（纺织工程专业论文）暖体假人人工皮肤透湿性能的研究.pdf

摘要 暖体假人是一种模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备。主要靠内部加热 系统及水循环系统模拟人体出汗，要通过暖体假人建立着装人体瞬念传热传湿模 型，假人表面覆盖的人工皮肤是非常重要的。由于人体静止、平缓运动、剧烈运 动出汗量不同，全国各地气候也不同，准确模拟人体皮肤在不同环境条件下各种 状态出汗量成为建立人体、服装和环境热湿传递模型的关键。假人皮肤的透湿量 准确性将直接影响到假人与服装之间微气候层内热湿传递量的测量，进而对整个 模拟系统真实性产生影响。 本研究发明了一种测量膜的透湿量的仪器，此仪器能够改变膜两侧温度，湿 度，并能进行正杯法和倒杯法实验，能够较准确测量人工皮肤透湿量。选择了聚 四氟乙烯复合膜、微孔聚氨酯膜，亲水聚氨酯膜等具有代表性的防水透湿膜，研 究温差、温度、相对湿度条件对其透湿性能的影响。并且，采用悬浮刮刀涂层方 式涂不同厚度聚氨酯亲水膜，研究聚氨酯亲水膜厚度对其透湿性能的影响。由此 达到通过调整假人内部加热系统控制假人出汗量的目的。 关键词：暖体假人；聚氨酯；透湿量；温度；湿度；厚度 a b s t r a c t m a n i k i na n dt h ee n v i r o n m e n ti sas i m u l a t i o no ft h eh u m a nb o d yh e a ta n d m o i s t u r ee x c h a n g eb e t w e e nt h ei n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t ，a p p l i c a t i o no ft h e r m a l m a n i k i na n dt h ee n v i r o n m e n tf o rh e a te x c h a n g eb c t w e e nt h e p i l o ts t u d y ，i st h ew o r l d s a d v a n c e dc o u n t r i e sh a v ea d o p t e da d v a n c e dt e c h n o l o g y t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f d r e s sm a n i k i nh u m a nm o d e lo ft r a n s i e n th e a ta n dm a s sw e t l a n d s ，c o v e r i n gt h es u r f a c e o ft h ed u m m ya r t i f i c i a ls k i ni sv e r yi m p o r t a n t s i n c et h eh u m a nb o d ys t a t i c ，g e n t l e e x e r c i s e ，e x e r c i s es w e a tv o l u m e ，ad i f f e r e n tc l i m a t ea r o u n dt h ec o u n t r y ，a c c u r a t e s i m u l a t i o no fh u m a ns k i ni nt h ee n v i r o n m e n t so fd i f f e r e n tk i n d so fs t a t ec a p a c i t yt o b e c o m et h ee s t a b l i s h m e n to fh u m a ns w e a t ，c l o t h i n ga n de n v i r o n m e n t a lh e a ta n d m o i s t u r et r a n s f e rm o d e lo ft h ek e y m a n i k i nw a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t yo ft h es k i