具有开放衣下空气层的织物系统水汽传递性能

吴翔翔　王革辉　邵雪宁　赵涛

摘 要：在M 261型织物透湿性能测试仪的基础上设计和搭建辅助装置，实现了对具有开放的衣下空气层的织物系统的水汽传递性能的测试。利用该装置对8种织物进行了衣下空气层厚度分别为4、8、12、16 mm和20 mm时织物系统的水汽传递性能测试。结果表明：在风速为0.03 m/s的条件下，在一定范围内，织物系统的水汽传递率随着衣下空气层厚度的增大而增大；衣下空气层厚度为4 mm时，织物系统的水汽传递率低于织物的透湿率；衣下空气层厚度为16 mm时，对于普通织物，织物系统的水汽传递率达到最大，比织物的透湿率高29.3%；衣下空气层厚度为20 mm时，对于防水透湿织物，织物系统的水汽传递率达到最大，与普通织物相比，织物系统的水汽传递率几乎没有差异。

关键词：织物系统；衣下空气层厚度；水汽传递性能；辅助装置

中图分类号：TS941.16 文献标志码：A 文章编号：1009-265X（2023）06-0145-07

人体无时无刻不在通过皮肤向外排出水汽，即非显汗量（不感蒸发量），且当外界环境温度升高或人体活动水平提升后人体出显汗时，部分汗液通过蒸发成水汽。人体着装后，若皮肤表面的水汽不能有效地传递到外界环境中，会使衣下空气层内湿度增加，给人体造成不适感［1-3］。衣下空气层的存在及其厚度变化会使皮肤产生的水汽向外界环境传递的方式发生改变，造成服装的湿舒适性不同［4］。实际着装中，当服装松量小于等于0（穿着紧身或贴体服装）时，或服装的开口完全封闭时，即衣下空气层厚度为0或衣下空气层处于封闭状态时，人体排出的水汽仅通过织物向外界环境传递，即服装的水汽传递通过织物的透湿性来实现［5-6］；当存在衣下空气层，而且服装开口没有完全封闭时，人体排出的水汽可通过织物的透湿性和服装开口两种途径向外界环境传递，此时服装的水汽传递量为通过服装开口的水汽传递量与透过织物的水汽传递量（透湿量）之和。通过服装开口的水汽传递量与服装开口的大小、衣下微气候和环境的水汽压差，以及衣下空气层的厚度有关，透过织物的水汽传递量与织物内外两面的水汽压差及织物的透湿性有关。

关于织物透湿性的研究已有很多。Huang等［7-8］对织物透湿性能的多种测试方法进行了对比研究。Onofrei等［9］研究了含有Outlast和Coolmax纱线的针织物的透湿性能，发现织物的吸湿性和结构对织物的透湿性能有重要影响，透气性和透湿性也有良好的相关性。孙雨晴等［10］和陈晴等［11］都研究了织物组织结构参数对织物透湿性能的影响，发现织物的厚度越厚，面密度越大，经纬密度越大，透湿性能相对越弱。

Chen等［12］、张昭华等［13］、王修艳等［14］和张雪原等［15］都研究了衣下空气层厚度对织物系统的蒸发散热热阻的影响，发现在一定的衣下空气层厚度范围内，织物系统的蒸发散热热阻都随着衣下空气层厚度的增大而增加，超过这个范围，衣下空气层厚度进一步增大，织物系统的蒸发散热热阻反而会下降。

关于衣下空气层的水汽传递研究较少。Oh［16］通过将厚度5 mm的压环置于织物试样与试样之间模拟三层服装系统层间间隙5 mm时的水汽传递测试，发现水汽传递率在实验期间几乎处于平衡状态，且水汽传递率大小主要由外层防水透湿织物决定。Gidik等［17］通过正杯蒸发法和正杯吸湿法研究了透湿杯内静止空气层厚度对织物水汽传递性能的影响，发现空气层厚度的增加会导致织物系统水汽传递率的下降。Oh［16］和Gidik等［17］的研究中模拟衣下空气层是四周封闭的状态，而人们日常穿着的服装在很多情况下服装开口是不封闭的。因此，研究具有开放状态的衣下空气层的织物系统的水汽传递的影响可以为服装设计提供理论支持。

