高温防护服的舒适工效性能评价与优化对策

田 苗，王云仪，张向辉，张忠彬

（1.东华大学a.服装和艺术设计学院；b.功能防护服装研究中心；c.现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2.中国安全生产科学研究院，北京 100029）

高温防护服的舒适工效性能评价与优化对策

田 苗1a，1b，1c，王云仪1a，1b，1c，张向辉1a，1b，1c，张忠彬2

（1.东华大学a.服装和艺术设计学院；b.功能防护服装研究中心；c.现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2.中国安全生产科学研究院，北京 100029）

目前对于防护服的开发往往偏重功能性而忽视舒适性，舒适性不佳最终会影响穿着者的工作效率.针对国内工业中普遍应用的3类高温防护服，进行穿脱便捷性、工效学和穿着生理负荷测试，从受试者的穿着反馈探寻防护服对人体造成灵活性限制以及生理负荷的原因，结果表明，影响舒适工效性能的主要原因是关键部位结构不合理和材料厚重.根据防护服装的功能设计模式对测试的高温防护服提出结构设计优化策略，以达到改善服装舒适性、降低工作人员生理负荷、提高工作效率的目的，实现防护服的功能性和舒适性的相对平衡.

高温防护服；舒适性；工效学；结构优化

防护服是保护人们在生产、工作中避免或减少职业伤害的一类服装，是人们抵抗生产生活中各种有害因素的一道屏障［1］.目前对于防护服的开发和研制往往偏重其功能性，从而造成对服装舒适性的忽视，导致工作人员的作业能力下降、干扰其生理平衡，降低感觉反馈，最终使工作人员产生生理压力并造成工作效率下降［2］.

防护服的防护性能与其材料特性密切相关，然而具有安全防护性能的材料往往缺乏良好的舒适性能.为达到改善防护服舒适工效性的目标，通过优化服装结构造型的技术途径，在保证不降低防护服安全防护性的基础上，可提高人体的活动灵活性，改善人体的热湿舒适性［3－4］.服装的构成要素多种多样，其中材料和结构是影响防护服装舒适工效性和安全防护性的主要因素.防护服装结构与功能间相互作用关系如图1所示.

图1 防护服结构与性能的关系Fig.1 Relationship between structure and properties of protective clothing

为了评估国内工业生产领域中应用的防护服对人体活动灵活性的影响，本文选取了当前普遍使用的高温防护服进行试验研究，力求从受试者的穿着反馈探寻防护服对人体造成灵活性限制以及生理负荷的原因，并根据防护服装的功能设计模式［5］对高温防护服提出结构上的优化策略，以达到改善服装舒适性、降低工作人员生理负荷、提高工作效率的目的，在保证不降低防护服安全防护性能的基础上，达到优化舒适工效性的目标.

1 试 验

1.1 测试样本

测试服装为3类高温防护服，其规格如表1所示.其中1＃和3＃服装配有头盔、手套和脚套（图2）.

高温防护服的面料一般采用麻及合成橡胶，其外表面是一层铝粉末与合成橡胶的涂层［6］.测试服装的材料由外层（复合铝箔防火布）和舒适层组成，1＃和3＃高温防护服外层为复合铝箔防火布，2＃高温防护服外层由复合铝箔防火布和阻燃布拼合而成.复合铝箔防火布具有防火隔热、反辐射热等特性，但手感较硬、不易弯折.考虑到热防护对材料特性要求严格，且复合铝箔防火布不宜替换，因此，高温防护服改进策略的制定将主要从结构方面着手.

表1 测试服装基本信息Table 1 Basic information of clothing for testing

图2 测试服装Fig.2 Clothing for testing

1.2 测试方法

本文利用穿脱衣耗时评价防护服的易用便捷性，引入灵活性指标（肢体活动角度）和生理指标（心率）［7］分析人体的客观反应，通过主观问卷的方式评价受试者的主观感受.

测试主要包括工效学试验和穿着生理负荷试验.通过工效学试验，从静态的角度评估防护服本身对人体活动灵活性产生的限制；通过穿着生理负荷试验，从动态的角度评估防护服对人体造成的生理负荷及对舒适性的影响.

1.2.1 穿脱便捷性测试

在常温环境下，使用秒表分别记录6名受试者穿、脱整套高温防护服所消耗的时间.

