气凝胶防寒服的研制与性能评价

苏文桢 卢业虎

摘要： 在低温环境下，需要穿着具有良好保暖能力的防寒服装来保护穿着者免受伤害。基于气凝胶良好的隔热性能及低密度等优点，文章研制了一款气凝胶防寒服装。同时招募了6名女性受试者在人工气候室内进行真人穿着实验，比较了气凝胶防寒服与冲锋衣在保暖性能方面的差别。在温度0 ℃、相对湿度80%、风速0.4 m/s、静坐90 min实验条件下，记录人体局部皮肤温度和平均皮肤温度，以及主观冷暖感。研究结果表明，穿着气凝胶防寒服时人体局部皮肤温度和平均皮肤温度均高于穿着冲锋衣，主观冷暖感也优于冲锋衣。由此可见，将气凝胶应用到防寒服装中是可行的，并具有较强的实际应用价值。

关键词： 气凝胶;防寒服;皮肤温度;保暖性能;冷暖感

中图分类号： TS941.17

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）09005805

引用页码： 091111

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.011（篇序）

Development and performance evaluation of aerogel-based cold protective clothing

SU Wenzhen1， LU Yehu1，2

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215006， China;2.Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute， Nantong 226300， China）

Abstract：

In low temperature environment， cold protective clothing with good thermal insulation is required to protect wearers body from cold stress. In this study， aerogel-based cold protective clothing was developed by using the aerogel materials with good thermal insulation performance and low density. Six female subjects voluntarily participated in wearing tests to compare the thermal insulation difference between aerogel-based cold protective clothing and the traditional winter jacket in the artificial climate chamber. The experiments were performed under the conditions of air temperature 0 ℃， relative humidity 80% and wind speed 0.4 m/s， each subject sit still for 90 min. During the test， the local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling were recorded. The results showed that the aerogel-based cold protective clothing was better than the winter jacket in terms of local skin temperature， mean skin temperature， warm and cool feeling. The research findings demonstrate the feasibility of applying aerogel in cold protective clothing， showing strong practical application value.

Key words：

aerogel; cold protective clothing; skin temperature; thermal insulation property; warm and cool feeling

收稿日期： 20200103;

修回日期： 20200807

基金項目： 中国纺织工业联合会科技指导性项目（2019020）;苏州市重点产业技术创新项目（SYG201812）;南通市科技计划项目（JC2018039）

作者简介： 苏文桢（1996），女，硕士研究生，研究方向为功能服装开发。通信作者：卢业虎，副教授，yhlu@suda.edu.cn。

防寒服也被称为冷气候服，通常是指温度在-40～10 ℃且有大风的环境中，能够维持人体正常生理指标的服装[1]。市场上的防寒服主要分为两类：主动产热式防寒服和被动隔热式防寒服[2]。主动产热式防寒服主要是通过在衣物中添加电子加热元件达到保暖效果，这种方式存在很多缺点，比如需要携带电池，电池的便携性、续航能力及安全性等得不到保障，同时服装的洗涤性也受到影响[3]。日常生活中大多是被动隔热式防寒服，通常以增加服装厚度[4]、改变填充物[5]或多层穿着[6]的方式达到保暖效果，这也就带来了一系列的缺点，例如厚重的服装降低了穿着者的正常活动能力，有些精细的作业难以执行;运动过程中服装被压缩，空气层厚度减小，隔热效果下降;纤维吸湿后也会大幅降低服装的保暖效果[7]。因此，开发一种克服传统纺织材料缺点的新型隔热材料是研究者追求的目标。

气凝胶是一种具有纳米多孔性网络结构的材料，具有很高的孔隙率，固体所占体积比极低，这使得气凝胶成为目前世界上热导率最低、密度最小的固体材料，密度低至0.002 g/cm3，常温常压下热导率仅为0.002 W/（m·K），真空室温热导率为0.001 W/（m·K）[8]。气凝胶独特的网络结构及低密度、低热导率的优良特性，使得它可以作为一种超级隔热材料被应用到服装领域。但纯的气凝胶易碎，只有经改性后的气凝胶才能加以利用。研究表明，经过改性后的气凝胶可耐受1 600 ℃的高温，同时还具备很高的物理强度。通过查阅文献[9-11]，发现气凝胶在消防服上的应用已有相关研究，其良好的隔热性能不仅提高了消防服的防火性能，同时也为消防员的生命安全提供了更好的保障，然而应用于消防服的气凝胶多为SiO2气凝胶毡或涂层，还存在粉末化脱落等问题而不能直接使用，且应用于防护服的舒适性较差，这些问题都有待解决。

