面料构成对服装热湿传递性能的影响

张 悦，戴晓群

(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

随着物质生活水平的提高、科技的发展，人们对服装的要求愈来愈高，着装舒适性成为服装设计中重要的考虑因素。服装舒适性是人体对所穿着服装的综合评价，包括热湿舒适性、接触舒适性和视觉舒适性三个方面[1]。其中，热湿舒适性是人体-服装-环境相互作用的结果[2]，它是指人体着装后在不同气候环境中人体的产热及向环境的散热达到平衡时，感到既不冷又不热、既不闷又不湿的舒适满意的服装性能[3]。

人体产热由人体的活动水平决定，人体散热通过对流、传导、辐射和蒸发等方式透过服装向环境散热(或者由环境吸热)，产热和散热的平衡是体温恒定的基本条件。如图1所示，服装是人体与环境间热湿传递的阻挡层，因而是影响热湿舒适性的决定性因素。尽管在寒热环境中，服装的开口设计、多层搭配等都会影响其热湿舒适性，对温热环境中单层着装而言，面料的构成是影响服装热湿舒适性最主要因素。本文通过检索大量国内外面料热湿传递及服装热湿舒适性相关文献，对该研究的现状进行综述，分析面料构成对服装热湿舒适性的影响，旨在为面料的热湿性能设计及服装设计中面料的选择提供科学指导。

图1 人体-服装-环境系统热湿传递示意图

1 服装热湿传递性能的评价方法

1.1 针对面料热湿传递性能的评价

大部分文献中都对面料热湿传递性能进行了测试。热传递性能常用的指标有透气率、热传导率、保温率和热阻[4-10]。透气性指织物两面存在压差时，织物透过空气的性能，透气率是反映对流散热的一个重要指标，可根据GB/T 5453标准使用全自动透气量仪测量获得。热传导率是反映传导散热的指标，指单位截面、单位长度的材料在单位温差下、单位时间内直接传导的热量，由式(1)计算得到，通常使用KES-F7精密瞬间热物性测试仪测量。保温率和热阻是对流、传导、辐射散热的综合结果。保温率是指有无面料时的散热量之差与无面料时的散热量之比的百分率，可根据标准GB/T11048 A法使用平板式织物保温仪测量。热阻是织物两面的温差与垂直通过织物单位面积的热流量之比，可以最直观的反映面料的热传递性，织物的总热阻由式(2)计算得到，可按照GB/T11048标准使用iSGHP热阻湿阻测试仪进行测量。图2示意了热传导率和热阻测量方法。

(a)热传导率测试[11] (b)热阻测试[11]

(1)

式中：k——热传导率，W/(m·℃)；

W——热通量，W；

d——厚度，m；

A——试样测试面积，m2；

ΔT——温度差，℃。

(2)

式中：Rct——面料的总热阻，m2·℃/W；

Ts——热板表面温度，℃；

Ta——环境温度，℃；

A——热板测试区域表面积，m2；

Hd——干热散失量，W。

面料湿传递性能测试中常用指标是透湿率和湿阻[12-15]。透湿性是湿气透过织物的性能，一般用透湿率来表示，由式(3)计算得到，可以采用GB/T12704标准利用透湿杯测量获得。湿阻也称为蒸发阻抗，是织物两边的水蒸气压力差与垂直通过织物单位面积的蒸发热流量之比[5]，是最直观反映面料湿传递性的指标，由式(4)计算得到，根据GB/T 11048标准使用iSGHP热阻湿阻测试仪测量，测量时需在热板上铺一层透湿薄膜，测试在一定水蒸气分压差下，透过面料的蒸发散热量。

(3)

式中：WVT——透湿量，g/(m2·d)；

Δm——同一试样组合体两次称量之差，g；

S——试样面积，m2；

t——试测时间，h。

(4)