nw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h ed u m m ya n dc l o t h i n gb e t w e e nt h em i c r o - c l i m a t e h e a ta n dm o i s t p r et r a n s f e rv o l u m em e a s u r e m e n t sa sw e l la so nt h ea u t h e n t i c i t yo ft h e s i m u l a t i o ns y s t e ma saw h o l eh a v ea l li m p a c t t h i ss t u d yd e v e l o p e dam e a s u r e m e n to fw a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t yo ft h e m e m b r a n ea p p a r a t u s ，t h ea p p a r a t u sc a nc h a n g eo nb o t hs i d e so ft h em e m b r a n e t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，a n dt ob ea b l et oc a r r yo u tl a wa n dt h ec u pi si n v e r t e dc u pt e s t m e t h o dc a nb em o r ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fw a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t yo fa r t i f i c i a l s k i n s e l e c tap t l 礓c o m p o s i t e m e m b r a n e ，p o r o u sp o l y u r e t h a n em e m b r a n e ， h y d r o p h i l i cp o l y u r e t h a n ef i l mr e p r e s e n t a t i v eo fw a t e r p r o o fa n dm o i s t u r ep e r m e a b l e m e m b r a n et o s t u d yt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y c o n d i t i o n sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fi t sm o i s t u r ep e r m e a b i l i t y i na d d i t i o n ，s u s p e n d e d t h eu s eo fd i f f e r e n tb l a d ec o a t i n gm e t h o do nh y d r o p h i l i cm e m b r a n et h i c k n e s so f p o l y u r e t h a n e ，p o l y u r e t h a n er e s e a r c hh y d r o p h i l i cm e m b r a n et h i c k n e s so fi t sw a t e r v a p o rp e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c e t oa c h i e v et h i sb ya d j u s t i n gt h ei n t e r n a lh e a t i n g s y s t e mc o n t r o l l e dd u m m y a m o u n to fs w e a t k e yw o r d s ：a d v a n c e dt h e r m a lm a n i k i n ：p o l