在凉爽和寒冷的气候条件下,人体主要通过对流、传导、辐射来维持体内外热平衡, 此时服装的防寒保暖性能是维持人体热平衡的主要因素; 而在炎热的夏天, 当外界环境温度与人体表面温度相等,甚至高于人体表面温度时, 人体的散热途径就是通过汗液蒸发散热, 此时, 服装的透湿、透气性能才是热环境中维持人体热平衡的决定性因素。
应用假人技术研究人与环境间的热传递是许多国家已经采用的技术, 优点是精确度高、重复性好, 并可在真人无法试验的极端环境条件下, 进行服装舒适性能测试试验。目前, 已经开发并用于服装舒适性能研究的假人主要有暖体假人和出汗假人。暖体假人只能在非蒸发散热范围内模拟人体的热生理反应( 如皮肤温度、热量散发等) , 用于测试和评价冷环境下服装的保暖性能, 而对于蒸发散热, 只有通过出汗假人模拟人体- 服装-环境间的热湿交换, 才能测试和评价热环境下服装的热湿传递性能和穿着热湿舒适性, 因此, 出汗假人研究已成为服装工效学领域的研究热点。国外是从1988年开始研究出汗假人, 目前, 成功研制出汗假人的单位主要有芬兰技术研究中心和日本东京文化女子大学, 这两个出汗假人的共同特点是可模拟人体出气态汗的状态, 只能在冷环境或舒适环境下对职业防护服装热湿传递性能进行测试[1]。

1 出汗假人系统构成
1.1 出汗假人总体构成
出汗假人系统主要包括假人本体、接口电路、假人热控制装置、假人出汗控制装置和应用软件五部分, 结构框图如图1所示。出汗假人本体以中国男军人实测三维尺寸数据为基础, 采用数字化人体模型快速开发技术路线研制假人模型; 以铂电阻温度传感器和多通道直流程控电源为核心构成假人热控制系统, 实现假人表面温度的检测和假人加热调控;以精度蠕动泵和高精度称重机构为核心构成假人出汗控制系统, 按不同试验模式模拟人体出汗 ; 以Visual Basic模块化程序设计语言为平台创建出汗假人控制与管理系统软件, 实现多种信号实时检测和假人的热湿调控。
1.2 出汗假人壳体结构与出汗机理
依据热环境下真人试验数据及文献资料[2], 在热环境下处于安静坐姿状态时, 人体皮肤温度基本稳定在32.3~35.5 ℃, 人体出汗量大约为60~200mL(/ m·2 h)( 体表面积1.7m2) ,当人体平均皮肤温度为35 ℃、核心温度为38 ℃时, 人体大出汗量约为400 mL(/ m2·h) 。据此, 出汗假人稳定皮温设定为34 ℃, 出汗水平控制在60~400 mL(/ m2·h) 。依据出汗假人测试系统稳定皮温和模拟出汗水平, 选取了几种非对称亲水性聚四氟乙烯层压薄膜进行出汗湿润测试试验, 终选定以100%纯棉织物作为人造皮肤内层, 非对称亲水性聚四氟乙烯薄膜作为人造皮肤外层, 保证水分快速吸收并扩散, 同时兼具出液态汗和气态汗双重功能; 通过不同出汗速率下, 单根汗腺湿润面积随时间的变化规律, 确定以80 cm2的椭圆形为一个出汗孔湿润面积的设计原则, 假人表面共布设了160个出汗单元。出汗单元横截面如图2所示,假人从内至外具有8层结构“, 汗液”经过2至6层到达人造皮肤内层后, 迅速被人造皮肤吸收并扩散。本研究选定的非对称亲水性聚四氟乙烯薄膜是一层很薄的高分子聚合物薄膜, 薄膜上分布了大量直径为0.3~1.5 μm的微孔, 由于水汽分子的直径一般为0.000 4 μm, 轻雾的直径一般在20~100 μm, 故非对称亲水性聚四氟乙烯薄膜微孔直径远大于水汽分子, 又小于轻雾及水分子的直径, 所以当模拟人体出气态汗时, 水汽可顺利透过薄膜,而水滴被束缚在孔洞中并受表面张力固定, 当需要模拟人体出液态汗时, 通过调控出汗泵的压力以破坏水滴表面张力, 使液态水滴透过微孔, 同时由于该薄膜为非对称亲水性的, 即可模拟人体出液态汗。出汗假人具有8层复合结构,并选用新型亲水性聚四氟乙烯层压织物作为模拟皮肤, 实现了出汗假人加热电路、测温电路和出汗线路的一体化设计, 同时兼具出液态汗和气态汗双重功能。

