服装形变对羽绒服隔热能力的影响

2022-09-22吴黛唯黄家成王云仪

纺织学报 2022年9期

吴黛唯，黄家成，王云仪,2

1. 东华大学服装与艺术设计学院，上海 200051； 2. 东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

冷环境中，防寒服保护人体免受低温侵害，主要通过抑制人体热散失,促进服装对环境辐射热的吸收[1]来实现良好的保暖能力。其中，增加静止空气含量以减少人体通过服装向外界环境的传导热，是一种常见的保暖功能设计方法，典型的代表是羽绒服，其优越的隔热能力得益于其絮填料——羽绒。羽绒具有质轻、高蓬松的特性，因而毛羽间的空隙中存在着大量低导热系数的静止空气[2-3]，当外层面料具备足够的防风性能时，这部分静止空气在很大程度上能够阻碍人体热量向外环境的传递，帮助人体抵御寒冷侵袭。

然而，空气流动的不同状态使其在对服装隔热的贡献中具有多重作用。有研究[4]表明：当着装人体皮肤温度为33 ℃，环境温度为25 ℃时，一旦衣下空气层厚度超过临界值16 mm，空气层将从静止向自然对流过渡，这将导致衣下空气层对服装隔热作用的影响从积极的低导热转向消极的对流散热。对于羽绒服来说，材料内部的空气层同样会因流动状态的不同而发挥着促进对流热或阻隔传导热这2种截然相反的作用[5-6]，并受到充绒量、蓬松度等因素的影响。可见，羽绒服衣下空气层、材料内部以及表面边界空气层的流动状态，综合影响着服装隔热性能。在这些空气层中，静止与流动空气量的占比决定着空气对羽绒服隔热能力的贡献大小。

同时，对于羽绒服这种典型的防寒服来说，人们在穿着时常常会经历坐、靠、躺、背包等各种姿势或活动，这可能导致蓬松的羽绒服因受压而变形。在外力压迫作用下，羽绒服的衣下空气以及内部空气会因挤压而发生转移或排出，造成静止空气与流动空气量占比的变化，间接影响羽绒服的整体及局部的隔热性能。目前有关防寒服隔热性能的测评标准如ISO 15831—2004《服装生理效应用暖体假人测试服装热阻》、ISO 9920—2009《热环境工效学成套服装热阻和湿阻的评定》、ASTM F 1291—2016《用暖体假人测量服装热阻的标准方法》、EN 342—2017《防护服:防寒套装和服装》等，这些标准中规定的测评方法主要考虑了材料性能、人体运动、环境条件等因素对服装隔热性能的影响，并未考虑服装形变因素。综上，根据现行标准所测得的羽绒服热阻在实际应用中仍存在一定的局限性。

基于此，本文根据羽绒服的日常穿用场景，设计服装形变部位和形变水平，实施暖体假人实验，对不同形变水平下的羽绒服进行隔热性能测试，获取服装总热阻和局部热阻；同时利用三维扫描和图像处理技术获取服装局部体积数据，分析不同的形变水平所引起的局部体积变化，以深入探索形变对热阻的内在影响机制；另外，加入充绒量因素进一步探究充绒量与形变水平对羽绒服隔热能力的交互影响。

1 实验方法

1.1 样衣定制

在以往关于羽绒服隔热性能的研究中，充绒量被认为是影响其隔热性能的主要因素之一。大量实验[7-9]证明，羽绒服的隔热性能并非简单地随着充绒量的增加而提升，而会在充绒量增至某一范围时达到最优保暖效果，然后随着充绒量的继续增加，其保暖效果会逐渐削弱。这个范围会受到环境温度和风速[7]、羽绒服微胞结构与形状[8-9]、绗线数量[10]、绗缝缩率[11]等的影响。

本文依据暖体假人体型定制了4件相同款式、不同厚度的羽绒服实验样衣，规格尺寸如表1所示。样衣采用的面料、胆料和里料为塔夫绸，经纬纱线密度分别为22、40 tex，经纬纱排列密度分别为700和440根/(10 cm)，含绒量均为90%。对应常见的不同防寒等级，4件样衣的充绒量分别为：110 g/m2(薄型)、135 g/m2(普通型)、150 g/m2(中厚型)、180 g/m2(厚型)。

