氣凝膠防寒服的研制與性能評價

蘇文楨 盧業虎

摘要： 在低溫環境下，需要穿著具有良好保暖能力的防寒服裝來保護穿著者免受傷害?；跉饽z良好的隔熱性能及低密度等優點，文章研制了一款氣凝膠防寒服裝。同時招募了6名女性受試者在人工氣候室內進行真人穿著實驗，比較了氣凝膠防寒服與沖鋒衣在保暖性能方面的差別。在溫度0 ℃、相對濕度80%、風速0.4 m/s、靜坐90 min實驗條件下，記錄人體局部皮膚溫度和平均皮膚溫度，以及主觀冷暖感。研究結果表明，穿著氣凝膠防寒服時人體局部皮膚溫度和平均皮膚溫度均高于穿著沖鋒衣，主觀冷暖感也優于沖鋒衣。由此可見，將氣凝膠應用到防寒服裝中是可行的，并具有較強的實際應用價值。

關鍵詞： 氣凝膠;防寒服;皮膚溫度;保暖性能;冷暖感

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）09005805

引用頁碼： 091111

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.011（篇序）

Development and performance evaluation of aerogel-based cold protective clothing

SU Wenzhen1， LU Yehu1，2

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215006， China;2.Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute， Nantong 226300， China）

Abstract：

In low temperature environment， cold protective clothing with good thermal insulation is required to protect wearers body from cold stress. In this study， aerogel-based cold protective clothing was developed by using the aerogel materials with good thermal insulation performance and low density. Six female subjects voluntarily participated in wearing tests to compare the thermal insulation difference between aerogel-based cold protective clothing and the traditional winter jacket in the artificial climate chamber. The experiments were performed under the conditions of air temperature 0 ℃， relative humidity 80% and wind speed 0.4 m/s， each subject sit still for 90 min. During the test， the local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling were recorded. The results showed that the aerogel-based cold protective clothing was better than the winter jacket in terms of local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling. The research findings demonstrate the feasibility of applying aerogel in cold protective clothing， showing strong practical application value.

Key words：

aerogel; cold protective clothing; skin temperature; thermal insulation property; warm and cool feeling

收稿日期： 20200103;

修回日期： 20200807

基金項目： 中國紡織工業聯合會科技指導性項目（2019020）;蘇州市重點產業技術創新項目（SYG201812）;南通市科技計劃項目（JC2018039）

作者簡介： 蘇文楨（1996），女，碩士研究生，研究方向為功能服裝開發。通信作者：盧業虎，副教授，yhlu@suda.edu.cn。

防寒服也被稱為冷氣候服，通常是指溫度在-40～10 ℃且有大風的環境中，能夠維持人體正常生理指標的服裝[1]。市場上的防寒服主要分為兩類：主動產熱式防寒服和被動隔熱式防寒服[2]。主動產熱式防寒服主要是通過在衣物中添加電子加熱元件達到保暖效果，這種方式存在很多缺點，比如需要攜帶電池，電池的便攜性、續航能力及安全性等得不到保障，同時服裝的洗滌性也受到影響[3]。日常生活中大多是被動隔熱式防寒服，通常以增加服裝厚度[4]、改變填充物[5]或多層穿著[6]的方式達到保暖效果，這也就帶來了一系列的缺點，例如厚重的服裝降低了穿著者的正?；顒幽芰?，有些精細的作業難以執行;運動過程中服裝被壓縮，空氣層厚度減小，隔熱效果下降;纖維吸濕后也會大幅降低服裝的保暖效果[7]。因此，開發一種克服傳統紡織材料缺點的新型隔熱材料是研究者追求的目標。

氣凝膠是一種具有納米多孔性網絡結構的材料，具有很高的孔隙率，固體所占體積比極低，這使得氣凝膠成為目前世界上熱導率最低、密度最小的固體材料，密度低至0.002 g/cm3，常溫常壓下熱導率僅為0.002 W/（m·K），真空室溫熱導率為0.001 W/（m·K）[8]。氣凝膠獨特的網絡結構及低密度、低熱導率的優良特性，使得它可以作為一種超級隔熱材料被應用到服裝領域。但純的氣凝膠易碎，只有經改性后的氣凝膠才能加以利用。研究表明，經過改性后的氣凝膠可耐受1 600 ℃的高溫，同時還具備很高的物理強度。通過查閱文獻[9-11]，發現氣凝膠在消防服上的應用已有相關研究，其良好的隔熱性能不僅提高了消防服的防火性能，同時也為消防員的生命安全提供了更好的保障，然而應用于消防服的氣凝膠多為SiO2氣凝膠氈或涂層，還存在粉末化脫落等問題而不能直接使用，且應用于防護服的舒適性較差，這些問題都有待解決。

