低温防护服的设计与评价yd18409
吴改红1,3，吴雄英2，丁雪梅1，刘淑强3 1.东华大学服装学院，上海200051；2.上海出入境检验检疫局，上海200135；3.太原理工大学轻纺工程学院，山西太原030021
收稿日期：2014-03-10
作者简介：吴改红(1979-)，女，讲师，主要从事服装工程及纺织材料研究。
原载：上海纺织科技2015/4；50-53
【摘要】通过分析低温环境对人体的危害，阐明了开发低温防护服的必要性。通过查阅大量文献，分析了设计低温防护服应考虑的不同要素，从材料选择、结构设计、层次设计、款式设计、配件设计等方面，对开发设计低温防护服应考虑的因素进行详细地分析，并介绍了低温防护服装的性能评价方法，最后提出了低温防护服未来的发展趋势，为进一步科学合理的开发低温防护服提供理论指导。
【关键词】低温防护服；功能设计；性能评价；发展趋势
【中图分类号】TS941.731.4 文献标识码：B 文章编号：1001-2044(2015)04-0050-04
低温作业广泛分布在社会生产的各行各业中，当人体长时间处于低温环境中，热损失过多，深部体温(口温、肛温)下降到生理可耐限度以下，就会产生不舒适症状，出现呼吸急促、心率加快、头痛、瞌睡、身体麻木等生理反应，还会出现感觉迟钝、动作反应不灵活、注意力不集中、不稳定，以及否定的情绪体验等心理反应。在极冷低温下，身体还可能会产生冻痛、冻伤和冻僵的情况[1-2]。因此，开发设计一种在低温环境下能保证人身安全、提高工作效率的防护服装，也就是低温防护服显得非常必要。在以往文献资料中，开发低温防护服大部分只针对保暖材料进行开发设计，包括保暖絮料、保暖功能纤维及面料等[3-5]，而对于低温防护服的整体设计与性能评价缺乏深入探讨。本文针对低温防护服的面料、结构、层次、款式、配件等方面进行全面设计分析，达到低温防护服的防护功能，并对低温防护服的性能评价进行分析，提出低温防护服的未来发展方向，为进一步科学合理的开发低温防护服提供理论指导。
1 低温作业及低温防护服的概念和分类
低温作业千差万别，需要对不同的低温环境进行界定。根据GB／T 14440-1993(低温作业分级》，其中低温作业的界定是：在生产劳动过程中工作地点平均气温等于或低于5℃的作业。按工作地点的温度和低温作业的时间，低温作业可分为Ⅰ-Ⅳ级，级别越高，冷强度越大。低温作业分级见表1[6]。
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表1 低温作业分级 |
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由表1可知，在不同的低温作业环境下，人体能感受到的冷强度不同，对低温防护服的防护要求也有所不同。从防护服的舒适性角度来看，不同的工作环境应该选择恰当的防护服装[7]，因此要根据不同的作业分级，针对不同的作业要求设计适合的低温防护服装。
低温防护服的具体分类如下：(1)按工作种类分类。分为军队防寒服、冷库工作服、海上防浸防寒服、高原高山野外工作服等。(2)按低温环境不同分类。分为干冷防护服：户外休闲服、滑雪服、极地探险服等；湿冷防护服：海上防浸服、海上救生服等。(3)按功能分类。分为工作防护服、户外休闲防寒服、日常冬季服
装等。
2 低温防护服的设计
根据国标GB／T 13661-1992中对防护服的设计原则规定，防护服应安全、适用、美观、大方，其中主要是指满足人体生理要求，保证人体健康，选择合适的面料，根据防护需要设计款式[8]。在以上原则的指导下，从纤维、织物、结构、层次、款式、配件等不同方面，系统地对低温防护服进行设计。
2.1 低温防护服材料设计
影响低温防护服保暖性能的主要因素是材料的保暖性能|9]。目前国内对保暖材料的研究主要集中在保暖纤维、保暖絮材以及相应的保暖面料。
2.1.1 保暖纤维
传统的保暖纤维如棉花、羽绒、羊毛等已不能满足人们对不同低温工作环境下防护服的要求，因此出现了许多新型保暖纤维，现列举几种典型的高科技保暖纤维。
(1)超细纤维。超细纤维是发展最早的保暖纤维，其单位体积内纤维的比表面积比普通纤维高几倍到十几倍，大量微细空隙使织物内含有大量空气，对热量流散的阻滞作用明显高于普通纤维，因而保暖效果更好。同时由于材料本身的高孔隙率，使其具有更好的柔软度和透气、透湿性能。
