新型充气夹克的研制与保暖性能评价

2021-01-04苏文桢卢业虎王方明宋文芳

纺织学报 2020年5期

苏文桢，卢业虎,2，王方明，宋文芳

(1. 苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215006； 2. 南通纺织丝绸产业技术研究院，江苏南通 226300； 3. 苏州市兴丰强纺织科技有限公司，江苏苏州 215227； 4. 广东工业大学艺术与设计学院，广东广州 510006)

随着科学技术的快速发展和人们户外活动的增加，消费者对户外服装的便携性和保暖性提出了更高的要求。在寒冷环境中，服装需要有良好的隔热效果保护穿着者免受外界环境的伤害。户外活动人群在不同的活动强度下，热平衡被打破[1]，体温以及代谢率会发生瞬间变化[2-3]，导致人体生理适应时间不足，甚至可能超过人体生理调节的极限[4-5]，严重影响人类的健康[6]，因此，对于寒冷环境中的户外活动人群来说，寻找一种有效的保暖调节策略就显得尤为重要。

为了实现身体的热平衡，人们会运用各种方式，而服装是一种最好的调节和辅助身体热平衡的方式，因为它不仅可以保护我们的身体免受外界的直接伤害，还可起到辅助人体开展热调节的作用[7]。在所有的保暖性能调节策略中，调整衣物的隔热性能是最重要的策略[8]。在活动量改变以及环境温度发生变化时，通常以改变服装厚度和层数的方式来保持人体的热舒适性，但是对于物品便携性要求很高的户外活动人群来说，这是非常不方便的[9-10]。另外一种比较有效的方法是电加热服装，通过调节加热功率来产生所需的保暖效果，但是存在电池寿命短、耐洗性与安全性差、成本高等缺点，在日常生活中并不常用[11-12]；因此，研制一种保暖性能可调且无需电加热装置的防寒服装是户外运动人群的迫切需要。

近几年来，研究者们提出了将空气作为隔热材料的充气服装，期望通过向服装充入不同的空气量，能够在较宽的温度范围内保持人体的热舒适性[13]。其基本理论是，静止空气的导热系数在自然界中最低，服装的保暖性能主要取决于服装系统内的静止空气层含量，在一定范围内，静止空气层越厚，服装系统的保暖性能越好[14]。不同于传统的保暖服装，充气服是一种利用空气作为保暖材料的服装。首先，空气的使用大大降低了服装的质量，使得服装更轻更薄，更加便携的同时极大地增加了户外活动群体的活动自由度；其次，空气是一种源源不断且不需任何成本的资源，这显然会大大降低服装的生产成本；最后，空气的应用规避了羽绒等保暖填充材料的使用，保护生态、节约能源且更加环保；因此，空气被公认为是最理想的隔热材料。

国内外关于充气服已有相关研究，第1代充气服将上身躯干部位水平分成3个独立的空气室，分别是胸部空气室、腹部空气室和腰部空气室，可以实现6种不连续的保暖模式。第2代充气服将躯干部位分成了更多连续的空气室，通过充气量的连续变化实现保暖性能调节的连续性[15]。虽然市面上可以买到充气服装，但是其种类很少，相关的研究报导也很少，没有实验来检验其实际保暖性能。

美国NuDown公司开发了一种无需电加热装置仅依靠充气泵就能实现保暖可调的充气服，本文基于NuDown背心[16]开发了一件新型的充气夹克，通过暖体假人实验从充气量、有无袖子以及是否穿抓绒衣3个角度分析其上身局部热阻以及总热阻，并与NuDown充气夹克进行比较，客观地评价新型充气夹克的保暖调节能力。研究结果将有助于高性能充气服装的工程化，并为具有保温调节功能的服装研发提供参考。

1 充气夹克研制

1.1 材料选择

充气夹克内含储存空气的气囊，所需材料应不透气，外层面料需要具备一定的耐磨性和强度。充气夹克外层、里层面料信息如表1所示。外层为100%涤纶机织面料，常用作户外服装的外层面料，具有良好的抗皱性和保形性；里层为抓绒针织面料，一方面比较亲肤，另一方面微小的绒毛组织可以保存更多的静止空气，具有良好的保暖性；里层和外层分别采用聚氨酯(TPU)材料单层覆膜，以此保证充气夹克气囊的不透气，TPU膜的面密度为45 g/m2。

