史佳玲 王利君

摘 要：为了分析风速、含湿率对棉针织物的具体影响程度，针对棉针织物的保暖性问题，选取12种常见的棉针织物以及棉/涤混纺针织物为研究对象，用KES织物风格测试仪和平板保温仪对不同含湿率、风速下针织物的热阻、热传导率、接触冷暖感以及保暖率进行了测试，利用方差分析和回归分析法研究了风速和含湿率对织物保暖性的影响程度。结果表明：含湿率对棉针织物热学性能有显著的影响；在含湿率和风速同时变化的环境下，在棉纤维中混入一定的涤纶可使织物保暖率提高10%；含湿率、风速以叠加的方式对织物保暖性产生影响，保暖率与风速、含湿率、接触冷暖感之间为多元线性关系。

关键词：风速；含湿率；棉针织物；热学性能

中图分类号：TS941.15

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）04-0025-06

Abstract：In order to analyze the influence of wind speed and moisture content on the heat preservation of cotton knitted fabric， 12 common cotton knitted fabrics and cotton/polyester blended knitted fabrics were selected as the research object， and the thermal resistance， thermal conductivity， contact temperature and heat preservation rate of knitted fabrics were tested with KES fabric style tester and flat plate thermal insulation， then the effects of wind speed and moisture content on the warmth retention property of fabrics were studied by means of variance analysis and regression analysis. Results show：the moisture content has a significant effect on the thermal properties of cotton knitted fabric； under the condition of moisture content and wind speed changing，adding a certain amount of polyester fiber in the cotton fiber can improve the fabrics warmth retention by 10%； the moisture rate and wind speed affect fabric warmth retention property in the way of a superposition manner， and the warmth retention and wind speed， moisture content and temperature have a linear relationship.

Key words：wind speed； moisture content； cotton knitted fabric； thermal properties

棉針织物由于其优良的吸湿性、良好的卫生性与透气性、以及松软的质地使其在紧身衣、内衣、运动服等方面得到了广泛的应用，近年来，国内外学者对影响针织物热学性能的因素进行了多方面的探讨，纤维原料、纱线、组织结构以及编织工艺条件都会对针织物的热学性能造成影响[1-4]，同时不同润湿状态下织物的热性能也有显著的差别[5-6]，但少有学者对不同风速下的汗湿针织物热性能进行探讨。穿着状态下的服装并不总是处于一定风速下的状态，风速、行走速度会使服装外表面空气层减小[7]。当人体进行剧烈的活动时，汗液会以液态水的形式遍及皮肤，从而使服装润湿[8]，挤出了纱线和纤维间隙之间的空气，同时随着外界风速的变化，织物表面对流散热发生变化的同时水分的蒸发也受到影响，从而改变热传递状态。本文结合人体不同运动状态下的出汗率确定织物的含湿率，在此基础上增加风速的划分，以12种不同结构参数的棉针织物为测试对象，对不同风速、含湿率下织物的热性能进行了分析和探讨。

1 实 验

1.1 试 样

选用12种棉针织物以及棉涤混纺针织物，试样规格参数如表1所示。试验在标准状态下进行（温度（20±2）℃，相对湿度（65±2）%）。

1.2 不同含湿率、风速下热学性能的测试

1.2.1 含湿率与风速的确定

首先邀请10名在校大学生（男生5名，女生5名）作为受测对象参与实验。由于在相同的运动强度下背沟出汗比较敏感[9]，所以将试样贴覆于背沟处。

人体在不同运动状态下的出汗率不同，从而导致面料的含湿率发生变化。本文选择静止、慢跑、快跑3种状态下的棉针织物含湿率作为分析的梯度。静止状态：将试样在恒温恒湿实验室放置24 h以上进行调试后测试其含湿率；慢跑：将跑步机速度设定为1.5 m/s，人体感觉到微微出汗时测试试样含湿率，此时为潜汗；快跑：将跑步机速度设定为2.5 m/s，运动到人体大量出汗时（后背面料有一定面积被浸湿时）测试试样含湿率，此时为显汗。整个实验均在温度为（20±2） ℃，相对湿度（65±2）%的环境下进行，10名学生在不同状态下的织物含湿率以及偏差值如表2所示。

根据以上测试结果将研究过程中试样的含湿率定为8%、15%、30%。为了得到不同含湿率的织物，首先将准备好的试样在标准状态下称量，然后将烘箱温度设为105 ℃，并对试样进行烘干，经1 h后对试样进行称量并记录，之后每过20 min重复称量、记录。当2次时间间隔内，称重质量之差与后一次质量之比小于0.05%时，取后一次质量为干重，并算出回潮率。通过干重计算出不同含湿率下各个样品的质量作为依据，然后根据以上确定的含湿率计算水的含量，用特定含量的水均匀浸湿试样，即可得到含湿率不同的棉针织物试样。