(2)三维卷曲纤维。三维卷曲纤维采用双组分复合纺丝法或不对称冷却法制成，与一般卷曲纤维的平而卷曲的结构不同，其具有立体卷曲的特点，可用于滑雪衫、被褥等的填充料，具有弹性回复好、不怕压缩的特点。20世纪90年代后期开发的一些产品将中空纤维技术和三维卷曲纤维技术相结合，显著地提高了织物的保暖性能。
(3)远红外纤维。远红外纤维是一种具有远红外吸收和反射功能的新型纺织材料，它能吸收人体释放的热量以及自然界的光和热，并向人体反射一定波长范围的远红外线。这种远红外线具有穿透、辐射的能力，易被人体组织吸收，使人体皮下组织的血流量增加，促进血液循环，活化组织细胞，因此，远红外纤维即具有优良的保健理疗功能，又能够减少热量损失，而对人体起到保暖作用。经测定，含有远红外纤维的织物，其保暖率可提高12％以上[10]。
(4)介质相变调温纤维。这是一种通过纤维内(或纺织品表面)含有的相变材料遇冷或遇热后发生固-液可逆相变而放出、吸收热量，从而具有温度调节功能的新型材料。这类材料能够根据外界环境的变化，在一定温度范围内调控纺织品的温度。
(5)中空保暖纤维。指纤维轴向有细管状空腔的化纤，其中空结构可以减少纤维20％ 以上的质量，并且空腔内包含大量静止空气，使其织物在轻便的同时保暖性能却比普通同质面料提高了65％以上[11]。
2.1.2 保暖絮料
20世纪中期，生产专业保暖絮料的设备有了很大发展，出现了喷胶棉、太空棉、仿丝棉、热熔棉、熔喷远红外保健棉等不同品种。随着人们对舒适性的要求不断提高，在克服以上保暖絮料缺点的基础上，又出现了熔喷棉、水洗棉、仿羽绒棉、羽绒棉等新产品。新的保暖絮料更加质轻、保暖、透气性好、防风、防霉、防蛀、耐酸碱、可直接洗涤等。
2.1.3 新型保暖防风面料
保暖纤维、保暖絮料的开发是低温防护服的基础，但是织物的组织形式、后整理等对保暖性也有很重要的影响。欧美国家开发了防风层压织物；俄罗斯研制出采用生态水刺工艺的保暖非织造布材料。当前保暖防风面料主要以高支高密或加涂层为主，也有的进行植绒处理，比如抓绒衣。美国专利注册的“POLARTEC”抓绒面料性能最为出众，保暖性佳，触感轻柔，在微湿的情况下仍具有保温效果，且快干，非常适合制作户外运动时的御寒服装。
2.2 低温防护服结构层次设计
李东平等[12]对服装的穿着层次与热阻之间进行了研究，发现服装穿着合体能提高服装的保暖性，套穿服装要有合理的穿着层次，内紧外松有利于提高服装保暖性。
目前低温防护服一般采用3层结构层次：(1)基本层。主要用途是保持维护皮肤表层的干爽、不闷热，注重的功能是衣服的排汗性，基本层应能够迅速将湿气及汗水排到内层衣服的表面，使得汗水不会直接在皮肤表面蒸发，造成皮肤表面温度因水汽蒸发吸收热量而降低。(2)中间层。中间层服装应能形成聚集在衣服内的空气层，以达到隔绝外界冷空气与保持体温的效果，聚积的空气层越厚，保暖的效果也越好。(3)防护层(最外层)。外层服饰最重要的是具有防水、防风、保暖与透气的功能，除了能够将外界恶劣气候对身体的影响降到最低之外，还要能够将身体产生的水气排出体外，避免让水蒸气(汗水)凝聚于中间层，使得隔热效果降低，而无法抵抗外在环境的低温或冷风[13]。
针对特殊的工作环境或比较恶劣的低温环境，3层防护服装结构还不能满足工作的需要，就要开发设计3层以上的多层结构，比如军服。20世纪90年代美军的防寒服采用了6个层次，由里到外依次是：第1层，短袖圆领紧身汗衫和短裤；第2层，长内衣、裤(包括贴身内衣、内裤)；第3层，羊毛衫、裤(多在湿寒区穿用)；第4层，野战衣、裤及尼龙衬里；第5层，野战短大衣及尼龙衬里；第6层，风雪大衣及防寒衬里。目前美军制式防寒服采用4层结构，最内层为聚丙烯内衣裤，可有效散发汗气；第2层为聚酯长毛绒保暖层，上衣为开襟式，裤子为套装式，絮片采用涤纶长丝絮料的薄棉；第3层为野战服，上衣里面为尼龙绸，裤子为野战服长裤；第4层为派克大衣[14]。
服装的合体程度对服装的热阻也有影响。同一款式的不同规格，服装的热阻也是不同的，服装太大太小都会使其保暖性能下降。人的体形、大小、姿势等都是服装设计时必须考虑的因素[15]。衣服过于紧小，会影响身体的血液循环，造成冻伤；过于肥大，则会使服装对流散热增强，减小保暖作用。因此在考虑服装层次的基础上，服装的规格同样重要。
2.3 低温防护服款式设计
低温防护服的款式设计主要是指开口设计、整体结构以及色彩等的设计。服装的开口部位的设计对服装整体热舒适性的影响尤为重要，为增加保暖效果，服装各部位开口应设计合理。领部一般采用翻立双用领，并搭配帽子；防风帽可拆卸，且帽身上有可调节松紧的调节袢；肩部采用无分割的插肩袖结构设计，可加大运动松量；下摆、袖口、腰部、脚口能够自由调节松紧度，调节袢不妨碍正常活动。总之，需要根据低温环境特点以及作业人员的工作活动需求等因素，对防护服装的款式进行综合改进优化[16]。
