紡織業(yè)假人的運(yùn)用研究

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本文作者：倪冰選 單位：國(guó)家紡織品服裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

假人技術(shù)研究現(xiàn)狀

為更好地測(cè)試評(píng)價(jià)紡織服裝的熱濕舒適性，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)假人在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。

國(guó)內(nèi)研究假人應(yīng)用于紡織領(lǐng)域的主要有總后勤部軍需裝備研究所、航天醫(yī)學(xué)工程研究所、東華大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)和香港理工大學(xué)等。1978年起，我國(guó)總后軍需裝備研究所開始對(duì)假人技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)我軍軍服、民用勞動(dòng)保護(hù)服和南極考察防寒服等進(jìn)行試驗(yàn)，得出許多重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我軍軍需裝備研究開發(fā)提供了重要的技術(shù)支持。該所成功研制的“變溫暖體假人”有動(dòng)靜兩種狀態(tài)，靜態(tài)取站姿，動(dòng)態(tài)取步行動(dòng)作，如同真人。科研人員在模擬實(shí)驗(yàn)室為假人穿上服裝，模擬真人與外界冷環(huán)境進(jìn)行熱交換。姜志華、諶玉紅等［5］成功研制出一種出汗假人測(cè)試系統(tǒng)，能夠模擬人體在過熱條件下的產(chǎn)熱、干散熱和汗液蒸發(fā)散熱過程，通過對(duì)不同服裝的測(cè)試，表明研制的出汗假人測(cè)試系統(tǒng)能在熱濕穩(wěn)態(tài)條件下準(zhǔn)確可重復(fù)地測(cè)定各種服裝的透濕指數(shù)和蒸發(fā)阻力。

從20世紀(jì)80年代至今，東華大學(xué)張渭源教授及其團(tuán)隊(duì)成功研制了多種類型暖體假人，其研制的國(guó)內(nèi)第一個(gè)用于艙內(nèi)艙外航天服測(cè)試評(píng)價(jià)的暖體假人，為神七航天服測(cè)試提供了重要手段，居于國(guó)際先進(jìn)水平。所研究的出汗假人可模擬人體出汗，出汗均勻，重復(fù)性好，被用于測(cè)試各類服裝的透濕性能，對(duì)服裝舒適性可以做出客觀定量評(píng)價(jià)。東華大學(xué)研制的暖體假人及氣候室可用于南極低溫防寒服的開發(fā)研究，其與航天醫(yī)學(xué)工程研究所共同研制和開發(fā)的姿勢(shì)可調(diào)暖體出汗假人，其姿勢(shì)及形態(tài)以中國(guó)航天員的體型為標(biāo)準(zhǔn)。朱利軍等［6］通過對(duì)暖體假人多組裸體試驗(yàn)結(jié)果的分析，討論了假人試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試精確度、重復(fù)精度及其影響因素，得出環(huán)境溫度與空氣隔熱值之間的關(guān)系。為改善目前現(xiàn)有硬質(zhì)材料暖體假人與真實(shí)人體表面彈性的差異性，提高特殊功能服裝測(cè)試的精度，楊凱等［7］對(duì)暖體假人上使用的軟質(zhì)模擬皮膚進(jìn)行研究，選擇熱硫化硅膠、天然乳膠、醫(yī)用硅膠、聚苯乙烯系彈性體TPR、聚烯烴系彈性體EVA和熱塑性聚氨酯TPU6種高分子彈性體，在拉伸、壓縮、熱性能等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究高分子彈性體的綜合性能，并通過模糊數(shù)學(xué)的模糊決策理論選出綜合性能最優(yōu)的暖體假人模擬皮膚材料。

航天醫(yī)學(xué)工程研究所龐誠(chéng)、陳景山等［8］研究了出汗暖體假人在設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)防護(hù)服中的應(yīng)用，包括通風(fēng)服、液冷服及防寒服中關(guān)于身體各段的流量分布、服裝隔熱值與表面熱流以及進(jìn)口液體溫度和流率對(duì)服裝致冷能力的影響等問題，為使用出汗暖體假人技術(shù)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)航天服調(diào)溫功能研究提供啟示和借鑒。