y u r e t h a n ef i l m ；w a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t y ； t e m p e r a t u r e ；h u m i d i t y ：t h i c k n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 嘲 学位论文版权使用授权书 只 h 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名吲 签字r 期：) 新年弓月同 导师签名： 狐位公 签字h 期： 秒夕年弓月r | 学位论文的主要创新点 一、暖体假人是一种模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备。主 要靠内部加热系统及水循环系统模拟人体出汗，因此，在一定 环境条件下，暖体假人人工皮肤内外存在温差，用普通的恒温 恒湿箱测试人工皮肤的透湿量与实际情况不符。故在本研究中， 为了真实模拟暖体假人出汗状态，发明了一种测量膜的透湿量 的仪器，此仪器能够改变膜两侧温度，湿度，并能进行正杯法 和倒杯法实验，能够较准确测量人工皮肤透湿量。 二、人工皮肤材料的厚度对其透湿性能有很大的影响，本研究采用 刮刀涂层法涂制了不同厚度的亲水性聚氨酯膜，研究厚度对其 透湿性能的影响。实验证明，亲水膜的厚度对其透湿量影响显 著，并呈指数相关。 三、由于人体静止、平缓运动、剧烈运动出汗量不同，全国各地气 候也不同，不同环境条件对假人皮肤透湿量产生了影响。为了 用暖体假人真实模拟不同地区的人不同运动状态下出汗量，本 研究选择了聚四氟乙烯复合膜、微孔聚氨酯膜，亲水聚氨酯膜 等具有代表性的防水透湿膜，研究其各种环境条件下透湿性能。 第一章前言 第一章前言 暖体假人是模拟人体与环境之问热湿交换的仪器设备。是从2 0 世纪4 0 年 代逐渐发展起来的一种新的生物物理试验方法。此项先进技术己被多个国家应用 到服装、建筑、环境、航空航天、消防、交通安全等领域。特别是在服装热湿舒 适性评价和职业防护服装开发中，暖体假人能在设定的环境下模拟人体、服装和 环境间的热交换过程，科学地评价服装整体的热学性能，从而避免了人体实验中 个体差异的影响。实验精度高，可重复性好，被公认为是服装工效学研究必不可 少的手段。 1 1 暖体假人概述 1 1 1 暖体假人的发展及现状 暖体假人的发展可分为三个阶段，1 9 4 1 年美国耶鲁大学约翰皮尔斯实验室 的学者盖奇等人在美国科学杂志发表一篇文章，提出了克罗值的定义，即：在气 温2 1 ，相对湿度小于5 0 和风速0 1m s 的室内，个健康的成年人静坐时 保持舒适状态时所穿服装的热阻为1 克罗值i 。该单位将人的生理参数、心理感 觉和环境条件相结合，能被非专业人员理解和接受。美国军需气候研究所以此为 理论基础研制了第一代暖体假人【翔。由于该暖体假人为单段假人系统，不能反应 人体温度分布，第一代暖体假人只能用于服装热阻的一般测试，并得到静态服装 热阻值i 引。2 0 世纪6 0 年代人们研制了多段暖体假人，即第二代暖体假人，每段 的体表温度和加热系统单独控制，且假人本体可以模拟人体不同姿势，做一些简 单动作，从而进行服装热阻的静态和动态测试1 4 叫。第三代暖体假人能模拟人体 出汗，并可做较复杂的动作，能更真实地、更全面地反应人体、服装和环境的热 湿交换过程，对服装的热湿传递性能做出综合评价1 6 - 1 2 l 。2 0 世纪7 0 年代，使用 出汗铜人对军服的透瀑性能进行了研究，出汗暖体假人还用于民用服装热学性能 的研究1 1 3 j 。 迄今为止，全球已研发了1 0 0 多个暖体假人1 1 4 l 。按其用途可分为：干念暖体 假人、出汗暖体假人、呼吸暖体假人、浸水暖体假人、数值暖体假入、小型暖体 假人、暖体假肢和假头。 1 1 2 暖体假人的原理及应用 ( 1 ) 干态暖体假人 天津1 ：业人学硕+ 学位论文 干态暖体假人可工作在三种方式下：恒温法、变温法和恒热法1 1 5 1 6 j 。恒温 法是将暖体假人各解剖段的体表温度控制在设定的范围内，使暖体假人进入一个 动态热平衡状态，以便得到稳定的实验结果。