服裝舒適性的影響因素

服裝舒適性的影響因素

在現(xiàn)代社會(huì)，消費(fèi)者不僅需要服裝的視覺沖擊力，還需要良好的穿著感覺。全過程性對消費(fèi)者來講是最基本和帶有普遍性的需求。服裝和紡織產(chǎn)品是日常生活中獲取生理和心理舒適的最基本的材料。從根本上講就是確保環(huán)繞人們身體的物理?xiàng)l件滿足人類生存的需要。因此,服裝舒適性的研究對人類的生存及生活質(zhì)量的提高具有根本性的意義。服裝舒適性是一個(gè)模糊和廣泛的概念,涉及到人體、服裝及環(huán)境3個(gè)方面,是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),囊括了生理、心理及物理學(xué)等多種因素。從狹義范圍來講,舒適性的首要標(biāo)準(zhǔn)是人體、服裝和環(huán)境之間的熱力學(xué)綜合平衡,這個(gè)平衡主要包括滿意的熱平衡和濕平衡。它是各種環(huán)境因素、人體活動(dòng)狀態(tài)及服裝熱濕特性等的綜合與協(xié)調(diào)的結(jié)果。1熱濕舒適性相關(guān)因素?zé)釢袷孢m性主要涉及到3個(gè)方面的因素:人體的熱調(diào)節(jié)機(jī)能、服裝的熱濕傳遞性能以及環(huán)境。1.1肌肉的代謝活動(dòng)在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中,人體必須保持恒定的體溫。人體可以通過出汗、血管收縮及血管擴(kuò)張來調(diào)節(jié)溫度變化,保持人體與環(huán)境的熱濕平衡。但如果不穿衣服只靠自身的生理調(diào)節(jié),人類無法在其繁衍生息的大部分環(huán)境中生存。對于人體來講,由于新陳代謝而產(chǎn)生熱量。當(dāng)人處于休息狀態(tài)的時(shí)候,這部分熱量是維持人體的基本功能所需要的熱量,如呼吸,心臟的工作以向身體細(xì)胞提供氧氣及營養(yǎng)。然而,當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),活動(dòng)的肌肉所需的氧氣及營養(yǎng)增加,人體的新陳代謝活動(dòng)加強(qiáng)。當(dāng)肌肉消耗這些營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械行動(dòng)時(shí),肌肉所持有的部分能量以對外做功的形式向身體外部釋放,但大部分卻以熱的形式釋放在肌肉內(nèi)部。人體需擺脫這部分熱量,否則人體會(huì)熱到致命的程度。人體的溫度必須穩(wěn)定,因此就要求熱量的損失與熱量的產(chǎn)生相平衡。1.2服裝系統(tǒng)熱傳遞的影響因素由于人體對熱濕的生理調(diào)節(jié)范圍是很有限的,當(dāng)外界氣候條件的變化超出生理調(diào)節(jié)范圍時(shí),著裝就成了必須的行為調(diào)節(jié)手段?？梢詫⒎b作為一個(gè)準(zhǔn)生理系統(tǒng),是人體的延伸,并與人體相互作用。與鍛煉所起的作用一樣,服裝將人體感覺舒適的范圍向溫度低的方向推移。值得注意的是,服裝并不僅僅是被動(dòng)性地對人體皮膚進(jìn)行覆蓋,而是與人體皮膚的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)相互作用并改變皮膚的熱調(diào)節(jié)狀態(tài)。在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中,服裝與人體及環(huán)境的關(guān)系是復(fù)雜的。就服裝本身而言,與服裝系統(tǒng)熱傳遞性能相關(guān)的因素主要有:1)織物結(jié)構(gòu)———織物密度,紗線捻度,織物結(jié)構(gòu),質(zhì)量等?？偟膩碇v,織物中所含的靜止空氣越多,其保溫性能越好。2)纖維特性———結(jié)晶度,纖維吸濕性能及后整理等。纖維或織物的后整理直接影響到織物的吸濕性能,在濕傳遞的同時(shí)引起熱量的大量散失。3)服裝系統(tǒng)———服裝的層數(shù),服裝的開口,層間厚度等。由于靜止空氣的隔熱性能好,同時(shí)穿著的服裝層數(shù)越多,開口越少,服裝的保暖性能越好。服裝的作用就是皮膚和外部環(huán)境間熱濕傳遞的屏障。