衣下空氣層對咖啡碳纖維防寒服保暖性的影響

代萌婷 屠曄

摘要：

為確定適宜的服裝松量，提升低溫作業防寒服的保暖性，文章以咖啡碳纖維防寒服為研究對象，在低溫環境下設計穿著實驗，通過暖體假人、人體著裝和三維掃描實驗，探究了咖啡碳纖維作為填充材料時衣下空氣層變化對防寒服保暖性的影響。結果表明：防寒服衣下空氣層平均厚度和總體積增量變化相似，不同胸圍松量的衣下空氣層對靜止狀態和運動狀態防寒服保暖性影響顯著;隨著胸圍松量的增加，靜止狀態和運動狀態的防寒服保暖性均呈先增后減的變化趨勢;對于H型短款男士常規防寒服170/88A號型而言，防寒服胸圍松量為26 cm、衣下空氣層平均厚度為34.13 mm、總體積為24.74 dm3時，咖啡碳纖維防寒服可達到良好的保暖性。

關鍵詞：

咖啡碳纖維;熱阻;紅外熱像;暖體假人;衣下空氣層

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）11003307

引用頁碼： 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，碩士研究生，研究方向為服裝舒適性。通信作者：屠曄，講師，buyinew@163.com。

從事低溫無采暖的中高強度作業時，人們需要穿著防寒服以避免環境對肌體產生傷害，此時防寒服的保暖性就顯得尤為重要?，F有研究從衣下空氣層、運動狀態、填充材料、外界環境等方面對防寒服的保暖性進行探討[1-4]，并證實衣下空氣層對防寒服保暖性影響顯著。Hu等[5]設計了靜風，以及正面、側面和背面3種風向，并考慮7個水平的服裝松量，利用暖體假人探究風向與服裝松量對運動服保暖性的影響。結果表明，風向對臀部和腹部的保暖性影響較大，不同水平的服裝松量之間保暖性差異不顯著。Jussila等[6]通過暖體假人實驗和三維掃描實驗，研究了在靜止狀態、運動狀態及不同風速（0.3 m/s與8 m/s）下，不同組合服裝（3層材料為最內層針織內衣、中間層毛衣、最外層防寒服，3種尺寸）的隔熱性能差異。研究表明，在靜止狀態，風速分別為0.3、8 m/s時，假人穿著中間層、最外層為歐碼56（中間層、最外層腰圍松量分別為29、46 cm）時，服裝的隔熱性最好;在運動狀態，風速分別為0.3、8.0 m/s時，假人穿著中間層、最外層為歐碼52（中間層、最外層腰圍松量分別為18、35 cm）時，服裝的隔熱性最好。馮銘銘等[7]通過暖體假人與三維掃描技術，探究衣下空氣層對雙板滑雪服保暖性的影響。研究表明，衣下空氣層隨服裝寬松量的增加而增大，滑雪服保暖性隨寬松量的增加呈先增后減再趨于穩定的變化趨勢。這些文獻表明，從衣下空氣層的角度探究防寒服的保暖性具有重要意義。

本文以新型咖啡碳纖維絮料作為男士防寒服填充材料，結合暖體假人、人體著裝和三維掃描實驗，測定服裝衣下空氣層隨胸圍松量變化、靜止狀態服裝的熱阻和運動狀態服裝表面溫度的變化，探究衣下空氣層對防寒服保暖性的影響，以期為科學設計低溫作業防寒服提供數據參考。

1 實 驗

1.1 服 裝

根據100款男士熱銷冬季防寒服款式造型的市場調研，發現市面上的男式防寒服以H型廓形為主（占82%），中間體號型多采用170/88A（占76%）。故本文防寒服廓形設計選擇寬松直筒的H型，170/88A號型，款式如圖1所示。

服裝松量是影響衣下空氣層分布的關鍵因素，在防寒服松量的研究中，本文制作5件不同胸圍松量的男士防寒服，著重研究胸圍松量。防寒服面料、里料、膽料、填充材料分別采用全彈春亞紡、半彈春亞紡、復合無紡襯、咖啡碳纖維絮料，實驗材料規格如表1所示。在防寒服尺碼設計時，胸圍檔差采用4 cm，長度方向保持不變。對5件實驗服進行編號，分別為1#～5#，尺寸設計如表2所示。

