基于气凝胶材料的保暖服装设计与评价

丁 波,张 昊,张 辉

(北京服装学院 服装艺术与工程学院, 北京 100029)

气凝胶是一种由凝胶衍生而来的低密度多孔固体凝胶[1],其具有密度极小(0.003～0.500 g/cm3)、导热系数低(0.005～0.015 W/(m·K))和比表面积高(500～1 200 m2/g)等性质[2]和轻便、隔热性能好等优势。气凝胶材料最初用于航空航天、建筑改造等隔热材料,近年来随着科技的发展,气凝胶材料作为新型隔热材料逐渐应用于功能性纺织品与服装领域。例如Shaid等[3]通过针刺工艺研发了用于多层隔热防护服内衬的气凝胶非织造布;Zhang等[4]研发了具有耐火阻燃性的聚酰亚胺与气凝胶纤维双层纺织品;金艳苹等[5]基于消防服隔热层测试评价了气凝胶纤维毡的热湿舒适性。服装研发方面,NASA采用阿斯彭气凝胶公司研发的气凝胶材料作为宇航服的隔热保温衬里,可以帮助宇航员抵挡-130℃的超低温[6]。苏文桢等[7]研发了一款气凝胶防寒服装,通过真人试穿实验证明了气凝胶防寒服在保暖性方面优于普通冲锋衣。Altay等[8]将气凝胶膜用作衣内防潮层,研发了一款兼备热防护性与热舒适性的消防防护服。

尽管气凝胶优势众多,但气凝胶颗粒极易脱离和分散到空气中,故市面上可用于服装的气凝胶往往集成在非织造布上后再被覆膜封装,材料透湿透气性能极差,严重影响服装热湿舒适性[9]。此外,大多数气凝胶的纳米多孔结构导致其强度低、韧性差、脆性大,作为面料无法满足服装在穿着过程中的拉伸、弯曲等力学性能[10-11]。

基于此,本文首先通过在气凝胶表面打孔的方式提高材料的透湿透气性能,再将气凝胶与絮片置于服装外表面可拆卸的保暖装置中以提高服装的穿着耐久性与洗涤便捷性,最后由真人穿着实验评价气凝胶服装的主客观热湿舒适性,以期为气凝胶材料在保暖服装上的应用提出科学的创新方案。

1 气凝胶材料实验

1.1 实验样品

气凝胶材料(深圳中凝科技有限公司)是将具有纳米多孔网络结构的SiO2气凝胶粉末与腈纶非织造布进行复合,再用防水面料封装而成的复合材料。该复合材料厚度为1mm,面密度为200 g/m2,导热系数为0.025 W/(m·K),后文中“气凝胶材料”均指该复合材料。

为了提高气凝胶材料的透湿透气性,使用ROCOL罗哥5308服装气动打孔枪(深圳罗哥铆接紧固系统有限公司,冲头孔径为1～9mm)对其进行打孔。预实验表明:由于气凝胶易碎,当冲头孔径大于7mm时,外力作用过程中气凝胶材料孔径边缘支撑性差,极易破裂,故打孔制备的实验样品孔径大小选择1、3、5、7mm,孔径间距为 3cm。

将未打孔气凝胶材料(0mm)与4种孔径规格(1、3、5、7mm)的打孔后气凝胶材料分别以1、2、3层方式进行叠加,共计15组样品。

1.2 实验测试及条件

保暖性能测试:参照GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法)》测试15种气凝胶材料的热阻。实验仪器为M259B型织物热阻湿阻测试仪(SDL Atlas公司)。实验条件:环境温度(20±0.1) ℃,相对湿度(65±1)%,风速1 m/s,热板温度(35±0.1) ℃,试样尺寸33cm×33cm。

透湿性能测试:参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分:蒸发法》,使用正杯法测试单层气凝胶材料(0、1、3、5、7mm)的透湿率。实验条件:杯口面积A为0.0072 m2,透湿时间t为48 h,测得材料透湿前质量G0与透湿后质量G1、透湿率W,计算公式见式(1):

W=(G0-G1)/t·A

(1)

选择透湿率较高的样品,再参照GB/T 11048—2018测试叠加后气凝胶材料的湿阻变化规律。实验仪器为M259B型织物热阻湿阻测试仪。实验条件:环境温度(20±0.1) ℃,相对湿度(40±1)%,风速1 m/s,热板温度(35±0.1) ℃,试样尺寸33cm×33cm。