在防寒服领域，气凝胶材料已有应用探索。2002年，NASA部署下的阿斯彭公司研制出了更具耐受性和柔韧强度的气凝胶[12]，并将其应用到太空服隔热保温衬里;意大利服装公司Corpo Nove生产了在极端寒冷条件下穿着的气凝胶夹克;2009年，阿斯彭公司和加拿大的高尔夫球装备商合作研制了一种“零夹层”的气凝胶纤维，一位加拿大的冒险家穿着用这种“零夹层”纤维制成的超薄外套挑战攀登珠穆朗玛峰，对这种材料进行终极测试[13]。但是，气凝胶防寒服装集中应用在一些比较特殊的领域，比如极地科考服装、航空航天服装等，面向民用市场的气凝胶防寒服还很少见，同时上述报道大部分来源于企业，并未见相关研究数据证实其优越性。因此，本研究旨在设计一款气凝胶防寒服，通过真人实验对比气凝

胶防寒服和户外冲锋衣的保暖性能，以此来评价其实用价值，同时为防寒服的优化设计提供科学依据。

1 气凝胶防寒服的研制

1.1 款式结构设计

本研究主要比较气凝胶防寒服与传统防寒服的保暖能力，气凝胶防寒服采用气凝胶材料作为夹层，传统防寒服采用抓绒内胆作为夹层，除夹层材料不同外，要保证二者在面料、尺码、结构设计和款式设计上的一致性。传统防寒服选用Jackwolfskin的一款冲锋衣，其款式如图1（a）所示;除夹层材料不同外，气凝胶防寒服与冲锋衣基本一致，如图1（b）所示。衣身部分采用前后分片结构，袖子为装袖结构，后片比前片略长。头部的可拆卸防风帽用拉链连接在领子处;左右衣身各设置一个口袋;胸前有一个多功能口袋;袖口采用魔术贴调节大小，有效防止风从外部灌入;袖窿底部设计有拉链，便于在热应激情况下及时散热。

1.2 夹层设计及衣身面料

传统的冲锋衣采用可拆卸抓绒内胆，可单独穿着也可与冲锋衣一起穿着，抓绒内胆设在服装最里层，通过扣袢和衣身相连。气凝胶防寒服选用气凝胶作为夹层材料，该材料存在粉末化脱落问题，为了保证服用性能将其缝制在面料与里料之间，不可拆卸，并在领部、袖口部、下摆处与外层和里料连接。气凝胶防寒服与冲锋衣构造如图2所示。气凝胶防寒服外层采用与Jackwolfskin冲锋衣相同的高密度防水防风涂层面料（覆膜），里料为100%聚酯纤维，气凝胶材料（深圳中凝科技有限公司）厚度为3 mm，导热系数为0.020 W/（m·K），平方米质量为200 g/m2。

2 实 验

2.1 准 备

本实验招募6名女性受试者，年龄为（23±1）岁，BMI指数为（19.4±0.2）。受试者在实验前一天内不许饮酒，不做剧烈的身体运动，实验前2 h内不进食、不吸烟、喝茶或咖啡。每位受试者进行两次实验，即穿着冲锋衣和气凝胶防寒服各一次，为了排除人体对冷环境适应性的影响两次试验之间至少间隔一天。实验过程中保持受试者着装一致，上装穿着内衣、一件中厚款秋衣和待测试外套（冲锋衣和气凝胶防寒服），下装穿着内裤、一条150 g加绒打底裤和一条运动长裤（双层：面料加里料）。因气凝胶夹克主要覆盖人体上身，本研究主要采集受试者肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂共六个部位的皮肤温度。