這一屏障可以保護(hù)人體免受過熱及過冷帶來的傷害,但與此同時(shí)也阻礙了人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的多余熱量向外界的散失。例如,如果人穿著厚重的冬衣完成艱苦的工作,由于服裝本身高的熱濕傳遞阻抗,熱量就會(huì)迅速在身體上積聚;在熱的環(huán)境中,服裝的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能之一就是服裝逐漸被汗液浸濕,使得服裝對熱濕傳遞的阻抗不斷降低。服裝對熱濕傳遞的屏障是由服裝材料本身及服裝材料所包裹的靜止空氣共同引起的。1.3空氣中的u3000水資源環(huán)境因素對于熱舒適性非常重要。為了描述環(huán)境,至少要考慮3個(gè)方面的因素。1)溫度空氣的溫度越高,由傳導(dǎo)、對流、輻射所引起的人體的熱量損失越小。2)相對濕度或空氣的水汽含量空氣中的水汽含量決定著汽態(tài)水(汗液)是由皮膚向環(huán)境傳遞或是反方向傳遞。總的來講,皮膚上的水汽含量比環(huán)境中要高,這就使得由于皮膚上的水汽蒸發(fā)而向外界傳遞熱量成為可能。對于熱量傳遞而言,蒸發(fā)散熱是人體散失多余熱量的最主要途徑。應(yīng)該注意的是,空氣中的水汽含量,而不是空氣的相對濕度,是蒸發(fā)散熱的決定因素。當(dāng)空氣溫度低于皮膚溫度時(shí),即使空氣的相對濕度是100%,皮膚上的汗液也可以蒸發(fā)到空氣中去。3)空氣運(yùn)動(dòng)包括風(fēng)速、方向及氣流形式。1.4熱濕傳遞過程除人體、服裝、環(huán)境各自對熱舒適性的影響外,三者之間的相互作用———表面靜止空氣層對熱舒適性來講是非常重要的。表面靜止空氣層的解釋如下:即使是在極端的情況下,不穿衣服,人的身體也不是與外部環(huán)境直接接觸,而是通過一個(gè)個(gè)人小氣候過渡,即人體皮膚表面的粘滯空氣層。這一空氣層是由于運(yùn)動(dòng)空氣和任何表面間磨擦滯后的結(jié)果。通常在人體穿衣的情況下,服裝外面有一靜止空氣層,此外,每一新的織物層里面也有一靜止空氣層。與服裝本身的作用相似,靜止空氣層也構(gòu)成了對熱濕傳遞的屏障。2熱濕傳遞過程及其理論研究關(guān)于熱舒適性的研究可以歸為2大類:熱傳遞及濕傳遞。熱傳遞與干熱傳遞相關(guān)而濕傳遞與水汽傳遞、液態(tài)水傳遞以及其水汽及液態(tài)水傳遞過程中引起的熱傳遞相關(guān)。在大多數(shù)情況下,熱濕是一個(gè)共同傳遞的過程。2.1細(xì)胞蒸發(fā)及熱在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中,有4種熱傳遞方式:傳導(dǎo)、對流、輻射及汗液蒸發(fā)。傳導(dǎo)主要發(fā)生在固體材料及界于其間的空氣中。對流發(fā)生在皮膚表面及服裝外層表面。當(dāng)人體表面與環(huán)境存在溫差時(shí),將會(huì)發(fā)生輻射換熱。皮膚表面的水汽可以蒸發(fā),并同時(shí)帶走大量的熱量。1)熱傳導(dǎo)在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中,熱傳導(dǎo)是熱量由溫度高的一邊向溫度低的一邊進(jìn)行傳遞的一種主要方式。對于熱傳導(dǎo),所用的基本公式為傅立葉定律。其表達(dá)式為q=-λdtdx,其中:q為熱流密度(W·m-2);dt/dx為x方向的溫度梯度(K·m-1);λ為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1);公式中的負(fù)號(hào)表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反,即熱量朝著溫度降低的方向傳遞。傅立葉定律主要用來描述發(fā)生在固體纖維中以及服裝系統(tǒng)所包裹的空氣的熱傳導(dǎo)性能,是干熱研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容影響到紡織材料及服裝的隔熱性能。2)對流熱量傳遞的另一種方式是對流傳熱。當(dāng)溫度較低的空氣在皮膚表面運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)將熱量帶到周圍的空氣中去。