相变降温军训服的设计开发与评价

周 文，郑 晴，柯 莹,2

(1.江南大学 设计学院，江苏 无锡 214122； 2.江苏省非物质文化遗产研究基地, 江苏 无锡 214122)

学生军训时需在高温环境下完成一系列的军事训练内容。在军训过程中由于散热不足，学生易出现中暑、热衰竭、热痉挛等热应激反应，直接影响其热湿舒适性，甚至威胁生命安全[1-2]。传统军训服主要采用涤纶面料，吸湿透气性差且结构简单、缺少通风设计，无法满足人体的散热需求，这是造成军训时出现热应激反应的主要原因之一[3-4]。

为使人体在高温环境中有效散热，提高热湿舒适性，许多研究将降温装置与服装相结合，开发个体降温服。现有的个体降温服包括液体冷却服[5]、空气冷却服[5-7]、相变材料降温服[7]和混合冷却服[8-9]。液体冷却服和空气冷却服虽具有显著的降温效果[9-10]，但由于连接了制冷系统，其存在高成本、装置复杂和不可移动的缺点[11]。而相变降温服主要是依靠相变材料吸收潜热来降低皮肤表面温度，有效将穿着者衣下微环境维持在一个舒适的温度(32～34 ℃)，性价比较高且便于携带[9,12-13]。

目前，相变材料已被应用于各类职业服装，如建筑工劳保服、矿工服、炼钢服等[14-17]。研究人员通过暖体假人测试或真人着装测试证明在服装中添加相变材料能有效缓解工作人员的热应激反应。常见的将相变材料与纺织品相结合的生产方法包括纺丝法、相变材料微胶囊法、中空纤维填充法和后整理法[18]。相变材料的降温效果主要与融化温度、材料覆盖面积、用量和潜热有关：一方面，降温速度与皮肤温度和相变材料(PCM)的融化温度间的温度梯度成正相关，与PCM的覆盖面积成正相关，且在炎热气候时，有效的温度梯度应大于等于6 ℃；另一方面，降温效果的持续时间取决于PCM的用量和潜热[19]。

本文将相变材料添加到传统军训服上衣内层中，设计开发出一款降温军训服。通过人体着装实验测量受试者的皮肤表面温度、心率、主观舒适感等指标，并对传统军训服与新型降温军训服的热湿舒适性进行对比评价，研究结果将减轻学生夏日高温下作训时的热应激反应，提高其穿着军训服时的热湿舒适性，同时也为高校军事训练服装及同类型功能性服装的设计开发提供参考。

1 相变降温军训服设计

实验服装包括降温军训服和基础服装。降温军训服包括长袖上衣和长裤(40%棉，60%涤纶)，服装按照行业标准DB52/T 1051—2015《学生用军训服》进行设计，上衣长、胸腰围、裤长、裤腰围分别为69、122、106、90 cm。基础服装包括T恤(100 %涤纶)、纯棉内裤和纯棉短袜。

此次设计降温军训服款式如图1所示，在传统军训服的上衣内层添加一层涤纶针织网眼面料并缝有口袋，用于放置相变材料封装包。依据人体不同部位的出汗量，在出汗量较高的前胸和后背位置相变材料包[20-21]：前胸部分共放置40个，考虑到目前学生用军训服男女同款，因此前胸放置PCM避开乳房部位；后背部分共放置42个，覆盖整个背部。每个PCM封装包的尺寸为3.0 cm×6.5 cm，质量为9 g。由于相变材料具有明显降温效果时，其与皮肤表面之间的温度梯度应大于或等于6 ℃[19]，而人体平衡时平均皮肤温度为32～34 ℃，运动过后会升至36 ℃左右，因此本文选用相变温度为18 ℃的PCM，相变潜热为192 J/g。

图1 相变降温军训服款式图

对照实验服装选择不加入相变材料的传统军训服，服装的其他条件与降温军训服完全相同。

2 人体着装实验

2.1 实验对象

按照GB/T 1335.1—2008《服装号型 男子》，选取7名号型在175/78 A范围内的健康男大学生作为受试者。受试者年龄、身高、体重和BMI分别为(21.6 ± 1)岁，(175 ± 3.5) cm，(67 ± 6) kg，(21.8 ± 1.8) kg/m2。所有受试者在实验前3 h内未进行剧烈运动，穿着服装均较为合体，无紧绷或其他不适感。