本文在M 261型织物透湿性能测试仪基础上，通过设计和搭建辅助装置，开发能够测试具有开放状态而且厚度可调的衣下空气层的织物系统的水汽传递率的测试设备，在此基础上，探讨衣下空气层厚度和织物的透湿性能对织物系统的水汽传递率的影响，期望对服装的水汽传递性能研究和服装的结构设计与面料选择提供指导和帮助。

1 实 验

1.1 实验装置的设计与搭建

由于目前尚无能够用于测量服装水汽传递性能的仪器，也没有能够用于测量带有开放的衣下空气层的织物系统水汽传递性能的仪器，本文在M 261型织物透湿性能测试仪基础上，通过设计和搭建辅助装置开发了能够用于测量帶有开放而且厚度可调的衣下空气层的织物系统的水汽传递性能的仪器。为表述方便，将带有开放的衣下空气层的织物系统简称为织物系统。

辅助装置总的设计思路就是要能够提供开放而且厚度可调的衣下空气层的织物试样安装装置。辅助装置由三部分构成，一是基座，二是试样支架，三是载样片。

基座的作用是起定位作用，用于固定试样支架与透湿杯的水平相对位置，为保证织物试样能正好覆盖透湿杯的杯口提供条件。根据M 261型织物透湿性能测试仪转盘俯视图，按图1 所示的结构示意图将17 mm厚的亚克力板通过I.laser4000激光大师切割出基座，使其上表面与透湿杯安装在托盘后的杯口平面平齐。将基座的下表面用双面胶固定到M 261型织物透湿性能测试仪转盘上。

试样支架的作用有两个，一是为载样片提供支撑作用，二是可以调节织物衣下空气层的厚度。试样支架由若干直径400 mm和直径200 mm的亚克力圆片以圆心对齐的方式粘接叠加而成的立柱。除了支架底部是采用厚度3 mm直径400 mm的圆片以外，其上皆由厚度2 mm直径200 mm的圆片和厚度2 mm直径400 mm的圆片依次粘接叠加。试样支架的结构示意图的俯视图和正视图（侧视图）如图2所示。一系列的试样支架用双面胶固定在基座的特定位置上，以保证载样片能稳固地放置于试样支架上并使织物试样正好位于透湿杯口的正上方，保证试样的透湿面积与透湿杯口内径对应的面积相等。试样支架用双面胶固定在基座上，其实物俯视图见图3。

载样片的作用也有两个。一是承载（粘贴）织物试样，二是和试样支架协同将织物试样固定于透湿杯口上方的适当位置。载样片是用厚度为1 mm的亚克力薄片通过激光切割而制得的，其结构的俯视图如图4所示。镂空圆的直径与透湿杯口内径相同，中心保留一个宽度为1 mm的十字线，以防止织物试样下垂。

1.2 实验材料

实验选取了8种质地均匀的常用织物作为实验用织物，其中包括4种机织物（1#—4#），3种针织物（5#—7#），1种防水透湿织物（8#），其基本信息见表1。将每种织物剪取6块直径为8.8 cm的圆形试样。实验前将剪好的织物试样置于恒温恒湿室（温度（20±2 ）℃、相对湿度（65±2）%）中调温调湿至少24 h。

1.3 织物系统的水汽传递性能的测试

测试环境温度为（20±2） ℃，相对湿度为（65±2）%。

1.3.1 织物透湿性能的测试

当衣下空气层厚度为0 mm时，织物系统的水汽传递的唯一途径就是通过织物的透湿，所以，可以通过测试织物的透湿性能来测得织物系统的水汽传递性能。

测试仪器采用M261型织物透湿能测试仪，透湿杯内径为8.3 cm，转盘转速2 r/min（风速为0.03 m/s）。向透湿杯内注入46 mL水，置三角架于透湿杯上，试样正面朝上盖于三脚架之上，盖上压环并用乙烯胶带密封透湿杯边缘，将透湿杯置于转盘之上。开启仪器，平衡1 h后关闭电源，利用电子天平称取初始重量M0，再次开启仪器透湿2 h后称取透湿杯重量M1。

