衣下空气层对咖啡碳纤维防寒服保暖性的影响

代萌婷 屠晔

摘要：

为确定适宜的服装松量，提升低温作业防寒服的保暖性，文章以咖啡碳纤维防寒服为研究对象，在低温环境下设计穿着实验，通过暖体假人、人体着装和三维扫描实验，探究了咖啡碳纤维作为填充材料时衣下空气层变化对防寒服保暖性的影响。结果表明：防寒服衣下空气层平均厚度和总体积增量变化相似，不同胸围松量的衣下空气层对静止状态和运动状态防寒服保暖性影响显著;随着胸围松量的增加，静止状态和运动状态的防寒服保暖性均呈先增后减的变化趋势;对于H型短款男士常规防寒服170/88A号型而言，防寒服胸围松量为26 cm、衣下空气层平均厚度为34.13 mm、总体积为24.74 dm3时，咖啡碳纤维防寒服可达到良好的保暖性。

关键词：

咖啡碳纤维;热阻;红外热像;暖体假人;衣下空气层

中图分类号： TS941.17

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2021）11003307

引用页码： 111107

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.11.007

Influence of air layer entrapped in clothing on thermal insulation property ofcoffee carbon fiber cold protective clothing

DAI Mengtinga， TU Yeb

（a.School of Fashion Design Engineering; b.School of International Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

In order to determine the suitable clothing ease and to improve thermal insulation property of cold protective clothing during low temperature operation， taking coffee carbon fiber cold protective clothing as the research object， this paper designed a wearing experiment in low temperature environment， investigated the influence of changes of air layer entrapped in clothing on thermal insulation property of cold protective clothing with coffee carbon fiber as the filling material. The results indicated that the changes in the average thickness of the air layer was similar with the changes of the total volume increment， and air layer of different bust ease had a significant impact on the thermal insulation property of the cold protective clothing in static and motion states. With the increase of the bust ease， the thermal insulation property of cold protective clothing in static and motion states increased first and then decreased. For short H-type mens cold protective clothing of 170/88A size， when the bust ease is 26 cm， the average thickness of the air layer is 34.13 mm， and the total volume is 24.74 dm3， the coffee carbon fiber cold protective clothing can achieve good thermal insulation property.

Key words：

coffee carbon fiber; thermal resistance;infrared thermography; thermal manikin; air layer entrapped in clothing

作者簡介： 代萌婷（1996），女，硕士研究生，研究方向为服装舒适性。通信作者：屠晔，讲师，buyinew@163.com。

从事低温无采暖的中高强度作业时，人们需要穿着防寒服以避免环境对肌体产生伤害，此时防寒服的保暖性就显得尤为重要。现有研究从衣下空气层、运动状态、填充材料、外界环境等方面对防寒服的保暖性进行探讨[1-4]，并证实衣下空气层对防寒服保暖性影响显著。Hu等[5]设计了静风，以及正面、侧面和背面3种风向，并考虑7个水平的服装松量，利用暖体假人探究风向与服装松量对运动服保暖性的影响。结果表明，风向对臀部和腹部的保暖性影响较大，不同水平的服装松量之间保暖性差异不显著。Jussila等[6]通过暖体假人实验和三维扫描实验，研究了在静止状态、运动状态及不同风速（0.3 m/s与8 m/s）下，不同组合服装（3层材料为最内层针织内衣、中间层毛衣、最外层防寒服，3种尺寸）的隔热性能差异。研究表明，在静止状态，风速分别为0.3、8 m/s时，假人穿着中间层、最外层为欧码56（中间层、最外层腰围松量分别为29、46 cm）时，服装的隔热性最好;在运动状态，风速分别为0.3、8.0 m/s时，假人穿着中间层、最外层为欧码52（中间层、最外层腰围松量分别为18、35 cm）时，服装的隔热性最好。冯铭铭等[7]通过暖体假人与三维扫描技术，探究衣下空气层对双板滑雪服保暖性的影响。研究表明，衣下空气层随服装宽松量的增加而增大，滑雪服保暖性随宽松量的增加呈先增后减再趋于稳定的变化趋势。这些文献表明，从衣下空气层的角度探究防寒服的保暖性具有重要意义。

