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服装及服装材料保温功效的研究
国家棉纺织产品质量监督检验中心 王宝军
【摘要】在大量试验分析的基础上，从研究影响服装保温力的因素出发，提出了提高服装保温功效的理论依据和实用方法及途径。
【关键词】服装保温功效 热阻 微气候 防风 抗低温
着装有生物学和社会学两大功能。调节体温是服装最重要的生物学目的，而今人们并不单纯追求保温，而是致力于既舒适保温又轻便美观，提高其社会学价值。近几年层出不穷的新型保温材料就是个例证。本文力图以服装工效学的观点通过对服装保温功效的研究，阐述服装材料的有效利用与开发，为服装的合理设计与使用提供了依据。
1．保温功效的概念与表征
服装的保温性是三个部分的综合效应：Rt＝Ｒc＋Ｒi＋Ｒo。其中，Rt为服装总热阻；Rc为服装自身热阻，取决于服装材料的热阻；Ri为人体与服装间空气层热阻，它伴随着服装的穿、脱而产生与消失，并取决于服装的款式，因而通常将Ri与Rc合并作为着装热阻Rci来研究；Ro为服装表面滞留空气层热阻，在实际中不易测得，但可通过其对Rci的影响而得知，它主要受气温、风速等影响，如风速加大时Ro降低Rci也相应减小。
服装具有的保温值或总热阻称为保温力。服装材料的结构、服装款式、环境温度、风速等的变化都会引起上述一系列热阻的变化，从而影响服装的保温力。服装在特定条件下的保温力，或条件改变后保温力提高或抵御降低的能力(或效力)称为保温功效。保温功效可通过服装材料自身保温力、环境条件的影响力，如防风效力、耐低温效力及空气层热阻效力等来表征。
2．服装材料的自身保温力
服装材料(面料、衬里、填充料等)的保温力是服装保温力的主体，也是最能主观调节的服装功效因素。服装材料(以下称“材料”)是一种或几种纤维与空气的集合体，材料的保温力实际上就是这个集合体的综合热阻。空气的热导率是最小的，纤维虽也是热的不良导体，但热导率相对空气要大，且各种纤维热导率很接近(见表1)。而材料中空气的含量一般都在60%以上，最高可达99%以上。因此服装材料的热阻主要取决于蓬松度即含气量，纤维种类几乎没有影响，但纤维外形结构因影响蓬松度而关系密切。例如表2中1＃～９＃纤维原料不同，但其单重热阻与含气量基本成正比，9＃因采用了卷曲纤维使其单重热阻很高；10＃～１３＃虽含气量不是最大，但单重热阻和单厚热阻却都很高，这是因为其特殊的结构，使既轻又薄的服装达到较高的保温功效。
表1 几种物质的热导率
物质 热导率W／㎡·℃ 物质 热导率W／㎡·℃
空气 2.345 粘胶 6.280
羽毛 2.386 木材 3.768
丝 5.230 纸 12.56
毛 5.350 皮革
16.75
棉 7.211 水 58.62
涤纶 8.374 玻璃 104.67
腈纶 5.117 银 41449.3
这里需说明，单厚或单重热阻只是用以对特定材料的保温功效进行比较，不能任意扩展使用。例如4＃羊毛衫，如按单厚热阻折算3层的热阻应为：
8.65×10-2×1.63×3＝0.423℃×㎡·℃而实测只有0.208℃×㎡·℃。其误区是认为热阻随厚度按同比例增加。从表3的实验可以看出，不同厚度的测得的单厚热阻是不同的，单重热阻亦如此。
表2 几种保温材料的结构与保温力
序号 材料名称 质量
g/㎡ 厚度
mm 蓬松度cm2／g 含气量 热阻
℃㎡·W 单重热阻10-4** 单厚热阻10-2*** 备注 1 毛法兰绒 337.7 1.88 5.57 86.4 0.135 4.00 7.18
2 针织夹层 281.6 2.03 7.21 90.3 0.141 5.01 7.44 面棉夹涤
3 大衣呢 548.0 10.0 18.2 95.4 0.234 4.27 2.34 毛腈
4 羊毛衫 231.7 1.63 7.03 89.2 0.141 6.09 8.65
5 大造毛皮 513.1 14.0 27.3 96.8 0.238 4.64 1.70 腈纶
6 絮棉 398.9 26.0 65.1 99.0 0.385 9.65 1.48
7 喷胶棉 250.0 24.0 96.0 99.2 0.332 13.28 1.38 涤纶
8 羊毛絮料 232.0 19.0 81.9 99.1 0.278 11.90
1.46 短绒
9 涤纶棉 172.0
7.36 42.3 98.3 0.294 17.38 4.00 三维卷曲
10 熔喷棉 108.8 2.65 25.8 95.6 0.244 22.43 8.87 超细丙纶
11 红外絮片 137.4 3.07 22.3 96.8 0.195 14.19 6.35
12 太空棉 97.4 2.13 21.9 96.7 0.250 25.67 11.74 镀铝膜
13 羊毛绒絮片 95.6 3.40 35.1 97.8 0.179 18.72 5.26 双膜
注：服装学研究中热阻的单位有时用Clo(克罗)表示，并有1℃㎡·W＝6.461Clo；
**单位：(℃㎡·W)/g/㎡；
***单位：(℃㎡·W)/mm；
表3 多层材料热阻变化表
材料
名称 质量
g/㎡ 厚度mm 热阻／单厚热阻
1层 2层 3层 4层 5层
涤纶绸 55.0 0.08 0.105/
1.31 0.114／0.75 0.125／0.52 0.147／0.46 0.152／0.38
华达呢 250.0 0.41 0.127／