1.3 测试结果与分析

1.3.1 孔径对保暖性能的影响

15组气凝胶材料热阻测试结果见图1。未打孔气凝胶材料的热阻数据相对较高,即材料保暖性较好,未打孔单层气凝胶材料的热阻为0.033℃·m2/W,接近秋冬季节中厚衬衫面料的热阻,但密度更小,更轻便。气凝胶材料的热阻随着气凝胶层数的增多显著提高,3层未打孔气凝胶的热阻为0.122℃·m2/W,是单层的4倍。此外,随着气凝胶孔径的增大,其热阻值下降明显,但材料多层叠加后可缓冲孔径造成的保暖性下降。

图1 气凝胶材料的热阻值变化Fig.1 Variation of thermal resistance value of aerogel material

1.3.2 孔径对透湿性能的影响

单层气凝胶材料透湿率的测试结果得到,未打孔气凝胶正反面透湿指数均为124.48 g/(m2·24 h),透湿性能较差。打孔可以提高透湿性,但1和3mm孔径的单层气凝胶材料的透湿率均小于200 g/(m2·24 h),透湿率的升高不显著。孔径大于5mm时,单层气凝胶材料透湿率达到360 g/(m2·24 h)以上。

故仅针对孔径为5和7mm的气凝胶材料(考虑气凝胶层叠(1、2、3层)状态的透湿性能)进行湿阻测试,结果见图2。

图2 气凝胶材料的湿阻值变化Fig.2 Variation of wet resistance value of aerogel material

由图2可知,相比未打孔气凝胶材料的湿阻数据,叠加2层与3层后湿阻达到1 300 Pa·m2/W以上,几乎不透湿。打孔后透湿性显著提高,同时可以看出层叠放置对打孔后的材料湿阻的影响不大。5mm对应的湿阻为295.83 Pa·m2/W(2层)、203.31 Pa·m2/W(3层);7mm对应的湿阻为256.27 Pa·m2/W(2层)、212.33 Pa·m2/W(3层)。结合1.3.1节的热阻数据,说明将气凝胶材料层叠与打孔结合的方式既可以保证气凝胶的保温隔热性,又可以显著提高透湿性。

2 气凝胶保暖服装的设计

2.1 可拆卸保暖装置设计

为有效解决气凝胶材料不能接触水,且在外力作用下易弯折、易碎,无法直接作为服装的面料或填充料的问题,本文设计了一种可拆卸的夹层保暖装置。

2.1.1 物料说明

①气凝胶材料:根据1.3节的测试结果,打孔与多层重叠的方式在保证气凝胶材料保温隔热性能的同时显著提高透湿性能,故在装置内部使用改善后的气凝胶材料。由于7mm孔径的气凝胶材料支撑性较弱,故采用5mm孔径气凝胶材料。

②气凝棉絮片(北京市唐人山纤棉制品有限责任公司)是将SiO2气凝胶粉末以共混方式改性聚酯短纤维,再将聚酯短纤维制成棉型絮片。絮片热阻为0.34℃·m2/W,轻便度为0.706 g/mm(参考GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分:单位面积质量的测定》,织物的面密度不单独作为测定参数,而是用其与织物的面积和厚度的积的比值来表示织物轻便度)。

2.1.2 保暖装置设计说明

可拆卸保暖装置示意图见图3。将气凝胶材料与气凝棉絮片层叠组合,放置在与服装某部位匹配尺寸的防钻绒面料袋中,内外层使用透湿性良好的服装面料包覆,确保装置的牢度与稳定性,开口处绱隐形拉链。最后通过魔术贴方式集成在常规夹克或者冲锋衣的外表面。可拆卸的方式使服装的应用场景多元化、便于清洗,能有效提高气凝胶服装的穿着耐久性。

图3 可拆卸保暖装置示意图Fig.3 Removable warming device diagram

本文将3层5mm孔径气凝胶材料与2.5cm厚气凝棉絮片进行组合,4种搭配方式见表1,其中内层材料靠近人体,外层材料靠近环境。

表1 装置内物料组合说明Tab.1 Inner and outer layer material combination description

2.1.3 测试结果分析

表1中4种组合材料的热阻与湿阻测试结果见图4。

图4 4种组合材料的热阻值与湿阻值Fig.4 Thermal(a)and moisture(b)resistance values of the four combined materials

由图4(a)热阻数据可知,与导热率较低的静止空气热阻(0.103℃·m2/W)相比,4种组合材料的热阻均在0.660℃·m2/W以上,保暖性优异。4种组合材料的热阻排序为1#>3#>2#>4#,外层气凝胶层数越多,热阻值越大。这是因为实验环境存在1 m/s的风速,当结构蓬松的气凝棉絮片靠近外层时,在风速作用下材料表面的对流散热量将高于有致密防水面料封装的气凝胶材料。

