服装面料热传递理论与表征的研究

程浩南

（1.江西省现代服装工程技术研究中心，江西南昌330201；2.江西服装学院，江西南昌330201）

服装面料热传递理论与表征的研究

程浩南1,2

（1.江西省现代服装工程技术研究中心，江西南昌330201；2.江西服装学院，江西南昌330201）

首先介绍了服装面料热传导的机理及表征，展示了服装面料热传递的传导、辐射和对流三种方式及相关内容。然后，通过对服装面料热传递的测试方法进行对比论述，分别介绍了冷却法、保温法、恒温法和暖体假人法的测试指标及适用条件，最后，通过总结分析得到影响服装面料热传递的四个因素，分别是纤维、纱线、服装面料结构和外界环境，这四个影响因素的影响显著性并不相同，需要进行更多的试验去研究证明。服装面料热传递的研究需要更加注重多学科协同合作和多层服装面料，暖体假人法对服装面料进行热传递的测试结果更加精准，必将成为热传递测试方法的发展趋势。

服装面料；热传递；测试方法；暖体假人法

随着人们消费水平的不断提高，消费者在购买服装的过程中，除了关注服装的款式、色彩和材料之外，对于服装的穿着舒适性也提出了更高的要求。除此之外，人们的活动范围越来越广阔，尤其是在特殊自然条件下，服装的舒适性显得更加重要。因此，服装的穿着舒适性的相关研究需要纺织服装生产企业引起高度重视。本文通过阅读相关参考文献，针对服装舒适性中的热传递理论与表征进行研究，为服装舒适性的研究提供一些理论参考。

1 服装面料热传导的机理及表征

服装面料热传导的方式主要有三种：传导、辐射和对流，当人体皮肤表面存在汗液时，热量以蒸发和扩散的形式散失，这种方式称为蒸发散热。 辐射传热是一种以电磁波形式将能量从高温物质传递到低温物质的非接触散热方式。作为热交换的基本形式之一，辐射不依赖于任何介质且持续不断进行。就人体而言，裸露皮肤面积和皮肤与外环境温差是影响辐射散热的主要因素。温差为正值，人体对外界进行辐射散热；温差为负值，人体吸收环境辐射热。由斯蒂芬非黑体辐射能量，人体与服装面料或环境的辐射传热公式如 （1）[5]：

式中：H为单位时间内人体与环境间的辐射传递热能量，W；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.6696×10-8W/(m2·k)；ε1，ε2分别为人体和环境的辐射率； T1为人体绝对温度，K；T2为环境绝对温度，K；A为人体的有效辐射面积，m2。

传导散热是一种接触性传热方式，指温度不同的两个物体接触时，热量通过中间物质，由高温物体转移到低温物体；或在同一物体内产生温差时，由高温处传热给低温处的过程。只有存在温差，并相互接触的情况下，才会热传导存在。通常情况下，人体站立时除足底外基本是与空气接触，而空气的导热率非常低，服装面料的导热率也很小，所以一般情况人体正常着装通过传导散失的热量很少。如果服装受潮润湿，导致纤维导热率增加，保暖性下降。传导散热还常发生在人体与服装面料接触的瞬间，皮肤热量迅速被传导出去，即通常所说的服装面料接触冷暖感。通常用热阻 R和导热系数λ反映服装面料的热传导能力。人体向与其接触的低温物体的热传导热量计算公式如 （2）[6]所示：

式中：Φcd为传导散热量，W；hcd为所接触物体的传热系数，W/(m2·℃)；ts为皮肤平均温度，℃；to为所接触物体的温度，℃；Acd为有效传导面积，m2。

对流散热是一种接触性传热方式，指流体与所接触物体表面产生的热移动现象。因流体温度不匀而造成流体移动，从而传递热量的方式，称为自然对流。人体静止时，皮肤和服装表面的空气就存在这种对流。由于其他原因造成流体移动进行热量传递，称为强迫对流。人体处于运动或在有风的环境中时，这种作用会加剧。实际上，对流散热过程中导热和对流两种形式同时存在。流体接受导热后再移动，形成热传递，单纯的对流并不存在。对流散热的计算公式如 （3）[5]：

式中：Φcv为对流传热量，W；hcv为对流散热系数，W/(m2·℃)；ts为皮肤平均温度，℃；ta为环境温度，℃；Acv有效对流面积，m2；F是量纲为1的系数，数值为风速的二次方，风速单位采用m/s。

蒸发散热在液体表面发生的汽化现象，这种散热方式在任何温度条件下都有发生，当环境温度高于人体时，其他传热方式不再发挥作用，而蒸发成为人体散热的唯一有效形式。但是如果服装导湿性能不好，人体与服装面料微环境区湿汽与热量大量滞留，就会产生闷热感。人体蒸发散热还可分为显汗蒸发和不显汗蒸发两种形式。前者是在人体活动量较大，或是环境温度较高情况下，人体代谢较快，汗液以液态形式呈现在皮肤表面，然后蒸发的现象。后者出现在环境温度适中或者较低或者活动量不大情况下，人体新陈代谢水平低下，汗液在汗腺中或是在汗腺附近以水汽形式存在带走热量，并不润湿皮肤；计算公式 （4）[6]：

