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摘 要：保暖性是衡量羽绒服质量的重要指标。以羽绒服保暖性为研究对象，在不同温度下测试评价了不同单位填充量的羽绒服内胆保暖性的差异，并对其保暖机理进行分析。结果表明：单位填充量相同的羽绒服内胆在零度以下时热阻随温度的降低而增大，零度以上时热阻变化不明显;当环境条件相同时，热阻随单位填充量增大而增大，但单位填充量增加到120～130 g/m2后热阻增加不明显甚至出现略微下降;并根据试验数据建立了热阻-单位填充量-温度的函数方程。
关键词：羽绒服;温度;单位填充量;热阻;机理分析
中图分类号： TS195.644
文献标志码：A
文章编号：1009-265X（2021）04-0051-06
Abstract： The warmth retention property is an important index to measure the quality of down jackets. Taking the warmth retention property of down jackets as the research object， the differences of the warmth retention of down jackets with different filling density were tested and evaluated at different temperatures， and the warmth retention mechanism under different filling densities was analyzed. The results showed that the thermal resistance of down jacket liner with the same filling density increased with the decrease of temperature below 0 ℃， and the thermal resistance changed little above 0℃. When the environmental conditions were the same， the thermal resistance increased with the increase of filling density. But when the filling density increased to 120 ～ 130 g/m2， the increase of thermal resistance was not obvious or even slightly decreased. The function equation of thermal resistance-filling density-temperature was established according to the experimental data.
Key words： down jacket; temperature; filling density; thermal resistance; mechanism analysis
保暖性是衡量羽绒服质量的重要指标，现有研究已有从填充物类型[1-3]、含绒率[4-6]、绗缝数量[6-7]以及面料[8]等方面对羽绒服保暖性进行探讨，并证实当填充物种类相同时填充量是影响羽绒服保暖性的主要因素[9]。现有的羽绒服内胆保暖性评价是在标准条件下进行的，然而实际穿着时的温湿度变化会影响羽绒集合体蓬松结构，导致内胆的热阻发生改变[9-11]。传统观念中，款式和尺码相同的羽绒服，填充量越大则保暖性越好。而众多实验结果表明，一定体积的羽绒服内胆存在“临界填充量”，当达到临界填充量时，热阻不再随填充量的增加而稳定上升[2，10-11]。现有研究没有将温度和单位填充量对羽绒服热阻的影响做定量研究，因此本研究旨在不同温度下对不同单位填充量的羽绒服进行热阻测试并进行定量分析，得到更为客观的羽绒服保暖性变化规律，为羽绒服类产品设计提供依据。
1 试 验
1.1 试 样