表1 羽绒服样衣规格尺寸

1.2 形变设计

本文对羽绒服形变的设置方法为：在羽绒服局部安装系带，通过收紧系带使羽绒服产生形变。实验前需要确定系带放置部位、设置形变量及形变水平。

1.2.1 形变部位

有研究[12]证实人体的腰部、背部、胸部对寒冷刺激较为敏感。另外，考虑到人体日常负重(背包)时肩部也会受压，因此，本文主要在上述人体部位模拟羽绒服的受压形变。通过预实验确定了4个系带放置部位，包括：左右肩部(A)、胸围线(B)、腰围线(D)以及胸围和腰围线之间1/2处(C)。在定制羽绒服样衣时，预先在这4个部位缝制可进行收紧调节的系带，以模拟羽绒服受压后的形变状态，如图1所示。

图1 系带收紧法模拟羽绒服受压形变

1.2.2 形变水平

羽绒服受压后的形变量可用系带收紧量来表征，本文实验为此设计了4个形变水平，如表2所示。由于所选形变部位的围度大小不一，因此,并未设置统一的收紧尺寸，而是针对每个部位，将完全不收紧时的系带长度记作a0，然后尝试收到保持合体的最大收紧状态，测得此时的系带长度，记作amax，二者之间的差值记作a。每个形变部位均采用以a为基准的相对比例作为形变水平的控制尺度。最终确定的形变水平包括0、a/3、2a/3和a，分别对应无形变、低形变、中形变和高形变状态，并折算出所对应的系带收紧量。

表2 形变水平设计

1.3 测试内容

1.3.1 暖体假人热阻测试

本文实验参考ISO 15831—2004，采用暖体假人(美国踏石国际集团有限公司)对羽绒服不同形变状态下的总热阻和局部热阻进行测试，每件样衣重复测试3次取平均值。采用恒皮肤温度模式，设定假人各区段体表温度为(34±0.2) ℃，并让假人以静止站立姿势完成实验。实验在全天候人工气候舱中进行，依照标准中规定的低温小风环境条件为：温度(0±0.5) ℃，相对湿度(50±20)%，风速(0.4±0.1) m/s。同时，按照标准为羽绒服搭配了统一的内穿服装及配件，包括贴身保暖内衣、休闲外裤以及手套、袜子和帆布鞋。

1.3.2 服装形变三维扫描

采用Handyscan 700手持式三维扫描仪(加拿大形创有限公司)对假人裸体表面、不同形变状态下的着装外表面进行扫描，表面所贴的扫描标记点用于采集假人、样衣形态的三维点云数据，如图2所示。然后利用Geomagic Qualify 2013(美国杰魔软件有限公司)软件对捕获的三维图像进行处理，包括假人裸体与着装表面形态的“拟合对齐”“裁剪”及“三维比较”等操作命令，获取实验样衣在4个形变水平下的局部体积。

图2 羽绒服样衣及扫描标记点

2 结果与讨论

2.1 服装总热阻

4个形变水平下包括内搭服装在内的羽绒服系统总热阻测试结果如表3所示。

表3 不同形变水平下羽绒服系统的总热阻

从羽绒服充绒量的角度来看，在无形变状态下，充绒量越多服装总热阻并非越大。表3中的热阻(R)大小顺序为：R135>R150>R180>R110(注：下标数字代表充绒量)，这再次验证了研究者[7-9]有关存在最佳充绒量使得羽绒服保暖性最好的结论。由于135 g/m2的充绒量使得羽绒含量适中，既不会因充绒量过少、蓬松度不足导致对流散热过多，也不会因充绒量过多、毛羽间变得更拥挤导致传导散热过多，因此，相对于其他羽绒服样衣来说，该样衣在羽绒含量、羽绒毛羽间的静止空气含量、衣下空气层含量等各方面均达到了最佳的搭配比例，提供了最优的隔热能力。

羽绒服发生形变后，4件样衣的热阻值均发生了变化。总体上，无论服装的厚薄程度如何，与系带完全放松时的无形变状态相比，羽绒服在低形变时的总热阻有所增加，随着形变的继续增大呈递减趋势，且高形变时的热阻仍低于无形变时的热阻。这说明羽绒服在形变量逐渐增大的过程中，其材料内部及衣下空间中包括传导散热、对流散热等多种传热方式，其各自存在着不同的变化趋势，从而形成了服装总热阻先增后减的综合效果。

