被动式微气候仪的研制及织物透湿性能的测量

陈益松, 徐　军, 郭媛媛, 朱成哲, 2

(1. 东华大学 a. 服装·艺术设计学院； b. 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2. 韩德秀平壤轻工业大学，平壤 朝鲜)

被动式微气候仪的研制及织物透湿性能的测量

陈益松1a, 1b, 徐军1a,1b, 郭媛媛1a, 朱成哲1a, 2

(1. 东华大学 a. 服装·艺术设计学院； b. 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；2. 韩德秀平壤轻工业大学，平壤 朝鲜)

介绍了一种采用被动式出汗原理研制的微气候仪，使用Goretex微孔膜复合织物作为模拟皮肤，在温控压力水的作用下实现了可计量出汗，同时实现了对衣下空间微气候状态参数的实时测量和被测面料湿阻的估算.在30和35 ℃两种控制温度下，对8块不同纤维成分与组织结构的面料进行测量，发现控制温度为35 ℃下皮肤出汗率、微气候湿气压相较30 ℃下都有所上升，但面料湿阻有所下降；30 ℃时的出汗率、微气候湿气压和面料湿阻数据的变异系数CV值明显高于35 ℃时的数据，说明低出汗率情况下仪器的灵敏度相对较高.

微气候仪； 皮肤出汗； 透湿性； 湿阻

服装微气候的模拟与测量是服装舒适性研究中的重要内容.微气候仪最关键的部分是人体出汗的模拟，模拟皮肤的选择以及汗水如何供给与计量都是出汗模拟重要的技术问题.最简单的出汗模拟方式是在热板上平放一块高吸湿面料作为模拟皮肤，向上喷水或注水以实现“出汗”.如文献[1]采用该方法研制的微气候仪，在试验过程中水蒸发量受皮肤含水量的不断减少而变化，从而影响试验的稳定性.文献[2]构建的微气候仪使用注射器多位置定量向模拟皮肤中注水，同样，试验过程中随着皮肤水分的减少，试验的稳定性受到影响[3].文献[4]将聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜与厚度为0.6 mm且分布有直径为0.3 mm小孔的出汗热板组合置于水箱上，分别模拟人体无感出汗和显性出汗，但对于如何测量出汗率没有提及.文献[5]研制了类似出汗平板仪的试验装置，采用整体称量的方式来确定水分的散失量，由于水分的散失量相对于整个装置的质量而言只占很小的比例，因此，其测量精度较低.文献[6-7]对文献[5]的系统进行了改进，研制的织物透湿性测量装置使用微孔膜织物作为模拟皮肤，其最大特点是根据毛细管原理实现对皮肤出汗率的直接测定，测量时需要在系统稳定后关闭进水阀，根据水平毛细管水的位置变化来判定水分散失量，该方法不适合较大出汗率的模拟与测量.文献[8]研制的低温条件下使用的微气候仪也使用类似的毛细管出汗计量原理.文献[9]研制的织物微气候仪是在透湿杯上覆盖微孔膜模拟皮肤，通过测量水位的下降量来测量出汗率，并通过步进电机控制的水泵向杯中补充水分，但模拟皮肤和透湿杯中水位存在一定的空气层，其出汗能力受空气层的影响.文献[10]研制的圆筒式微气候仪使用具有微小毛细孔的管路嵌在高吸湿模拟皮肤下，使用蠕动泵循环供水，水通过管道的毛细孔渗出并使模拟皮肤湿润，同时采用温度传感器来检测皮肤表面的润湿状态，并控制蠕动泵向其供水.文献[11]改进了文献[10]的圆筒微气候仪，使用流量调节阀调节出汗率，但该出汗方式属于主动出汗模式[12-13]，无法直接测量通过被测面料蒸发的实际出汗率.以ISO 11092标准研制的出汗平板仪的出汗模拟方式与微气候仪相似，文献[14]研制的在低温(<0℃)条件下使用的出汗热板仪使用Gore-Tex微孔膜复合织物作为模拟皮肤，利用水位相等及固液两相平衡的原理实现了自动补水.美国ATLAS公司的M259B和MTNW公司的SGHP 8.2/10.5使用纤维素膜作为出汗模拟皮肤，实现了常规条件下的自动供水.相对于微气候仪，出汗热板仪的模拟皮肤与面料之间是直接接触，缺少“微气候空间”.