采用30 cm×30 cm大小的羽绒服内胆面料、填充物为含绒率95%白鹅绒制作试样。依据华东地区畅销羽绒服单位填充量调研结果，设置样品单位填充量范围为40～160 g/m2，以10 g/m2为梯度进行充绒。将制成的内胆试样平置，待胆内鹅绒分布均匀后，用游标卡尺测试内胆试样厚度，各参数如表1所示。
1.2 试验仪器及步骤
仪器：HFB-1型织物冷暖感平板仪、红外热像仪（测试内胆试样上表面温度）、温湿度仪、风速仪。平板仪的有效发热面积为10 cm×5 cm，试样在其表面难以保持平整易导致羽绒分布不匀。此外考虑内胆试样四周散热的影响，在内胆试样的上下表面增加固型隔热板：将两块30 cm×30 cm绝热铝塑板中部挖空10 cm×5 cm，如图1所示放置在试样上下两侧并加持，模拟羽绒服内胆绗缝以保证羽绒分布均匀，同时使平板仪的热量通过绝热板镂空部位稳定向上传输。测试地点在气候仓，设备型号Q-WI-20-2，该仓自带空气循环系统和制冷系统，通过压缩机制冷产生低温环境，通过温度控制系统以及空气循环系统，可控制仓内的温湿度。为了保持所测试样周围风速稳定，放置了上下表面挖空的箱体罩在测试仪器外，如图2所示。
试验步骤：依据华东地区冬季气候统计情况，测试温度控制为-6～15 ℃，并以每3 ℃设置实验温度梯度;0～15 ℃时相對湿度稳定在40%，-6～0 ℃时相对湿度降至30%;平板仪外的箱体内风速控制在1 m/s。待气候仓内温湿度风机转速稳定后，将13只内胆试样平铺排列，在仓内预调湿24 h。调湿结束后将内胆试样经镂空绝热板上下加持好，平铺在平板仪上，待热板温度达到设定温度且传热稳定后，测试30 min，并记录实时热流量Q（W/m2）、环境温度T（℃）、环境相对湿度（%）、环境风速（m/s）、试样上表面平均温度t1（℃）、热板上表面平均温度t2（℃）。重复3次，取每周期稳定5 min后数据的平均值进行计算。 T温度下服装热阻：I=0.155×（t2-t1）/Q（1）
式中：I热阻，clo;t1试样上表面平均温度，℃;t2热板上表面平均温度，℃;Q热流量，W/m2。
13块内胆试样在8个温度下（相对湿度40%±10%;风速≤1 m/s）的测试结果如表2所示。
2 结果与讨论
2.1 温度对热阻的影响
由表2可看出，内胆试样热阻在零度以下呈现随温度升高减小的趋势，而零度以上热阻变化不明显。以40、80、120、160 g/m2为例分析温度对试样热阻影响如图3所示。
由图3可以看出，在0℃附近不同试样的热阻随温度变化趋势均出现转折。以40 g/m2试样为例：当温度由-6 ℃上升至0 ℃热阻下降0.137 clo，热阻变化率为0.023 clo/℃。依据标准ISO 9920—2007《服装基本热阻》可知，在这6 ℃的温度变化范围内，保暖性的下降值相当于单件夹克背心的热阻0.13 clo;由0 ℃升至15 ℃时，热阻变化率只有0.008 clo/℃，几乎无变化。综合13种单位填充量的内胆试样测试结果来看，变化规律有一致性：0～15 ℃范围内，随温度的升高内胆试样热阻较为稳定;-6 ℃～0 ℃范围内，随着温度的升高试样的热阻呈现减小的规律。
出现这一现象的原因有两点：a）当环境温度设置为零度附近或以下时，空气中的水蒸气由于温度过低而凝结，致使气候仓温度在零下时的相对湿度降低25%～30%，比零上温度的气候仓相对湿度小10%～15%，内胆试样的热阻会受到相对湿度的影响发生显著的变化：羽绒纤维的绒枝和绒小枝使羽绒的比表面积较大，羽绒有一定的吸湿性;当环境相对湿度较大时，羽绒集合体回潮率增大，其蓬松结构较相对湿度更低时的结构差，羽绒集合体的热阻将明显变小，传热系数增大，热量损失增多，降低了羽绒服内胆的整体保暖性能[10，12]。b）风机转速恒定，温度降低导致空气密度变大（温度由0 ℃降至-6 ℃时空气密度增加0.029kg/m3），气流流动减慢。此外，试样周围的气流使内胆表面存在对流换热，此时对流散热减少，使得热流量Q减少，羽绒服内胆试样的热阻增大[12-14]。
值得一提的是，在华东地区的实际冬季气候中，有与气候仓相同的相对湿度、风速变化规律：冬季温度越低，往往相对湿度减小空气干燥且风速减小，尤其是华东地区12月、1月的天气情况，因此实验虽无法完全排除气候仓内温度变化带来的相对湿度、风速变化对实验结果的影响，却更好地反映了冬季华东地区羽绒服热阻随温度的变化规律。对于活动水平为2MET的人来说，当服装的热阻每变化0.1 clo，服装的温度适用范围有1.32 ℃之差[13];服装热阻每变化0.1 clo就能使人体的热感觉发生变化，因此将不同单位填充量的羽绒服内胆放在不同的环境中表征其热阻值是有必要的[16]。