本文以新型咖啡碳纤维絮料作为男士防寒服填充材料，结合暖体假人、人体着装和三维扫描实验，测定服装衣下空气层随胸围松量变化、静止状态服装的热阻和运动状态服装表面温度的变化，探究衣下空气层对防寒服保暖性的影响，以期为科学设计低温作业防寒服提供数据参考。

1 实 验

1.1 服 装

根据100款男士热销冬季防寒服款式造型的市场调研，发现市面上的男式防寒服以H型廓形为主（占82%），中间体号型多采用170/88A（占76%）。故本文防寒服廓形设计选择宽松直筒的H型，170/88A号型，款式如图1所示。

服装松量是影响衣下空气层分布的关键因素，在防寒服松量的研究中，本文制作5件不同胸围松量的男士防寒服，着重研究胸围松量。防寒服面料、里料、胆料、填充材料分别采用全弹春亚纺、半弹春亚纺、复合无纺衬、咖啡碳纤维絮料，实验材料规格如表1所示。在防寒服尺码设计时，胸围档差采用4 cm，长度方向保持不变。对5件实验服进行编号，分别为1#～5#，尺寸设计如表2所示。

1.2 设 备

尺寸为胸围89.2 cm、腰围75.1 cm、臀围75.1 cm的PT TEKNIK 22区段暖体假人（丹麦PT TEKNIK公司），佑美U3H型跑步机（中国华为技术有限公司），FLIR E85 24红外热像仪（美国菲力尔公司），2NX-16非接触式三维人体扫描仪（美国TC2公司）。

1.3 方 案

1.3.1 暖体假人实验

用暖体假人模拟静止状态时防寒服穿着情况，其着装测试如图2所示。每件服装穿着之前，先给假人穿上基础服装，即贴体针织长袖内衣和袜子。在人工气候室完成暖体假人实验，人工气候室温度、湿度分别设置为（5±1） ℃和45%±5%，风速小于0.1 m/s[8]。假人采用恒温（34±0.2） ℃控制加热模式，每次实验保持假人发热时间恒定在30 min以上，每隔1 min记录假人各区段的热流量。重复实验3次，结果取平均值。

1.3.2 人体着装实验

用人体着装模拟运动状态防寒服穿着情况。根据GB/T 1335.1—2008《服装号型男子》，以170/88A为实验参照对象，选取5名男性在校大学生作为受试者，受试者上身围度数据如表3所示。在人工气候室完成人体着装实验，实验环境与暖体假人实验相同，通过红外热像仪测试受试者穿着防寒服的服装表面温度，红外热像仪如图3所示，用跑步机提供人体静止与运动状态。实验前，在同一时间段内对受试者进行腋下生理温度采集，5名受试者的腋下生理温度在（36.6±01） ℃，温度波动范围较小，表明受试者间的生理温度误差可忽略不计。实验时，受试者穿着统一贴体针织长袖内衣、防寒服静立10 min后正式开始，包括P1慢走（4 min，4 km/h）、P2快走（3 min，6 km/h）、P3慢跑（3 min，8 km/h）3種运动状态，流程如图4所示。

1.3.3 三维扫描实验

用非接触式三维人体扫描仪对穿着防寒服的受试者进行三维扫描，非接触式三维人体扫描仪如图5所示。为了减少实验误差，使扫描数据具有稳定性和统一性，对5名受试者的胸围、肩宽、腰围、臀围、臂长等部位尺寸求平均值，选出最接近平均值的受试者a，作为三维扫描实验对象。根据GB/T

23698—2009《三维扫描人体测量方法的一般要求》，利用三维人体扫描仪分别扫描了裸态受试者（穿着贴体针织长袖内衣）和防寒服着装受试者（穿着贴体针织长袖内衣和防寒服）。为了保证获得的扫描数据更为准确，规范受试者站立姿态，重复实验5次，结果取平均值。

1.4 测定方法

1.4.1 服装热阻测定

根据ISO 15831—2004《Clothing-physiological effects-measurement of thermal insulation by means of a thermal manikin》，测定防寒服的总热阻与局部热阻。采用并联法计算防寒服总热阻，包括胸部、腹部、背部、腰部、左右上臂、左右下臂8个上体区段。暖体假人局部热阻与总热阻计算公式为[9]：