根据公式WVT=24·ΔM/（A·T）计算织物的透湿率，单位为g/（m2·d），其中ΔM= M1-M0，g； A=54.1 cm 为织物的测试面积；T=2 h，为实验时间。

每种织物测试3块试样，取3块试样的WVT平均值作为该织物透湿率的测试结果。

1.3.2 不同衣下空气层厚度时织物系统水汽传递率的测试

测试仪器为在M 261透湿性能测试仪基础上加装了辅助装置的自制织物系统水汽传递性能测试仪。转盘转速2 r/min（风速为0.03 m/s）。

使织物试样正面向上，用双面胶将织物试样粘贴在载样片的指定位置上。向透湿杯内注入20 ℃的水46 mL，基座与试样支架用双面胶固定于M 261型透湿性能测试仪转盘之上，将粘贴了试样的载样片插入试样支架的第一层，如图5所示，此时，透湿杯口平面（相当于模拟皮肤表面）与织物试样内表面之间的空气层厚度为4 mm；将粘贴了试样的插片插入试样支架的第二层，此时，透湿杯口平面（相当于模拟皮肤表面）与织物试样内表面之间的空气层

厚度为8 mm；以此类推，可以得到透湿杯口平面（相当于模拟皮肤表面）与织物试样内表面之间的空气层厚度为12、16 mm和20 mm。这些空气层四周都是开放的。

开启仪器，平衡1 h后关闭电源，利用电子天平依次称取8个透湿杯的初始重量M0，再次开启仪器转动2 h后再依次称取8个透湿杯的重量M1。

根据公式WVT=24·ΔM/（A·T）计算织物系统的水汽传递率，其中：ΔM= M1-M0，g；WVT为织物系统的水汽传递率，g/（m2·d）；A为面料的水汽传递测试面积；T=2 h，为实验时间。

每种织物系统在每种衣下空气层厚度下的水汽传递率取其3个试样的水汽传递率测试结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 实验结果

不同衣下空气层厚度下的织物系统水汽传递率测试结果见表2。

2.2 不同织物的透湿性能比较

衣下空气层厚度为0 mm，即无衣下空气层时，测得的织物的水汽传递率，实际上就是织物的透湿率。由表2可以看出，4种机织物和3种针织物的透湿率在690～785 g/（m2·d）的范围内，相差不太大，防水透湿织物的透湿率为509 g/（m2·d），明显小于其他织物，说明该防水透湿织物的透湿性明显不及其他几种织物。

2.3 有无衣下空气层对织物系统水汽传递率的影响

为了对比分析无衣下空气层和多种衣下空气层厚度时织物系统水汽传递率是否存在差异，对衣下空气层厚度为0 mm时测得的织物系统水汽传递率与衣下空气层厚度分别为4、8、12、16 mm和20 mm时测得的织物系统水汽传递率测试结果进行配对样本t检验，配对样本t检验的结果见表3。

由表3可以看出，对于5组配对样本，其顯著性P值均小于0.05，说明无衣下空气层和衣下空气层厚度分别为4、8、12、16 mm和20 mm时测得的织物系统水汽传递率都有显著差异。在风速为0.03 m/s（接近静止空气）的条件下，衣下空气层厚度为0 mm和4 mm时测得的织物系统水汽传递率差值的平均值为63 g/（m2·d），说明衣下空气层厚度为4 mm时比衣下空气层厚度为0 mm时的织物系统水汽传递率低。衣下空气层厚度为0 mm 和衣下空气层厚度为8、12、16 mm和20 mm时测得的织物系统水汽传递率差值的平均值都为负值，说明衣下空气层厚度为8、12、16 mm和20 mm时比衣下空气层厚度为0 mm时的织物系统水汽传递率高。