式中：Ret——面料的总湿阻，m2·Pa/W；

Ps——热板表面水蒸气分压力，Pa；

Pa——环境水蒸气分压力，Pa；

A——热板测试区域表面积，m2；

He——蒸发散热量，W。

1.2 针对服装热湿传递性能的评价

1.2.1 客观物理指标测量

面料制成服装后穿着时在各个身体部位会形成不同衣下空气层，导致服装性能有别于面料性能，因此不能简单地以面料性能代表服装性能。目前在服装热湿传递性能测试中最常用的指标是服装的热阻和湿阻，暖体假人是测量服装热阻、湿阻的工具，能对单层和多层服装的热湿传递性能测试，进行客观测量[16-20]。暖体假人将人体分为34个独立控制的热能区域，每个区域的测试原理与面料热阻湿阻仪相同，由可穿脱的织物表层作为发汗皮肤层，可以模拟人体的热调节机制，能分别控制皮肤表面温度、热流量以及出汗速率，根据假人单位面积通过的热流量可以计算各个区域热阻、湿阻[21]。服装的总热阻、总湿阻可以看成是各个区域的局部热阻、湿阻的并联或者串联的结果，有并行和串行两种计算方法。

1.2.2 着装热湿生理指标测试和主观评价

着装人体的热生理状态反映了服装的热湿舒适性能[22]，目前的文献中用心率、核心温度、皮肤温度、衣下微环境温湿度等指标反映热生理状态[23-30]。在进行服装热湿舒适性的相关研究时，使用心率仪和直肠热敏传感器分别测量心率、核心温度在实验过程中随时间的变化，使用温湿度传感器监测皮肤温度和衣下微环境温湿度变化。红外热像仪在多项研究中[31-35]被用来测量大面积的皮肤温度分布，也可以用于测量穿着服装时任一时间点的服装表面温度分布，是评价服装热湿性能的一种间接手段。

1.2.3 主观穿着评价

服装热湿舒适性主观评价的研究通过在一定温湿度环境下进行人体穿着实验，受试者根据预先设计好的问卷对穿着服装过程中的粘感、热感、冷感、湿感、闷感等进行主观评分[36-37]。进行相关研究时根据GB/T 18049-2017标准使用PMV(Predicted Mean Vote)指标对服装的热湿舒适性进行综合评价。PMV指标分为7级，取值范围-3到3，依次表示从冷到热。

2 面料构成对服装热湿性能的影响

2.1 纤维成分

Brazaitis等人[23]在实验中选择涤纶和棉两种纤维成分的T恤进行研究，经过面料热湿传递性能的测试发现涤纶织物比棉织物具有更高的透气性，但透湿性较低。在穿着运动实验中发现穿着涤纶织物的受试者在运动后皮肤温度更快地恢复到运动前的水平并改善了热感和发抖/出汗的感觉。Yao[38]发现棉织物的吸湿性和热阻高于涤纶织物，在轻微寒冷的环境中穿着棉质睡衣更舒适。Kamijo等人[39-40]在绢丝T恤衫的舒适性评价中发现在夏季环境条件下，与纯棉衬衫相比，绢丝衬衫穿着过程中的皮肤温度较低，闷热感较低。

Karaca等人[7]发现改变纤维的横截面形状可以改变织物的热阻、湿阻和透气率等，研究中改性处理后的三叶形涤纶纤维制成的斜纹织物热阻、湿阻更高，中空涤纶纤维制成的织物具有更高的热传导率，但其湿阻和透气率值较低。Splendore等人[6,26]在改性织物与传统织物的对比性研究中发现改性涤纶织物的液态水管理性更好，但干热和水蒸气传递性能稍差，在出汗适度时改性涤纶衬衫平均评价为较舒适，但当剧烈运动后织物变得不再舒适。

构成织物的纤维成分是影响服装热湿舒适性的主要因素，不同的纤维在制成服装后会导致穿着者产生不同的生理响应[41]。国内外研究表明亲水性天然纤维制成的服装面料在热湿性能上可能比化学纤维更优越，但在出汗后服装的舒适性会有所下降；经改性处理的化学纤维制成织物后被赋予更好的热湿传递性能，在保持服装热湿舒适性上更优越。