在得到不同含湿率试样的基础上，为分析风速对热湿传递性能的影响，选取0、0.7、1.5、2.5、3 m/s 5种风速作为划分梯度。

1.2.2 热学性能测试

测试仪器有KES织物风格测试F7系列、YG606D型平板式保温仪、YG（B）461D-Ⅱ型透气量仪。所测性能指标有热阻、接触冷暖感、热传导系数、保暖率。

2 结果与分析

2.1 含湿率对织物热性能的影响

在风速一定的基础上，通过方差分析可以得出含湿率对织物的热性能均有显著的影响，结果如表3-表5所示。

为了分析含湿率对棉针织物热学性能的具体影响程度，在风速为0 m/s的环境下对不同含湿率下12种棉针织物的热阻、热传导系数、接触冷暖感的变化进行了统计与分析。

2.1.1 不同含湿率下的织物热阻

对不同含湿率下的12种织物的热阻进行测试，结果如图1所示。

织物热阻与材料的组织结构、密度、厚度、含湿率等因素有关[10]，对于不同的织物来说，含湿率对织物热阻的影响程度有差异。从图1中可以看出，12种织物的热阻在不同的含湿率下，其变化趋势大体相同，随着含湿率的增大，织物的热阻均呈下降趋势，不同织物受含湿率影响显著的区间有明显的差别。在含湿率增大的同时12种织物的热阻差异性也增强。但当含湿率达到30%时，从图1中可以看出线段波动的幅度减小，说明12种棉织物的热阻在含湿率较高时差异性减小，这是由于织物在高含湿状态下，织物纱线内部大量的孔隙被水分子占据，而水分的导热系数最小，因此织物内水分的多少直接影响织物的热阻。

2.1.2 不同含湿率下的织物热传导系数

对不同含湿状态下12种织物的热传导系数进行测试，结果如图2所示。

总体上看，织物的导热系数随着含湿率的增大而增大，这是由于水的导热系数比空气以及织物的导热系数大，随着含水量的增加，织物传导的热量也会增大。和图1进行对比可以得出，12种织物导热系数的变化趋势与热阻相反。含湿纤维的导热系数可用式（1）表示[11]：

为组合体中水的有效导热系数；VW为在整个组合体系中水所占的体积分数。随着含湿量的增加，结合水、中间水、自由水的比例也会发生变化。

从无汗到潜汗阶段织物含湿率比较低，以结合水和中间水为主，自由水所占的比例几乎为零，此时织物的热传导由织物的厚度、组织结构等参数以及含湿率共同决定，含湿率的增加对导热系数的影响较小，从图2中可以看出含湿率从潜汗到显汗阶段所有织物的热传导系数变化范围控制在3 W/m·K以内。在显汗阶段，自由水的比例逐渐增加，水分对导热系数的影响逐渐占主导作用，织物含湿率对织物导热系数的影响也越显著。

2.1.3 不同含湿率下的織物冷暖感

12种织物的接触冷暖感测试结果如图3所示。

含湿率对接触冷暖感的影响与导热系数规律一致，织物冷感的强弱由瞬间传导的热量多少决定，织物含湿率越高，瞬间导走的热量越多，感受到的冷感就越强，但接触冷暖感受含湿率的影响程度低于热传导系数。不同含湿率下的12种织物的冷暖感分布趋势保持一致，这说明织物组织、纱线等内部因素对冷暖感的影响程度不会受到含湿率的影响。含湿率达到15%左右，织物接触冷暖感受含湿率影响程度逐渐减弱，随着含湿率的增加，接触冷暖感增加的幅度逐渐减少。

2.2 风速对汗湿织物保暖率的影响

不同风速下棉针织物保暖性能的描述指标为织物的保暖率。织物的干热散失为传导散热、对流散热、辐射散热之和，而在含湿状态下织物的湿热散失相较干热散失多了由水分蒸发而散失的热量[12]，辐射散热与周围环境无关，所以湿度和速度的变化对辐射散热没有影响，织物含湿率及风速的变化会使对流散热和传导散热及由水分蒸发而散失的热量发生变化。

风速的变化一方面会扰乱服装表面的空气层，使边界层变薄，从而导致对流散热增加，影响服装边界层隔热性；另一方面会加速水汽的扩散与蒸发，带走人体的热量。因此在含湿率和风速综合的作用下织物的保暖性具有一定的复杂性。为考察风速、含湿率对织物保暖率的影响，对不同风速、含湿率下的12种织物保暖率进行了测试。本文选择组织结构相近的5号棉针织物和8号棉/涤针织物进行对比分析。不同含湿率下风速对织物保暖率的影响如图4所示。

