衣下空气层对透气型防护服热阻和湿阻的影响

胡紫婷， 郑晓慧， 冯铭铭， 王英健，刘 莉， 丁松涛

(1. 北京服装学院 服装艺术与工程学院， 北京 100029； 2. 军事科学院防化研究院 国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 100191)

透气型核、化学、生物即核生化(简称NBC)防护服是防核放射尘埃、化学武器和生物武器伤害的综合性作战服。在实际使用规定中,防护服穿着于最外层，并且与密闭式防护装备组合使用。从热物理特性角度分析，多层穿着的方式使服装系统具有很高的热阻和湿阻，极大限制了人体与外界的干热和湿热交换，在作业负荷中容易引发人员的热应激反应，因此，获得最优热湿舒适性是NBC防护服研发的要点。

服装系统的热湿传递主要受外界环境、服装设计、运动发汗量等因素的影响，其中衣下空气层是影响服装热湿传递性能的重要物理指标之一。研究表明，衣下空气层和服装结构比织物厚度、密度、面密度、导热系数等更容易影响服装的热阻和湿阻[1-3]，但目前缺少对NBC防护服衣下空气层对热阻和湿阻影响的研究，尤其对于影响空气层大小及形态的重要因素——服装松量的设计原则没有给出清楚的解释，我国NBC防护服也尚未制定专用尺码号型标准。为此，本文通过设置不同松量，探讨了衣下空气层对NBC防护服热湿传递性能的影响。在热阻和湿阻的测定中，以往学者多对材料进行热湿传递研究，但此类研究不能反映服装系统的整体性能，因此本文采用暖体假人模拟防护服穿着状态，测定服装系统的热阻和湿阻，以期为科学设计NBC防护服提供数据参考。

1 实验部分

1.1 实验服装

实验所用5套服装模拟了NBC防护服的实际着装状态，即采用基础服装和防护装备内穿，透气型NBC防护服T01～T05外穿的组合穿着方式，构成测试用NBC防护服组合S01～S05。服装着装效果测试如图1所示。

图1 服装着装效果测试Fig.1 Photo images of thermal manikin in different wearing conditions. (a) Basic garments and protective equipment; (b) NBC protective suit

基础服装使用作训服，包括作训短裤、作训内衣、作训内裤、作训袜、作训鞋。防护装备为密闭式NBC防护专用装备，包括防护面具、防护手套、防护靴。

实验中制作5套不同松量透气型NBC防护服，其设计及防护功能符合GJB 1750—1993《含炭透气防毒服通用规范》的要求。服装采用双层面料，外层透气型面料面密度为245 g/m2，内层含炭面料面密度为224 g/m2。在0.5 cN/cm2负荷条件下，外层面料厚度为0.863 mm，内层面料厚度为1.118 mm。防护服装结构为上、下两件式，裤装设有背带，防护服款式如图2所示。测试样衣尺码参考假人胸围90.8 cm、腰围73.2 cm、臀围91.8 cm等关键部位尺寸设定松量，假人关键部位尺寸如图3所示。实验中透气型NBC防护服T01～T05松量依次随围度及长度的增加而增大，防护服关键部位尺寸如表1所示。

图2 透气型NBC防护服款式Fig.2 Permeable NBC protective clothing design.(a)Jacket;(b)Trouser

单位：cm。图3 假人关键部位尺寸Fig.3 Measurements of thermal manikin

1.2 实验设备

采用Artec公司生产的非接触式手持扫描仪(Eva)，分别对基础服装和防护装备着装假人以及NBC防护服组合着装假人进行三维扫描，获取三维图像。使用扫描配套软件Artec studio和逆向工程软件Rapidform对点云数据进行修正、拟合和对齐，并对着装假人进行衣下空气层测量。

表1 透气型NBC防护服关键部位尺寸Tab.1 Measurements of permeable NBC protective clothing cm

采用30区段假人“Newton”，进行服装热阻和湿阻实验。使用暖体假人配套软件ThermDAC记录各区段数据。

1.3 实验方案

实验方案分2步进行。第1步：在暖体假人上进行衣下空气层测定，三维扫描2次。第1次先穿着基础服装，然后穿着防护装备扫描；第2次在基础服装和防护装备外层穿着防护服，然后对透气型NBC防护服组合扫描。衣下空气层测定指标为体积和平均厚度。第2步：在人工气候室完成暖体假人实验，对透气型NBC防护服组合S01～S05进行热阻和湿阻测定。人工气候室温度、湿度分别保持在(21±0.5) ℃和(65±2)%范围内，风速小于0.2 m/s。假人采用恒温(35±0.2)℃控制模式，每次实验保持假人发热量、发汗量恒定，约30 min后，每隔1 min记录各区段的温度和热流量数据。为消除穿着因素对测量精度的影响，三维扫描及暖体假人计测数据均需要重复测量3次后取平均值，每次测量前服装重新穿着。