由图4(b)湿阻数据可知,4种组合的透湿性排序为3#>2#>1#>4#(湿阻越大,透湿性越差),从水蒸气向材料表面传递的通道结构差异分析可知,水蒸气先通过1层气凝胶和内部疏松的气凝棉絮片,再经过2层气凝胶规整的孔洞后,散湿效率最高,即3#的透湿性最好;由于气凝胶未打孔的部分完全不透湿,当内层材料叠加时,孔洞边缘厚度的增加会严重阻碍水蒸气传递,故4#的透湿性最差。

综合热阻与湿阻数据,夹层装置内部材料选择3#,即外置2层5mm孔径气凝胶材料,中层为2.5mm厚气凝棉絮片,内置1层5mm孔径气凝胶材料。

2.2 服装设计说明

为了与常规保暖服装进行对比实验,选择一款市面上的常规保暖棉服(填充料为聚酯纤维絮片),见图5(a)。制作与其规格、款式、结构、面料、里料一致,无填充料的单层长款外套,再将保暖装置集成在服装外表面得到气凝胶服装。气凝胶服装规格尺码见表2,款式见图5(b)。

表2 气凝胶服装规格尺码表(170/92A)Tab.2 Aerogel garment specification size chart (170/92A) cm

图5 常规棉服实物图与气凝胶服装款式图Fig.5 Regular cotton clothing physical picture (a)and aerogel clothing style picture(b)

气凝胶服装头部为可拆卸防风帽;衣身为前后分片结构,复合式门襟内外2层兼备保暖和防水功能;袖子为装袖结构,腋下部位配有隐形拉链方便散热,袖口松紧带和魔术贴调节防止风从外部灌入。图5(6)中黑色区域分布保暖装置,为穿着活动方便在臀围线附近与肘关节处进行分割设计。

气凝胶服装面料为高线密度涤棉(80/20),面密度210 g/m2;里料为300 T全涤塔夫绸(100%聚酯纤维)。保暖装置外层面料与服装一致。

根据服装的尺码与结构,计算全身保暖所需的总面积(黑色区域):衣身前后各0.5 m2,袖片各0.16 m2,共1.33 m2。按照款式图(图5(b))确定各部位保暖装置的形状大小并进行制作,用魔术贴将装置与服装结合,样衣见图6。该方法加工便捷,拼合接缝处有一定间隙,便于人的肢体活动;间隙附近存在边界层热阻,不影响服装保暖性,且服装在动态过程中间隙中的微小气流可以调节人与环境的湿交换,有利于透气透湿。最后称量常规棉服质量为1.89 kg,气凝胶服装质量为1.43 kg。

图6 气凝胶服装样衣Fig.6 Aerogel garment samples

3 气凝胶保暖服装的评价

3.1 评价实验设计

3.1.1 实验准备

服装的保暖性可通过暖体假人、数值模拟、真人穿着等方式进行评价。目前大部分保暖防护服装采用真人穿着实验,便于同时获取人体皮肤表面温度和主观感觉[12-13]。故本文设计了基于冬季日常生活的穿着评价实验,受试者在人工气候室内穿着测试服装,分别进行静态(静坐)实验与动态(快走)实验。采集整个过程中的皮肤表面温度和衣内温湿度数据;同时向受试者询问冷热感觉与湿感觉并进行打分。每位受试者进行4次实验,即穿着常规保暖服装和气凝胶服装,进行静态、动态实验各1次,为了排除人体对冷环境适应性的影响,每次实验之间至少间隔1 d。

实验环境:模拟华北地区冬季气候条件。在环境温度(-5±0.2)℃,相对湿度(50±5)%,风速(1±0.1) m/s的人工气候室中进行。

受试者条件:6名年龄(23±1)岁,身高(170±5) cm,身体质量指数(BMI)正常(18.5～24 kg/m2)的青年,身体状况良好,在实验前24 h内未摄入酒精、咖啡因等刺激性成分食物,且未进行中高强度运动。

实验穿着服装:上装穿着同款内衣、中厚款秋衣和实验服装(常规保暖服装或气凝胶服装),下装穿着内裤、200 g 加绒长裤和运动裤。

3.1.2 实验仪器与指标说明

实验仪器:使用Gram-LT8C热敏传感器( 日本Gram Corporation公司)测量皮肤表面温度;使用EL-USB-2温湿度数据记录仪(英国LASCAR公司)测量衣内温湿度。