1.2 設 備

尺寸為胸圍89.2 cm、腰圍75.1 cm、臀圍75.1 cm的PT TEKNIK 22區段暖體假人（丹麥PT TEKNIK公司），佑美U3H型跑步機（中國華為技術有限公司），FLIR E85 24紅外熱像儀（美國菲力爾公司），2NX-16非接觸式三維人體掃描儀（美國TC2公司）。

1.3 方 案

1.3.1 暖體假人實驗

用暖體假人模擬靜止狀態時防寒服穿著情況，其著裝測試如圖2所示。每件服裝穿著之前，先給假人穿上基礎服裝，即貼體針織長袖內衣和襪子。在人工氣候室完成暖體假人實驗，人工氣候室溫度、濕度分別設置為（5±1） ℃和45%±5%，風速小于0.1 m/s[8]。假人采用恒溫（34±0.2） ℃控制加熱模式，每次實驗保持假人發熱時間恒定在30 min以上，每隔1 min記錄假人各區段的熱流量。重復實驗3次，結果取平均值。

1.3.2 人體著裝實驗

用人體著裝模擬運動狀態防寒服穿著情況。根據GB/T 1335.1—2008《服裝號型男子》，以170/88A為實驗參照對象，選取5名男性在校大學生作為受試者，受試者上身圍度數據如表3所示。在人工氣候室完成人體著裝實驗，實驗環境與暖體假人實驗相同，通過紅外熱像儀測試受試者穿著防寒服的服裝表面溫度，紅外熱像儀如圖3所示，用跑步機提供人體靜止與運動狀態。實驗前，在同一時間段內對受試者進行腋下生理溫度采集，5名受試者的腋下生理溫度在（36.6±01） ℃，溫度波動范圍較小，表明受試者間的生理溫度誤差可忽略不計。實驗時，受試者穿著統一貼體針織長袖內衣、防寒服靜立10 min后正式開始，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種運動狀態，流程如圖4所示。

1.3.3 三維掃描實驗

用非接觸式三維人體掃描儀對穿著防寒服的受試者進行三維掃描，非接觸式三維人體掃描儀如圖5所示。為了減少實驗誤差，使掃描數據具有穩定性和統一性，對5名受試者的胸圍、肩寬、腰圍、臀圍、臂長等部位尺寸求平均值，選出最接近平均值的受試者a，作為三維掃描實驗對象。根據GB/T

23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》，利用三維人體掃描儀分別掃描了裸態受試者（穿著貼體針織長袖內衣）和防寒服著裝受試者（穿著貼體針織長袖內衣和防寒服）。為了保證獲得的掃描數據更為準確，規范受試者站立姿態，重復實驗5次，結果取平均值。

1.4 測定方法

1.4.1 服裝熱阻測定

根據ISO 15831—2004《Clothing-physiological effects-measurement of thermal insulation by means of a thermal manikin》，測定防寒服的總熱阻與局部熱阻。采用并聯法計算防寒服總熱阻，包括胸部、腹部、背部、腰部、左右上臂、左右下臂8個上體區段。暖體假人局部熱阻與總熱阻計算公式為[9]：

式中：Rt為暖體假人對應區段的熱阻，（m2·℃）/W;As為暖體假人對應區段的皮膚表面積，m2;Ts為暖體假人對應區段的皮膚表面溫度，℃;Te為人工氣候室內的空氣溫度，℃;Hd為暖體假人對應區段的熱流量，W;R′為暖體假人的總熱阻，（m2·℃）/W;A為暖體假人的總皮膚表面積，m2。

1.4.2 服裝表面溫度測定

在正式實驗過程中，紅外熱像儀操作者以1 次/min的頻率拍攝受試者的正面、側面、背面的紅外熱成像圖，用FLIR Tools圖像處理軟件對紅外熱成像圖進行數據采集，包括防寒服胸部、腹部、手臂、背部、腰部5個部位的表面溫度，采集方式如圖6所示。防寒服保暖性可由人體著裝后防寒服的表面溫度表征，數值越低表明防寒服的保暖效果越好[10-11]。