表1 充气夹克面料信息Tab.1 Information of air inflatable jacket fabric

1.2 款式结构设计

本文设计的Mountain充气夹克的外层和里层面料之间通过热敏胶点热压粘结而成，将衣身分成若干大小相等且相通的正六边形气囊。图1示出了气囊的胶点粘结线。可知，胶点粘接线部分闭合，以此来保证气囊之间的通气性。为了保证手臂的活动性，袖子不设置气囊，与衣身通过拉链连接，可拆卸。与市售的NuDown充气夹克相比，本文研发的Mountain充气夹克款式相似，均为H型，其他区别如下：1)NuDown夹克为菱形气囊，呈竖直方向排列，人体弯腰时服装易对人体产生阻碍作用，Mountain夹克为相互连通的多边形气囊，在弯腰时服装对人体的阻碍更小，舒适性更优；2)从气囊占衣身的面积来看，NuDown夹克上胸部、腋下以及下摆均未设置气囊，约占比60%，而Mountain充气夹克的气囊分布于整个衣身，约占比90%，Mountain的气囊占衣身总面积的比例更大，最大充气量更大。在左侧口袋部位安装可以手动操控的充气泵，多次按压充气泵充气，气囊受到压力作用厚度增加，空气层变厚，隔热性能增加，从而提高保暖性能；当按压充气泵上的放气按钮时可以放气，空气层变薄，保暖性能降低。图2示出了Mountain充气夹克正背面款式图。

图1 气囊粘结线示意图Fig.1 Pattern of glued line for air cells

图2 Mountain充气夹克正背面款式图Fig.2 Pattern of air inflatable garment. (a) Front; (b) Back

2 暖体假人实验

本文参照ISO 15831—2004《服装-生理效应-采用暖体假人测试服装的热阻》，借助Newton暖体假人测试充气夹克的热阻，气候室空气温度和相对湿度分别控制为(15±0.2) ℃和(50±5)%，暖体假人皮肤温度恒定在34 ℃。实验过程中，暖体假人穿着纯棉内裤、一套纯棉针织保暖内衣、充气夹克、薄绒长裤、棉袜、运动鞋。根据实验需要上身穿着抓绒衣，抓绒衣位于保暖内衣和充气夹克之间。分别研究了4种充气量、充气夹克有无袖子和是否穿抓绒衣对热阻的影响。4种充气量条件分别编号为con、1/3 full、2/3 full和full。其中：con为未充气状态；full即充满气状态，此时Mountain和NuDown夹克的气囊厚度均为1.9 cm。根据full情况下的充气泵按压次数，分别设定1/3 full和2/3 full的按压次数。每次实验至少测量3次，保证热阻变异系数低于5%。

本文测试了充气夹克上身热阻和局部热阻，计算上身热阻时不包括头和手，局部热阻包括上臂、下臂、胸部、腹部和背部。采用One Way ANOVA 方差分析和多重比较分析探索各因素对充气夹克局部和上身总热阻的影响。显著性差异水平p<0.05时，标记为“*”；p<0.01时，标记为“**”。

3 实验结果与分析

3.1 充气量对热阻的影响

3.1.1 充气量对局部热阻的影响

图3示出不同充气量情况下Mountain充气夹克的局部热阻。实验结果表明各部位的热阻与充气量成正比，随着充气量的增加，各部位的热阻随之增加。各部位充气状态的热阻均显著高于未充气状态(p<0.01)。在胸部、腹部、背部这些气囊覆盖部位，不同充气量的热阻增幅更加明显，呈现出极显著差异(p<0.01)随着充气量的增加，气囊的厚度不断增加，暖体假人与外界的热传导/对流和热辐射降低，保暖性增强。在没有气囊覆盖的上臂和下臂不同充气量之间也呈现出显著性差异。虽然没有其他3个部位增幅明显，但是充气状态热阻比未充气状态略增加3%，而且，热阻随着充气量的增加也有所增加。上述现象说明了充气夹克充气后增加了气囊的厚度但降低了衣下空气层的厚度，影响了服装内部的通风，降低了烟囱效应，导致手臂处热阻轻微增加。

图3 不同充气量下Mountain充气夹克的局部热阻Fig.3 Local thermal insulation of Mountain in different air inflation volumes

3.1.2 充气量对上身总热阻的影响

图4示出市售的一款NuDown充气夹克与本文研制的Mountain充气夹克在不同充气量下的总热阻。实验结果表明，在每种充气量下Mountain充气夹克的总热阻均显著高于NuDown(p<0.01)。这说明Mountain充气夹克的保暖性能更好。Mountain充满气时需要的空气量更多，这可能是热阻较NuDown大的原因之一。2种充气夹克充气状态下总热阻均显著高于未充气状态(p<0.01)。Mountain充气夹克充气状态下，上身总热阻随着充气量的增加而增加，总热阻增幅分别为6.4%、2.9%、0.2%。NuDown充气夹克随着充气量的增加总热阻反而略微减小。这一结果表明Mountain充气夹克在充气状态下比NuDown充气夹克具有更佳的保暖调节能力。

图4 4种充气夹克不同充气量下的总热阻比较Fig.4 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown in different air inflation volumes