虽然4件样衣的总热阻均呈现先增后减的趋势，但在每次形变状态改变时热阻变化率却有所不同，如表4所示。可发现：低形变与无形变时相比，薄型(110 g/m2)和厚型(180 g/m2)2件样衣热阻增加率更高，分别为1.74%、2.19%，反观普通型(135 g/m2)、中厚型(150 g/m2)样衣的热阻仅略微增加(0.18%)或基本没有变化(0.00%)。而中形变与低形变时相比，4件样衣热阻值均下降，但值得注意的是，低形变时热阻增加率较高的薄型、厚型羽绒服在该形变状态下的热阻下降率分别为最低(0.32%)和最高(2.02%)。高形变与中形变时相比，4件样衣的热阻继续下降，但此时的变化率又呈现出不一样的趋势，中形变时热阻下降率最低的薄型样衣在高形变时呈现出骤降趋势，下降率为2.28%，是中形变时的7倍多；而中形变时热阻下降率均较高的普通型、厚型样衣在高形变时的热阻下降率减小，分别为0.86%、0.75%，是中形变时的一半左右;该形变状态下热阻下降最快的是中厚型羽绒服，下降率达到3.10%。综上，4件样衣在不同的形变状态下会因充绒量的差异而显现出不同的热阻变化规律。

表4 形变状态改变时羽绒服系统总热阻的变化率

一般来说，低形变时的轻微施压能够打破填充不适量(羽绒填充过少或过多)的羽绒服内部及衣下空间的空气状态，对增加隔热、减少散热产生积极影响；当受压达到一定程度之后，继续施压会转变之前的空气状态，对增加隔热、减少散热产生消极影响。低形变状态下热阻变化率相似但厚薄差异较大的羽绒服，在中高形变状态下的变化率相差越来越大，这说明在中高形变时，充绒量因素开始发挥作用，使得不同厚薄的羽绒服呈现出不同的热阻下降趋势。

2.2 服装局部热阻

由于服装形变产生于局部，针对本文中4个系带所影响的身体部位，进一步考察暖体假人在上胸部、下胸部、腰腹部、右腹部、上背部、下背部、腰臀部、右臀部这8个部位的局部热阻变化。为方便表示，用字母表示暖体假人局部部位：UC为上胸部，UB为上背部，LC为下胸部，LB为下背部，WA为腰腹部，WB为腰臀部，RA为右腹部，RB为右臀部，如图3所示。

图3 暖体假人的8个部位与系带位置

表5～8分别示出4件羽绒服样衣在4个形变水平下8个部位的局部热阻。可发现，从暖体假人不同部位来看，UC、UB、RA部位的热阻一般比LC、LB、WA、WB更小。这一方面是因为前者靠近服装边缘开口(领口、下摆)处，更易受到空气对流散热的影响，因而热阻较小；另一方面是因为后者靠近暖体假人凹陷的腰部，服装与人体之间所形成的衣下静止空气层更厚，阻隔传导散热能力更强，因而热阻较大。另外，从热阻变化幅度来看，LC、LB、WA、WB这些靠近腰部凹陷的部位因形变而产生的热阻变化率要比体表曲线更为平缓的UC、UB部位更大，说明人体表面凹凸起伏较大的区域由于形成了较厚的衣下空气层，因此，更易受到形变的影响。同样的现象可从处于相同水平位置，分别位于暖体假人正、背面的UC、UB部位以及RA、RB部位观察到。可发现，在同一形变水平下，UC部位热阻总是小于UB部位，除个别情况外，RA部位热阻一般均小于RB部位，这也是由更为凹凸的肩背处、后臀处所形成的更大衣下空气层决定的。

表5 110 g/m2羽绒服系统在不同形变水平下的局部热阻

表6 135 g/m2羽绒服系统在不同形变水平下的局部热阻

表7 150 g/m2羽绒服系统在不同形变水平下的局部热阻

表8 180 g/m2羽绒服系统在不同形变水平下的局部热阻

根据服装的局部热阻及面积权重可计算出服装总热阻，如式(1)所示。为说明羽绒服总热阻的变化规律因服装厚薄而不同的原因，可从不同形变水平下羽绒服局部热阻的变化趋势来分析。

(1)

式中：R总为服装总热阻，clo；Ri为服装覆盖区段i的局部热阻，clo；pi为该区段占整个服装覆盖区域的面积权重,%；n为服装覆盖区域的区段数。

假设羽绒服的局部热阻Ri在某一形变水平下的变化率为yi，则该局部在下一个形变水平的热阻为Ri(1+yi)，为便于计算式(1)中等号右边的变化情况，设置式(2)以表示局部热阻的倒数1/Ri的变化率δi。

(2)