1.4.3 衣下空氣層測定

將掃描后的三維圖像導入Geomagic Wrap逆向工程軟件中進行點云數據的優化、擬合，可得到裸態模型和著裝模型。進一步對兩個模型進行對齊、測量，則兩個模型間的水平距離差值即為衣下空氣層平均厚度，體積差值即為衣下空氣層總體積。衣下空氣層總體積計算公式為：

式中：Vi為受試者著裝模型總體積，dm3，i=1，2，…，5;Va為受試者裸態模型總體積，dm3;Vn為衣下空氣層總體積，dm3，n=1，2，…，5，該體積包含防寒服材料體積。

由于1#～5#防寒服的厚度幾乎相同，因此不考慮衣下空氣層測定時服裝厚度這一誤差因素對測定結果的影響[12]。

2 結果與分析

2.1 防寒服衣下空氣層

2.1.1 衣下空氣層形態分析

對上身著裝而言，胸圍和腰圍是最關鍵的兩個水平圍度。為了清晰地觀察防寒服衣下空氣層的分布情況，本文在對齊后的三維著裝模型和裸態模型的胸圍、腰圍部位進行橫截面切割，截面圖如表4所示。從表4可以看出，隨著防寒服胸圍松量的增加，外層著裝模型與內層裸態模型之間空氣層厚度也逐漸增大。其中，服裝前中與后中部位增大不明顯，衣下空氣層增大主要集中在側面，且人體外輪廓曲線向內凹陷的腰部部位衣下空氣層厚度較大，人體曲線向外凸起的胸部部位衣下空氣層厚度相對較小。

2.1.2 衣下空氣層平均厚度和總體積分析

防寒服衣下空氣層平均厚度和總體積如表5所示。

由表5可以看出，隨著胸圍松量的均勻增加，防寒服衣下空氣層的平均厚度與總體積呈增大的趨勢，衣下空氣層的平均厚度與總體積增加速率呈減小的趨勢。具體如下：不同胸圍松量防寒服衣下空氣層的平均厚度變化范圍為25.22～4225 mm，最大空氣層5#平均厚度比最小空氣層1#大6753%，2#、3#、4#、5#防寒服衣下空氣層的平均厚度增長率分別為16.37%、16.31%、14.59%、8.03%。不同胸圍松量防寒服衣下空氣層的總體積變化范圍為17.51～31.05 dm3，最大空氣層5#總體積比最小空氣層1#總體積大79.90%，2#、3#、4#、5#防寒服衣下空氣層的總體積增長率分別為18.49%、1784%、16.65%、9.15%。

由此可見，隨著胸圍松量的增加，衣下空氣層的平均厚度與總體積增加速率減小。這是由于當胸圍松量均勻增加時，防寒服橫截面對應的周長增加，但增加不均勻，增加量多集中于防寒服側面，造成服裝側面衣下空氣層平均厚度與總體積增加速率較快，正面與背面衣下空氣層平均厚度與總體積增加速率較慢，整體衣下空氣層增長量減少，從而減緩了衣下空氣層平均厚度與總體積的增加速率。

對5件防寒服的胸圍松量、衣下空氣層平均厚度與總體積進行圖像分析，如圖7所示。用SPSS進一步建立防寒服胸圍松量與衣下空氣層回歸方程，考慮到裸態的情況，回歸方程要過點（0，0）。方程式如下式所示：

式中：ΔB為胸圍松量，cm;Dair為防寒服衣下空氣層的平均厚度，mm;Vair為防寒服衣下空氣層的總體積，dm3。

2.2 暖體假人與著裝實驗測試

2.2.1 靜止狀態防寒服熱阻

通過暖體假人測試靜止狀態不同胸圍松量的防寒服（1#～5#）的總熱阻和局部熱阻，結果如表6所示。由表6可知，防寒服的總熱阻變化范圍為0.551～0.634（m2·℃）/W。