1.4 测定方法

1.4.1 衣下空气层测定

实验方案中每套服装的三维扫描分2次进行，获得2个着装状态模型，2个模型间的体积差值即为衣下空气层体积，二者间的距离即为衣下空气层平均厚度。衣下空气层体积计算公式为

Va=Vn-Vb

式中：Vn为假人内穿基本服装和防护装备，外穿透气型NBC防护服(T01～T05)的防护服组合(S01～S05)穿着模型体积，cm3；Vb为假人穿着基本服装和防护装备的模型体积，cm3；Va为衣下空气层体积，cm3，该体积包含防护服内、外层面料之间的空气层体积以及防护服面料体积。由于防护服面料厚度相对于衣下空气层厚度较小，因此不考虑服装厚度对衣下空气层测定的误差影响。图4示出三维人体扫描图像。将对齐后的三维图形进行截面提取，即获得衣下空气层分布情况。

图4 三维人体扫描图像Fig.4 Clothing system scanning image. (a) Basic garments and equipments; (b) Permeable NBC protective suit; (c) Basic garments and equipments aligned with NBC protective suit

1.4.2 服装热阻与湿阻测定

服装的热阻和湿阻测定参考ASTM F1291—2016《使用加热人体模型测量服装隔热性的试验方法》和ASTM F2370—2016《使用出汗人体模型测量服装蒸发阻力的试验方法》等标准进行。服装的总热阻及总湿阻采用并联法计算，并选取除手、脚以外的所有区段进行计算。假人各区段局部热阻计算公式[4]为

Rt=(Ts-Ta)A/H

式中：Rt为假人对应区段的热阻，m2·℃/W，包括服装本身的热阻和服装外表面空气边界层的热阻；Ts为假人对应部位的皮肤表面温度，℃；Ta为服装对应部位环境中的空气温度，℃；A为假人对应部位的皮肤表面积，m2；H为假人对应部位的热流量，W。各区段湿阻计算公式[5-6]为：

Re=[(Ps-Pa)A]/[H-(Ts-Ta)A/Rt]

Ps=1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ts)]}

Pa=HR×1.333×10{8.107 65-[1.750 29/(235+Ta)]}

式中：Re为假人对应区段的局部湿阻，m2·Pa/W；Ps为假人对应区段皮肤表面的饱和蒸汽压，Pa；Pa为舱室环境中对应假人区段高度下的饱和蒸气压，Pa。HR为环境舱相对湿度，%。依据假人各个区段局部热阻和局部湿阻，使用并联法可以得到服装的总热阻或总湿阻R′，并联法计算公式[7]为

式中：Ri为假人对应区段的局部热阻或湿阻，m2·Pa/W；A′为假人整体皮肤表面积,m2。

2 测试结果与分析

2.1 透气型NBC防护服衣下空气层

2.1.1 衣下空气层大小

图6 透气型NBC防护服组合关键部位横截面空气层分布Fig.6 Cross-sections taken at critical body parts from aligned 3-D body scanning. (a) Chest; (b) Waist; (c) Hip; (d) Thigh; (e) Calves

服装对人体的热湿传递起到阻碍作用，其中服装包覆所形成的衣下空气层大小对服装的热湿传递性能具有一定影响，图5示出5套NBC防护服组合的衣下空气层体积和平均厚度。NBC防护服组合S01～S05的衣下空气层随服装松量的增加呈现逐渐增大的趋势。S01～S05的衣下空气层体积和平均厚度范围分别为21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。最大衣下空气层S05的体积比最小空气层S01大112.67%，S05衣下空气层平均厚度比S01大56.07%。S01～S04衣下空气层体积和平均厚度增长量较大，S04与S05衣下空气层体积和平均厚度较为接近。

图5 透气型NBC防护服衣下空气层体积与平均厚度Fig.5 Air gap volume and average thickness of permeable NBC protective clothing