2.2 流 程

实验模拟了中国长江区域冬季的户外温度，最冷的月份气温在0 ℃左右。因此，真人实验的气候室温度为（0±0.2） ℃，相对湿度（80±10）%，风速（0.4±0.1） m/s。实验前正常环境温度为（25±1） ℃，相对湿度为（50±10）%，风速（0.15±0.1） m/s。实验前贴好传感器穿着实验服装静坐30 min达到热平衡后进入气候室，避免由于剧烈运动等其他因素对实验产生影响。所有实验均在人工气候室进行，受试者保持静坐姿势，每次实验时间持续90 min，传感器每30 s记录一次数据，同时每15 min向受试者询问一次冷暖感（-4非常冷，-3冷，-2凉，-1有点凉，0舒适，1有点暖，2暖，3热，4非常热）。整个实验过程中，受试者要尽量保持静止状态，实验结束后受试者离开气候室，待身体恢复正常体温后，取下贴好的皮肤传感器，导出实验数据。

由于该实验只测量上身皮肤温度，所以计算全身平均皮肤温度的八点法不适用于本实验。根据人体上半身各部位的面积分布算出各部位对应的比例参数，计算得到各部位的权重，即肩部为0.2，胸部为0.13，腹部为0.18，腰部为0.11，上臂为0.2，下臂為0.18。因此上身平均皮肤温度计算公式为：

Tm=0.2Tshoulder+0.13Tchest+0.18Tabdomen+0.11Twaist+0.2Tuparm+0.18Tforearm（1）

式中：Tm为平均皮肤温度，Tshoulder为胸部温度，Tchest为腹部温度，Tabdomen为腰部温度，Tuparm为上臂温度，Tforearm为下臂温度。

2.3 统计分析

采用One Way ANOVA方差检验比较穿着冲锋衣和气凝胶防寒服两种情况下局部皮肤温度、平均皮肤温度和主观冷暖感的差异。当显著性差异水平p<0.05时，标记为“*”;当显著性差异水平p<0.01时，标记为“** ”。

3 结果与分析

3.1 防寒服质量

本实验研制的气凝胶防寒服与冲锋衣结构相同，面料、里料、辅料均相同，唯一不同的是气凝胶防寒服采用气凝胶作为夹层，而冲锋衣夹层为抓绒内胆。利用电子秤对两件防寒服分别称量，称得冲锋衣和气凝胶防寒服的质量分别为0.9 kg和0.88 kg。可见气凝胶防寒服略轻，但两种服装的质量差别不明显，气凝胶材料的密度有待于进一步优化，使防寒服变得更轻更薄。

3.2 各部位皮肤温度

图3为穿着冲锋衣和气凝胶防寒服时肩部、胸部、腹部、腰部、上臂和下臂皮肤温度的变化情况。观察图3可知，不论穿着哪种防寒服，各部位的皮肤温度都会随着时间的增加而逐渐下降，但是穿着气凝胶防寒服时，皮肤温度下降比较缓慢，下降温度更少。随着时间的增加，各部位皮肤温度的下降速度逐渐变缓，在肩部、胸部和腹部下降速度逐渐趋于平缓，皮肤温度小幅波动几乎不再变化，而在上臂和下臂部位，皮肤温度持续下降。值得注意的是，二者在腰部皮肤温度的差异最小，实验结束时穿着冲锋衣和气凝胶防寒服腰部皮肤温度差值为0.99 ℃，低于肩部的2.4 ℃、胸部的2.4 ℃、腹部的2 ℃、上臂的2.5 ℃和下臂的2.6 ℃。

从图3还可以看出，肩部、胸部、腹部、腰部皮肤温度的下降程度低于上臂和下臂。穿着冲锋衣时，肩部、胸部、腹部、腰部90 min内分别下降4.1、4.4、5.5、4.9 ℃，穿着气凝胶防寒服分别下降1.9、2.3、3.3、3.6 ℃;穿着冲锋衣时，上臂和下臂皮肤温度下降明显，90 min内分别下降6.2、6.7 ℃，穿着气凝胶防寒服时，两部位分别下降3.8、4.3 ℃，明显低于冲锋衣的下降温度。由此表明，气凝胶防寒服在身体局部的保暖效果要明显优于冲锋衣，同时相比肩部、胸部、腹部和腰部，上臂和下臂的保暖效果更弱一些，在今后的优化设计中要加强手臂部位的热保护。