低温防护服的整体结构设计中，常采用上下身分离式、衣裤(或帽)连体式和大褂式等不同形式。上下身分离款式中，裤子除常规的运动裤款式外，还可以采用背带裤的形式，背带裤增加了服装重叠的面积，能起到更加保暖的作用，对腰部保暖有着非常重要的意义。研究表明，人在冷环境中，身体部位对冷的敏感程度依次为腹部、腰部、肩部，前胸，并且女性对冷暖的敏感程度高于男性，并且在腹部位置表现最明显[18]，因此在进行低温裤装设计时，连体裤装或背带裤更为合理，为增加保暖效果，还可以在腰部、腹部添加护腰、护腹的结构形式。
对于低温防护服的色彩设计，实验证明，穿着不同颜色的冬服在寒冷条件下，人体热辐射率没有明显差别。也就是说，穿黑色和深蓝色等深色衣服并不能增加保暖效果，穿浅色衣服也不会降低保暖性[19]，但冷暖色调对人有一定的心理反应，因此，当设计一些非军用低温防护服色彩时，可采用一些颜色鲜艳的暖色调，使人感到轻松愉悦，充满朝气，有一定的温暖心理感觉；但如果为军用低温防护服，色调则要求与周围环境相一致。
2.4 低温防护配件的设计
在低温环境中，仅有足够保暖量的服装还不够，有时(尤其处于安静或相对安静状态)因身体裸露部分(手、耳、面部)及保暖薄弱部分(脚)受冷，仍可引起全身性冷感[20]。因此低温环境作业应有配套的保暖配件，比如防寒面罩、外套靴、护耳、防寒手套、帽子、围巾、内衣[21]、护膝、口罩、保暖袜等，这些都是低温防护服设计开发的重要组成部分。在有的工作场合还需要配备围裙、袖套等其他辅助部件来保证服装的效能。
3 低温防护服的评价
3.1 低温防护服的测试指标
低温防护服的测试指标主要分为两个方面：一是从服装角度对服装的功能性进行客观评价；二是从穿着者角度进行主观和客观评价。
从服装角度，影响低温防护服的保暖性能的因素包括：材料传热性(保暖率、导热系数、热阻值、水蒸气阻值、克罗值)[22]、材料厚度、材料对辐射热的反射、吸收和透过率、服装系统内的含气性质和空气层的厚度、环境的气流速度、环境的湿度、身体的运动和服装的脏污。从穿着者的角度来衡量低温防护服，是通过心算、视觉保留、记忆扫描、数字检索、线条判断、视简单反应时、目标追踪等神经行为的变化[23]，以及人的生理变化(心率、体温、血压等[24])来进行评价。同时，也可以采用主观测试的方法，询问或做调查问卷来判断防护服的低温防护功能。目前对低温防护服的评价采取的主要方法为暖体假人法和人体穿着实验[25]。
3.2 低温防护服性能评价的相关标准
3.2.1 国际标准
国际标准ISO 11079-2007(热环境的人类工效学-使用所需隔热服(IREQ)和局部冷却效应时冷应力的测定和解释》确定了所需隔热服(IREQ)的定义和计算方法。
美国标准ASTM F2732-2009《为防寒衣物确定温度分级的实际操作》对防寒服影响穿着者热舒适度的指标作出了解释，例如环境温度等级、着装者个体的生理特性差异以及着装者的活动水平。
日本标准《高温、低温推荐性容许标准》(2007年度)提出应根据低温环境的程度和作业强度选择合适的防寒服：衣物保暖性能不足时可能会使体温降低和手脚冻僵；衣物保暖性能过高时可能会使着装者感觉过热而影响活动。欧盟标准ENV342(防寒服》提供了防寒服装的性能测试方法和要求。俄国标准StandardR12.4.185-1999职业安全标准体系中对个人防寒装备也提供了相关的方法。
3.2.2 国内标准
GB／T 13459-2008(劳动防护服防寒保暖要求》规定了劳动防护服的防寒保暖要求。GB／T 13661-1992(一般防护服标准》规定了一般防护服应具备的性能。GJB 58-1985《中国人民解放军冬服保暖标准》在指导我军军服的研究、设计、供应和装备上发挥了重要作用。
4 低温防护服未来发展趋势
我国关于低温防护服研究的还比较少，对低温防护的概念还不是很明确，并且现有低温防护研究大部分集中在防寒服、户外服装的研究上。这使得某些低温工作领域中服装的标准化、科学化发展受到很大的限制。所以在未来低温防护服发展的过程当中，应健全低温防护的种类，使之能涵盖低温工作的不同领域。针对不同的领域能设计开发合适的防护服装，且使之标准化，能够更安全、更合理、更环保的使用低温防护服装，真正做到产品系列化、材料轻型化、结构科学化、功能合理化。
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