1.2.2 工效学测试

在环境温度为20℃左右的条件下，使用多功能关节活动测量仪测量受试者在做8个动作时的肢体活动角度，8个动作包括肩部屈伸性、肩部外展性、肩部旋转性、肘部屈伸性、躯干横向伸展性、臀部伸展性、臀部横向伸展性、膝盖屈伸性［8］，如表2所示.

表2 肢体活动角度测量动作Table 2 Measurement motions of limb activity angle

采用主观评价表的形式对高温防护服整体和局部活动灵活性进行评价.评价指标为20个，包括5个整体指标和15个局部灵活感指标.评价标尺［9］如图3所示.受试者可以根据穿着高温防护服时的自身感觉，在标尺范围内的任意位置进行标注，以体现他们对高温防护服的主观感觉.本标尺的优点是具有连续性，可以使受试者进行评价时有更大的选择空间，从而使主观评价值更加精确.

图3 主观评价标尺Fig.3 Scale of subjective evaluation

1.2.3 穿着生理负荷测试

2 测试结果与分析

2.1 穿脱便捷性测试

对6名受试者进行穿、脱衣耗时测试，结果见表3.由表3可以看出，相比于2＃高温防护服，受试者穿脱带有头盔、手套和脚套的1＃和3＃高温防护服所消耗的时间较长，穿脱便捷性差；较大的标准偏差说明受试者之间存在较大的个体差异.高温防护服的穿脱便捷性受到防护服本身的结构、防护服质量以及受试者自身等多种因素影响.

表3 穿脱衣耗时Table 3 Time of dressing or undressing

2.2 工效学测试

2.2.1 肢体活动角度

利用SPSS软件对肢体活动角度试验结果进行单因素方差分析，发现在0.05的显著水平下，高温防护服与肢体动作均是受试者肢体活动角度的显著影响因素.且经过两两比较发现，受试者穿着2＃号高温防护服时的肢体活动角度（113.0°）显著大于穿着1＃（101.0°）和3＃（101.5°）高温防护服的肢体活动角度，说明1＃和3＃高温防护服对受试者的肢体灵活性限制更大.

图4为受试者肢体活动角度测试的平均结果.

图4 平均肢体活动角度图Fig.4 Average limb activity angle

由图4可以看出，受试者在穿着1＃试样时的肢体活动角度范围为46.0°～158.3°，穿着2＃试样时为57.0°～163.75°，穿着3＃试样时为51.5°～155.5°.分析其原因，可能是2＃试样外层采用复合铝箔与橘色阻燃布相拼材料，对受试者肢体灵活性影响稍小.图4结果还表明：1＃试样腋下、肘部、腰部、臀部等部位需进行结构优化，3＃试样腋下、肩部、臀部、膝部等部位需进行结构优化，以减少高温防护服对受试者活动灵活性的限制.

2.2.2 工效学主观评价

对防护服进行工效学主观评价，评价内容包括5个整体感觉项目（穿脱方便度（1）、整体质量感（2）、整体松紧感（3）、整体灵活度（4）、穿着总体感觉（5））和15个局部灵活感指标（头颈部（6）、肩部（7）、肘部（8）、手臂（9）、上身（10）、腋下（11）、小臂（12）、腰部（13）、背部（14）、手部（15）、臀部（16）、裆部（17）、膝部（18）、腿部（19）、脚部（20）活动灵活性），评价结果如图5所示.

图5 工效学主观评价结果Fig.5 Subjective evaluation results of ergonomics

由图5可知，对于防护服整体感觉的5个项目而言，配有头套、手套和脚套的1＃和3＃试样的穿脱方便度显然不如2＃试样，整体质量感、整体灵活度和穿着总体感觉同样也是2＃＞1＃＞3＃.由于3套高温防护服均较宽松，因此受试者对整体松紧感的评价均为正向.

由工效学主观评价局部灵活感指标的评价结果可以看出，其评价值大多为负向，表明受试者认为3套高温防护服的灵活性均不高，其中2＃试样的灵活性优于1＃和3＃试样.3套高温防护服均需要在颈部、肩部、肘部、腋下和膝部增加灵活性.其中1＃试样亟需改进的是上身灵活性，2＃试样亟需改进的是肩部和肘部的灵活性，3＃试样亟需改进的是肩部、上身和手臂的灵活性.

综合工效学主观和客观评价结果来看，3套高温防护服均对受试者的肢体活动灵活性产生了较大的限制，试验结果明确显示出受试者所认为活动受限的部位，这为高温防护服的结构改进提供了基础数据和优化方向.