香港理工大學(xué)范金土教授研制的發(fā)汗織物假人“Walter”，是世界上首個(gè)用水循環(huán)和高強(qiáng)度“可呼吸面料”制成的暖體假人。早期的出汗試驗(yàn)是在假人身上噴水來模擬人體出汗，在假人外面覆蓋一層“出汗皮膚”，“出汗皮膚”采用純棉織物或吸濕透濕性好的滲透膜材料。而“Walter”可以模擬人體實(shí)現(xiàn)主動(dòng)出汗和人體的整個(gè)溫度分布，可以通過變換具有不同透氣性的模擬皮膚調(diào)節(jié)出汗速率，同時(shí)測(cè)量干性及蒸發(fā)散熱量、熱阻和濕阻值等，同時(shí)四肢可以模擬人體步行運(yùn)動(dòng)［9］。為了評(píng)價(jià)不同類型冷卻服的冷卻性能，天津工業(yè)大學(xué)李利娜等［10］采用可行走出汗暖體假人“Walter”對(duì)3件不同類型的冷卻背心進(jìn)行冷卻性能測(cè)試，其中液態(tài)相變材料冷卻背心使假人的皮膚溫度下降最多，致冷時(shí)間最長(zhǎng)，而微膠囊相變材料冷卻背心使假人的皮膚溫度下降最少，致冷時(shí)間最短，液體冷卻背心的致冷作用則介于兩者之間。

美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)紡織護(hù)理舒適中心與芬蘭VTT技術(shù)研究中心合作開發(fā)出的暖體出汗銅人通過187條汗腺在中心產(chǎn)生可控的濕氣來模擬出汗，最大出汗量為200g/m2•h，在生理上相當(dāng)于人體每小時(shí)出汗量350g，其膝蓋、臀、肘和肩關(guān)節(jié)均可以自由活動(dòng)，可以連續(xù)地檢測(cè)服裝在變化的氣候條件和模擬運(yùn)動(dòng)水平下的熱濕損耗量［11］。

瑞士在2001年研制出名叫SAM(sweatingagilemanikin)的出汗假人。SAM由30個(gè)加熱區(qū)組成，除了頭、腳和手外，在其它部位有125個(gè)出汗孔，蒸餾水通過面部喂入體內(nèi)調(diào)節(jié)閥，特定的緩沖單元覆蓋出汗孔以模擬潛汗和顯汗，通過一個(gè)精密天平測(cè)量人體外的儲(chǔ)水罐內(nèi)水的減少量來確定出汗速率，衣服內(nèi)的水蒸氣含量通過監(jiān)測(cè)假人的質(zhì)量來確定。SAM出汗速率由緩沖單元調(diào)節(jié)，可以在20～4000mL/h之間變換，假人的肩、肘和膝關(guān)節(jié)可以活動(dòng)，能模擬人體行走和攀爬，行走速度可達(dá)8km/h。

韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)人類生態(tài)學(xué)院和英國(guó)拉夫堡大學(xué)人體環(huán)境工程學(xué)研究中心開發(fā)了暖體假人“NEWTON”，“NEWTON”的身高為175cm，身體表面積為1．8m2，質(zhì)量為30kg，其外殼是由可以熱傳導(dǎo)的鋁與環(huán)氧碳復(fù)合制成的，系統(tǒng)的構(gòu)造嚴(yán)格遵守ASTMF1291和ISO/DIS15831標(biāo)準(zhǔn)，“NEWTON”的腳踝、肘部、膝部和臀部都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，用于模擬人體各種姿勢(shì)［12］。