2.2 单位填充量对热阻的影响
由表2可看出，13块试样单位填充量达到120～130 g/m2后，热阻的上升趋于平缓。以-3、3、9、15 ℃为例，具体分析由40 g/m2升至160 g/m2时热阻变化规律如图4所示。
图4可以看出，由40 g/m2增加为120 g/m2时试样的热阻稳定增加，由120 g/m2增加为160 g/m2过程中试样的热阻增加很小或略微下降。其中试样在40～80g/m2变化时热阻增长较快，随着单位填充量继续增加，热阻增长变缓甚至出现负增长，说明热阻不是随着内胆的单位填充量增加而稳定增加。如-3 ℃时130 g/m2试样的热阻增长为负;9 ℃时，120 g/m2与130 g/m2时的热阻基本相同、150 g/m2与160 g/m2时的热阻基本相同。这一现象与羽绒服内胆特殊的结构以及羽绒集合体特殊的保暖机理共同导致的单位填充量增大使羽绒服内胆主要传热路径发生改变有关[18]，将在下文2.4部分具体分析变化机理。
2.3 温度、单位填充量、热阻函数关系
依据测试数据表2，在温度-6～15 ℃、相对湿度40%±10%、风速≤1 m/s的条件下，利用MATLAB得到热阻-温度-单位填充量函数关系如式（2）：
式中：x为单位填充量，g/m2;y为温度，℃;z为热阻，clo。
拟合方程曲面图如图5所示。
2.4 保暖性变化机理分析
羽绒的树状分叉结构、绒枝的多向分布结构使得羽绒绒朵间有一定间距，羽绒的静电容量小绒毛在极小的电荷下就会相互排斥，以上特点使得羽绒服内胆富含大量静止空气。为了使羽绒服在人体穿着、运动时也能保持绒朵的均匀分布和相对静止、不跑绒以维持更多的空气，羽绒服在制作时需要对内胆进行绗缝来限制绒朵的运动空间，如图6所示。
随着单位填充量的增大，内胆截面的绒朵分布和内胆的传热方式均会发生改变。3种单位填充量内胆的截面绒朵分布示意如图7所示;内胆的综合传热方式如图8所示。
结合图8分析不同单位填充量的保暖性变化机理，如图7（a）当羽绒服内胆的单位填充量小时，绒朵与绒朵之间有一定空间，绒朵自然分散不受挤压，羽绒集合体内孔隙率较大，内部空气对流传热，此时的羽绒服内胆的热量散失主要来源于非静止气体的热传导、羽绒纤维间的热对流和热辐射。如图7（b）当羽绒服内胆的单位填充量增大时，内胆单位绗缝空间的表面积一定而厚度增加，单位体积内羽绒纤维数量增多，绒朵与绒朵之间空隙率减小，增大了空气流动的阻力，绒朵内、绒朵间维持了更多的静止空气，使对流传热显著降低，此时内胆内的热对流、熱辐射热传导的综合值最小，使得内胆隔热性能提高。如图7（c）当内胆的单位填充量持续增大时，内部孔隙率变小，能够容纳的静空气量减少，同时纤维间热传导增加，使集合体的导热系数反而升高。由于内胆单位绗缝空间内的表面积不变，且内胆并无明显的厚度方向上增大，绒朵与绒朵之间有绒毛或绒枝的接触，羽绒纤维之间接触点增多使得传热路径变得通畅，此时羽绒服内胆内的热对流和热辐射虽然受到阻碍，但由于热传导值急剧增大，致使单位填充量过大的羽绒服内胆的隔热性能并无明显增大甚至会出现隔热性能降低的现象。 3 结 论
a）不同温度区间，温度对羽绒服内胆热阻影响规律不同：-6～0 ℃时羽绒服内胆热阻随温度升高而减小;0～15 ℃时内胆热阻随温度升高几乎不变。
b）当环境条件相同时，内胆的热阻随单位填充量增大而增大，但单位填充量增加到120～130 g/m2后热阻增加不明显，达到140 g/m2后继续增加羽绒服内胆单位填充量，热阻出现略微下降。
c）依據试验结果建立了-6～15 ℃温度范围内的单位填充量—温度—热阻函数方程。并分析了羽绒服内胆保暖性变化机理：随着单位填充量增大内胆的羽绒分布和散热方式发生改变，内胆主要散热方式由热对流变为纤维间的热传导。
参考文献：
[1]高旋，倪丹.防寒服装材料的现状以及演变趋势[J].轻工科技，2019，35（12）：106-107.
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[4]蒙冉菊.填充料品质对羽绒制品保暖性能动态关系的研究[J].轻纺工业与技术，2016，45（1）：11-13.
[5]赵媛媛.服装絮料的保暖性研究[D].上海：东华大学，2014.