式中：Rt为暖体假人对应区段的热阻，（m2·℃）/W;As为暖体假人对应区段的皮肤表面积，m2;Ts为暖体假人对应区段的皮肤表面温度，℃;Te为人工气候室内的空气温度，℃;Hd为暖体假人对应区段的热流量，W;R′为暖体假人的总热阻，（m2·℃）/W;A为暖体假人的总皮肤表面积，m2。

1.4.2 服装表面温度测定

在正式实验过程中，红外热像仪操作者以1 次/min的频率拍摄受试者的正面、侧面、背面的红外热成像图，用FLIR Tools图像处理软件对红外热成像图进行数据采集，包括防寒服胸部、腹部、手臂、背部、腰部5个部位的表面温度，采集方式如图6所示。防寒服保暖性可由人体着装后防寒服的表面温度表征，数值越低表明防寒服的保暖效果越好[10-11]。

1.4.3 衣下空气层测定

将扫描后的三维图像导入Geomagic Wrap逆向工程软件中进行点云数据的优化、拟合，可得到裸态模型和着装模型。进一步对两个模型进行对齐、测量，则两个模型间的水平距离差值即为衣下空气层平均厚度，体积差值即为衣下空气层总体积。衣下空气层总体积计算公式为：

式中：Vi为受试者着装模型总体积，dm3，i=1，2，…，5;Va为受试者裸态模型总体积，dm3;Vn为衣下空气层总体积，dm3，n=1，2，…，5，该体积包含防寒服材料体积。

由于1#～5#防寒服的厚度几乎相同，因此不考虑衣下空气层测定时服装厚度这一误差因素对测定结果的影响[12]。

2 结果与分析

2.1 防寒服衣下空气层

2.1.1 衣下空气层形态分析

对上身着装而言，胸围和腰围是最关键的两个水平围度。为了清晰地观察防寒服衣下空气层的分布情况，本文在对齐后的三维着装模型和裸态模型的胸围、腰围部位进行横截面切割，截面圖如表4所示。从表4可以看出，随着防寒服胸围松量的增加，外层着装模型与内层裸态模型之间空气层厚度也逐渐增大。其中，服装前中与后中部位增大不明显，衣下空气层增大主要集中在侧面，且人体外轮廓曲线向内凹陷的腰部部位衣下空气层厚度较大，人体曲线向外凸起的胸部部位衣下空气层厚度相对较小。

2.1.2 衣下空气层平均厚度和总体积分析

防寒服衣下空气层平均厚度和总体积如表5所示。

由表5可以看出，随着胸围松量的均匀增加，防寒服衣下空气层的平均厚度与总体积呈增大的趋势，衣下空气层的平均厚度与总体积增加速率呈减小的趋势。具体如下：不同胸围松量防寒服衣下空气层的平均厚度变化范围为25.22～4225 mm，最大空气层5#平均厚度比最小空气层1#大6753%，2#、3#、4#、5#防寒服衣下空气层的平均厚度增长率分别为16.37%、16.31%、14.59%、8.03%。不同胸围松量防寒服衣下空气层的总体积变化范围为17.51～31.05 dm3，最大空气层5#总体积比最小空气层1#总体积大79.90%，2#、3#、4#、5#防寒服衣下空气层的总体积增长率分别为18.49%、1784%、16.65%、9.15%。

由此可见，随着胸围松量的增加，衣下空气层的平均厚度与总体积增加速率减小。这是由于当胸围松量均匀增加时，防寒服横截面对应的周长增加，但增加不均匀，增加量多集中于防寒服侧面，造成服装侧面衣下空气层平均厚度与总体积增加速率较快，正面与背面衣下空气层平均厚度与总体积增加速率较慢，整体衣下空气层增长量减少，从而减缓了衣下空气层平均厚度与总体积的增加速率。

对5件防寒服的胸围松量、衣下空气层平均厚度与总体积进行图像分析，如图7所示。用SPSS进一步建立防寒服胸围松量与衣下空气层回归方程，考虑到裸态的情况，回归方程要过点（0，0）。方程式如下式所示：