查阅羽绒服覆盖的假人各区段面积，计算得出面积权重pi，如表9所示。

表9 羽绒服覆盖区段不同部位的面积权重

由于各区段的面积权重pi均为百分比形式，同时由式(2)计算得出的δi值一般也为百分比形式。为便于探讨样衣总热阻的变化情况，定义整数αi表示局部热阻变化对于总热阻增加的贡献情况，即贡献数。为消除百分比的影响采用下式进行计算。

(3)

需要注意的是，由于系带A、B、C、D的收紧对左右手臂的服装形变影响甚微，因此，默认左右手臂在每个形变状态下的热阻变化率均为0。另外，假定系带收紧量对于假人的左右部位是均匀的，那么左腹部、左臀部分别与右腹部、右臀部的局部热阻变化率保持一致。由于式(1)等号左边为1/R总，即式(3)中的局部热阻贡献数之和代表的是对总热阻倒数变化的贡献，因此,当αi>0时，表明局部热阻对整体热阻的增加起消极作用,当αi<0时则起积极作用。

根据式(3)统计出不同充绒量羽绒服的各局部热阻在每次形变状态改变时对总热阻增加的贡献数αi的总和，并按正负情况进行区分如表10所示。

表10 形变状态改变时羽绒服局部热阻变化对总热阻增加的贡献数统计

由表10可发现，正、负贡献数总和能够在一定程度上解释羽绒服系统总热阻的变化规律。如无形变至低形变时，薄型和厚型的负贡献数总和远远大于正贡献数总和，因而呈现出总热阻增加率较高的趋势；低形变至中形变时，除薄型的正负贡献数总和之比约为2以外，中厚型、厚型均达到了10倍以上，普通型甚至无负贡献数，因此，普通型、中厚型、厚型这3件样衣总热阻呈现出骤降趋势，而薄型样衣的总热阻下降率放缓；中形变至高形变时，除普通型样衣的负贡献数总和高于正贡献数总和外，其余样衣的正贡献数总和均远大于负贡献数总和，这也解释了高形变状态下普通型样衣的总热阻下降率放缓的情况。然而，厚型样衣在高形变状态下无负贡献数，但总热阻下降率也放缓，这需进一步通过扫描数据加以分析。

2.3 服装局部形态

采用Geomagic Qualify 2013软件对扫描得到的暖体假人裸体和着装时的外表面形态进行图像处理，获取了8个局部体积，数据包括了羽绒服本身和衣下空间2部分之和。

表11示出4件羽绒服样衣在每次形变状态改变时8个部位的局部体积变化率。可知，绝大多数部位的体积在每次形变程度增加时均减小。其中也有例外，如从无形变向低形变状态转变时，一些样衣(如薄型、中厚型)在上背部的体积有所增加；从低形变向中形变状态转变时，一些样衣(如厚型)在右臀部的体积大大增加；从中形变向高形变状态转变时，所有样衣的上胸部体积均有增加。由此发现，这些部位均靠近服装边缘开口处，说明系带的收紧很可能会将靠近躯干中心部位的空气挤压至服装边缘部位，使得服装膨起体积增加。

表11 形变状态改变时羽绒服系统的局部体积变化率

为进一步探究局部空气量的变化对服装局部热阻的影响，将4件样衣在3次形变状态改变时的局部体积和局部热阻的增减差异进行汇总和分类，如表12所示。为方便表示，罗马符号Ⅰ(第一象限)代表局部体积和局部热阻均增加的情况；符号Ⅱ(第二象限)代表体积减小热阻增加的情况；符号Ⅲ(第三象限)代表二者均减小的情况；符号Ⅳ(第四象限)代表体积增加热阻减小的情况。

由表12分类结果发现，随着服装形变水平的增加，符号Ⅲ在无形变至低形变状态转变时零星出现,之后的低形变至中形变、中形变至高形变状态转变时大面积出现；符号Ⅱ在无形变至低形变状态转变时占比较大,之后的低形变至中形变、中形变至高形变状态转变时数量锐减，这说明在略微施压的情况下，大多数部位的羽绒服内部及衣下的流动空气先被排出，使得对流散热效应慢慢减弱，热阻增加。而随着中高形变状态下系带收紧程度的增加，流动空气慢慢排尽，羽绒间及衣下的静止空气开始不断排出或转移，这将削弱静止空气量对隔热作用的贡献，降低热阻值。