[6]孙莉，杨莉，赵保民，等.基于保暖性能的羽绒服绗缝因素的研究[J].中原工学院学报，2016，27（1）：44-47.
[7]黄翠蓉，于伟东，许海叶.羽绒服保暖性探讨[J].武汉科技学院学报，2007（1）：25-29.
[8]俞宏伟.羽绒服面料性质的研究[J].轻工标准与质量，2019（4）：100-101.
[9]孙莉，杨莉，袁惠芬.基于正交试验的羽绒服保暖性的研究[J].武汉纺织大学学报，2015，28（6）：50-54.
[10]高晶，于伟东.羽绒纤维的吸湿性能[J].纺织学报，2006（11）：28-31.
[11]陆英，王黎明，张振华，等.羽绒纤维的结构及理化性能研究进展[J].上海纺织技，2015，43（11）：6-8，36.
[12]崔鹏，曹继刚，王府梅.几种动物绒絮料的热湿舒适性比较[J].产业用纺织品，2009，27（9）：12-16.
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关键词：羽绒服;温度;单位填充量;热阻;机理分析
中图分类号： TS195.644
文献标志码：A
文章编号：1009-265X（2021）04-0051-06
Abstract： The warmth retention property is an important index to measure the quality of down jackets. Taking the warmth retention property of down jackets as the research object， the differences of the warmth retention of down jackets with different filling density were tested and evaluated at different temperatures， and the warmth retention mechanism under different filling densities was analyzed. The results showed that the thermal resistance of down jacket liner with the same filling density increased with the decrease of temperature below 0 ℃， and the thermal resistance changed little above 0℃. When the environmental conditions were the same， the thermal resistance increased with the increase of filling density. But when the filling density increased to 120 ～ 130 g/m2， the increase of thermal resistance was not obvious or even slightly decreased. The function equation of thermal resistance-filling density-temperature was established according to the experimental data.
Key words： down jacket; temperature; filling density; thermal resistance; mechanism analysis
保暖性是衡量羽绒服质量的重要指标，现有研究已有从填充物类型[1-3]、含绒率[4-6]、绗缝数量[6-7]以及面料[8]等方面对羽绒服保暖性进行探讨，并证实当填充物种类相同时填充量是影响羽绒服保暖性的主要因素[9]。现有的羽绒服内胆保暖性评价是在标准条件下进行的，然而实际穿着时的温湿度变化会影响羽绒集合体蓬松结构，导致内胆的热阻发生改变[9-11]。传统观念中，款式和尺码相同的羽绒服，填充量越大则保暖性越好。而众多实验结果表明，一定体积的羽绒服内胆存在“临界填充量”，当达到临界填充量时，热阻不再随填充量的增加而稳定上升[2，10-11]。现有研究没有将温度和单位填充量对羽绒服热阻的影响做定量研究，因此本研究旨在不同温度下对不同单位填充量的羽绒服进行热阻测试并进行定量分析，得到更为客观的羽绒服保暖性变化规律，为羽绒服类产品设计提供依据。