式中：φe为蒸发散热量 W/m2；α为水蒸发系数，20℃时为 0.68（W·h）/g；G为人体表面的水分蒸发量，g/(m2·h)。

服装面料从宏观上讲，是一个纤维和空气的集合体，它对热的传导主要通过传导、辐射、对流以及一定程度的蒸发潜热。常规状况下，服装面料纤维间、纱线间空洞很小，服装面料与皮肤间空气层非常稀薄，又基本处于静止状态，因此对流作用非常微弱。而人体辐射的热量，大多被服装面料吸收和反射，穿透过去的很少。再加上空气导热系数很小，基本不导热，因此服装面料主要通过纤维传导散热。纤维轴向的导热系数远大于沿径向的导热系数，热量大多通过轴向传输，然后在纤维搭接处向外传递，虽然热流行进路程大于服装面料上下表面垂直距离，但此时的热阻却是最小[7]。微观上讲，物质的热传导是电子、声子、光子和分子的碰撞与运动导热的结果。固、液、气三态导热，固体金属以自由电子为主，声子的作用较微小；结晶高聚物取决于声子的传导，此外还与结构缺陷、孔穴和无序区引起的原子、分子和分子链段的相互作用碰撞有关；液体热传导载体以电子和声子为主，液体分子的传导作用较小；气体以气体分子传导为主。而热量的传输速率，以自由电子碰撞机制最快，声子碰撞次之，分子或原子碰撞最慢。服装面料在标准状态下，由于回潮作用含有一定水分，是纤维、水和空气的集合体。其中，空气的传热最慢，纤维次之，水的导热系数最高。一般纺织纤维，20℃时的热传导系数在0.01~0.4之间，而水的高达0.697。

2 服装面料热传递的测试方法和指标

2.1 冷却法

冷却法测试服装面料热传递性能有圆筒法和平板法两种测试方式，测试过程中向仪器中加入一定温度的热水或者通过电加热的方式使仪器带有一定的温度，且在仪器其他各方面绝热的情况下，覆盖包裹上面料样品，得到冷却时间t1，然后测试不放置服装面料时，降到同样温度所需的冷却时间t0，两者相比，得到时间指数C，计算见公式（5）：

时间指数 C越大，说明该面料的热传递性能越差。这种方法只能评价隔热性能的优劣，即定性比较，不能得到服装面料的具体隔热值[8]。

2.2 保温法

保温法与冷却法相似，也有平板和圆筒两种形式。平板式将试样正面向上平铺于试验板，试验板、试验底板和周围的保护板采用电加热至相同温度，并保持恒温，然后将面料包覆在测试仪器上，得到有面料包覆时保持试验板恒温所需的热量Q1和无试样面料包覆时保持试验板恒温所需的热量Q0。圆筒式测试原理与平板式相同。评价指标[8]保暖率Qr、传热系数Uf和热阻Rf，计算见公式 （6）、 （7）和 （8）。

式中：U0为无试样时试验板传热系数W/(m2·℃)，U1为有试样时测试板传热系数W/(m2·℃)。 保暖率Qr越大、传热系数Uf越小和热阻Rf越小，面料的热传递性能越差。

2.3 恒温法

恒温法常用测试仪器为平板式散热仪，整个仪器放置在恒温恒湿室内进行。可以模拟人体所处实际环境及模拟人体出汗，计算得到服装面料的热阻和克罗值。测试时，将面料试样覆盖于测试热板上，测试热板及其周围和底部的热护环 （保护板）保持相同恒定的温度，且使测试板的热量只能通过试样散失，调湿的空气可平行于试样上表面流动。待试验条件稳定后，测得通过服装面料的热流量得到总热阻Rct，计算见公式 （9），克罗值通过总热阻换算见公式 (10)[9]。