表12 形变状态改变时羽绒服局部体积和热阻的变化情况

从暖体假人的不同部位来看，8个部位可分为2类情况：UC、UB、RA、RB代表变化部位，LC、LB、WA、WB代表稳定部位。具体来说，UC、UB、RA、RB部位涵盖了所有符号类型，且并未遵循一定的变化规律；相比之下，LC、LB、WA、WB部位的符号变化较为模式化，随着形变水平的增加，这4个部位的体积一直在减小，而热阻先增后减或一直减小，仅有个别部位出现热阻先减后增的情况。这主要是因为变化部位处于服装边缘开口处，因此，系带的束紧不一定减小体积，而有可能将离躯干中心部位较近(稳定部位)的羽绒服内部或衣下空间中的空气挤压至边缘处，导致变化部位的体积增加，而这其中又包含2种情况：一种是羽绒内部的静止空气被挤压至边缘处，将会增强隔热作用增大热阻，对应符号Ⅰ；另一种是衣下空间中的空气被挤压至边缘开口处，将会增强开口处的空气对流，增加散热量减小热阻，对应符号Ⅳ。稳定部位靠近躯干中心处，也是系带B、C、D施压的主要部位，因此，其在每一形变状态下的受压较为均匀，热阻的变化较为一致。

由表12的符号变化也可从侧面说明不同厚薄的羽绒服系统总热阻变化规律不一的原因。从无形变向低形变状态转变时，薄型、厚型样衣的大多数部位为符号Ⅱ，表明当充绒量较少时，服装内部较为空荡，流动空气量占比较大，略微的施压就能够排出流动空气，使得热阻增大；当充绒量较多时，服装内部较为紧实，羽绒体积占比较大，但羽绒之间仍存在些许空隙，此时的空隙相当于织物孔洞，能够促进散热，略微的施压会减少这些空隙，使得羽绒纤维之间更为紧密，减少散热作用，增大热阻。而普通型和中厚型样衣的符号Ⅲ数量均占有一半左右，说明在近一半左右的部位内，由于羽绒填充适量，静止空气量已达最优配比，略微施压会降低静止空气量从而减小热阻。上述分析便解释了低形变状态下最薄和最厚的2件样衣热阻增加率更高的现象。

从低形变向中形变状态转变时，系带收紧达到中等程度，薄型样衣仍有一定数量的部位表现为符号Ⅱ，即处于排出流动空气、减少对流散热作用的过程中，因此，总热阻下降率是4件样衣中最低的(0.32 %)。其余3件样衣的大多数部位均为符号Ⅲ，说明有的部位内部因静止空气不断排出而导致热阻下降；有的部位内部已无空气，继续增加形变会压缩羽绒本身的厚度，缩短传导散热路径，缩小服装内外表面温差，降低热阻值。

从中形变向高形变状态转变时，系带收紧量达到最大值，各样衣的总热阻均下降至最低。值得注意的是，普通型样衣在中形变至高形变状态转变时表现出更多的符号Ⅰ和Ⅱ，而符号Ⅲ占比下降；反观其他3件样衣，其符号Ⅲ占比达到最大，且主要集中在躯干中心部位。这说明当充绒量适中时，即使服装形变程度增至保持合体的最大限度，对于某些部位来说形变对隔热仍会起一些积极作用；而当充绒量过少或过多时，对躯干中心部位来说形变水平的增加最终会削弱隔热效果，降低保暖性。上述分析可以解释普通型样衣在高形变时热阻下降率放缓的情况。然而，由表12尚不能说明厚型样衣的总热阻在高形变时下降率也放缓的原因，需考虑结合左右手臂的局部热阻变化率来综合分析，本文中暂不讨论。

综上所述，一般情况下随着服装形变水平的增加，一开始会排出流动空气，流动空气排尽后会继续排出羽绒握持的静止空气，即先降低对流散热作用,后降低空气层隔热作用，因此，热阻先增后减；之后的静止空气排尽，羽绒间仍存在一些空隙，这些空隙起着促进散热的作用，形变水平的继续增加能减少空隙，增加热阻；当空隙消失羽绒服内已无空气，传导散热成为主导散热方式时，继续增加形变则会压缩羽绒本身的厚度，缩短传热路径，减小热阻。上述过程中，羽绒服体积在逐渐减少(见图4)，而热阻的变化却呈“M”型趋势，即先增后减、再增加、最后减少。羽绒服充绒量的不同仅会改变上述过程的初始空气状态，当充绒量较少时，可能存在流动空气量占比较大的初始情况；当充绒量较多时，可能存在静止空气量或羽绒本身体积占比较大的情况。