在服裝系統(tǒng)的外面,由于其暴露在外部空氣中,熱量也會(huì)通過對流的方式而散失。對流傳熱可用牛頓冷卻定律表述:C=hc(Tcl-Ta),其中:C為單位面積內(nèi)對流熱損失(W·m-2);Tcl為著裝人體的表面溫度(℃,K);Ta為空氣溫度(℃,K);hc為對流傳熱系數(shù),又稱膜系統(tǒng)(·-2·-1)。式中的膜系統(tǒng)h值與許多因素有關(guān),如固體壁面的幾何形狀與粗糙情況、流體的物理性質(zhì)、流型、流速能及溫度差等。這些因素與膜系數(shù)之間的關(guān)系十分復(fù)雜。無論是自然對流或在強(qiáng)制對流情況下,當(dāng)人體皮膚或著裝的人體暴露在空氣中時(shí),由于空氣的流動(dòng)而引起的熱量散失是通過牛頓冷卻定律來描述的。3)輻射身體或服裝暴露在外部環(huán)境中,在整個(gè)暴露面積上都會(huì)產(chǎn)生輻射作用,表面內(nèi)的能量以分子運(yùn)動(dòng)的形式存在,并在表面上以輻射能放射出去,或由環(huán)境來的輻射能被表面吸收并變成分子運(yùn)動(dòng)。對于輻射換熱,可用如下公式描述:R=εfclfeffσ(T4cl-T4r),其中:R為單位面積內(nèi)的輻射熱(W·m-2);fcl為服裝面積系數(shù);feff為有效輻射面積系數(shù);Tcl為著裝人體的表面溫度(℃,K);Tr為平均輻射溫度(℃,K);σ為斯蒂芬-波茲曼常數(shù)(5.67×10-8W·m-2·K-4);ε為發(fā)射率。當(dāng)身體(或服裝)表面溫度與環(huán)境表面溫度不同時(shí),就會(huì)以輻射的方式產(chǎn)生熱量交換。在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中,當(dāng)身體(或服裝)表面溫度高于環(huán)境溫度,熱量由人體向環(huán)境散失。在相反的情況下則吸收環(huán)境的熱量。4)蒸發(fā)散熱除以上所述的3種干熱交換方式外,熱量可以通過蒸發(fā)的方式向外界散發(fā)由于人體具有出汗的功能,出現(xiàn)在皮膚表面的水汽會(huì)蒸發(fā)。由液態(tài)水轉(zhuǎn)達(dá)化為汽態(tài)水需要一定量的潛熱,因此大量的熱將會(huì)隨水汽的蒸發(fā)而散失。對于由蒸發(fā)引起的熱量損失,可用下列公式表示:E=whe(Pssk-Pa),其中:E為單位面積皮膚內(nèi)汗液蒸發(fā)引起的熱量損失(W·m-2);he為蒸發(fā)散熱系數(shù)(W·m-2·(10-5Pa)-1);Pssk為皮膚溫度下的飽和水汽壓(10-5Pa);Pa為環(huán)境水汽壓力(10-5Pa);w為皮膚的濕潤程度。對于干熱的理論研究,可分別用傳導(dǎo)、對流、輻射的相關(guān)公式來描述。蒸發(fā)散熱實(shí)際屬于濕傳遞的研究范疇。對于由蒸發(fā)引起的熱量損失,可用上述公式來描述。在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中存在2種形式的水,水汽及液態(tài)水。它們在這一系統(tǒng)中通過不同的方式傳遞。1)水汽的傳遞在織物中,可以假設(shè)水汽通過纖維間及纖維內(nèi)的空隙傳遞并且水汽可被纖維本身所吸收及釋放。為了描述水汽的擴(kuò)散,所用的基本公式為費(fèi)克擴(kuò)散定律。費(fèi)克總結(jié)了由濃度引起擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,得出擴(kuò)散能量正比于濃度梯度,用公式表示為JA=-DABdcAdz,其中:JA為組分A在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)通量(kg·m-2·s-1);DAB為組分A通過組分B的擴(kuò)散系數(shù)(m2·s-1);dcA/dz為濃度梯度(kg·m-4)。2.2毛細(xì)及幾何模型紡織內(nèi)部纖維之間和紗線之間貫通空間中的水蒸汽濃度差引起的水汽擴(kuò)散是紡織品濕傳遞的第1種途徑。用費(fèi)克擴(kuò)散定律來描述。水汽在吸濕性材料及非吸濕性材料中以不同的方式傳遞。當(dāng)纖維所占的體積比小于40%時(shí),吸濕性材料及非吸濕性材料的濕阻非常接近,因?yàn)榇藭r(shí)低阻抗的纖維間空隙足以滿足水汽傳遞的需要。