在防寒服領域，氣凝膠材料已有應用探索。2002年，NASA部署下的阿斯彭公司研制出了更具耐受性和柔韌強度的氣凝膠[12]，并將其應用到太空服隔熱保溫襯里;意大利服裝公司Corpo Nove生產了在極端寒冷條件下穿著的氣凝膠夾克;2009年，阿斯彭公司和加拿大的高爾夫球裝備商合作研制了一種“零夾層”的氣凝膠纖維，一位加拿大的冒險家穿著用這種“零夾層”纖維制成的超薄外套挑戰攀登珠穆朗瑪峰，對這種材料進行終極測試[13]。但是，氣凝膠防寒服裝集中應用在一些比較特殊的領域，比如極地科考服裝、航空航天服裝等，面向民用市場的氣凝膠防寒服還很少見，同時上述報道大部分來源于企業，并未見相關研究數據證實其優越性。因此，本研究旨在設計一款氣凝膠防寒服，通過真人實驗對比氣凝

膠防寒服和戶外沖鋒衣的保暖性能，以此來評價其實用價值，同時為防寒服的優化設計提供科學依據。

1?氣凝膠防寒服的研制

1.1?款式結構設計

本研究主要比較氣凝膠防寒服與傳統防寒服的保暖能力，氣凝膠防寒服采用氣凝膠材料作為夾層，傳統防寒服采用抓絨內膽作為夾層，除夾層材料不同外，要保證二者在面料、尺碼、結構設計和款式設計上的一致性。傳統防寒服選用Jackwolfskin的一款沖鋒衣，其款式如圖1（a）所示;除夾層材料不同外，氣凝膠防寒服與沖鋒衣基本一致，如圖1（b）所示。衣身部分采用前后分片結構，袖子為裝袖結構，后片比前片略長。頭部的可拆卸防風帽用拉鏈連接在領子處;左右衣身各設置一個口袋;胸前有一個多功能口袋;袖口采用魔術貼調節大小，有效防止風從外部灌入;袖窿底部設計有拉鏈，便于在熱應激情況下及時散熱。

1.2?夾層設計及衣身面料

傳統的沖鋒衣采用可拆卸抓絨內膽，可單獨穿著也可與沖鋒衣一起穿著，抓絨內膽設在服裝最里層，通過扣袢和衣身相連。氣凝膠防寒服選用氣凝膠作為夾層材料，該材料存在粉末化脫落問題，為了保證服用性能將其縫制在面料與里料之間，不可拆卸，并在領部、袖口部、下擺處與外層和里料連接。氣凝膠防寒服與沖鋒衣構造如圖2所示。氣凝膠防寒服外層采用與Jackwolfskin沖鋒衣相同的高密度防水防風涂層面料（覆膜），里料為100%聚酯纖維，氣凝膠材料（深圳中凝科技有限公司）厚度為3 mm，導熱系數為0.020 W/（m·K），平方米質量為200 g/m2。

2?實?驗

2.1?準?備

本實驗招募6名女性受試者，年齡為（23±1）歲，BMI指數為（19.4±0.2）。受試者在實驗前一天內不許飲酒，不做劇烈的身體運動，實驗前2 h內不進食、不吸煙、喝茶或咖啡。每位受試者進行兩次實驗，即穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服各一次，為了排除人體對冷環境適應性的影響兩次試驗之間至少間隔一天。實驗過程中保持受試者著裝一致，上裝穿著內衣、一件中厚款秋衣和待測試外套（沖鋒衣和氣凝膠防寒服），下裝穿著內褲、一條150 g加絨打底褲和一條運動長褲（雙層：面料加里料）。因氣凝膠夾克主要覆蓋人體上身，本研究主要采集受試者肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂共六個部位的皮膚溫度。