式中:Ts为测试热板表面温度，℃；Ta为环境温度，℃；Q/A为通过测试板面积上的热流量，W/m2。总热阻Rct越大，面料的热传递性能越差。

2.4 暖体假人法

暖体假人是一种可以模拟真人穿着服装过程，反映服装整体隔热透湿性能，能够比较准确地测量得到服装隔热透湿值的仪器。测试可以得到服装系统的隔热值Icl[8]。

式中：As为暖体假人的体表面积，m2；Ts为皮肤平均温度，℃；Ta环境温度，℃；Hd为产热量，kcal/h。服装的隔热值越大，面料的热传递性能越差。

3 影响服装面料热传递性能的因素

服装面料是纤维和空气的集合体，影响服装面料热传递的因素很多，本文将从纤维、纱线、服装面料与外界环境四个方面进行讨论。

3.1 纤维对热传递性能的影响

由服装面料热传导机理，服装面料对热的传递方式主要有传导、辐射和对流三种，而传导对热的的贡献率远大于对流和辐射。传导是一种接触性散热方式，服装面料与皮肤的接触，主要媒介是纤维，因此纤维的性质对服装面料热传导非常重要。纤维结晶度越高，取向度越好，越有利于晶格的振动传热，导热系数越大，服装面料热传导性能越好。纤维沿轴向热传导性好于沿径向，有研究表明，纤维平行于热辐射方向排列时的导热能力是垂直排列的2~3倍[10]。

3.2 纱线对热传递性能的影响

纱线的导热体现在内部纤维的排列方向、紧密度及空隙率。一般纱线细度越细，纤维沿轴向排列越均匀，纤维与纤维越紧密，因此导热性越好。捻度与热传导能力呈负相关，捻度越大，纤维排列越紧密，含空气率越少，导热性好。此外有研究[11]表明：在其他条件都相同的情况下，短纤纱的热传导性不如长丝。因为短纤纱内纤维较多，沿轴向有序排列程度不如长丝，因此空隙较多，搭接点少，滞留空气多，热传导性相对较弱。

3.3 服装面料对热传递性能的影响

服装面料厚度、平方米克重、经纬密、孔隙率、含气率、回潮率对其热传导性都有一定影响。其中，厚度和平方米克重对服装面料热阻影响很大。服装面料厚度越厚，热阻越大，服装面料每增加 1 mm，热阻增加0.025（℃·m2）/W，相当于 0.16 clo[8]。厚度相同时，平方米克重越大，热阻值越小，因为纤维间接触紧密，传热通道缩短，吸热散热加快[12]。服装面料经纬密越大，孔隙率越小，导热性越好，平纹孔隙率相对较小，导热性好于斜纹和缎纹。由于空气导热系数比纤维小许多，服装面料含气率越高，热阻值越大，隔热性越好。服装面料回潮率越大，起始热阻值越小[13]。此外，表面粗糙度也对热传导有一定影响，服装面料表面越光滑，表面热边界层越薄，导热性越好。

3.4 外界环境对热传递性能的影响

外界条件的变化对服装面料热传导影响很大。空气湿度高时，纤维吸湿量大，服装面料的导热性能增强，隔热性下降；环境温度与热阻呈负相关，温度越高，导热载体 （电子、声子、分子、光子等）、分子链段及晶格的运动或震动越强烈，导热散热速率加快，热阻减小；当环境风速增大时，服装面料中静止空气数量和边界空气层厚度降低，隔热性降低，导热性增强；此外，大气压也对其有一定影响，大气压越低，空气密度越小，导热性能变弱。

4 结论

由于服装面料的热传递是一个复杂过程，需要进行更多研究服装的热湿舒适性。

（1）在服装面料热传递的研究过程中需要进行多学科交叉协同合作，需要利用医学、数学和计算机相关知识，进行更加深入的研究。

（2）消费者在服装穿着过程中往往是多层着装，在目前服装面料热传递的测试方法中往往针对的是单层面料，这样的测试结果与人体实际穿着感觉存在误差。

（3）暖体假人法虽然投入成本较大，但是，采用此方式对服装面料进行热传递的测试结果更加精准，也必将成为热传递测试方法的发展趋势。

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RESEARCH ON HEAT TRANSFER THEORY AND CHARACTERIZATION OF GARMENT

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi ProvincialModern Research Center of Clothing Engineering Technology，Nanchang Jiangxi330201，China. 2.Jiangxi Institute of Fashion Technology，Nanchang Jiangxi330201，China)

The paper introduces themechanism and characterization of the heat transfer in garment fabric，and shows the conduction，radiation and convection of the heat transfer in garment and the related contents. Then，through the comparison of the testmethods for the heat transfer in garment fabrics，the test indexes and applicable conditions of the coolingmethod，the thermal insulation method，the constant temperature method and the warm dummymethod are introduced respectively.Finally，summarizing four factors for the influence of the heat transfer，namely，fiber，yarn，fabric structure and external environment，the impact of these four factors is not the same significance，more experiments are needed to testify.The research on the heat transfer in clothing fabrics needs to pay more attention to the cooperation ofmulti-disciplinary and multi-layer garment fabrics.The results of warm-up dummy method are more accurate and will be the testing trend of heat transfer testmethods.

clothing fabrics，heat transferring，testmethods，warm-up dummymethods

TS101.92

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.02.004

1672-500X(2017)02-0015-05

2017-02-15

程浩南 （1986-），男，河南周口人，硕士，助教，研究方向为纺织材料改性及测试技术的改进。