假人技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18398—2001《服裝熱阻測(cè)試方法－暖體假人法》［13］適用于各類服裝熱阻的測(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測(cè)試服裝熱阻用的暖體假人系統(tǒng)的基本技術(shù)要求和暖體假人測(cè)定服裝熱阻的方法。暖體假人全身應(yīng)分為頭、軀干、四肢等解剖段，至少6段，應(yīng)能維持靜止站立和動(dòng)態(tài)步行兩種姿勢(shì)，步速為每分鐘30步至60步。應(yīng)用暖體假人測(cè)試服裝熱阻的基本原理是在模擬人體－服裝－環(huán)境之間熱交換的過程中，從暖體假人皮膚表面溫度與環(huán)境溫度之間的溫差、體表單位面積非蒸發(fā)散熱率等物理參數(shù)之間的關(guān)系，導(dǎo)出服裝熱阻的量值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13459—2008《勞動(dòng)防護(hù)服防寒保暖要求》［14］適用于冬季室外作業(yè)人員的防寒服裝。常年低溫環(huán)境下作業(yè)人員的防寒服裝可參照?qǐng)?zhí)行，其中保暖性測(cè)定方法參考采用暖體假人法，即標(biāo)準(zhǔn)GB/T18398—2001。國(guó)外采用假人方法測(cè)試服裝熱濕舒適性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為:ISO15831－2004《服裝生理效應(yīng)用暖體假人測(cè)量隔熱性》，ISO9920－2007《熱環(huán)境的人類工效學(xué)服飾整體隔熱和抗水蒸汽性的估計(jì)》，ISO11079－2007《熱環(huán)境人類工效學(xué)使用所需隔熱服裝和局部冷卻效應(yīng)時(shí)冷應(yīng)力的測(cè)定和解釋》，ASTMF1291－2005《利用暖體假人測(cè)量服裝隔熱性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，EN14058－2004《防護(hù)服防寒服》，EN511－2006《防寒手套》，EN13537－2002《羽絨制品睡袋的要求》，ENV342－1998《防護(hù)服防寒服裝》。

假人技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

假人在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用包括紡織服裝的熱阻與濕阻的測(cè)試評(píng)價(jià)，如日常服裝，軍服，特種服裝(航天服、消防服和防寒服)等;其他紡織品的隔熱與透濕性能的測(cè)試，如床上用品、睡袋、鞋、帽子和手套等;各種服裝與人體的熱交換性能的研究等。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制暖體假頭、假手和假腳等，主要用于頭盔、手套和鞋等的測(cè)試評(píng)價(jià)，用于指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)。例如一種暖體假頭由頭顱、面部和頸部組成，三部分單獨(dú)加熱，獨(dú)立控制，假頭包括25個(gè)出汗孔用于模擬出汗，分布于面部和頭顱，位于假頭上方水罐內(nèi)的蒸餾水經(jīng)管道喂入假頭，出汗量由單獨(dú)的閥門控制，可達(dá)70g/h［15］。

假人測(cè)試系統(tǒng)既可以模擬人體的某些生理特性(如出汗和散熱等)，又具有測(cè)試儀器的物理特性，因此可以測(cè)量紡織服裝的一些特殊物理性能。例如，膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜、最重要的關(guān)節(jié)，護(hù)膝的應(yīng)用越來越廣泛，隨著各種功能性護(hù)膝的開發(fā)應(yīng)用，可以利用假人系統(tǒng)(膝關(guān)節(jié)模型)測(cè)試護(hù)膝的穿著舒適性及其他物理性能等。黃麗等［16］在分析人體正常步態(tài)的基礎(chǔ)上，研制了褲子耗能測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，偏心輪擺桿機(jī)構(gòu)作為假人裝置，模擬人體正常步態(tài)，用PCI2300數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用空載和負(fù)載狀態(tài)下電流累計(jì)總功差值表征褲子的耗能。

假人技術(shù)發(fā)展展望

假人作為模擬人體與環(huán)境之間熱濕交換的儀器，可用于測(cè)試紡織服裝舒適性。世界上假人數(shù)量越來越多，不同地區(qū)的假人在設(shè)計(jì)和測(cè)試方法上都存在差別，同一套服裝在不同假人上測(cè)試出的熱阻及濕阻往往不具有可比性。因此，為了進(jìn)一步推進(jìn)假人技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，應(yīng)對(duì)假人的設(shè)計(jì)及測(cè)試方法作統(tǒng)一規(guī)定，以保證在不同假人上得到的測(cè)試數(shù)據(jù)具有可比性。隨著假人技術(shù)的不斷發(fā)展完善，其在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛，具有非常大的發(fā)展前景。