1 试 验
1.1 试 样
采用30 cm×30 cm大小的羽绒服内胆面料、填充物为含绒率95%白鹅绒制作试样。依据华东地区畅销羽绒服单位填充量调研结果，设置样品单位填充量范围为40～160 g/m2，以10 g/m2为梯度进行充绒。将制成的内胆试样平置，待胆内鹅绒分布均匀后，用游标卡尺测试内胆试样厚度，各参数如表1所示。
1.2 试验仪器及步骤
仪器：HFB-1型织物冷暖感平板仪、红外热像仪（测试内胆试样上表面温度）、温湿度仪、风速仪。平板仪的有效发热面积为10 cm×5 cm，试样在其表面难以保持平整易导致羽绒分布不匀。此外考虑内胆试样四周散热的影响，在内胆试样的上下表面增加固型隔热板：将两块30 cm×30 cm绝热铝塑板中部挖空10 cm×5 cm，如图1所示放置在试样上下两侧并加持，模拟羽绒服内胆绗缝以保证羽绒分布均匀，同时使平板仪的热量通过绝热板镂空部位稳定向上传输。测试地点在气候仓，设备型号Q-WI-20-2，该仓自带空气循环系统和制冷系统，通过压缩机制冷产生低温环境，通过温度控制系统以及空气循环系统，可控制仓内的温湿度。为了保持所测试样周围风速稳定，放置了上下表面挖空的箱体罩在测试仪器外，如图2所示。
试验步骤：依据华东地区冬季气候统计情况，测试温度控制为-6～15 ℃，并以每3 ℃设置实验温度梯度;0～15 ℃时相對湿度稳定在40%，-6～0 ℃时相对湿度降至30%;平板仪外的箱体内风速控制在1 m/s。待气候仓内温湿度风机转速稳定后，将13只内胆试样平铺排列，在仓内预调湿24 h。调湿结束后将内胆试样经镂空绝热板上下加持好，平铺在平板仪上，待热板温度达到设定温度且传热稳定后，测试30 min，并记录实时热流量Q（W/m2）、环境温度T（℃）、环境相对湿度（%）、环境风速（m/s）、试样上表面平均温度t1（℃）、热板上表面平均温度t2（℃）。重复3次，取每周期稳定5 min后数据的平均值进行计算。 T温度下服装热阻：I=0.155×（t2-t1）/Q（1）
式中：I热阻，clo;t1试样上表面平均温度，℃;t2热板上表面平均温度，℃;Q热流量，W/m2。
13块内胆试样在8个温度下（相对湿度40%±10%;风速≤1 m/s）的测试结果如表2所示。
2 结果与讨论
2.1 温度对热阻的影响
由表2可看出，内胆试样热阻在零度以下呈现随温度升高减小的趋势，而零度以上热阻变化不明显。以40、80、120、160 g/m2为例分析温度对试样热阻影响如图3所示。
由图3可以看出，在0℃附近不同试样的热阻随温度变化趋势均出现转折。以40 g/m2试样为例：当温度由-6 ℃上升至0 ℃热阻下降0.137 clo，热阻变化率为0.023 clo/℃。依据标准ISO 9920—2007《服装基本热阻》可知，在这6 ℃的温度变化范围内，保暖性的下降值相当于单件夹克背心的热阻0.13 clo;由0 ℃升至15 ℃时，热阻变化率只有0.008 clo/℃，几乎无变化。综合13种单位填充量的内胆试样测试结果来看，变化规律有一致性：0～15 ℃范围内，随温度的升高内胆试样热阻较为稳定;-6 ℃～0 ℃范围内，随着温度的升高试样的热阻呈现减小的规律。
出现这一现象的原因有两点：a）当环境温度设置为零度附近或以下时，空气中的水蒸气由于温度过低而凝结，致使气候仓温度在零下时的相对湿度降低25%～30%，比零上温度的气候仓相对湿度小10%～15%，内胆试样的热阻会受到相对湿度的影响发生显著的变化：羽绒纤维的绒枝和绒小枝使羽绒的比表面积较大，羽绒有一定的吸湿性;当环境相对湿度较大时，羽绒集合体回潮率增大，其蓬松结构较相对湿度更低时的结构差，羽绒集合体的热阻将明显变小，传热系数增大，热量损失增多，降低了羽绒服内胆的整体保暖性能[10，12]。b）风机转速恒定，温度降低导致空气密度变大（温度由0 ℃降至-6 ℃时空气密度增加0.029kg/m3），气流流动减慢。此外，试样周围的气流使内胆表面存在对流换热，此时对流散热减少，使得热流量Q减少，羽绒服内胆试样的热阻增大[12-14]。