當(dāng)纖維的體積比超過40%時(shí),吸濕性材料水汽傳遞的主要通路為空氣間隙。對吸濕性材料來講,大量的水汽通過纖維本身傳遞?？偟乃麛U(kuò)散速率取決于水汽的擴(kuò)散、纖維對水汽的吸收以及它們之間的相互作用。2)液態(tài)水的傳遞服裝系統(tǒng)中的液態(tài)水可通過芯吸或潤濕傳遞。毛細(xì)理論可以用來描述液態(tài)水的傳遞?？紫督橘|(zhì)中的毛細(xì)作用與液體的特性、液體-介質(zhì)的表面作用以及介質(zhì)中孔隙的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。在毛細(xì)管中,液體由于液體-固體接觸面上正的力ΔP而升高:ΔP=P-δgh,P=Fwi/πr2i=2πr2i=2γcosθ/ri,其中:δ為液體密度(g·cm-1);g為重力加速度(980.7cm·s-2);h為液體上升高度(cm);γ為液體表面張力(10-5N·cm-1);ri為毛細(xì)管內(nèi)半徑(cm);θ為液體-固體接觸角;Fwi為內(nèi)部潤濕力(10-5N)。當(dāng)毛細(xì)壓力(P)大于液體質(zhì)量(δgh)時(shí),正的力使得液體上升。對于液態(tài)水的傳遞,理論研究多用毛細(xì)理論來進(jìn)行描述。紡織品處于較高濕度的環(huán)境中,水汽在織物的高濕側(cè)凝結(jié)成液態(tài)水,再在各種縫隙孔洞中以毛細(xì)輸送方式輸送到低溫側(cè),然后在低溫側(cè)蒸發(fā)。由于紡織品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其孔隙結(jié)構(gòu)幾何模型的建立是相當(dāng)復(fù)雜的。到目前為止,世界各地的學(xué)者已經(jīng)建立的模型在一定程度上可以模擬紡織品的孔隙結(jié)構(gòu),但與實(shí)際情況還有一定的差距,因此在這一研究領(lǐng)域還有大量的工作要做。2.3質(zhì)量守恒和熱量平衡公式在服裝穿用的大多數(shù)情況下,人體溫度高于環(huán)境溫度,因此人體散發(fā)的熱量通過服裝系統(tǒng)向外界散發(fā)。同時(shí)由于人體出汗,無論處于潛汗(身體表面無汗液積聚)或顯汗(身體表面有汗液積聚)狀態(tài),在熱量傳遞的同時(shí)伴隨有水的傳遞。反之,在水汽傳遞的同時(shí),水汽的蒸發(fā)會(huì)帶走大量的熱。由于纖維吸濕或放濕也引起熱量的傳遞。因此在大多數(shù)情況下屬于熱濕共同傳遞的過程。質(zhì)量守恒和熱量平衡公式可用來描述熱濕共同傳遞的過程。質(zhì)量守恒公式(水汽傳遞),其中:CA為單位體積織物內(nèi)空氣中的水汽含量(g·cm-3);CF為單位體積織物內(nèi)吸收狀態(tài)的水汽含量(g·cm-3);d為織物密度(g·cm-3);ρ為纖維密度(g·cm-3);D為水汽在織物內(nèi)的空氣中的擴(kuò)散系數(shù)(cm2·s-1);x為垂直于織物平面所測量的距離(cm);t為時(shí)間(s)。等式右面的第1項(xiàng)描述了吸收狀態(tài)水的積聚,第2項(xiàng)描述了水汽在纖維間空隙中的積聚。熱量平衡公式,其中:Q為纖維與空氣混合體的熱導(dǎo)率(W·m-1·K-1);T為纖維與空氣的絕對溫度(K);C(CF,T)為纖維的比熱(kJ·m-3·K-1);λ(CF)為纖維吸濕或放濕熱量(kJ·kg-1)。通常情況下,這2個(gè)公式同時(shí)使用以描述織物的動(dòng)態(tài)熱濕傳遞過程關(guān)于熱濕共同傳遞的研究非常多。熱舒適性研究的早期研究涉及干熱研究及濕單獨(dú)傳遞研究。后來的研究工作大多集中在熱濕共同傳遞范疇。3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度熱濕透過服裝系統(tǒng)傳遞的實(shí)際狀態(tài)是非常復(fù)雜的,很難非常精確的描述。大多數(shù)的理論研究通常是使用一些最基本的理論(如上所述),在某些假設(shè)的基礎(chǔ)上給出數(shù)學(xué)模型,然后結(jié)合具體情況做出進(jìn)一步的假設(shè)給出邊界條件以求解數(shù)學(xué)模型。為了校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的正確性,研究者