分析原因，在风速为0.03 m/s（接近静止空气）的条件下，水汽主要通过扩散进行传递。在有开放的衣下空气层的情况下，织物系统通过两个途径进行水汽传递，一是通过服装开口，即衣下空气层四周的开口，二是通过织物的透湿。一方面，因为衣下空气层四周的开口面积为衣下空气层厚度和试样透湿区域（透湿杯内径对应的圆）的周长的乘积，而试样透湿区域的周长是不变的，使得衣下空气层四周的开口的面积会随着衣下空气层厚度的增大而增大，进而使得通过衣下空气层四周的开口的水汽传递量随衣下空气层厚度的增大而增大。另一方面，随着衣下空气层厚度的增大，织物内表面与“皮肤”的距离增大，织物内表面的水气压降低，使得织物内外两面的水汽压差减小，进而使得通过织物的透湿量减小。织物系统通过两个途径进行的水汽传递，随着衣下空气层厚度的增大而此消彼长。

结合表2，对于普通织物，当衣下空气层厚度为4 mm时，通过衣下空气层的水汽传递量不及4 mm的衣下空气层厚度所导致的织物透湿量的减小，使得此时的织物系统的水汽传递率低于衣下空气层厚度为0 mm时织物系统的水汽传递率（织物的透湿率）；当衣下空气层厚度为8 mm及以上时，通过衣下空气层的水汽传递量超过了8 mm及以上的衣下空气层厚度所导致的织物透湿量的减小，使得此时的织物系统的水汽传递率高于衣下空气层厚度为0 mm时的织物系统的水汽传递率（织物的透湿率）；对于防水透湿织物，当衣下空气层厚度为4 mm及以上时，通过衣下空气层的水汽傳递量超过了4 mm及以上的衣下空气层厚度所导致的织物透湿量的减小，使得此时的织物系统的水汽传递率高于衣下空气层厚度为0 mm时的织物系统的水汽传递率（织物的透湿率）。

其中，在衣下空气层厚度为0 mm 和衣下空气层厚度为16 mm时测得的织物系统水汽传递率差值的平均值为206 g/（m2·d），达到最大，比8种织物的透湿率的平均值提高29.3%，这表明，即使在风速为0.03 m/s（接近静止空气）的条件下，服装宽松量的设计对服装的湿舒适性也可以产生较大的影响。

2.4 衣下空气层厚度对织物系统水汽传递率的影响

空气层厚度从4 mm增加到20 mm时，织物系统的水汽传递率变化趋势如图6所示。

由图6可以看出，对于普通织物（1#—7#），当空气厚度不超过16 mm时，织物系统的水汽传递率随着衣下空气层厚度的增加而有较大的提高；对于防水透湿织物（8#），当衣下空气层厚度增大到20 mm时，其水汽传递率进一步提高，达到906 g/（m2·d），与其他几种织物的织物系统的水汽传递率几乎没有差别，而比该织物的透湿率高78.0%。原因是，当衣下空气层厚度增大时，一方面织物内表面的水气压有所降低，使织物的内外两面的水气压差降低，通过织物传递的水汽量降低；另一方面，随着衣下空气层厚度增大，通过衣下空气层四周的开口的水汽传递量也随之增大，两方面共同作用的结果，使得织物系统（特别是防水透湿织物）的水汽传递率随着衣下空气层厚度增大而增大。

3.3 结论

基于M 261型织物透湿性能测试仪，通过设计和搭建辅助装置，模拟人体皮肤和织物间具有开放的衣下空气层时织物系统的水汽传递，研究织物系统的水汽传递规律，得到以下结论：

a）搭建了配合M 261型织物透湿能测试仪就可以测试织物系统的水汽传递性能的装置。

b）在风速为0.03 m/s的条件下，当衣下空气层厚度为4 mm时，织物系统的水汽传递率低于织物的透湿率。

c）在风速为0.03 m/s的条件下，在一定的衣下空气层厚度范围内，织物系统的水汽传递率随着衣下空气层厚度的增大而增大。

d）对于普通织物，织物系统的水汽传递率在衣下空气层厚度为16 mm时达到最大值，比织物的透湿率增大29.3%；对于透湿性较低的防水透湿织物，织物系统的水汽传递率在衣下空气层厚度为20 mm时达到最大值，与普通织物相比，织物系统的水汽传递率几乎没有差异。