该方式用于测量服装的热阻值i l 7 ， 变温法是基于人体在冷环境中的热调节模型，模拟真人在不同环境下体表温度的 变化，稳念时的体表温度不是设定值，而是和真人一样自然平衡的结果，同样可 以得到与恒温法测量的非常相似的服装热阻，变温法具有近似真人的生理评价意 义1 1 8 l ，恒热法是根据服装的热阻和环境参数，用设定的热流值来观察全身各部位 散热的差异，这时体表温度逐渐下降，直到稳定1 1 9 j 。根据运动方式干态暖体假人 可分为静态暖体假人和动态暖体假人。静态暖体假人有站姿和坐姿两种，站姿暖 体假人主要用于服装保暖性能评价1 2 0 l ，坐姿暖体假入主要用于机动车中热环境和 机动车驾驶员热舒适性评价1 2 ，也用于航天服的功能评价1 2 孤。动态暖体假人能 模拟人体步行，活动部位主要是肩关节、肘关节、膝关节和踝关节。动态暖体假 人用于研究人体运动、风速等对服装热阻的影响。根据干态暖体假人在恒温状态 下测量服装热阻的基本原理，将着装的暖体假人置于人工气候室内，以一定的功 率加热暖体假人本体，使其平均体表温度稳定在设定水平，当暖体假人与环境之 间处于热平衡状态时，加热功率等于通过服装的散热量，根据假人平均体表温度 与坏境温度的差值及加热功率来计算服装的热阻1 2 3 硒l ： ， l 【一疋 hu 1 5 5 其中：i ，为服装和表面空气层的的总热阻，c l o ；t s 为暖体假人的平均体表 温度：；t a 为空气温度：；a 为暖体假人体表面积：m 2 ；h 为加热功率：w 。 ( 2 ) 出汗暖体假人 人体除了通过传导、对流、辐射方式向周围环境散热外，还通过人体皮肤表 面汗液的蒸发散失热量。如果水蒸汽能及时通过服装系统扩散到周围环境，人才 感到舒畅，如果服装阻碍水蒸汽的通过，使人体皮肽与服装之问的微气候中的湿 度增大，水蒸汽将积累到一定程度而冷凝成水。使人感到不舒服。当人体进行剧 烈活动或处于炎热的环境中，汗液的蒸发成为人体散失热量的重要途径，此时更 加要求衣服具有足够的水蒸汽传递能力。由此可见，有必要准确地测试服装的蒸 发阻力，以便对服装的热湿传递性能作出综合评价。由于干态暖体假人只能在非 蒸发散热范围内模拟人体的生理反应，人们又丌发了出汗暖体假人。早期的出汗 暖体假人是在假人表面覆盖一层纯棉织物或其它透湿性好的内衣来模拟人体皮 肤，先将蒸馏水喷射到模拟皮肤上，然后穿上衣服，使假人平均体表温度上升到 一定水平，控制系统每5 分钟对假人体表温度、环境参数和加热功率记录一次， 并计算服装的蒸发阻力，在模拟皮肤开始。一r 燥之前完成测试。由于这一过程是一 第一章前言 种准稳态过程，通常时间很短，主要靠操作者主观判断其中相对稳定的蒸发阻力 值作为测试结果，所以这种方法不能很准确地、可重复地测量服装的蒸发阻力。 在随后的二十几年问，研究人员相继开发了各种的出汗暖体假人。s a m ( s w e a t i n g a g i l em a n i k i n ) 建造于2 0 0 1 年，其身材大小和普通人一样，由3 0 个加 热区段组成，除了头、脚、手外，它在其他部位有1 2 5 个出汗孔，蒸馏水通过面 部喂入体内调节阀，特定的缓冲单元覆盖出汗孔以模拟潜汗和显汗，通过用一个 精密天平测量假人体外的储水罐内水的减少量来确定出汗速率，衣服内的水蒸汽 含量由监测暖体假人的重量来确定。s a m 出汗速率由缓冲单元调节，在2 0m l h 到4 蜘之间变化。暖体假人的肩、肘、臀、膝关节可以活动，能模拟人体行走 和攀爬，行走速度高达8k m h 。在过去，研究人员将模拟皮肤的相对湿度假定 为1 0 0 ，实际上，皮肤的相对湿度小于1 0 0 。另外，人们一般先使用干念暖 体假人测量服装的热阻及干态散热量，然后将服装穿在出汗暖体假入上测量其湿 阻，最后从总散热量中减去干念散热量，即为蒸发散热量，用该值去计算服装的 湿阻，这种方法假设服装穿在于态暖体假人上测得的热阻和穿在出汗暖体假人上 的热阻相等，可是，实验证明，服装出汗暖体假人身上因为水蒸汽通过而吸湿或 冷凝的原因，其热阻将降低，透过的干态散热量有所增加，所以，由该方法测得 的服装湿阻比实际值要小。 新型出汗暖体假人“w a l t e r ”很好地解决了以上问题，“w a l t e r 用微孔膜织 物将整个水循环系统包含其中，水循环系统把躯干部分中心区域加热的水按一定 比例分配到全身，以模拟人体的整个温度分布。假人的皮肤由含有微孔结构的聚 四氟乙烯薄膜的织物制成。其膜的最大孔径大于水蒸汽分子的直径，但小于液态 水的最小水滴直径，所以，可让水汽分子通过而不会让液态水流出。