由衣下空气层体积和平均厚度变化可看出：衣下空气层体积和平均厚度变化趋势基本一致，每组服装衣下空气层体积的差异性与其对应的空气层平均厚度的差异性基本相似；在服装测试范围内，虽然衣下空气层空间随服装松量的增加而增加，但受面料柔软特性及重力的影响，当服装松量增大到一定程度时，服装廓形开始贴近身体，衣下空气层空间增长量逐渐减少。

2.1.2 衣下空气层形态

服装的热湿传递性能还受到衣下空气层形态的影响，图6示出胸围、腰围、臀围、大腿最大围、小腿最大围等局部衣下空气层分布。随着防护服松量的增大，衣下空气层厚度逐渐增大；躯干下部的衣下空气层大于躯干上部，这与服装款式结构、面料物理属性有关；腰部等人体外轮廓曲线向内凹陷部位的衣下空气层厚度较大，胸部、肩胛骨、臀部等人体曲线向外凸起部位的衣下空气层厚度较小。

由各着装部位衣下空气层截面形态可看出：服装款式结构、面料物理属性、服装放松量和人体外轮廓形态是影响衣下空气层分布的主要因素。NBC防护服因为作战需要，服装款式和松量设计较为合体，因此各部位较为贴体，横截面衣下空气层分布较为均匀。

2.2 透气型NBC防护服总热阻及总湿阻

2.2.1 服装总热阻

采用暖体假人分别比较内穿基础服装和防护装备，外穿不同松量NBC防护服(T01、T02、T03、T04、T05)时的防护服组合(S01、S02、S03、S04、S05)的总热阻和总湿阻。表2示出不同松量防护服组合的总热阻、总湿阻变化情况。5套防护服组合的总热阻范围为0.327～0.373 m2·℃/W。在初期阶段(即T01、T02、T03阶段)，NBC防护服的热阻随服装松量的增加逐渐增大；当衣下空气层增加至T03时，热阻呈现最大值，为0.373 m2·℃/W。在后期阶段(即T03、T04、T05阶段)，NBC防护服的热阻随着服装松量的继续增加逐渐下降。NBC防护服最大热阻(T03阶段)较T01和T05阶段分别大14.35%和2.02%。

表2 透气型NBC防护服组合总热阻及总湿阻Tab.2 Total thermal and vapor resistance of different permeable NBC protective clothing

经过各组均值的多重比较检验表明，S01与S02、S03、S04、S05之间热阻差异显著，但S02、S03、S04、S05之间热阻差异不显著。可见，松量大的防护服组合热阻显著增加，但较大松量的防护服组合之间热阻差异不明显。

2.2.2 服装总湿阻

5套NBC防护服的总湿阻范围为54.017～59.702 m2·Pa/W。NBC防护服湿阻随服装松量的增加逐渐增大。其中T05号NBC防护服湿阻比T01号NBC防护服大11%。

经过各组均值的多重比较检验表明，S01与S03、S04、S05之间湿阻差异显著，但S02、S03、S04、S05之间湿阻差异不显著。可见，湿阻与热阻变化情况相似，松量大的防护服组合湿阻显著增加，但较大松量的防护服组合之间湿阻差异不明显。

2.3 衣下空气层对服装热阻和湿阻的影响

通过体积和厚度2项指标将衣下空气层进行量化，分析其对防护服组合S01～S05热阻和湿阻的影响。图7示出衣下空气层体积与防护服总热阻、总湿阻的关系。

图7 衣下空气层体积与透气型NBC防护服组合总热阻和总湿阻的关系Fig.7 Relationship between air gap volume and thermal resistance (a) & vapor resistance (b) of NBC protective clothing