2.3 穿着生理负荷测试

2.3.1 心率测试

利用动态心率计实时监测受试者在运动过程中心率的变化，评估高温防护服对人体造成的生理负荷.在相同运动状态下分析受试者心率变化，结果如图6所示.其中前5min为准备阶段，5～15min为登台阶阶段，15～25min为静坐阶段（连续阶段）.

由图6可以看出：受试者在高温环境（环境2）中处于静坐状态时的心率要高于常温环境（环境1），但都处于正常范围之内，因此并不会对受试者造成过大的生理负荷.

图6 受试者心率变化Fig.6 Heart rate of the participates

在环境1中，受试者在运动过程中逐渐感受到生理负荷，导致心率的增加和舒适性感觉的降低.15 min运动停止后，穿着2＃试样的受试者心率以较快的速率下降，并逐渐恢复到正常状态，而穿着1＃和3＃试样的受试者心率恢复较慢，说明2＃试样对受试者造成的生理负荷较小，且对受试者生理状态恢复的抑制作用也小.

在环境2中，受试者穿着2＃试样时，心率随着运动的状态而变化，并且具有一定的滞后性.穿着1＃和3＃试样时，心率并没有随着运动的状态发生明显的变化，说明在高温环境中，全部为复合铝箔材料的1＃和3＃试样并未对受试者产生更大的生理负荷，且具有更好的热防护作用.因此，高温防护服的材料对其防护效果具有决定性作用，高温防护服整体舒适性的优化需要采用从结构方面介入的技术途径.

2.3.2 穿着生理负荷实验主观评价

两个测试环境下各阶段受试者对防护服整体舒适性的主观评价结果如图7所示.其中，a代表环境1中静坐阶段结束点，b代表环境1中登台阶阶段结束点，c代表环境1中跑步阶段结束点，d代表环境2中静坐阶段结束点，e代表环境2中登台阶阶段结束点，f代表环境2中热辐射阶段结束点.主观问卷在每个阶段结束时进行填写.

图7 试样整体舒适性的主观评价Fig.7 Overall comfort evaluation results of wear trials

由图7可以看出，在两种测试环境下，受试者对于3套高温防护服整体舒适性的打分均为负值，且环境1中的分值略高于环境2中的分值.受试者对于2＃试样的舒适性评价值高于1＃和3＃试样.当受试者在常温环境下进行运动时，对舒适性的评价值明显低于静坐状态.

在环境2中，受试者做登台阶运动时，对于3套高温防护服整体舒适性的评价值显著下降，但在进行热辐射时，对舒适性的评价值却有所升高，说明相对于在高温环境中进行运动而言，受试者处于静止状态接受热辐射时舒适性稍好.

受试者在两种环境中对高温防护服热湿舒适性的主观评价结果如表4所示.由表4可以看出，受试者认为穿着3类高温防护服的热感觉和湿感觉均不佳，对其主观评价的打分均为负值，且在高温环境中运动时的热湿舒适感觉更差.

另外，通过受试者对运动时肢体各部位灵活性的主观评价发现，在常温状态下，受试者感受到肩部、膝部、腿部的灵活性较差，而在高温环境中，则有更多部位如头颈部、裆部等活动受限，这为高温防护服结构的优化提供依据.

综合工效学测试和穿着生理负荷试验结果可知，1＃和3＃高温防护服需进行结构优化的部位为颈部、肩部、肘部、腋下、臀部和膝部等，2＃高温防护服需进行结构优化的部位为肘部、腋下、腰部和膝部等.

表4 高温防护服热湿舒适性主观评价Table 4 Thermal and moisture comfortable properties of thermal protective clothing

2.4 结构优化策略

基于穿脱便捷性测试、工效学测试和穿着生理负荷试验结果以及对受试者的访谈，以防护服装功能设计模式［5］为理论基础，对被测的3套高温防护服的结构提出了优化策略［10］，见表5所示.

表5 结构优化策略Table 5 Pattern optimization recommendations

续 表

根据高温防护服装功能设计的常用手段［5］，在肘部增加褶裥、腋下增加三角插片、膝部增加褶裥等优化措施符合高效工作的功能设计；头盔眼眶位置上抬、增大领围尺寸、减小立裆长等优化措施符合穿着舒适的功能设计；改进头盔的搭扣设计、将裤门襟改为拉链结构等优化措施符合易用便捷的功能设计；改进裤脚口材质符合耐久性的功能设计.