2.2?流?程

實驗模擬了中國長江區域冬季的戶外溫度，最冷的月份氣溫在0 ℃左右。因此，真人實驗的氣候室溫度為（0±0.2） ℃，相對濕度（80±10）%，風速（0.4±0.1） m/s。實驗前正常環境溫度為（25±1） ℃，相對濕度為（50±10）%，風速（0.15±0.1） m/s。實驗前貼好傳感器穿著實驗服裝靜坐30 min達到熱平衡后進入氣候室，避免由于劇烈運動等其他因素對實驗產生影響。所有實驗均在人工氣候室進行，受試者保持靜坐姿勢，每次實驗時間持續90 min，傳感器每30 s記錄一次數據，同時每15 min向受試者詢問一次冷暖感（-4非常冷，-3冷，-2涼，-1有點涼，0舒適，1有點暖，2暖，3熱，4非常熱）。整個實驗過程中，受試者要盡量保持靜止狀態，實驗結束后受試者離開氣候室，待身體恢復正常體溫后，取下貼好的皮膚傳感器，導出實驗數據。

由于該實驗只測量上身皮膚溫度，所以計算全身平均皮膚溫度的八點法不適用于本實驗。根據人體上半身各部位的面積分布算出各部位對應的比例參數，計算得到各部位的權重，即肩部為0.2，胸部為0.13，腹部為0.18，腰部為0.11，上臂為0.2，下臂為0.18。因此上身平均皮膚溫度計算公式為：

Tm=0.2Tshoulder+0.13Tchest+0.18Tabdomen+0.11Twaist+0.2Tuparm+0.18Tforearm（1）

式中：Tm為平均皮膚溫度，Tshoulder為胸部溫度，Tchest為腹部溫度，Tabdomen為腰部溫度，Tuparm為上臂溫度，Tforearm為下臂溫度。

2.3?統計分析

采用One Way ANOVA方差檢驗比較穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服兩種情況下局部皮膚溫度、平均皮膚溫度和主觀冷暖感的差異。當顯著性差異水平p<0.05時，標記為“*”;當顯著性差異水平p<0.01時，標記為“** ”。

3?結果與分析

3.1?防寒服質量

本實驗研制的氣凝膠防寒服與沖鋒衣結構相同，面料、里料、輔料均相同，唯一不同的是氣凝膠防寒服采用氣凝膠作為夾層，而沖鋒衣夾層為抓絨內膽。利用電子秤對兩件防寒服分別稱量，稱得沖鋒衣和氣凝膠防寒服的質量分別為0.9 kg和0.88 kg?？梢姎饽z防寒服略輕，但兩種服裝的質量差別不明顯，氣凝膠材料的密度有待于進一步優化，使防寒服變得更輕更薄。

3.2?各部位皮膚溫度

圖3為穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服時肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂皮膚溫度的變化情況。觀察圖3可知，不論穿著哪種防寒服，各部位的皮膚溫度都會隨著時間的增加而逐漸下降，但是穿著氣凝膠防寒服時，皮膚溫度下降比較緩慢，下降溫度更少。隨著時間的增加，各部位皮膚溫度的下降速度逐漸變緩，在肩部、胸部和腹部下降速度逐漸趨于平緩，皮膚溫度小幅波動幾乎不再變化，而在上臂和下臂部位，皮膚溫度持續下降。值得注意的是，二者在腰部皮膚溫度的差異最小，實驗結束時穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服腰部皮膚溫度差值為0.99 ℃，低于肩部的2.4 ℃、胸部的2.4 ℃、腹部的2 ℃、上臂的2.5 ℃和下臂的2.6 ℃。

從圖3還可以看出，肩部、胸部、腹部、腰部皮膚溫度的下降程度低于上臂和下臂。穿著沖鋒衣時，肩部、胸部、腹部、腰部90 min內分別下降4.1、4.4、5.5、4.9 ℃，穿著氣凝膠防寒服分別下降1.9、2.3、3.3、3.6 ℃;穿著沖鋒衣時，上臂和下臂皮膚溫度下降明顯，90 min內分別下降6.2、6.7 ℃，穿著氣凝膠防寒服時，兩部位分別下降3.8、4.3 ℃，明顯低于沖鋒衣的下降溫度。由此表明，氣凝膠防寒服在身體局部的保暖效果要明顯優于沖鋒衣，同時相比肩部、胸部、腹部和腰部，上臂和下臂的保暖效果更弱一些，在今后的優化設計中要加強手臂部位的熱保護。