式中：ΔB为胸围松量，cm;Dair为防寒服衣下空气层的平均厚度，mm;Vair为防寒服衣下空气层的总体积，dm3。

2.2 暖体假人与着装实验测试

2.2.1 静止状态防寒服热阻

通过暖体假人测试静止状态不同胸围松量的防寒服（1#～5#）的总热阻和局部热阻，结果如表6所示。由表6可知，防寒服的总热阻变化范围为0.551～0.634（m2·℃）/W。

在胸围松量变化初期（1#～3#），防寒服的总热阻随服装胸围松量的增加逐渐增大;当胸围松量增加至3#时，总热阻达到最大值0.634（m2·℃）/W;在胸围松量变化后期（3#～5#），防寒服的总热阻随服装胸围松量的持续增加逐渐减小。最高总热阻3#防寒服比1#和5#防寒服分别大15.06%、6.55%。防寒服局部热阻变化范围为0.418～1.732（m2·℃）/W，其中胸部、手臂和背部热阻较低，腹部和腰部热阻较高。这是由于腹部、腰部与服装间的空隙大，能容纳更多的静止空气，造成此区域局部热阻值相对较高。

2.2.2 运动状态防寒服表面温度

1） 防寒服表面温度R型聚类分析。针对防寒服表面温度，主要采集了胸部、腹部、手臂、背部、腰部5个部位。为了减少变量个数，达到降维的目的，对不同运动状态下防寒服5个部位表面温度进行SPSS层次聚类的R型聚类分析，结果如图8所示。

从图8可知，5个部位可以分为两类，一类为胸部、手臂和背部，一类为腹部和腰部，这与静止时防寒服各部位热阻趋势相同。进一步用复相关系数法从两类中选出两个具有代表性的部位，即从第1类胸部、背部、手臂中选择复相关系数最大的部位作为代表性部位，从第2类腹部和腰部中选择复相关系数最小的部位作为代表性部位，各类复相关系数结果如表7所示。从表7可以看出，第1类的各复相关系数为手臂与（胸部、背部）：0.988，背部与（胸部、手臂）：0.966，胸部与（背部、手臂）：0.989，因此选胸部作为代表。第2类的各复相关系数为腹部与胸部：0.976，腰部与胸部：0.971，故选腰部作为代表。因此，选择胸部、腰部作为代表部位参与后续分析。

2） 不同胸围松量防寒服代表部位表面温度差异分析。受试者穿着5件不同胸围松量防寒服运动时，防寒服胸部、腰部两个代表部位表面温度随时间变化如图9所示。

为了探究不同运动状态防寒服保暖性是否存在显著差异，本文对胸部、腰部防寒服表面温度进行多配对样本的Friedman检验。在0.05显著水平下，不同运动状态防寒服胸部表面温度概率P值均小于显著性水平（P1：χ2=14.800，P=0.005;P2：χ2=10.933，P=0.027;P3：χ2=11.864，P=0.018），防寒服腰部表面温度概率P值均小于显著性水平（P1：χ2=15.443，P=0004;P2：χ2=12.000，P=0.017;P3：χ2=12.000，P=0.017），表明受试者在不同运动状态的防寒服胸部、腰部表面温度的分布存在显著差异，即防寒服的保暖性有显著差异。受试者在不同运动状态穿着防寒服胸部、腰部表面温度Friedman检验秩均值结果如表8所示，秩均值数值越小表明防寒服保暖性越好。

由表8可知，不同运动状态下，防寒服胸部与腰部表面温度秩均值变化趋势一致，均为3#防寒服数值最小，其次为4#、2#、5#，而1#防寒服数值最大。表明3#防寒服对热量传递阻碍最大，保暖性最好，1#防寒服对热量传递阻碍最小，保暖性相对较差，4#、2#、5#防寒服保暖性居中。这与静止时不同胸围松量防寒服热阻变化趋势一致。