在胸圍松量變化初期（1#～3#），防寒服的總熱阻隨服裝胸圍松量的增加逐漸增大;當胸圍松量增加至3#時，總熱阻達到最大值0.634（m2·℃）/W;在胸圍松量變化后期（3#～5#），防寒服的總熱阻隨服裝胸圍松量的持續增加逐漸減小。最高總熱阻3#防寒服比1#和5#防寒服分別大15.06%、6.55%。防寒服局部熱阻變化范圍為0.418～1.732（m2·℃）/W，其中胸部、手臂和背部熱阻較低，腹部和腰部熱阻較高。這是由于腹部、腰部與服裝間的空隙大，能容納更多的靜止空氣，造成此區域局部熱阻值相對較高。

2.2.2 運動狀態防寒服表面溫度

1） 防寒服表面溫度R型聚類分析。針對防寒服表面溫度，主要采集了胸部、腹部、手臂、背部、腰部5個部位。為了減少變量個數，達到降維的目的，對不同運動狀態下防寒服5個部位表面溫度進行SPSS層次聚類的R型聚類分析，結果如圖8所示。

從圖8可知，5個部位可以分為兩類，一類為胸部、手臂和背部，一類為腹部和腰部，這與靜止時防寒服各部位熱阻趨勢相同。進一步用復相關系數法從兩類中選出兩個具有代表性的部位，即從第1類胸部、背部、手臂中選擇復相關系數最大的部位作為代表性部位，從第2類腹部和腰部中選擇復相關系數最小的部位作為代表性部位，各類復相關系數結果如表7所示。從表7可以看出，第1類的各復相關系數為手臂與（胸部、背部）：0.988，背部與（胸部、手臂）：0.966，胸部與（背部、手臂）：0.989，因此選胸部作為代表。第2類的各復相關系數為腹部與胸部：0.976，腰部與胸部：0.971，故選腰部作為代表。因此，選擇胸部、腰部作為代表部位參與后續分析。

2） 不同胸圍松量防寒服代表部位表面溫度差異分析。受試者穿著5件不同胸圍松量防寒服運動時，防寒服胸部、腰部兩個代表部位表面溫度隨時間變化如圖9所示。

為了探究不同運動狀態防寒服保暖性是否存在顯著差異，本文對胸部、腰部防寒服表面溫度進行多配對樣本的Friedman檢驗。在0.05顯著水平下，不同運動狀態防寒服胸部表面溫度概率P值均小于顯著性水平（P1：χ2=14.800，P=0.005;P2：χ2=10.933，P=0.027;P3：χ2=11.864，P=0.018），防寒服腰部表面溫度概率P值均小于顯著性水平（P1：χ2=15.443，P=0004;P2：χ2=12.000，P=0.017;P3：χ2=12.000，P=0.017），表明受試者在不同運動狀態的防寒服胸部、腰部表面溫度的分布存在顯著差異，即防寒服的保暖性有顯著差異。受試者在不同運動狀態穿著防寒服胸部、腰部表面溫度Friedman檢驗秩均值結果如表8所示，秩均值數值越小表明防寒服保暖性越好。

由表8可知，不同運動狀態下，防寒服胸部與腰部表面溫度秩均值變化趨勢一致，均為3#防寒服數值最小，其次為4#、2#、5#，而1#防寒服數值最大。表明3#防寒服對熱量傳遞阻礙最大，保暖性最好，1#防寒服對熱量傳遞阻礙最小，保暖性相對較差，4#、2#、5#防寒服保暖性居中。這與靜止時不同胸圍松量防寒服熱阻變化趨勢一致。

這是由于當受試者穿上防寒服后，人體與服裝之間形成了一定量的空氣層，防寒服的保暖性會隨衣下空氣層的變化而變化。在一定胸圍松量范圍內，衣下空氣層會隨胸圍松量的增加而增大，此時人體與服裝間聚集了大量的靜止空氣，靜止空氣是熱的不良導體，故防寒服表現出良好的隔熱性能;當胸圍松量范圍持續增加，人體穿著服裝后服裝表面會形成一定量的褶裥，在運動時會增大服裝衣下空氣層和其表面的自然對流與強迫對流，故服裝的保暖性不會繼續增加。相反，較大的胸圍松量會造成防寒服衣下空氣層平均厚度與總體積過大，當兩者增加到一定程度時，空氣層內的部分靜止空氣會變成流動空氣，空氣層之間形成熱對流，造成服裝的保暖性下降。