統計分析結果表明，沖鋒衣和氣凝膠防寒服在肩部表現出差異性，10～70 min表現出顯著性差異，其中10～15 min極顯著;在胸部、腹部、腰部、上臂和下臂這些部位，只有部分時間表現出顯著性差異。因為本實驗中人體處于靜坐狀態，服裝在胸部、腹部、腰部與人體存在一定的間隙，空氣層較大，服裝面料的熱傳導散熱對總散熱量的貢獻相對較少，所以兩件服裝之間的差異并不明顯。而手臂放置在桌子上，下臂與服裝接觸，因此氣凝膠防寒服在20、50、65～75、90 min均表現出較好的保暖性能。鑒于實驗樣本量有限，在某些部位沒有發現明顯的差異，在下一步研究中將深入考慮。

3.3?平均皮膚溫度

圖4為受試者穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服平均皮膚溫度的變化。在0～90 min內，穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服受試者的平均皮膚溫度都呈下降趨勢，沖鋒衣平均皮膚溫度的下降程度要高于氣凝膠防寒服。穿著沖鋒衣時，0～90 min內平均皮膚溫度下降5.4 ℃，最終溫度為28.1 ℃;穿著氣凝膠防寒服時，在50 min以后溫度下降趨于平緩，0～90 min內平均皮膚溫度下降3.2 ℃，最終溫度為30.3 ℃。對比可知，穿著氣凝膠防寒服時受試者平均皮膚溫度下降更少，最終的溫度也比沖鋒衣高，其保暖效果更好。另外，統計分析結果表明，20～30 min和45～90 min，穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服兩種情況下平均皮膚溫度出現顯著性差異。在實驗開始階段，由于實驗時間的短暫及人體對冷環境的適應性，因此二者在平均皮膚溫度方面未表現出差異性。隨著實驗時間的延長，二者在保暖性能上的差異開始顯現，氣凝膠防寒服擁有更好的保暖性能，因此在45～90 min二者呈現顯著性差異。

3.4?冷暖感對比

圖5為90 min內受試者穿著沖鋒衣和氣凝膠防寒服冷暖感的變化情況。不論穿著哪種防寒服，人體的冷暖感都會下降。在剛進入人工氣候室時，受試者的總體冷暖感都是0（舒適），進入氣候室15 min后穿著沖鋒衣開始覺得涼，冷暖感迅速下降，最后達到-3（冷）;而氣凝膠防寒服出現冷感覺的時間比沖鋒衣晚，實驗最終冷暖感為-2（涼）。因此，氣凝膠防寒服在低溫狀態下的冷暖感要優于沖鋒衣。

4?結?論

基于氣凝膠優良的隔熱性能及低密度等優點，本研究將氣凝膠材料應用到防寒服中，研制出一款氣凝膠防寒服。通過真人實驗比較了沖鋒衣和氣凝膠防寒服在質量、局部皮膚溫度、平均皮膚溫度和冷暖感四個方面的表現，根據實驗結果得到以下結論。

1）在局部皮膚溫度方面，穿著氣凝膠防寒服的受試者皮膚溫度下降更少，下降速度更加緩慢。相比于軀干部位，胳膊遠離心臟且脂肪較少，上臂和下臂的皮膚溫度下降程度高于肩部、胸部、腹部和腰部，在今后的優化設計中要加強對手臂的熱保護。另外，軀干部位中腰部皮膚溫度下降最少。

2）在平均皮膚溫度方面，穿著氣凝膠防寒服的受試者平均皮膚溫度下降更緩，隨著實驗時間的增加逐漸穩定，平均皮膚溫度下降更少。

3）在冷暖感方面，氣凝膠防寒服出現冷感覺的時間比沖鋒衣晚，而且最終的冷暖感等級高于沖鋒衣。

因此，不論從哪個方面來看，氣凝膠防寒服的保暖效果都要優于沖鋒衣，將氣凝膠應用到防寒服中是可行的，且本研究成果具有較強的實際應用價值。

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