基于防风织物层和透气孔的服装应用设计工具

张翕

（郑州升达经贸管理学院，河南 郑州 451191）

0 引言

防风和抗风服装广泛应用于防寒服装、军事化学和生物防护等方面。完全防风的服装能够在寒冷的环境下防止冷空气渗透造成的热量损失，但当使用者由于身体活动并产生大量热汗时，服装的舒适性就大为降低，类似的情况也会出现在防护服装中，因此通过织物层通风可以减轻热应力，提高服装穿着者的舒适性，同时也能延长磨损时间。服装设计工具可以同时评估透风性、热传递、水分输送和有毒物质渗透等因素，有助于开发新的服装系统，在防护和舒适之间取得良好的平衡。

通过改变静电纤维膜在纺织基底上的沉积[1]，可以控制衣物层的防风性能和气溶胶过滤性能。由于纳米纤维层能够控制几个数量级的气流阻力而不影响其他衣物特性，所以我们对服装设计中选择使用这些材料所带来的后果具有浓厚的兴趣。静电纺丝制备的聚氨酯弹性体膜现被用于商业用途——外衣面料中，如美国Malden Mills公司所推出的“PolartecNeoshell”纺织品材料，是迄今为止户外市场上最受欢迎的抓绒产品。它能够“调节”衣物的气流但并不严重影响衣物的其他性能，如服装的隔热性或水汽扩散（透气性）。这些材料可用于整件衣物，如夹克衫或裤子，也可与可渗透的“透气孔”结合应用，增加衣物上某些透气性更强部分的通风。

1 实验方法

织物气流阻力、衣服透气孔和由于外部风力或身体运动导致的气流等因素是相互作用的，同时这些因素之间也是不断的权衡和折中的，因此在这里我们主要使用IP SPM工具来评估改变衣物层的气流阻力来验证可渗透透气孔部分的总隔热性能的相对重要性[2-3]。

Creare公司的个人防护系统性能模型（IP SPM）建立在先进的计算流体动力学和实验结果的基础之上，该防护服设计工具为防护服系统的迭代修改和评估提供了基于物理学的计算框架但是软件本身被有意地简化，以允许非专业用户修改服装设计并评估各种服装舒适性、防护性方面的结果，例如合身性、缝合、界面、材料属性和分层。IP SPM模型将身着衣物的人体视为织物覆盖的圆柱体的集合，尽管图形用户界面将衣物层绘制到一个解剖学上更正确的人体IP SPM模拟计算模型图，包括更详细的人体和服装结构的相关因素是可能的[4-6]，事实上它们是被用作IP SPM软件的指南，能够满足非专业用户的需要。

2 结果与讨论

2.1 IP SPM预测与暖体假人测量的比较

配置Creare的IP SPM模拟暖体假人，这是服装舒适性研究中的重要工具。图1展示了IP SPM暖体假人总传热系数与从人体[7]和暖体假人得出的经验关联式的基线比较结果以及加热圆柱体的计算和分析结果。

图1 IP SPM暖体假人总传热系数的风速函数

IP SPM预测可以与实验假人结果进行比较。IP SPM模型需要输入衣物的耐热性、防水汽扩散和气流阻力、贴合性（织物和体表之间的空间）、缝合的紧密度以及织物在身体不同部位的覆盖程度。从图3我们很容易看出在IP SPM模型中包含辐射热传递时，低风速下裸体假人模型值的预测不足；当从计算中除去（hrad为4.5 m2·℃/W）时，IP SPM结果与图1所示对流换热计算结果非常吻合[8]。

图2显示了IP SPM对暖体假人实验结果在赤身（裸露）条件下和身着三套不同服装条件下，三套服装整体性能排比与IP SPM预测结果完全一致，无论是整体隔热性（如图3所示）还是防水汽扩散（未展示）。这就表明在确切的实验配置不知道或未定义的情况下，IP SPM仍然可使用标准配置值（如衣服贴合性）来确定相关服装的隔热性能排名。

图2 裸体假人和三套服装隔热性的比较

图3 横流条件下织物覆盖的圆柱体在不同风速下的总隔热性

2.2 气流阻力对服装系统隔热性的影响

IP SPM有意简化服装/身体模型为织物覆盖圆柱体的集合，对实用性设计工具来说，忠实地再现身体几何、织物褶皱、悬垂性和合身的各个细节，可以迅速做出这样的计算工具.IP SPM允许执行非常相似的计算，以实现更逼真的服装和身体几何。IP SPM被设置为模拟一套只能改变气流阻力单一性能的防风衣（夹克和裤子）。气流阻力在高风速下变得更为重要，一旦织物变得“防风”，空气阻力的进一步增加就不会显著影响热传递[9]。

2.3 透气孔对隔热性能和防水汽性能的影响

使用IP SPM检验可透气织物透气孔与化学防护服结合的效果。这种防护服主要由固体聚合物膜组成，但为了舒适性，允许一些水汽通过。预计这种完全基于化学膜的套装本身没有足够的通风，而必须与某种通风策略结合。解决方案是将由更透气的织物组成的单独的通气面板并入由膜组成的套装。

图4显示了该模拟的基本IP SPM设置。大型透气织物透气孔被并入防护服，并且透气孔织物的低气流阻力系统地发生变化。西装还加入了空气和水蒸气都不能渗透入内的防护头套、面罩、靴子和手套。为方便比较，使用聚合物薄膜层的西装无通风孔设计和其他两个案例——标准化学防护制服织物制成的西装和标准制服织物制成的西装，实验结果建立了模型。附加案例裸体假人模拟的实验结果也建立了模型，为每种服装系统减少的人体热量和蒸发转移提供参考。

图4 个人防护系统性能模型（IP SPM）对织物层可变气流阻力的预测

3 结论

在所有建模的套装中，无透气孔的聚合物薄膜层压套装的防水汽性能最好。随着透气织物透气性的增加，聚合物薄膜层压套装逐渐变得更好，从而简化的服装设计工具将大大增强我们反复更改服装设计的款式特点特点和检验服装舒适性、防护性能力提供依据。暖体假人实验测量结果尚需在各种服装系列中得到进一步验证和确认，从而使用该模型得出的预测结果可在将来用作可靠的设计工具。