2.2 纱线结构

张华等人[42]测试分析了5种不同混纺比的锦纶/棉混纺织物的热湿舒适性能，结果表明混纺织物中锦纶纤维含量在30%时织物透气性最好，比例达到60%时织物透湿性最好。Hassan等人[8]在涤棉混纺织物的热湿性能测试中发现65/35涤/棉混纺织物吸湿性低于100%棉织物，透气和透湿率低于100%涤纶织物。在真人穿着持续运动实验中65/35涤/棉混纺的热湿舒适性优于100%棉的服装，低于100%涤纶服装。Chinnasamy等人[43]在竹/棉混纺比例对单面针织面料热舒适性的影响研究中，发现织物中竹纤维比例的增加会影响热舒适性，随着竹纤维在纱线中的比例增加，织物的热传导率降低，湿阻和透气率增加。Khatun等人[44]在研究线密度对夏季衬衫面料透气性的影响中发现线密度的增加会导致纱线空隙减少以及织物厚度的增大，从而导致织物透气性降低。

近年来的多项研究表明面料的热湿传递性能会随着纱线中纤维混纺比例的改变而发生变化，尤其体现在织物的透湿性和吸湿性方面；纱线线密度会影响纱线间空隙的大小和织物的厚度，纱线空隙大小又会使织物含气量发生变化，从而改变面料的透气性，对面料热湿传递性能产生影响。

2.3 面料结构

Stoffberg等人[45]通过测量26种商用西装面料的单位面积质量、面料厚度等织物参数，在面料热湿性能测试中获得面料的透气性、透湿率、热阻和湿阻，研究发现织物参数中尤其是单位面积质量、面料厚度是影响面料热湿传递的主要因素。Umair等人[46]在探究机织物结构对透气性的影响时发现，与平纹织物相比，采用斜纹组织的织物可显著改善透气性。Nielsen等人[4]测量了5种不同结构针织内衣的热阻、湿阻，结果表明不同的针织结构会造成内衣的热阻和湿阻不同，并且在进行真人间歇运动实验时发现内衣针织结构的差异导致人体平均皮肤温度、平均皮肤湿度存在显著差异。

无论是针织物还是机织物，面料的组织结构对热湿传递性能的影响是显著的，面料的单位面积质量、厚度、密度等都是造成热湿性能差异的原因，这种差异在着装后主要体现在穿着者皮肤温度、湿度的不同。

2.4 面料后整理

Splendore等人[26]等将涤纶面料经过活性炭改性处理后制成长袖衬衫，实验发现出汗适度时，由于添加活性炭的涤纶衬衫吸湿能力增强，可以轻松去除皮肤上的湿气，能给穿着者带来舒适感。Bhuiyan等人[47]通过在棉织物上添加超吸收性聚合物涂层，改善了棉织物的热阻和湿阻，由于汗液在皮肤或内衣上的积聚减少，从而大大提高了织物的热舒适性。Yang等人[48]通过疏水整理开发了8个样品，面料的疏水性改善了织物在单向水传输和热湿舒适性方面的性能。Dalbai等人[49]在研究经过各种后整理的衬衫亚麻织物的热湿舒适性时发现，所有整理均改善了亚麻织物的导热率和热阻值，而且将酶、柔软剂和交联剂一起应用于织物时，可获得最高的湿阻。

由此可见，通过面料的后整理，例如亲水、疏水或单向导湿处理、在织物中加入活性炭材料等，在一定程度上能引起面料热湿传递性能的变化，以此来改变服装的热湿舒适性。

3 结语

热湿舒适性研究中采用的评价方法有面料和服装两个层面：面料测量主要是热湿传递性能；服装测量除客观的热湿性能外，还有穿着实验中人体热湿生理指标测试和主观评价。面料从纤维成分和断面形态、纱线粗细和结构、织物组织和结构、面料后整理各个方面都对面料热湿传递及服装的热湿性能有复杂的影响。目前全面系统性研究缺乏，很难对某个方面的影响做简单结论，服装热湿性传递影响机制更是有待进一步研究。