参考文献：

［1］ELENA O， CODAU T C， STOJANKA P， et al. Analysis of moisture evaporation from underwear designed for fire-fighters［J］. Autex Research Journal， 2015， 15（1）： 35-47.

［2］刘莹，任姗姗，汤梦娜，等.汗湿条件下织物动态水传递的测试与分析［J］.现代纺织技术，2020，28（2）：40-44.

LIU Ying， REN Shanshan， TANG Mengna， et al.Measure-ment and analysis of dynamic water transfer of fabrics under sweating condition［J］. Advanced Textile Technology， 2020， 28（2）： 40-44.

［3］魏洋.人体全身及上身局部出汗率的测定［D］.上海：东华大学，2012：1-12.

WEI Yang.The Measurement of Whole Body and Regional Upper Body Sweat Rates［D］.Shanghai： Donghua University， 2012：1-12.

［4］胡紫婷，郑晓慧，冯铭铭，等.衣下空气层对透气型防护服热阻和湿阻的影响［J］.纺织学报，2019，40（11）：145-150.

HU Ziting， ZHENG Xiaohui， FENG Mingming， et al. Influence of air gap on thermal and moisture properties of permeable protective clothing［J］.Journal of Textile Research， 2019， 40（11）： 145-150.

［5］HUANG J H. Review of heat and water vapor transfer through multilayer fabrics［J］. Textile Research Journal， 2016， 86（3）： 325-336.

［6］DAI X Q， IMAMURA R， LIU G L， et al. Effect of moisture transport on microclimate under T-shirts［J］. European Journal of Applied Physiology， 2008， 104（2）： 337-340.

［7］HUANG J H. Review of test methods for measuring water vapour transfer properties of fabrics［J］. Cellular Polymers， 2007， 26（3）： 167-191.

［8］HUANG J H， QIAN X M. Comparison of test methods for measuring water vapor permeability of fabrics［J］. Textile Research Journal， 2008， 78（4）： 342-352.

［9］ONOFREI E， ROCHA A M， CATARINO A. The influence of knitted fabrics' structure on the thermal and moisture management properties［J］. Journal of Engineered Fibers and Fabrics， 2011， 6（4）： 155892501100600.

［10］孫雨晴，陈思.经编间隔织物的热湿舒适性能［J］.上海纺织科技，2021，49（7）：58-60.

SUN Yuqing， CHEN Si. Thermal andwet comfort of warp knitted spacer fabric［J］. Shanghai Textile Science and Technology， 2021， 49（7）： 58-60.

［11］陈晴，张家琳，范丽敏.经编间隔织物的透气性与透湿性［J］.服装学报，2017，2（2）：107-112.

CHEN Qing， ZHANG Jialin， FAN Limin. Air permeability and moisture permeability of warp knitted spacer fabric［J］. Journal of Clothing Research， 2017， 2（2）： 107-112.

［12］CHEN Y S， FAN J， QIAN X， et al. Effect of garment fit on thermal insulation and evaporative resistance［J］. Textile Research Journal， 2004， 74（8）： 742-748.

［13］张昭华，翟世瑾，尹思源.衣下间隙对织物系统热湿阻的影响［J］.纺织学报，2016，37（6）：101-106.

ZHANG Zhaohua， ZHAI Shijing， YIN Siyuan. Effect of undergarment clearance on thermal and wet resistance of fabric system［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37（6）： 101-106.

［14］王修艳，王革辉.空气层厚度对织物系统干热和湿热传递的影响［J］.浙江纺织服装职业技术学院学报，2017，16（3）：36-42.