2.2 实验方案

实验在温度为(32±0.5) ℃，相对湿度为(50±5)%，风速小于0.1 m/s的人工气候仓(日本ESPEC公司)中进行。每个受试者在连续2天内随机进行2次实验，分别穿着传统军训服(未添加相变材料)或相变降温军训服。相变材料每次实验前应在5 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保证完全凝固。实验开始前10 min将相变材料从冰箱中拿出，装入军训服内口袋中，使其表面温度升至12 ℃左右，避免由于初始温度过低导致过冷现象。

受试者提前30 min进入室温为(20±2) ℃的实验室适应环境，达到热平衡状态[26](TSK=32～34 ℃)。实验开始前，采用ICS439型体重秤(瑞士METTLER-TOLEDO AG公司)称取各部分服装质量和受试者的裸体体重，将DS1921G型i-button温湿度传感器(美国Maxim Integrated公司)用医用胶带(美国3 M公司)固定于受试者皮肤表面。受试者穿着统一的T恤、袜子、运动鞋和军训服。称量着装后开始实验，整个实验60 min：在F63型跑步机(美国SOLE公司)上以4.2 km/h的速度运动40 min，运动结束后在环境舱内静坐20 min，如图2所示。期间，每隔10 min询问受试者的主观感受，包括整体、上半身和下半身的热感、湿感、舒适感。实验结束后，再次称取受试者的着装体重、裸体体重以及各部分服装质量。

图2 人体着装实验

2.3 测试指标

2.3.1 皮肤温度

采用i-Button温度传感器测量10个位置的皮肤温度[22-24]：额头(A)、胸部(B)、前臂(C)、手背(D)、腹部(E)、上臂(F)、肩胛(G)、腰部(H)、大腿(I)、小腿(J)。根据ISO 9886—2004《人类工效学.通过生理测量评估热应变》，平均皮肤温度(TSK)、平均躯干温度(Ttorso)计算公式分别为：

TSK=0.07×(TA+TF+TC)+0.175×(TG+TB)+

0.05×TD+0.19×TI+0.2×TJ

(1)

Ttorso=0.25×(TB+TG+TE+TH)

(2)

式中：TSK为平均皮肤温度，Ttorso为平均躯干温度，TA为额头温度，TF为上臂温度，TC为前臂温度，TG为肩胛温度，TB为胸部温度，TD为手背温度，TI为大腿温度，TJ为小腿温度，TE为腹部温度，TH为腰部温度，其单位均为℃。

2.3.2 主观感受

本文实验采用的主观评价包括3个主观感受(热舒适感、热感、湿感)，评价标尺如表1～3所示。

表1 热舒适感主观比例标尺

表2 热感主观比例标尺

表3 湿感主观比例标尺

2.3.3 出汗量、汗液蒸发量及汗液蒸发率

实验前后用体重秤称量受试者的裸体体重、着装体重，以及各部分服装的质量，计算出汗量、汗液蒸发量和汗液蒸发率，计算公式如下：

Sp=W0-W1

(3)

Sp′=W0′-W1′

(4)

(5)

式中：Sp为出汗量，g；W0和W1分别为实验前后受试者的裸体体重，g；Sp′为汗液蒸发量，g；W0′和W1′分别为实验前后受试者的着装体重，g；φ为汗液蒸发率。

2.4 数据分析方法

采用SPSS V.20.0软件(国际商业机器公司)进行数据分析。采用双因素重复测量方差(Two-way repeated ANOVA)分析比较降温军训服和传统军训服的平均皮肤温度和局部皮肤温度的差异。当主效应显著时，则进一步用Bonferroni法进行事后检验，比较2件服装各指标在各个时间点的差异(以10 min为间隔)。

采用配对样本t检验比较穿着降温军训服与传统军训服时的主观感受(热感、湿感和舒适感)、出汗量和汗液蒸发率之间是否存在显著性差异。

当检验结果p< 0.05时，则判定2组之间的差异有显著性。

3 实验结果与分析

3.1 降温军训服对皮肤温度的影响

胸部、腹部、肩胛和后腰是相变材料的主要覆盖部位，局部皮肤温度变化如图3所示。可看出相变降温军训服显著降低了躯干部位的皮肤温度。其中，局部皮肤温度相差最大的部位在肩胛，最大降低3.83 ℃；其次在后腰，最大降低2.58 ℃；腹部最大降低1.88 ℃；胸部最大降低1.61 ℃。相变降温军训服对不同部位的降温影响不同，主要与相变材料的覆盖位置和覆盖面积有关。