2.3 衣下空氣層對防寒服保暖性的影響

由2.2節可知，靜止狀態與運動狀態下不同胸圍松量防寒服的保暖性變化趨勢相似，故以靜止狀態為例，分析衣下空氣層對防寒服保暖性的影響。通過平均厚度與總體積將衣下空氣層進行量化，探究靜止狀態下不同胸圍松量的衣下空氣層對防寒服總熱阻的影響。衣下空氣層平均厚度與防寒服總熱阻關系如圖10所示。

1）對靜止狀態下不同胸圍松量的防寒服總熱阻進行單因素方差分析，結果表明，不同胸圍松量的衣下空氣層對防寒服總熱阻影響顯著（P<0.05）。進一步進行LSD多重比較，檢驗表明，1#與2#～5#防寒服總熱阻存在顯著差異，4#、5#防寒服總熱阻無顯著差異。由此可知，胸圍松量較小的防寒服與胸圍松量較大的防寒服之間總熱阻差異顯著，但較大胸圍松量的防寒服之間總熱阻差異不顯著。這是由于胸圍松量持續增加后，服裝受重力等因素影響導致衣下空氣層增加量減小，熱阻變化差異較小。2）防寒服總熱阻隨衣下空氣層的增大呈先增后減的變化趨勢，即衣下空氣層的平均厚度為25.22～3413 mm，總體積為17.51～24.74 dm3，防寒服保暖性呈上升趨勢;衣下空氣層的平均厚度為34.13～42.25 mm，總體積為24.74～31.50 dm3，防寒服保暖性呈下降趨勢。這一變化趨勢與其他學者的研究結論一致[13]，表明衣下空氣層對防寒服總熱阻的影響存在臨界值。故為了達到良好的保暖效果，防寒服的胸圍松量設計應選擇對熱量傳遞阻力較大的范圍。3）防寒服胸圍松量越小其對總熱阻變化率的影響越大，防寒服在1#、2#階段總熱阻增長率達到最大值8.53%;防寒服胸圍松量較大時其對總熱阻變化率的影響較小，防寒服在2#、3#階段的增長率和3#、4#階段的下降率均較小，而4#、5#階段總熱阻下降率僅為1.82%。4）不同胸圍松量的防寒服中，3#防寒服的總熱阻最大，表明此階段防寒服對熱量傳遞阻礙最大，服裝的保暖性較好，胸圍松量設計較優，其對應的衣下空氣層平均厚度為34.13 mm，衣下空氣層的總體積為24.74 dm3。

3 結 論

本文在低溫環境下對5件不同胸圍松量的咖啡碳纖維男士防寒服進行暖體假人、人體著裝和三維掃描實驗，分析了衣下空氣層對防寒服保暖性的影響。得出以下結論：

1） 防寒服衣下空氣層平均厚度和總體積的增量變化相似，5件防寒服平均厚度和總體積變化范圍分別為25.22～42.25 mm和17.51～31.50 dm3。

2） 衣下空氣層對靜止狀態防寒服保暖性影響顯著。在靜止狀態下，不同胸圍松量防寒服總熱阻變化范圍為0.551～0.634（m2·℃）/W，防寒服的總熱阻隨著胸圍松量的增加呈先增后減的變化趨勢，測試服裝中在胸圍松量26 cm時總熱阻達到最大值0.634（m2·℃）/W，其對應的衣下空氣層平均厚度為34.13 mm，總體積為24.74 dm3。

3） 衣下空氣層對運動狀態防寒服保暖性影響顯著。在運動狀態下，防寒服的表面溫度隨著胸圍松量的增加呈先減后增的變化趨勢，不同運動狀態防寒服保暖性均在胸圍松量26 cm時最佳。

就本文實驗設計的范圍之內，針對H型短款男士常規防寒服170/88A號型，在滿足運動自由度的條件下，防寒服胸圍松量為26 cm、衣下空氣層平均厚度為34.13 mm、總體積為24.74 dm3時，防寒服的保暖性達到一個良好的狀態，此時可較好地發揮咖啡碳纖維絮料的保暖作用。

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