WANG Xiuyan， WANG Gehui. Effect of air layer thickness on dry heat and wet heat transfer in fabric system［J］. Journal of Zhejiang Fashion Institute of Technology， 2017， 16（3）： 36-42.

［15］张雪原，吕凯敏，戴宏钦，等.加热型织物系统的热传递性能［J］.现代纺织技术，2023，31（2）：146-151.

ZHANG Xueyuan， LU Kaimin， DAI Hongqin， et al. Heat transfer performance of heating fabric system［J］. Advanced Textile Technology， 2023， 31（2）： 146-151.

［16］OH A G. The measurement of water vapour transfer rate through clothing system with air gap between layers［J］. Heat and Mass Transfer， 2008， 44（4）： 375-379.

［17］GIDIK H， VOLOLONIRINA O， GHANTOUS R M， et al. Impact of test parameters on the water vapor permeability of textiles［J］. International Journal of Clothing Science and Technology， 2019， 31（3）： 350-361.

Water vapor transfer performance of a fabric systemwith an underwear air layer

WU Xiangxianga， WANG Gehui SHAO Xueninga， ZHAO Taoc，d

Abstract： The human body transfers water vapor to the outside environment by sweating. If water vapor fails to be transferred to the outside environment effectively， it will accumulate in the underwear air layer， resulting in increased humidity and human discomfort. The underwear air layer is affected by the skin surface curvature， fabric quality and clothing profile of various parts of the human body. The influence of its existence and thickness on water vapor transmission is relatively complicated. The research on the influence of underwear air layer on wet comfort is also relatively complicated. With the development of related instruments such as perspiration hot plate instrument and water vapor transmission tester， more and more studies have been done on heat transfer of fabric underwear air layer and water vapor transmission of enclosed air layer around. However， the opening air layer around the fabric also has a significant influence on the water vapor transfer performance of the fabric system， which is different from that of the closed air layer. At the same time， there is no corresponding instrument to detect the water vapor transfer performance of the fabric under the open state.

To study the water vapor transfer performance of fabric under the open state of the air layer around， we developed an instrument for measuring water vapor transmission of the fabric system with an open underwear air layer through the design and construction of auxiliary devices on the basis of M 261 fabric moisture permeability tester， and simulated the water vapor transmission rate of the fabric under different air layer thicknesses. On this basis， the corresponding analysis method was used to study the influence of the existence and thickness of the underwear air layer on the water vapor transmission rate of the fabricsystem. Specifically， under the condition of wind speed of 0.03 m/s， when the thickness of the underwear air layer is 4 mm， the water vapor transmission rate of the fabricsystem is lower than the water vapor transmission rate of the fabric. Under the condition of wind speed of 0.03 m/s， the water vapor transmission rate of thefabricsystem increases with the increase of underwear air layer thickness within a certain range. For ordinary clothing fabrics， the water vapor transmission rate of the fabricsystem reaches the maximum value when the thickness of the underwear air layer is 16 mm， which increases by 29.3% compared with the water vapor transmission rate of the fabric. For the waterproof permeable fabric with a low water vapor transmission rate， the water vapor transmission rate of the fabric system reaches the maximum when the underwear air layer thickness is 20 mm， and there is almost no difference with the water vapor transmission rate of the fabric system for ordinary fabric.

The simulated measurement of the water vapor transmission rate in the underwear air layer is closer to the actual wearing state. The water vapor transmission testing device and experimental method of thefabricsystem designed can provide reference for further research on the water vapor transmission testing in the underwear air layer.

Keywords： fabricsystem; the thickness of underwear air layer; water vapor transfer performance; accessory device

收稿日期：20230402 网络出版日期：20230606

基金項目：国家重点研发计划（2017YFB0309101）

作者简介：吴翔翔（1996—），男，安徽滁州人，硕士研究生，主要从事服装舒适性与功能服装方面的研究。

通信作者：王革辉，E-mail：gehuiwang@dhu.edu.cn