值得一提的是，在华东地区的实际冬季气候中，有与气候仓相同的相对湿度、风速变化规律：冬季温度越低，往往相对湿度减小空气干燥且风速减小，尤其是华东地区12月、1月的天气情况，因此实验虽无法完全排除气候仓内温度变化带来的相对湿度、风速变化对实验结果的影响，却更好地反映了冬季华东地区羽绒服热阻随温度的变化规律。对于活动水平为2MET的人来说，当服装的热阻每变化0.1 clo，服装的温度适用范围有1.32 ℃之差[13];服装热阻每变化0.1 clo就能使人体的热感觉发生变化，因此将不同单位填充量的羽绒服内胆放在不同的环境中表征其热阻值是有必要的[16]。
2.2 单位填充量对热阻的影响
由表2可看出，13块试样单位填充量达到120～130 g/m2后，热阻的上升趋于平缓。以-3、3、9、15 ℃为例，具体分析由40 g/m2升至160 g/m2时热阻变化规律如图4所示。
图4可以看出，由40 g/m2增加为120 g/m2时试样的热阻稳定增加，由120 g/m2增加为160 g/m2过程中试样的热阻增加很小或略微下降。其中试样在40～80g/m2变化时热阻增长较快，随着单位填充量继续增加，热阻增长变缓甚至出现负增长，说明热阻不是随着内胆的单位填充量增加而稳定增加。如-3 ℃时130 g/m2试样的热阻增长为负;9 ℃时，120 g/m2与130 g/m2时的热阻基本相同、150 g/m2与160 g/m2时的热阻基本相同。这一现象与羽绒服内胆特殊的结构以及羽绒集合体特殊的保暖机理共同导致的单位填充量增大使羽绒服内胆主要传热路径发生改变有关[18]，将在下文2.4部分具体分析变化机理。
2.3 温度、单位填充量、热阻函数关系
依据测试数据表2，在温度-6～15 ℃、相对湿度40%±10%、风速≤1 m/s的条件下，利用MATLAB得到热阻-温度-单位填充量函数关系如式（2）：
式中：x为单位填充量，g/m2;y为温度，℃;z为热阻，clo。
拟合方程曲面图如图5所示。
2.4 保暖性变化机理分析
羽绒的树状分叉结构、绒枝的多向分布结构使得羽绒绒朵间有一定间距，羽绒的静电容量小绒毛在极小的电荷下就会相互排斥，以上特点使得羽绒服内胆富含大量静止空气。为了使羽绒服在人体穿着、运动时也能保持绒朵的均匀分布和相对静止、不跑绒以维持更多的空气，羽绒服在制作时需要对内胆进行绗缝来限制绒朵的运动空间，如图6所示。
随着单位填充量的增大，内胆截面的绒朵分布和内胆的传热方式均会发生改变。3种单位填充量内胆的截面绒朵分布示意如图7所示;内胆的综合传热方式如图8所示。
结合图8分析不同单位填充量的保暖性变化机理，如图7（a）当羽绒服内胆的单位填充量小时，绒朵与绒朵之间有一定空间，绒朵自然分散不受挤压，羽绒集合体内孔隙率较大，内部空气对流传热，此时的羽绒服内胆的热量散失主要来源于非静止气体的热传导、羽绒纤维间的热对流和热辐射。如图7（b）当羽绒服内胆的单位填充量增大时，内胆单位绗缝空间的表面积一定而厚度增加，单位体积内羽绒纤维数量增多，绒朵与绒朵之间空隙率减小，增大了空气流动的阻力，绒朵内、绒朵间维持了更多的静止空气，使对流传热显著降低，此时内胆内的热对流、熱辐射热传导的综合值最小，使得内胆隔热性能提高。如图7（c）当内胆的单位填充量持续增大时，内部孔隙率变小，能够容纳的静空气量减少，同时纤维间热传导增加，使集合体的导热系数反而升高。由于内胆单位绗缝空间内的表面积不变，且内胆并无明显的厚度方向上增大，绒朵与绒朵之间有绒毛或绒枝的接触，羽绒纤维之间接触点增多使得传热路径变得通畅，此时羽绒服内胆内的热对流和热辐射虽然受到阻碍，但由于热传导值急剧增大，致使单位填充量过大的羽绒服内胆的隔热性能并无明显增大甚至会出现隔热性能降低的现象。 3 结 论
a）不同温度区间，温度对羽绒服内胆热阻影响规律不同：-6～0 ℃时羽绒服内胆热阻随温度升高而减小;0～15 ℃时内胆热阻随温度升高几乎不变。
b）当环境条件相同时，内胆的热阻随单位填充量增大而增大，但单位填充量增加到120～130 g/m2后热阻增加不明显，达到140 g/m2后继续增加羽绒服内胆单位填充量，热阻出现略微下降。
c）依據试验结果建立了-6～15 ℃温度范围内的单位填充量—温度—热阻函数方程。并分析了羽绒服内胆保暖性变化机理：随着单位填充量增大内胆的羽绒分布和散热方式发生改变，内胆主要散热方式由热对流变为纤维间的热传导。
参考文献：
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