注：*表示p<0.05，下同。图3 局部皮肤温度

在穿着降温军训服的前10 min，肩胛和后腰的温度明显降低，这是由于后背部位与相变材料接触更紧密，相变材料的吸热效果更明显，从而降低了肩胛和后腰的皮肤温度。

平均皮肤温度变化如图4所示。可以看出，降温军训服和传统军训服的平均皮肤温度在10 ～ 60 min均有显著差异(p< 0.05)，说明相变材料显著降低了受试者的热生理温度。

图4 平均皮肤温度

Mitchell D等[25]的研究表明，人体热舒适状态下的平均皮肤温度为32～34 ℃，当平均皮肤温度超过35 ℃时，90 %的人会感觉到热；31.5 ℃是舒适的下缘，大部分人会感到凉爽。传统军训服的平均皮肤温度在10 min后已超过34 ℃，30 min后超过35 ℃；而降温军训服在前40 min的运动阶段均未超过35 ℃，说明相变材料能缓解军训服着装者的热应激反应。但休息阶段，降温军训服的平均皮肤温度仍继续上升，主要与相变材料完全融化而失去降温效果有关。

平均躯干温度变化如图5所示。整个实验过程，穿着降温军训服的受试者的平均躯干温度均显著低于传统军训服(p< 0.05)，最高平均躯干温度分别为34.79 ℃和35.64 ℃。可见，由于躯干部位服装为相变材料的主要添加位置，明显减缓了皮肤温度的上升。在整个实验过程内，降温军训服的平均躯干温度上升缓慢，且均未超过34 ℃，着装者处于热舒适的状态。

图5 平均躯干温度

3.2 降温军训服对出汗量和汗液蒸发的影响

受试者分别穿着传统军训服和降温军训服实验前后的出汗量、汗液蒸发量和汗液蒸发率，见表4。可以看出，受试者穿着降温军训服的平均出汗量比穿着传统军训服时低42.43 g，说明相变材料的降温效果有效抑制了着装者的出汗程度。但降温军训服的汗液蒸发率低于传统军训服3.1%，这是由于服装添加有一层相变材料，相变材料的透气透湿性能较差，且测试结果表明相变材料间隙分布越紧密，透气透湿性越差[26]，因此相变材料封装包的添加反而降低了降温军训服的透湿性能。

表4 受试者的平均出汗量、汗液蒸发量和汗液蒸发率

3.3 降温军训服对主观热湿舒适感的影响

图6是受试者上半身主观热湿舒适感的平均值对比图。从图中可以看出，受试者穿着降温军训服时上半身的主观舒适感、热感和湿感均优于传统军训服。2种服装条件下，受试者上半身的舒适感在10～50 min有显著差异(p<0.05)，热感和湿感在10～60 min有显著差异(p<0.05)，说明相变材料的添加，使着装者感到更加舒适、凉爽且出汗更少。

图6 主观感受对比图

实验数据还表明，受试者整体的主观热湿舒适感与上半身的感受接近，且SPSS数据分析显示受试者穿着降温军训服时整体的舒适感、热感及湿感均显著优于传统军训服。由于下装未作改良，受试者下半身的热湿舒适感不具有显著性差异(p>0.05)。

4 结 论

本文应用相变材料，设计了一款降温军训服。通过人体着装实验，获得着装者的皮肤温度、出汗量和主观热湿舒适感。与传统军训服进行对比，发现相变材料的应用使着装者的局部皮肤温度、平均皮肤温度与平均躯干温度均有显著性降低，其中肩胛部位降温效果最明显，最大降低3.83 ℃，平均皮肤温度最大降低0.95 ℃，且整个实验过程中皮肤温度均为超过35 ℃；受试者的出汗量明显减少，平均出汗量降低42.43 g；对比发现，穿着降温军训服时，受试者的主观热湿舒适感也显著提高。

在后续的研究中，可通过改变相变材料的分布规律以及添加方式，进一步提高相变降温服装的热防护效果以及透气透湿性。