综上所述，现有的微气候仪在出汗模拟方面还存在种种局限.本文介绍一种出汗率可调节且可直接测量的新型微气候仪，用来测量衣下微气候的状态和面料的透湿性能.

1　新型微气候仪研制与应用

1.1新型微气候仪的研制

本文研制的新型微气候仪的结构如图1所示，是在文献[15]中的出汗模拟皮肤测试仪的基础上加装微气候空间构成的.面料试样被固定在尼龙套筒上口与模拟皮肤形成微气候区，一对温度传感器和湿度传感器置于面料试样下表面，用于检测微气候区靠近面料部分的温湿度状态.

图1　微气候仪结构图Fig.1　The structure of micro-climate apparatus

该仪器采用的供水方式与“Walter”假人相似[16]：在供水管中注入蒸馏水形成压力水柱，由于采用PTFE微孔膜复合织物作为模拟皮肤，因此，当微量水穿透皮肤的微孔膜渗出并在皮肤表面以汗气的形式不断蒸发出去时，供水管中的水将自动补充到模拟皮肤下面的盛水圆盘中，通过记录单位时间内水位的下降高度，即可计算出模拟皮肤的出汗率.在记录完毕后，需人工向供水管中注水使水位恢复到原来设定位置.

由文献[15]可知，裸态模拟皮肤的出汗率受到模拟皮肤的类型、皮肤表面温度、皮肤内水压力的影响，但由于皮肤微孔膜的隔离作用，皮肤表面并不会出现明显的液态水凝聚.在出汗状态下的微气候空间，被测面料及微气候空间的空气层都会对皮肤水分的蒸发产生阻力，进而抑制皮肤的出汗能力，稳态时皮肤的出汗率与透过面料的蒸发量达到平衡，即模拟皮肤的出汗率与通过被测面料的透湿量相等.通过调节水柱高度和皮肤温度可改变模拟皮肤的出汗率和微气候空间的湿气压.

本文的微气候仪选用的PTFE膜复合织物为Gore-Tex 3层复合织物，其中上层是面密度为165.78 g/m2、经纬密分别为26和19根/cm的锦纶平纹织物，下层是经编保护织物，织物总厚度为0.428 mm.

仪器选用Pt 100铂电阻温度传感器，分辨率为±0.15 ℃.选用Honeywell公司制造的HIH 3610型高分子薄膜湿敏电容式相对湿度传感器，在无凝结环境中相对湿度的测量范围为0～100%，测量精度可达-3%～3%，适用环境温度为-40～85 ℃.

1.2新型微气候仪的测试应用

人体皮肤表面与最内层服装之间的空气层的温度、湿度、气流等分布构成人体衣下微气候，衣下微气候的状态与人体着装舒适性密切相关.本文的微气候仪可通过测量衣下表面的温度和相对湿度来观察强出汗状态下的衣下微气候状态.微气候空间面料下方的湿气压由式(1)计算.

pm=pms·φm

(1)

其中：pm为微气候空间面料下方的湿气压，Pa；pms为被测面料下表面测量点温度tm下的饱和湿气压，Pa；φm为测量点的相对湿度，%.

由于该微气候仪可以直接测量通过面料的透湿量(即皮肤的蒸发出汗率)，而面料下表面的湿气压已测得，则面料及其上表面空气层的湿阻可由式(2)计算.

(2)

其中：Re为面料及其上表面空气层的湿阻，Pa·m2/W；A为织物的有效测试面积，m2；pas为环境温度为ta下环境的饱和湿气压，Pa；φa为环境的相对湿度，%；E为水的汽化热，30 ℃时，E=0.675 W·h/g，35 ℃时，E=0.672 W·h/g；Ge为皮肤蒸发出汗率，g/h.