3 结 语

针对当前国内应用的典型高温防护服的舒适工效性，本文通过设计实施评价方案获得基础数据，发现现有高温防护服在对人体运动灵活性及对人体产生生理负荷方面存在问题，影响作业人员的工作效率.在0.05的显著水平下，肢体灵活性受到高温防护服与肢体动作的显著影响，受试者对本文测试的3类防护服整体灵活性的主观评价低，评分值分别为－1.25，－0.70和－1.35.受试者在运动时和高温环境中生理负荷增大，且材料全部为复合铝箔防火布的1＃和3＃高温防护服对人体产生的生理负荷更显著.

通过提出优化高温防护服结构造型的技术途径，实现在保证不降低高温防护服安全防护性能的基础上，优化其舒适工效性.主要对策包括对高温防护服产生舒适性问题的相应部位（如肩部、肘部、腋下、膝部等）进行结构设计优化，以达到减少防护服对人体活动的限制，以及减轻人体的生理负荷的目的.

参 考 文 献

［1］李俊，管文静，韦鸿发.功能防护服装的性能评价及其应用与发展［J］.中国个体防护装备，2005（6）：22－25.

［2］ADAMS P S，SLOCUM A C，KEYSERLING W M.A model for protective clothing effects on performance［J］.International Journal of Clothing Science and Technology，1994，6（4）：6－16.

［3］张昭华.防护服热湿舒适性的研究进展［J］.中国个体防护装备，2008（3）：23－26.

［4］CELCAR D， MEINANDER H， GERSAK J. Heat and moisture transmission properties of clothing systems evaluated by using a sweating thermal manikin under different environmental conditions［J］.International Journal of Clothing Science and Technology，2008，20（4）：240－252.

［5］辛丽莎，李俊，王云仪.防护服装功能设计模式研究［J］.纺织学报，2011，32（11）：119－125.

［6］李俊，施雷花，张渭源，等.耐高温防护服及其发展趋势［J］.中国个体防护装备，2005（1）：16－18.

［7］王强，陈东生.从心率角度评定服装舒适性的方法［J］.山东纺织科技，2008（6）：36－39.

［8］HUCK J.Protective clothing systems： A technique for evaluating restriction of wearer mobility ［J］. Applied Ergonomics，1988，19（3）：185－190.

［9］王云仪，王晓琼，李俊，等.服装接触舒适性感知评价标尺的开发［J］.纺织学报，2007，28（5）：104－108.

［10］李红燕，张渭源.服装功能性研究进展［J］.纺织学报，2007，28（8）：117－119.

Comfort－Ergonomics Evaluation and Optimization of Thermal Protective Clothing

TIANMiao1a，1b，1c，WANGYun－yi1a，1b，1c，ZHANGXiang－hui1a，1b，1c，ZHANGZhong－bin2
（a.Fashion and Art Design Institute；b.Protective Clothing Research Center；c.Key Laboratory of Clothing Design ＆Technology，Ministry of Education，1.Donghua University，Shanghai 200051，China；2.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 100029，China）

Currently，the research of protective clothing frequently focuses on the function development，thus cause the sacrifice of clothing comfort performance，which will affect work efficiency of the wearers.The dressed／undressed convenient test，ergonomics test and wear trials of physiological load are carried out with three kinds of thermal protective clothing which are widely applied in industry.According to the feedback from participants，the reasons for the human body flexibility limit and physiological load are figured out，which mainly are the unreasonable structure and thick materials.In order to improve the comfort of the thermal protective clothing，reduce physiological load，and improve working efficiency，the structure optimization strategy is proposed on the basis of the common procedure of functional design.Finally，relative balance between functional and comfort performance of thermal protective clothing is achieved.

thermal protective clothing；comfort；ergonomics；structure optimization

TS 941.731

A

1671－0444（2013）06－0754－06

2012－10－15

中国安全生产科学研究院资助项目（10710494）；国家自然科学基金资助项目（51106022）；教育部高校博士学科点专项科研基金资助项目（20110075110005，20110075120009）；上海市教委科研创新资助项目（12ZZ068）

田 苗（1989—），女，山东青岛人，博士研究生，研究方向为服装功能性与舒适性.E－mail：ti.miao＠hotmail.com

王云仪（联系人），女，副教授，E－mail：wangyunyi＠dhu.edu.cn