这是由于当受试者穿上防寒服后，人体与服装之间形成了一定量的空气层，防寒服的保暖性会随衣下空气层的变化而变化。在一定胸围松量范围内，衣下空气层会随胸围松量的增加而增大，此时人体与服装间聚集了大量的静止空气，静止空气是热的不良导体，故防寒服表现出良好的隔热性能;当胸围松量范围持续增加，人体穿着服装后服装表面会形成一定量的褶裥，在运动时会增大服装衣下空气层和其表面的自然对流与强迫对流，故服装的保暖性不会继续增加。相反，较大的胸围松量会造成防寒服衣下空气层平均厚度与总体积过大，当两者增加到一定程度时，空气层内的部分静止空气会变成流动空气，空气层之间形成热对流，造成服装的保暖性下降。

2.3 衣下空气层对防寒服保暖性的影响

由2.2节可知，静止状态与运动状态下不同胸围松量防寒服的保暖性变化趋势相似，故以静止状态为例，分析衣下空气层对防寒服保暖性的影响。通过平均厚度与总体积将衣下空气层进行量化，探究静止状态下不同胸围松量的衣下空气层对防寒服总热阻的影响。衣下空气层平均厚度与防寒服总热阻关系如图10所示。

1）对静止状态下不同胸围松量的防寒服总热阻进行单因素方差分析，结果表明，不同胸围松量的衣下空气层对防寒服总热阻影响显著（P<0.05）。进一步进行LSD多重比较，检验表明，1#与2#～5#防寒服总热阻存在显著差异，4#、5#防寒服总热阻无显著差异。由此可知，胸围松量较小的防寒服与胸围松量较大的防寒服之间总热阻差异显著，但较大胸围松量的防寒服之间总热阻差异不显著。这是由于胸围松量持续增加后，服装受重力等因素影响导致衣下空气层增加量减小，热阻变化差异较小。2）防寒服总热阻随衣下空气层的增大呈先增后减的变化趋势，即衣下空气层的平均厚度为25.22～3413 mm，总体积为17.51～24.74 dm3，防寒服保暖性呈上升趋势;衣下空气层的平均厚度为34.13～42.25 mm，总体积为24.74～31.50 dm3，防寒服保暖性呈下降趋势。这一变化趋势与其他学者的研究结论一致[13]，表明衣下空气层对防寒服总热阻的影响存在临界值。故为了达到良好的保暖效果，防寒服的胸围松量设计应选择对热量传递阻力较大的范围。3）防寒服胸围松量越小其对总热阻变化率的影响越大，防寒服在1#、2#阶段总热阻增长率达到最大值8.53%;防寒服胸围松量较大时其对总热阻变化率的影响较小，防寒服在2#、3#阶段的增长率和3#、4#阶段的下降率均较小，而4#、5#階段总热阻下降率仅为1.82%。4）不同胸围松量的防寒服中，3#防寒服的总热阻最大，表明此阶段防寒服对热量传递阻碍最大，服装的保暖性较好，胸围松量设计较优，其对应的衣下空气层平均厚度为34.13 mm，衣下空气层的总体积为24.74 dm3。

3 结 论

本文在低温环境下对5件不同胸围松量的咖啡碳纤维男士防寒服进行暖体假人、人体着装和三维扫描实验，分析了衣下空气层对防寒服保暖性的影响。得出以下结论：

1） 防寒服衣下空气层平均厚度和总体积的增量变化相似，5件防寒服平均厚度和总体积变化范围分别为25.22～42.25 mm和17.51～31.50 dm3。

2） 衣下空气层对静止状态防寒服保暖性影响显著。在静止状态下，不同胸围松量防寒服总热阻变化范围为0.551～0.634（m2·℃）/W，防寒服的总热阻随着胸围松量的增加呈先增后减的变化趋势，测试服装中在胸围松量26 cm时总热阻达到最大值0.634（m2·℃）/W，其对应的衣下空气层平均厚度为34.13 mm，总体积为24.74 dm3。

3） 衣下空气层对运动状态防寒服保暖性影响显著。在运动状态下，防寒服的表面温度随着胸围松量的增加呈先减后增的变化趋势，不同运动状态防寒服保暖性均在胸围松量26 cm时最佳。

就本文实验设计的范围之内，针对H型短款男士常规防寒服170/88A号型，在满足运动自由度的条件下，防寒服胸围松量为26 cm、衣下空气层平均厚度为34.13 mm、总体积为24.74 dm3时，防寒服的保暖性达到一个良好的状态，此时可较好地发挥咖啡碳纤维絮料的保暖作用。

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