2　试验及结果分析

试验在温度为(21±1) ℃、相对湿度为(65±3)%恒温恒湿室进行，微气候仪的加热控制温度分别设定为30和35 ℃，对表1所示的8块普通服用面料进行测试.用注射器定时向供水管中注水，起始液面高度设定为距离盛水盘液面150 cm，在这个高度左右，模拟皮肤的出汗特性比较线性[15].试验开机后约2 h试验环境达到平衡，此时试样吸湿和放湿也达到平衡.试验正式开始时，用注射器向供水管中注水使水位恢复到150 cm处，开始计时，1 h后重新读取水面刻度.再次加水到150 cm，重复一次试验，连续测试3组数据(两次加水的间隔内因皮肤出汗引起的水位下降量仅为设定水柱高度的5%左右，该水位的变化对皮肤的出汗率及微气候状态影响较小，实际测量过程中可忽略).

根据读取的单位时间内的水位下降量，可以按照式(3)计算出模拟皮肤蒸发出汗率.

Ge=ρπr2Δh

(3)

表1　试验面料的基本参数Table 1　Basic parameters of specimens

式中：ρ为水的密度，21 ℃时为998 kg/m3；r为水管半径，3 mm；Δh为1 h水柱的下降量，mm.试验测试与计算结果如表2所示.从试验过程与表2的试验结果可以看出：

表2　试验数据及测量结果Table 2　Experiment data and results

(1) 本文设计的新型微气候仪是成功的，其首次实现了出汗率的测量，通过不同水压和控制温度的设定，可以模拟不同的微气候状态并可实时对相关参数进行测量.

(2) 改变控制温度可以改变模拟皮肤的出汗率，同时微气候空间的湿气压发生相应变化，面料湿阻的测量结果也发生一定的变化.在35 ℃的控制温度下，皮肤的平均出汗率相较30 ℃的控制温度下由1.02 g/h增加到1.77 g/h, 增幅为73.5%；衣下平均相对湿度为89.6%，相比92.4%略有下降，但湿气压却由3 072 Pa增加到了3 525 Pa，增幅为14.7%；面料的平均湿阻由43.3 Pa·m2/W降低到32.3 Pa·m2/W，降幅为25.4%.

(3) 控制温度为30 ℃时，仪器测得的出汗率、衣下湿气压和面料湿阻数据的变异系数明显高于35 ℃时的数据，说明低出汗率情况下仪器的灵敏性相对较高.

3　结　语

本文介绍了一种新研制的微气候仪，该仪器采用被动式出汗原理，实现了出汗率的调节与测量，并同时实现了模拟衣下空间微气候状态参数的实时测量.实测表明，仪器设计合理，工作正常.

通过对8块不同面料的测量，发现在同一测试条件下，面料的衣下湿气压和湿阻差异不大，但在不同的试验条件下，皮肤的出汗率有较大变化，衣下微气候的湿气压变化较大，同时面料的湿阻也相应地发生变化.

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A Passive Micro-climate Apparatus Development and Measurement of Moisture Permeability of Fabric

CHENYi-song1a, 1b,XUJun1a,1b,GUOYuan-yuan1a,JUSong-chol1a, 2

(a.Fashion and Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education,1. Donghua University, Shanghai 200051, China;2. Handosu Pyony Yang Light Insdustry University, Pyony Yang, DPR Korea)

A novel micro-climate apparatus built based on passive-perspiring principle with measurable perspiring capacity was introduced, through artificial skin made by Goretex microporous membrane complex fabric under heated and pressure water. The state of micro-climate under clothing can be measured in a real time way and the evaporative resistance of fabric in test can be estimated finally by using this apparatus. Eight pieces of fabric with different fiber components and structure organizations were measured under two control temperatures of 30 and 35 ℃. The research result indicated that the perspiring rates, humidity pressures in micro-climate increased, but the evaporative resistance of fabric decreased at 35 ℃ compared to 30 ℃. The coefficient of variation (CV) of perspiring rate, humidity pressure and fabric’s evaporative resistance at 30 ℃ were obviously higher than that at 35 ℃, which indicated that the instrument had higher sensitivity at low perspiring rate.

micro-climate apparatus; skin sweating; moisture permeability; evaporative resistance

1671-0444(2015)03-0309-04

2014-02-19

陈益松(1964—)，男，湖南宁远人，教授，博士，研究方向为服装舒适性及光学三维测量.E-mail: cys@dhu.edu.cn

TS 101.9

A