从图4可以看出，在3种不同含湿率下，随着风速的增加，两种织物的保暖率都呈现下降的趋势，这是因为风速的增加会使织物表面的空气层变薄，对流散热量和蒸发水分的散热量增加，干、湿热散失越多，导致保暖性下降。整体上保暖率下降的速率无明显差别，这是由于织物在风速和含湿率的同时作用下，织物本身对保暖性的影响程度大大减小。涤/棉织物的保暖率始终高于棉织物，差值保持在10%左右，因为风速较大时，织物以对流散热为主，平方米质量小的织物在含湿率较大时，风速的增大会使空气流动，使得水分蒸发带走更多的热量，同时由于涤纶表面光滑，内部分子排列紧密，导致其受风速的影响要小于纯棉织物。因此在风速和含湿率同时变化的情况下，涤/棉织物比棉织物保暖性要好。

3 织物保暖率的多元回归分析

织物的保暖性由内部因素和外部因素共同决定，影响织物保暖效果的内部原因有织物的组织结构、织物单位面积重量以及含湿率等，影响织物保暖性的外部环境因素有环境温度、风速和气压。本文考虑到人总是处于不同的运动状态中，所以将人在不同出汗程度下织物的含湿率作为外界因素来考虑，同时设定风速和含湿率，将其他外界环境控制在一定范围内。

3.1 影响针织物保暖性的主要因素分析

为了比较包括风速、含湿率在内的因素对保暖性的影响权重，本文对不同风速、含湿率下测得的保暖率与织物结构参数、外界环境（风速与含湿率）进行相关性分析，结果如表6所示。

从相关性分析结果可得出在风速和含湿率同时变化的情况下，各因素对织物保暖性的影响程度为：含湿率>风速>纵密>横密>平方米质量>厚度。在风速和含湿率变化幅度较大且同时作用于织物时，棉针织物的保暖性与面料本身的结构参数等性能相关性比较小，而与含湿率在0.01水平上呈负相关，与风速在0.05水平上呈负相关。

3.2 保暖率的多元回归分析

由于单个内部因素对织物保暖性的影响程度比较小，而保暖率与接触冷暖感呈线性相关，因此在建立模型过程中将织物本身接触冷暖感（各内部因素的综合）也作为变量分析，接触冷暖感受织物组织结构和密度的影响。

风速、含湿率与保暖率的三维关系图如图6所示，可以看出随着风速的不断增加，保暖率缓慢下降，棉针织物的保暖效果逐渐变差，这是由于风速的增加使织物表面的对流散热也逐渐增大，人也感觉越寒冷，风速与保暖率基本呈线性关系；随着织物含湿率的增加，保暖率逐渐减小，含湿率与保暖率近似呈线性关系。

3.2.1 多元回归模型的建立

选择试样在不同风速和含湿率下的测试值来建立模型。利用SPSS软件进行模型的建立，选择进入法建立全回归模型，得到的多元回归模型如式（2）。

从服装本身因素来讲，接触冷暖感主要与织物组织结构、单位面积重量有关，所以在进行面料开发时，考虑到风速和含湿率的影响，必须重点对织物组织结构以及单位面积质量两者进行设计与组合，从而提高保暖性。

3.2.2 回归模型的检验

通过残差分析，可以得出残差基本符合正态分布。其次进行拟合优度检验、方程及系数的显著性检验。模型调整系数2=0.873，说明模型拟合优度较好，回归方程和回归系数均通过检验。综上所述，说明该模型具有实际意义。

4 結 论

a）含湿率对织物的热阻、热传导系数、接触冷暖感有显著的影响，热阻与含湿率呈负相关，而热传导系数、接触冷暖感均与含湿率呈正相关，不同织物受含湿率影响显著的区间存在明显的差距。

b）含湿率、风速的变化会对棉针织物热性能产生显著的影响，在两个因素的综合作用下，织物结构参数对保暖性的影响程度减小。

c）风速、含湿率同时作用下，涤纶与棉混纺可有效抑制水分的蒸发，涤/棉针织物的保暖性优于棉针织物。

d）风速与织物含湿率以叠加的形式对织物的保暖性造成影响，随着风速、含湿率的增加，织物保暖性逐渐下降，呈线性关系。棉织物在风速和含湿率同时变化下的保暖率数学模型可以为企业提高和改善织物保暖性提供给一定的参考。但由于实验条件的限制，设定的梯度范围较小，所以该模型仅适用于风速小于3 m/s，含湿率小于30%的环境下。

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