0.31 0.140／0.17 0.159／0.13 0.175／0.107 0.202／0.099
羊毛衫 231.4 1.84 0.143／0.078 0.178／0.048 0.208／0.038 0.250／0.034 0.286／0.031
羊毛绒 171.0 7.57 0.238／0.031 0.288／0.019 0.333／0.015 0.357／0.012 0.385／0.010
太空棉 94.7 2.59 0.233／0.090 0.264／0.061 0.296／0.038 0.328／0.032 0.359／0.027
注：热阻及单厚热阻的单位同表2。
3.环境条件与保温功效
服装在实际穿着中的保温力如何，只看其自身保温力是不够的，还要看环境恶劣后保温力能维持甚至提高的程度，这也是保温功效的表征。对服装保温力能构成威胁的主要是风速、气温、温度等，以下着重讨论前两个方面。
(一)防风效力
从直观上讲，防风性好，热量损失小，相对保温性提高，也就是保温功效好。为考查服装的这一性能，我们对40余种材料在KES-TL冷温感仪上进行了改变风速的保温性测定。首先测定无风(风速＜0.1m/s)时的热阻，然后从材料垂直方向恒速给风，再测定热阻，逐步调高风速就得到了材料热阻随风速的变化曲线，图1和表4是部分材料的测试结果。根据以上结果可得出以下结论。
表4 服装材料防风效力分析表
序号 材料名称
质量g/㎡ 厚度mm 透气
量㎡／
㎡·S 热阻℃㎡·W 热阻降低率(%)
无风 1.5
m/s 3
m/s 1.5
m/s 3
m/s
1 毛涤纶 231.0 0.47 0.11 0.116 0.0900 0.0802 22.4 31.0
2 涤纶绸 55.0 0.08 0.37 0.101 0.0700 0.0550 30.7 45.5
3 针织面料 179.8 0.78 2.91 0.118 0.080 0.667 32.2 43.5
4 灯芯绒 286.7 1.09 0.03 0.128 0.110 0.099 14.1 22.7
5 法兰绒 337.7 1.88 0.45 0.135 0.118 0.105 12.6 22.2
6 针织夹层 281.6 2.03 0.792 0.146 0.114 0.104 21.9 28.8
7 熔喷棉 108.8 2.75 0.397 0.233 0.182 0.167 21.9 28.3
8 红外絮片 137.4 3.07 1.907 0.196 0.161 0.134 17.9 31.6
红外絮片+膜 0.210 0.197 0.175 0.167 10.7 15.2
9 羊毛衫 231.7 1.63 1.55 0.141 0.112 0.074 20.6 46.9
羊毛衫(双层) 463.4 3.30 0.730 0.164 0.138 0.122 15.8 25.6
10 大衣呢 548.0 10.0 0.370 0.234 0.222 0.208 5.1 11.1
11 絮棉 398.9 26.0 0.435 0.385 0.357 0.333 7.2 13.5
12 喷胶棉 250.0 24.0 2.481 0.333 0.270 0.204 18.9 38.8
呀胶棉+膜 0.215 0.334 0.300 0.271 9.0 18.9
13 人造毛皮 513.1 14.0 1.24 0.238 0.212 0.203 10.9 14.7
14 太空棉 127.2 2.42 0.196 0.204 0.161 0.152 18.0 2565
15 复合太空棉 331.5 15.0 0.120 0.368 0.340 0.313 7.6 14.9
16 羊毛绒絮片 95.6 3.40 0.158 0.179 0.167 0.157 7.7 12.3
17 羊毛絮料 232.8 19.0 2.33 0.278 0.235 0.190 14.4 31.7
羊毛絮料+膜 0.250 0.279 0.260 0.250 6.5 10.4
1.材料热阻随风速增加，先是急速下降，而后缓慢且大体呈线性降低。
2.一定风速下各种材料热阻降低率(即：无风热阻-有风热阻/无风热阻×100%)是不同的，它可作为防风效力的表征。
3.防风效力主要取决于材料的透气性，当透气量超过一定界限(约1m3/m2·s)时，防风效力急速下降，如３＃，８＃，９＃，１２＃，１７＃，而如在其迎风一侧覆上一层极薄的带孔塑膜(透气量为0.24m3／㎡·s，厚度为0.04mm)，使综合透气量降至一定限度，则保温功效大大提高。
4.厚度也是影响防风效力的重要因素之一，在透气量相近的情况下，防风效力与厚度成正比。如１＃、２＃透气量虽不大，而厚度很小，其防风效力都不高；而13＃正相反。
透气性和厚度何以决定材料的防风效力呢?从理论上讲，材料与材料中蕴含着的大量静止空气构成了稳定的微气候阻热层，保持人体热量。当有风袭来，材料中的空气产生流动，微气候被破坏，人体散热增加，从而产生冷感，亦即保温力相对下降。从而材料透气性的大小决定了防风效力的大小；当材料厚度小时，空气层较薄，风袭来时，气流“穿过”材料的障碍小，热量损失大；而材料较厚时，气流“传递”中损失大，人体热量损失则小，因此厚度也影响着防风效力。
从以上分析不难解释呢大衣、棉大衣、毛皮大衣等为什么能挡风寒，而喷胶棉、羊毛衫只有用透气小的面料缝制或加外套、风衣才挡风寒。以上结果为服装材料开发及服装合理配
