装有良好的热湿舒适性。保暖性能和气压测试结果表明，在保证较高的保温率和较稳定的气压值时，这款充气服装最大充气厚度为20 mm。该款充气服装在低强度运动时能通过服装的领口、袖窿口和下摆等开口部位排出湿气，保证日常工作及生活所需要的服用舒适性，但在跑步过程中的透湿性较差。因此，可以通过优化设计服装款式、改变服装结构、在压胶部位增加微孔等方式提高充气服装的透湿性能，使产品性能得到进一步完善，增加产品的实用性。