统计分析结果表明，冲锋衣和气凝胶防寒服在肩部表现出差异性，10～70 min表现出显著性差异，其中10～15 min极显著;在胸部、腹部、腰部、上臂和下臂这些部位，只有部分时间表现出显著性差异。因为本实验中人体处于静坐状态，服装在胸部、腹部、腰部与人体存在一定的间隙，空气层较大，服装面料的热传导散热对总散热量的贡献相对较少，所以两件服装之间的差异并不明显。而手臂放置在桌子上，下臂与服装接触，因此气凝胶防寒服在20、50、65～75、90 min均表现出较好的保暖性能。鉴于实验样本量有限，在某些部位没有发现明显的差异，在下一步研究中将深入考虑。

3.3 平均皮肤温度

图4为受试者穿着冲锋衣和气凝胶防寒服平均皮肤温度的变化。在0～90 min内，穿着冲锋衣和气凝胶防寒服受试者的平均皮肤温度都呈下降趋势，冲锋衣平均皮肤温度的下降程度要高于气凝胶防寒服。穿着冲锋衣时，0～90 min内平均皮肤温度下降5.4 ℃，最终温度为28.1 ℃;穿着气凝胶防寒服时，在50 min以后温度下降趋于平缓，0～90 min内平均皮肤温度下降3.2 ℃，最终温度为30.3 ℃。对比可知，穿着气凝胶防寒服时受试者平均皮肤温度下降更少，最终的温度也比冲锋衣高，其保暖效果更好。另外，统计分析结果表明，20～30 min和45～90 min，穿着冲锋衣和气凝胶防寒服两种情况下平均皮肤温度出现显著性差异。在实验开始阶段，由于实验时间的短暂及人体对冷环境的适应性，因此二者在平均皮肤温度方面未表现出差异性。随着实验时间的延长，二者在保暖性能上的差异开始显现，气凝胶防寒服拥有更好的保暖性能，因此在45～90 min二者呈现显著性差异。

3.4 冷暖感对比

图5为90 min内受试者穿着冲锋衣和气凝胶防寒服冷暖感的变化情况。不论穿着哪种防寒服，人体的冷暖感都会下降。在刚进入人工气候室时，受试者的总体冷暖感都是0（舒适），进入气候室15 min后穿着冲锋衣开始觉得凉，冷暖感迅速下降，最后达到-3（冷）;而气凝胶防寒服出现冷感觉的时间比冲锋衣晚，实验最终冷暖感为-2（凉）。因此，气凝胶防寒服在低温状态下的冷暖感要优于冲锋衣。

4 结 论

基于气凝胶优良的隔热性能及低密度等优点，本研究将气凝胶材料应用到防寒服中，研制出一款气凝胶防寒服。通过真人实验比较了冲锋衣和气凝胶防寒服在质量、局部皮肤温度、平均皮肤温度和冷暖感四个方面的表现，根据实验结果得到以下结论。

1）在局部皮肤温度方面，穿着气凝胶防寒服的受试者皮肤温度下降更少，下降速度更加缓慢。相比于躯干部位，胳膊远离心脏且脂肪较少，上臂和下臂的皮肤温度下降程度高于肩部、胸部、腹部和腰部，在今后的优化设计中要加强对手臂的热保护。另外，躯干部位中腰部皮肤温度下降最少。

2）在平均皮肤温度方面，穿着气凝胶防寒服的受试者平均皮肤温度下降更缓，随着实验时间的增加逐渐稳定，平均皮肤温度下降更少。

3）在冷暖感方面，气凝胶防寒服出现冷感覺的时间比冲锋衣晚，而且最终的冷暖感等级高于冲锋衣。

因此，不论从哪个方面来看，气凝胶防寒服的保暖效果都要优于冲锋衣，将气凝胶应用到防寒服中是可行的，且本研究成果具有较强的实际应用价值。

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