2.3.1 衣下空气层对热阻的影响

1)单因素方差分析结果表明，不同服装松量的衣下空气层对防护服组合热阻有显著影响(P=0.039，即P<0.05)。2)受服装合体度的影响，随衣下空气层的增加，服装热阻呈先逐渐增加而后减少的趋势，这与其他学者研究的结果相符[8]，故防护服设计应选择对服装热量传递阻力较小的松量范围。3)在测试范围内，最小衣下空气层S01的服装热阻最小，其对热量传递的阻碍最小，服装的热舒适性较好，松量设计最优，此时衣下空气层体积为21 222.67 cm3，衣下空气层平均厚度为12.48 mm。4)当衣下空气层增加至T03时，热阻呈现最大值，此时衣下空气层体积为37 311.43 cm3，衣下空气层平均厚度为16.68 mm。该结果说明衣下空气层对热阻的影响存在临界值：当服装与人体形成的衣下空气层增大到一定程度时，静止空气量较多，服装的热阻达到最大值，服装对热传递的阻力最大，服装热舒适性较差；当超过该临界值时，衣下空气层继续增大，衣下空气对流加强，使得服装热阻降低。5)超过临界值后，最大空气层防护服组合S05与S04热阻变化差异较小，即服装松量对热阻变化的影响趋于平稳，此时衣下空气层体积范围为44 574.88～45 133.68 cm3，衣下空气层平均厚度范围为18.96～19.48 mm。此结果可能是由于松量持续增加后，较为宽松的T05防护服受面料具有柔软特性和重力影响，服装与人体间的空气层平均厚度与T04的相似，空气层增加量较小而导致的。空气层增大到一定程度时热阻增大量较小这一结果也与其他学者的研究结果相符[9]。6)防护服组合松量越小其对热阻变化率的影响越大，防护服S01、S02阶段热阻增长率最大，此时衣下空气层体积范围为21 222.67～37 311.43 cm3，衣下空气层平均厚度范围为12.48～14.47 mm；而防护服组合松量较大时其对热阻变化率的影响则较小，S02、S03阶段热阻增长率和S03、S04热阻下降率较小。从各组均值的多重比较检验结果同样可以看出，最小服装松量防护服组合S01的热阻显著小于其他松量尺寸服装，且其他服装热阻差异不显著。

2.3.2 衣下空气层对湿阻的影响

1)单因素方差分析结果表明，不同松量的衣下空气层对防护服组合湿阻有显著影响(P=0.048，即P<0.05)。2)受服装合体度的影响，服装湿阻随衣下空气层的增加而增大。不同服装松量的衣下空气层对热阻和湿阻的影响不同，这一结果与其他学者的研究结果相符[10]。防护服设计应选择对服装透湿传递阻力较小的松量范围。3)在测试范围内，同样是最小衣下空气层S01的服装湿阻最小，其对透湿的阻碍最小，服装的热湿舒适性较好，松量设计最优。4)最大空气层防护服组合S05与S04湿阻变化差异较小，此时服装松量对湿阻变化的影响趋于平稳，这一变化与热阻情况相似。5)虽然湿阻与服装松量成一定的正相关关系，但各防护服组合间的湿阻增长率不同。S01、S02阶段湿阻增长率较大，S02、S03、S04阶段湿阻增长率较小。可见防护服组合松量越小其对湿阻变化率的影响越大，而松量较大时其对湿阻变化率的影响则较小，这一情况也与热阻变化相似。从各组均值的多重比较检验结果同样可以看出，最小服装松量防护服组合S01的湿阻显著小于S03～S05，且其他服装湿阻差异不显著。

综合衣下空气层对热阻和湿阻的影响结果发现，透气型NBC防护服在保证运动松量的情况下，服装松量设计较小时，防护服组合的总热阻和总湿阻最小，服装对热、湿传递的阻碍最小，服装热湿舒适性较好。

3 结束语

本文对5套不同松量的透气型核生化(NBC)防护服进行三维扫描和暖体假人实验分析常温条件下衣下空气层对热阻和湿阻的影响，实验结果表明，衣下空气层随服装松量的增加而增大，衣下空气层体积和平均厚度的范围分别为21 222.67～45 133.68 cm3和12.48～19.48 mm。在不同松量设置条件下，衣下空气层变化对防护服热阻和湿阻的影响显著，服装总热阻随着服装松量的增加呈现先增后减的变化趋势，总热阻范围为0.327～0.373 m2·℃/W；服装总湿阻随着服装松量的增加而增大，总湿阻范围为54.017～59.702 m2·Pa /W。测试样衣中松量最小的透气型NBC防护服组合S01的总热阻和总湿阻最小，其对应衣下空气层的体积和平均厚度分别为21 222.67 cm3和12.48 mm，此时服装对人体与外界的干热和湿热交换阻力较少。设计透气型NBC防护服时，在保障防护安全和运动自由度的情况下，衣下空气层较小的服装，即松量较小的服装，其总热阻、总湿阻较小，服装热湿舒适性较好，服装对人体热应激效应的影响最小。

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