2 出汗假人系统的基本原理及主要特点
根据人体生理学理论, 人体与外界环境是通过非蒸发散热 ( 传导、对流、辐射) 和蒸发散热来进行热量的交换, 出汗假人测试系统的基本原理是将出汗假人置于人工气候仓中, 以假人皮肤表面温度控制模型和出汗控制模型调控假人皮温和出汗量, 通过热控制和出汗量稳定在一定水平, 使假人- 服装-环境之间处于动态热湿平衡状态,此时由假人表面温度、环境温度、假人供热量、出汗量、蒸发量等参数, 即可得到服装的热阻、湿阻和透湿指数等指标, 依此评价服装的热湿传递性能。
人体是一个复杂的巨系统, 出汗假人只能基于测试与评价服装的热湿传递性能, 从人体工程学原则出发, 结合生理学、服装舒适科学等理论, 尽可能真实地模拟服装系统的热湿传递过程, 为此出汗假
人测试系统具有以下特点:
a. 模拟热量从人体皮肤表面经服装到环境的热湿传导。
b. 假人体型符合人体解剖特点。
c. 假人分为12个独立加热控制段, 且肩、胯、踝关节可活动。
d. 假人皮肤表面温度和出汗率由计算机实时控制。

3 出汗假人试验模式和评价指标
为使出汗假人测试系统有效地测试与评价不同服装的透湿、透气性能, 更好地为科研服务, 根据科研工作需要, 研究了出汗假人3种试验模式, 即恒温恒湿润度试验模式、恒温恒出汗率试验模式和模拟真人试验模式。
3.1 恒温恒湿润度试验模式
恒温恒湿润度试验模式是使出汗假人皮肤表面温度和湿润度保持恒定, 得到服装的热阻、湿阻、透湿指数等指标, 主要用于测试、评价服装的热湿性能。表1是出汗假人裸体和穿着不同试验服装时测得的湿阻与透湿指数。从表1可以看出, 出汗假人裸体及穿不同服装时测得的湿阻与透湿指数重复性好, 且能有效地分辨不同服装的热湿传递性能。
3.2 恒温恒出汗率试验模式
恒温恒出汗速率试验模式是使出汗假人皮肤表面温度和出汗率恒定, 得到出汗条件下服装修正热阻值, 主要用于比较不同服装在不同出汗量时服装隔热性能降低的程即热阻值的变化, 为服装的结构设计与面料的选用以及提高服装的热湿防护性能提供科学依据。表2为绒衣裤、迷彩罩衣裤配套服装分别在出汗率为50 g(/ h·m2) 、100 g(/ h·m2)和200 g(/ h·m2) 时的测试结果。
3.3 模拟真人试验模式
模拟真人试验模式是使出汗假人皮肤表面温度随试验环境温度变化、出汗量随皮肤表面温度变化, 即在试验过程中, 依据真人试验得到的人体出汗量与皮肤表面温度的关系方程, 使假人的出汗速率按皮肤表面温度供给, 而供热量分为干散热和蒸发散热两部分, 干散热供热量按真人试验得到的热流随皮温的关系方程供给, 蒸发散热部分按蒸发汗液所需要的热量供给。这种试验方法可得到不同试验条件下的人体平衡皮温、热湿感觉指数和蒸发散热率等指标。

4 服装热湿性能测试与评价
应用出汗假人系统对现行军服、公安雨衣、舒适内衣、防化服装和非典防护服的热湿性能进行了测试, 测试结果见表3。现行夏服是总后军需所新研制的涤纶特种变形长丝面料, 具有较好的输水性和快干性, 用出汗假人测得透湿指数为0.480( 理想状态下假人裸体透湿指数为0.53) , 热湿舒适性优异, 涤棉迷彩作训服主要用于军人进行训练活动或劳动时穿用, 要求耐磨且具有较好的透湿、透气性能。从表3可知, 其透湿指数为0.430, 热湿舒适性较好。表3中的几种公安雨衣, 相比而言,PTFE复合涤纶面料雨衣的热阻、湿阻小, 透湿指数大, 热湿性能好, 而PVC聚氯乙烯雨衣的热阻、湿阻大, 透湿指数几乎为零,热湿性能差, 建议选用PTFE复合涤纶面料公安雨衣。舒适性针织套装为某纺织研究所研发的舒适性面料, 与该研究所以前研制的普通涤棉针织套装相比, 新研制的舒适性针织套装湿阻比普通涤棉针织套装低得多, 透湿指数比后者大, 表现出良好的穿着热湿舒适性。两种防化服装中, 标准型透气式防化服采用表面碳处理, 而热区型透气式防化服则采用碳纤维织物, 综合比较两种防化服的热阻、湿阻和透湿指数, 热区型透气式防化服的热湿舒适性能略优于标准型透气式防化服。两种非典防护服是抗击非典时医务人员穿用的防护服, 从测试结果看, 透气式非典防护服的湿阻明显低于标准型非典防护服, 前者的透湿指数明显高于后者, 医务人员穿着时也感到透气式非典防护服的热湿舒适性好于后者, 与出汗假人测试结果一致。以上出汗假人测试试验表明,该出汗假人测试系统能有效地区分不同服装的热湿舒适性能。

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