客观评价指标:①平均皮肤温度:根据ISO面积加权法(8点测温法)[10],在每个受试者的前额(t1)、右侧肩胛骨(t3)、左上胸部(t4)、右臂上部(t5)、左臂上部(t6)、左手手背(t7)、右大腿中部前侧(t10),左小腿中部后侧(t13)贴上温度传感器测头,每5 s读取1组皮肤温度值。平均皮肤温度ts计算公式如下:

ts=0.07t1+0.175t3+0.175t4+0.07t5+

0.07t6+0.05t7+0.19t10+0.2t13

②衣内温湿度:佩戴温湿度记录仪传感器每30 s读取1组衣内温度与湿度值。

主观打分等级说明:在实验过程中对受试者主观冷感觉、热感觉与湿感觉进行记录,打分等级说明为:冷热感觉评价中,“-3、-2、-1、0、1、2、3”分别代表“冷、凉、稍凉、中性、稍暖、暖、热”;湿感觉采用5级主观评价,“1、2、3、4、5”表示湿感觉逐级上升。

3.1.3 实验步骤

静态实验:①在人体8个部位贴上传感器测头后,根据实验要求着装;②进入人工气候室,静坐30 min。③采集整个过程中的皮肤表面温度和衣内温湿度数据。④间隔5 min记录1次受试者的冷热感觉与湿感觉评分。

动态实验:将静态实验中②改为“以3 km/h的配速在跑步机上快走30 min”,其他步骤与静态实验相同。

3.2 客观评价结果

3.2.1 平均皮肤温度对比分析

图7为受试者在静、动态实验过程中的平均皮肤温度变化。实验结果表明,受试者穿着常规保暖棉服和气凝胶服装在静坐与快走30 min过程中,对应的平均皮肤温度均符合人感觉舒适条件的皮肤温度范围(31.5～34.5℃)[12],且单因素方差检验结果表明,静态与动态条件下穿着2种服装的平均皮肤温度数据均无显著差异(P>0.05),由此可知在该环境下2款服装起到相同保暖作用。

图7 静、动态实验过程中平均皮肤温度的变化Fig.7 Changes in mean skin temperature during static(a)and dynamic experiments(b)

受试者穿着2款服装静坐30 min的过程中(见图7(a)),常规保暖棉服和气凝胶服装平均皮肤温度数据波动程度与变化趋势一致,均随时间增加呈下降趋势。进入低温环境5 min时,皮肤温度仍然在32～33.5℃;10 min时下降最快,常规保暖棉服组降低0.75℃,气凝胶服装组降低0.67℃;10 min以后皮肤温度降低数值随时间增加而减小,常规保暖棉服组每隔5 min下降0.30、0.20、0.17、0.15℃,气凝胶服装组每隔5 min下降0.47、0.35、0.35、0.28℃。气凝胶服装温度下降略快,但30 min对应的平均皮肤温度均值为31.28℃,仍处于人的舒适范围。

快走30 min过程(见图7(b)),2款服装对应的平均皮肤温度数据更稳定,波动更小。前期数据变化与静态实验相同,受试者刚进入低温环境5 min时,皮肤温度仍然在32～33.5℃,之后人体热量迅速流失,皮肤温度显著降低,10 min时最快,穿着常规保暖棉服降低0.83℃,气凝胶服装降低0.63℃。但相比人在静坐的代谢产热量(58.2 W/m2),行走的代谢产热量增加1倍左右(104.7 W/m2)[12],故随着行走时间延续,皮肤温度的下降逐渐不明显:15 min穿着常规保暖棉服和气凝胶服装分别下降0.40、0.23℃;常规保暖棉服对应的温度在20 min后趋于稳定,气凝胶服装对应的温度变化值在15 min后即减小至0.05～0.15℃,稳定在31.7℃左右。因为相比静坐状态,当人体明显产热时,气凝胶材料可以充分发挥优异的保温隔热性能,减缓热量向外环境的传导和对流,由此说明本文设计的气凝胶服装在中低强度代谢活动中保暖性优势更明显。

3.2.2 衣内温湿度对比分析

单因素方差检验结果表明,静坐与快走过程中穿着常规保暖棉服和气凝胶服装的平均衣内温湿度数据均无显著差异(P>0.05),且30 min内的数据波动变化极小,故求取平均数进行观察。

表3为受试者穿着2款服装在静态和动态实验下的平均衣内温湿度数据。对比衣内温度,静态与动态过程气凝胶服装的衣内温度均高于常规保暖棉服,静坐状态高0.78℃,快走状态高0.5℃;由此可知气凝胶服装比常规保暖棉服保暖性更优,与3.2.1节的平均皮肤温度分析结果一致。对比衣内湿度,气凝胶服装的衣内湿度同样均高于常规保暖棉服,静坐状态高5.27%,快走状态高5.95%。气凝胶材料的加入会影响服装的透湿性能,但衣内湿度均不超过30%,仍在人体舒适的可接受范围。