3.2 袖子对热阻的影响

3.2.1 袖子对局部热阻的影响

本文进一步研究了有无袖子对Mountain充气夹克局部热阻的影响，结果见图5。可知，不论在哪一种充气量情况下，除了胸部，其他部位在有袖子时的热阻均显著高于无袖子时(p<0.01)，这一结果说明袖子确实会对充气夹克热阻产生影响。有袖子时上臂和下臂的服装厚度增加，热阻增加，这是可以预测到的，但是在其他部位，有无袖子时表现出的巨大差异是很有趣的实验现象。在腹部和背部，有袖子时热阻明显大于没有袖子时的热阻，con条件下分别增加43.5%和15.6%，full条件下分别增加49.9%和15.9%，但是胸部的热阻恰好相反，有袖子时热阻反而减小，con条件下减小3.9%，full条件下减小2.8%。没有袖子时，暖体假人与外界环境在袖窿部位有一定的空隙，且在腹部和背部服装与假人之间存在较大的空气层，外界冷空气与服装内的暖空气热交换明显，产生对流，散热加强，从而导致腹部和背部的热阻大幅下降，在胸部服装与假人之间的间隙较小，因此有无袖子对局部热阻的影响较小，热阻小幅增加可能与衣下通风增加有关，人体腹部与胸部之间产生了热交换。多重比较分析结果显示，有无袖子时，充气量对上臂和下臂没有影响，但是在胸部、腹部和背部呈现出极显著差异(p<0.01)，由于袖子没有设置气囊，所以充气量对其热阻没有影响，在胸部、腹部和背部充气后气囊的厚度增加，与外界的热交换减少，热阻增加，表现出显著性差异。

图5 有无袖子情况下Mountain充气夹克的局部热阻Fig.5 Local thermal insulation of Mountain air inflatable jacket with or without sleeves

3.2.2 袖子对上身总热阻的影响

图6示出2种充气夹克在有无袖子时的上身总热阻。在con和full 2种充气量条件下，2种充气夹克在有袖子时的总热阻均显著高于无袖子时的热阻(p<0.01)。有袖子时，暖体假人与外界环境的热交换减少，服装总热阻增加，这与图4所示的局部热阻变化一致。充满气状态下(full)的热阻均大于不充气(con)时的热阻(p<0.01)，无袖子时，NuDown增加8.6%，Mountain增加2.4%；有袖子时，NuDown增加3.6%，Mountain增加9.6%，增幅更为明显。这对充气服的设计具有指导性意义，考虑到上臂和下臂的肢体活动较多，大多充气服没有袖子或者袖子部位不设置气囊，根据本文研究结果可知，在充气服的设计中可以添加袖子来提高充气服的保暖性能，且袖子对其他部位的局部保暖性也有一定的积极影响。

图6 有无袖子情况下2种充气夹克的上身总热阻比较Fig.6 Comparison of total thermal insulation of Mountain and NuDown with or without sleeves

3.3 抓绒衣对热阻的影响

3.3.1 抓绒衣对局部热阻的影响

图7示出是否穿抓绒衣对Mountain充气服局部热阻的影响。结果表明，在con和full 2种充气量情况下，穿抓绒衣时所有部位的热阻均显著高于不穿抓绒衣时的热阻(p<0.01)，腹部的差异尤其明显。穿抓绒衣时，服装层数增多，整个服装系统的空气层变厚，保暖性能增强。其次，穿抓绒衣充满气(full)比未充气(con)，上臂和下臂热阻分别增加6.4%和2.9%，胸部、腹部、背部热阻分别增加-2.6%、-2.8%和-4.5%，而不穿抓绒衣时，热阻增加6.3%～22.7%，不穿抓绒衣时热阻增幅更加明显。由于胸部、腹部、背部空气层厚度较薄，当穿着抓绒衣时，服装充气后挤压了衣下的空气层厚度，在这些部位的局部热阻反而较不充气时下降，因此，穿抓绒衣时充气夹克的热阻增加反而没有不穿时明显。

图7 穿抓绒衣对局部热阻的影响Fig.7 Effect of fleece on local thermal insulation

3.3.2 穿抓绒衣对上身总热阻的影响

图8示出是否穿抓绒衣对上身总热阻的影响。在con和full 2种充气状态下，2种充气夹克在穿抓绒衣时的总热阻都显著大于不穿抓绒衣的热阻(p<0.01)，这与它们在局部热阻的表现一致。2种充气夹克，充满气状态下的总热阻均大于未充气的热阻，穿抓绒衣时，NuDown的上身总热阻增加3.4%，Mountain的减小3.0%；不穿抓绒衣时，NuDown的增加3.6%，Mountain的增加9.6%。以上结果表明在穿着充气服装时，应充分考虑服装的搭配，不能一味地增加空气层厚度或增加服装的层数，可能会造成保暖性能的下降。