百年纺织之二十：服装舒适性
2023年11月14日 星期二

        服装舒适性是一个非常广泛的话题，有生理、心理、环境、色彩、人体工效学等组成。很难说什么服装穿在身上具有舒适性。
        服装舒适性也是一个很狭义的话题，有传热、传湿、辐射、密度、多孔介质特性等构成。也很难说什么服装在身上具有舒适性。

图1 织物传热传湿示意图

        如图1，纺织品的多尺度几何结构，决定纺织品是一个具有多种孔隙特征的多空介质，另外纤维材料本身导热系数和导湿性质就有方向性，组成纤维集合体之后的复杂性更是难以衡量。
       另外，温度/湿度变化率也是重要的考量因素。人体从室温环境缓慢进入低温环境和突然进入低温环境，体会到的冷感不一样，所以纺织品单纯的传热问题就牵动了很多纺织科学家的心。

图2 1930年英国利兹大学Speakman等就详细报道纺织材料和织物热传导系数

       关于织物的热传递性质，非常早就有文献报道。例如1930年英国利兹大学的Speakman等[1]就详细报道了纺织材料和织物热传导系数（图2），资料之详细让人为纺织先驱的严谨认真而折服。前面的百年纺织之三曾讲到Speakman是一位于1924年从伊顿学院（Eton College）调动到利兹大学的化学家。他做起不属于自己本行的热传递研究来也确实一板一眼、踏实严谨。1931年Marsh [2]也曾在JTI上报道织物传热性质，但很遗憾JTI网页上正好缺失1931年全年文献，这篇论文也无法得以一阅。1934年英国亚麻工业研究协会的Black和Matthew [3,4]非常详尽地总结从织物到服装的物理性质（图3），尤其是温度和湿度传递，并报道织物的水汽渗透性，这也是世界上较早研究织物水汽传递的工作。

图3 1934年英国亚麻工业研究协会Black和Matthew研究论文首页

图4 1941年英国棉花工业研究协会W. Howard Rees在JTI上发表论文的首页

       这些早期的研究积累，使得研究织物和服装热传导和湿传递的成果从量变产生了质变。1941年英国棉花工业研究协会的W. Howard Rees在JTI上发表论文[5]研究织物热传递性质（图4），指出织物“保暖”作为纺织品主要功能的重要特质，以及受个人经验或偏见影响的主观性而难以凭借人体确定保暖性的好坏。为了解决这个问题，Rees首先提出了一种简单而准确的方法，在尽可能接近实际使用条件的情况下测量织物的“温度”。通过在被测织物上保持恒定的温度差，并通过提供电能来代替对热量的测量，就有可能进行非常精确的热流测量。从热量和温度差，可以很容易地计算出织物的有效导热系数或热阻。为了防止周围的热损失，Rees采用了一项关键技术，即使用与热板温度相同的保护环（图5）。

图5 Rees设计的测量装置

       利用他自己研发的引导热板技术，Rees研究了贴合度、风速、湿度、织物厚度和密度对隔热的影响，并首次通过测量热板温度的初始下降来测量织物的“冷”或“暖”感觉。他的许多发现都是关于服装热舒适的基本知识。例如，织物的厚度，而不是纤维的类型，是隔热的决定因素；残留在纺织品中的空气增强了纺织品的隔热性能；静止空气最初增加绝热性质，直到达到峰值，然后由于对流换热的增加而下降。这些现在耳熟能详的知识都是来源于早期先驱们多年研究的积累。
       Rees测量纺织品的隔热和“冷/暖感觉”的方法的原理今天仍然普遍使用，尽管随着电子和计算机科学的进步，控制和用户界面已经大大改善。他通过简单而准确的物理测量来客观测量主观感觉的方法，代表了真实的使用条件，影响了几代纺织研究人员。

图6 1956年美国Norman R. S. Hollies研究纱线和织物对水分吸收和传递的毛细效应

       服装湿传递性质也是舒适性的重要指标。1956年美国Norman R. S. Hollies [6, 7] 研究纱线和织物对水分吸收和传递的毛细效应（图6），发现了液态水在纱线和织物等纤维集合体中的毛细输运特性，纱线的结构特征如捻度、直径、卷曲度和纤维细度都与纤维集合体中的水分输送率有关。水主要是在单个纱线中由纤维形成的毛细通道中传输，传输速度很容易因纱线中随机排列的纤维的存在而降低。纤维集合体在相同结构下由不同纤维材料制成的织物的持水能力也相似，也即结构、而不是纤维材料本身，更大程度上决定混纺织物中水的传输特性。织物表面的水滴被吸收速率也有相同的机理，但在量级上要比织物内部的水传播速率低得多。

图7 印度J. J. Patil, C. D. Kane和P. Ramesh关于针织物芯吸性质研究论文首页

       最近对于水分在织物中的吸收和输运的工作由印度J. J. Patil, C. D. Kane和P. Ramesh于2009年7月在JTI上发表，这是关于针织物芯吸性质典型代表性工作（图7）[8]。Patil集中于排汗率，这是水分/汗水管理的重要参数。扩散和吸湿是两种重要的水分特性，通过它们，水分从身体和织物转移到大气中。吸湿是非常重要的，有助于将水分转移到环境中。通过调查不同结构针织物的蒸馏水、自来水、热水、排汗液等不同类型液体的芯吸性质，并根据天气情况研究了它们对排汗的影响以及对针织结构的应用。发现随着时间推移芯吸排汗率急剧下降。本文提出了综合考虑结构、液体类型和针织物线圈长度三个因素的回归方程。综上所述，湿舒适性受到以上三个因素的影响，但线圈长度对湿舒适性的影响最为显著。这项工作在当时是一项开创性的工作，并以它为基础引发了许多新的研究，对于织物和服装湿管理的测试与织物结构设计提供了极具参考价值的方法。
       正值冬季，衣服除了保暖之外，湿度传递也极为关键，尤其是厚型服装的湿度传递规律，是舒适性设计的重要内容。纺织品的舒适性无论是现在的冬天，还是将来的夏季，都是生活之必须。

参考文献
1 J. B. Speakman & N. H. Chamberlain (1930). The thermal conductivity of textile materials and fabrics. Journal of the Textile Institute Transactions, 21:2, T29-T56
2 C.M. Marsh (1931). Journal of the Textile Institute Transactions, 22: T245-273
3 C. P. Black & J. A. Matthew (1934). The physical properties of fabrics in relation to clothing. Part I—A review of the literature, Journal of the Textile Institute Transactions, 25:6, T197-T224
4 C. P. Black & J. A. Matthew (1934). The physical properties of fabrics in relation to clothing. Part II—Water vapour permeability of fabrics. Journal of the Textile Institute Transactions, 25:7, T225-T240
5 W. Howard Rees (1941). The transmission of heat through textile fabrics. Journal of the Textile Institute Transactions, 32(8): T149-T165
6 Norman R. S. Hollies, Martha M. Kaessinger, Herman Bogaty. Water Transport Mechanisms in Textile Materials1 Part I: The Role of Yarn Roughness in Capillary-Type Penetration. Textile Research Journal, 1956, 26(11): 829–835
7 Norman R. S. Hollies, Martha M. Kaessinger, Barbara S. Watson, Herman Bogaty. Water Transport Mechanisms in Textile Materials: Part II: Capillary-Type Penetration in Yarns and Fabrics. Textile Research Journal, 1957, 27(1): 8–13
8 U. J. Patil, C. D. Kane & P. Ramesh (2009). Wickability behavior of single-knit structures. The Journal of The Textile Institute, 100(5): 457-465