表3 平均衣内温湿度数据Tab.3 Average in-suit temperature and humidity data

3.3 主观评价结果

采用单因素方差分析检验受试者在静态与动态实验中对应6个时间阶段的冷暖感觉与湿感觉评分数据。结果表明6名受试者穿着2款服装在各阶段给出的评分均无显著差异(P>0.05),因此对数据求取均值进行分析。

3.3.1 主观冷暖感觉对比分析

图8为受试者穿着2款服装在静态和动态实验下的冷暖感觉评分均值随时间变化的示意图。穿着2款服装均能起到保暖作用,受试者的主观感觉在30 min内逐渐由凉感转为温暖感。

图8 静态、动态实验过程中主观冷暖感觉评分Fig.8 Subjective warm and cold sensation scores during static(a)and dynamic experiments(b)

结合3.2.1节中受试者平均皮肤温度在各个阶段的变化,静态实验中(见图8(a)),前10 min受试者的平均皮肤温度下降最快,冷热感觉均分集中在-1.5～-1.0,为轻微凉感;10 min后平均皮肤温度仍在缓慢降低,但人的感觉逐渐由凉感转化为温暖感,平均得分集中在0～1.5。与常规保暖服装相比,气凝胶服装对应的得分增长更稳定,在20 min后出现显著差异。动态实验中(见图8(b)),冷热感觉的整体变化趋势与静态实验相同,且由于在此阶段代谢产热增加,受试者由冷感觉到热感觉的转化更快,平均得分随时间变化线性增长,10 min后常规保暖棉服组得分从0.8增长至1.67,气凝胶服装组得分从1.33增长至2.00。说明在此环境的静坐与快走状态下,相比穿着常规保暖棉服,受试者穿着气凝胶服装的主观热舒适性更好。

3.3.2 主观湿感觉对比分析

图9为受试者穿着2款服装在静态和动态实验下的湿感觉评分均值随时间变化的示意图。静坐和快走的30 min中,受试者的主观打分均值随时间变化增大,湿感觉逐渐明显。静坐实验中(见图9(a)),常规保暖棉服组湿感觉均分从1.0增长至1.33,气凝胶服装组得分从1.0增长至1.50;相较于静坐,快走过程(见图9(b))受试者湿感觉变化更明显,常规保暖棉服组湿感觉均分从1.0增长至1.67,气凝胶服装组得分从1.0增长至2.16。

图9 静态、动态实验过程中主观湿感觉评分变化Fig.9 Changes in subjective wet sensation scores during static(a)and dynamic experiments(b)

将受试者穿着2款服装的主观湿感觉评分均值进行配对样本T检验,结果为P>0.05。结合3.2.2节中衣内湿度对比结果,说明尽管在静坐与快走2个状态下气凝胶服装的衣内湿度均略高于常规保暖棉服,但主观感觉没有显著差异,服装湿舒适性良好。

4 结 论

本文对气凝胶材料的透湿透气性和其在服装上的应用方式进行了优化,设计了一款气凝胶保暖服装。在气凝服材料实验与真人穿着评价实验中得出以下结论:

①在气凝胶材料表面打孔并合理控制孔径大小可以在显著提高气凝胶材料透湿性的同时尽可能不影响材料的支撑性;气凝胶材料多层叠加或与气凝棉絮片组合的方式能保证其在打孔后隔热保温性能良好。

②从服装保暖性来看,受试者穿着气凝胶服装的皮肤表面温度变化更稳定,30 min左右的皮肤温度和衣内温度数据高于常规保暖棉服组;且穿着气凝胶服装的主观温暖感觉得分更高。从服装湿舒适性来看,受试者穿着气凝胶服装的衣内湿度略高,但属于舒适范围;主观湿感觉得分略高于常规保暖棉服组,但相差不大。

③与穿着常规保暖棉服(1.89 kg)相比,受试者穿着气凝胶服装(1.43 kg)在静坐与行走过程中,冷热湿感觉舒适的情况下明显感觉气凝胶服装质量更轻,可拆卸保暖装置异物感不明显。

气凝胶材料可以采用可拆卸装置的方式应用在服装上,在提高保暖性能的同时不影响服装的穿脱与清洁,此方法也为未来热阻可调控的功能服装设计提供了创新思路。