在模拟皮肤 背面装有一拉链，模拟皮肤可以脱下换上其他稚质材料，以便得到不同的出汗速 率。“w a l t e r ”采用被动出汗方式，其出汗量是随服装透湿性的不同而自动改变。 在计算服装的湿阻时，把皮肤当作服装的一层，因为皮肤内侧与体内的水直接相 接触，则皮肤内表面的水汽相对湿度一定为1 0 0 ，使用皮肤内侧的水气压计算 总湿阻，然后减去皮肤的湿阻即为服装和表面空气层的湿阻，皮肤的湿阻可以通 过在强j x l 时测量裸体暖体假人的湿阻得到，因为风速很高时，表面空气层湿阻很 小。“w a l t e r ”可一次性得到服装的热阻和湿阻两个指标，测量结果准确、可靠、 重复性好。“w a l t e r ”的上肢和下肢由电动机驱动模仿人体行走，步速可达4k m h 。 由于这种“w a l t e r ”假人用水和特种织物制作的，其成本和其他铜制暖体假人相 比成本大幅降低。 ( 3 ) 呼吸暖体假人 可呼吸的暖体假人主要用于室内工作环境的研究与室内空气品质的评估 3 天津+ i ：业大学硕十学位论文 1 2 6 - 2 8 1 。呼吸暖体假人的身材大小和普通人一样，由2 5 个加热区段构成，各区段 单独加热独立控制，假人可改变姿势和自由活动，以模仿人体在各种办公室的真 实情况。暖体假人采用紧身着装方式，因为衣服可减少各区段相互之问的热辐射 以及在校f 时室内空气温度对传热系数的影响。再者衣服可降低衣服和假人表面 间的空气层厚度，以尽量减少测量的不确定性。呼吸暖体假人可工作在三种方式： 舒适模式，模拟普通人在热环境下保持舒适状态的干态散热和体表温度；恒 温模式，假人的体表温度为3 4 ；恒热模式，用于室内温度高于3 4 。c 时的热 环境的评价。舒适模式能代表人体的实际温度分布，被广泛使用。呼吸暖体假人 有一个人工肺，由装有活塞的气缸组成，活塞由电动机驱动，呼吸次数为1 0 , - - 1 2 次分，呼吸方式可采用口腔或鼻子呼吸，肺通气量为6 升分，口腔或鼻子的 大小和形状对测试结果有影响。测试时，收集距离上嘴唇0 0 1m 处或面部附近 呼出的空气，通过精确测量其浓度、温度和湿度来研究污染物在人体之间传递的 情况。同样检测暖体假人呼入空气的上述参数可以评价室内空气品质。 ( 4 ) 浸水暖体假人 可浸水暖体假人是在暖体假人的基础上，加上防水密封装置，使假人具有防 水功能。主要用于测试潜水服、水上救生衣在冷环境下的防护功能1 2 引。测试时， 将着装的假人浸入水中，保持水温恒定，记录假人皮肤表面温度、环境温度和各 区段的加热功率，计算潜水服的总热阻值，这时总热阻值包括内衣、潜水服、水 和空气的热阻。实验证明由浸水暖体假人得到的潜水服总热阻与用真人测得的总 热阻值吻合，湍流会大大降低潜水服的总热阻，水波的高度也能降低潜水服的总 热阻1 3 0 _ 3 。通过浸水暖体假人测得的热阻值还可用于预测服装在某一环境下的 耐受时间1 3 2 1 。 ( 5 ) 数值暖体假人 暖体假人由于制造工艺复杂，且价格昂贵，假人的实验条件如人工气候室的 成本高，世界上只有为数不多的实验室拥有。在计算机上利用“虚拟”的假人进 行工效学研究则可以节省大量成本。最近，由于计算机运算速度的迅速发展，计 算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ：c f d ) 技术在各行业都得到了越来 越多的应用，运用计算机技术来对人体进行仿真也成为可能1 3 3 3 4 1 。与传统暖体 假人相对，这种计算机仿真的假人称为数值暖体假人，假入周围传热传质的模拟 是通过求解一系列偏微分方程实现。如果输入特定的坏境参数和服装的热学性 能，数值暖体假人能对人体的传导、对流、辐射和蒸发等所有的散热进行计算， 并预测人体局部温度和换热系数，以及各部位的汗液分布等，从而对某环境的热 舒适和空气品质进行评价1 3 5 瑚i 。 ( 6 ) 小型暖体假人 4 第一章前言 小型暖体假人主要用于评价新生儿的热环境，尤其是低体重婴儿。它一般由 6 个加热区段组成，即头、左上肢、右上肢、躯干部、左下肢、右下肢，各区段 单独加热，独立控制，为模拟实际情况。小型暖体假人平躺在保育箱内，其测试 方法和大型暖体假人一样i 翊。由于婴儿的重量比体表面积的比例比成年人大，所 以小型暖体假人的干态散热量比大型暖体假人大，其评价指标热阻和大型暖体假 人相比没有太大的区别1 3 8 j 。 ( 7 ) 暖体假头和假肢 最近几年国内外学者研制了暖体假头1 3 9 1 、假手i 删、假脚等1 4 1 卅。主要用于 头盔或头饰、手套、鞋的评价和指导产品开发。暖体假头由头颅、面部和颈部 组成。三部分单独加热，独立控制。为模拟出汗，假头包括2 5 个出汗孔，分布 于面部和头颅，位于假头上方水罐内的蒸馏水经管道喂入假头，出汗量由单独的 阀门控制，可达70g l l 。假头可在恒温和恒热方式下工作，测试结果以面部温 度下降的程度表示头盔热舒适性能。暖体假手由八块组成：即大拇指、食指、中 指、无名指、小指、手掌、手背和手腕。各块供热量由计算机控制，暖体假手放 在一个小盒子内。手腕露在外面，在实际生活中，手总是在活动，尤其是在室外， 因此在盒子内引入一定的气流，最后以手套的传热系数和局部传热系数来表示手 套的隔热性能。手掌和手背的传热系数较低，食指、中指和无名指次之，大拇指 和小指最高。暖体假脚由八块组成：即脚趾、脚底、脚后跟、脚中部、脚踝、下 小腿、中小腿和防护段。为模拟出汗，假脚包括5 个汗腺：分别位于脚趾、脚底、 脚踝、脚背、侧边踩。将纯棉袜穿在假脚上，以便让水分布到全脚。评价指标有 热阻、湿阻和透湿指数。如果和气动活塞相连，还能模仿人体行走1 4 3 j 。 1 2 暖体假人皮肤简介 要通过暖体假人建立着装人体瞬态传热传湿模型，假人表面覆盖的模拟皮肤 是非常重要的。准确模拟人体皮肤运动状态下各部位出汗量成为建立人体、服装 和环境热湿传递模型的关键。假人皮肽的透湿量准确性将直接影响到假入与服装 之问微气候层内热湿传递量的测量，进而对整个模拟系统真实性产生影响。 1 2 1 暖体假人皮肤发展过程 世界上最早出现的干态暖体假人只能测量服装的热阻而不能测量服装的湿 阻。而最早的出汗暖体假人就是在干念假人身上外挂高保湿棉织物来模拟出汗皮 肤，“汗”是由喷水器喷上去的，并不能持久，对试验结果产生很大限制。尔后 出现的出汗假入是将供水系统通入皮肤，这样可保持皮肤水分，供水又可分为外 5 天津：i ：业人学硕+ 学位论文 部供水和内部供水，这样就构成了出汗系统。目前此类人工皮肤大多采用多孔透 湿织物，如1 0 0 纯棉织物，透水性能好。但这种系统大多数情况下不能满足真 人出汗时服装湿热指标要求，例如出汗多时，汗滴沿下肢滴下这部分水量将不能 作为水汽通过服装来计算服装透湿能力。实验证明，服装出汗暖体假人身上因为 水蒸气通过吸湿或冷凝的原因，其热阻将降低，透过的干念散热量有所增加，故 其测得的服装湿阻比实际要小。所以，作为测量服装热湿性能仪器而言，出汗最 理想状态为均匀释放气念汗。新型w a l t e r 假人皮肽则由含有微孔结构的聚四氯乙 烯薄膜织物制成，其膜最大孔径小于0 2 口m ，水蒸气分子直径为2 7 2 x l0 o 米， 小于膜孔直径几百倍，而液念水最小水滴也要大于膜孔几万倍。可以让气态水流 出而不会让液态水流出。w a l t e r 采用的皮肤可以满足产生高气念汗同时没有汗水 沿四肢滴下的要求。 然而运动状态下，人体各部位出汗量是不同的，在服装的覆盖面积下以腋下 和胸口出汗最多，其他部位也各有差别。所以，将整个人体各部位出汗量视为均 等的并不能真实反映人体的出汗情况，也就对整个热湿传递模型实验数掘真实性 产生影响。因此，在共用一个出汗系统的前提下，如何模拟真人运动状态，实现 假人各部位出汗量不同，成为我们要进一步解决的问题。这也就是要使假人皮肤 各部位透湿量不同。由于多孑l 透湿织物并不能实现“气态汗”，从而使实验数据 不真实，假人皮肤应采用气孔大小可以让气态水通过而液态水不能通过的多孔 膜。 1 2 2 暖体假人皮肤的种类 暖体假人皮肤由防水透湿膜构成，既能“排汗”，又能防止假人内的水渗出 皮肤。 自2 0 世纪6 0 代中期以来，人们已成功地将防水和透湿性能集于一种织物之 中，并逐步形成了防水透湿材料的三种基本形式：紧密织物型防水材料；涂层防 水透湿材料；粘贴薄膜型防水透湿材料1 4 4 郴l 。 ( 1 ) 紧密织物 紧密织物最典型的是文泰尔( v e n t i l e ) 织物和超细纤维织物。文泰尔织物是利 用纯棉高支纱织成的平纹织物l 删。当织物干燥时，经纬纱线问的问隙较大，大约 l o # m ；当雨或水淋织物时，棉纱膨胀，使得纱线问的问隙减至3 4 # m 。文泰尔 织物防水与透湿性随棉纱的膨胀而变化。超细纤维织物是用超细、不吸湿的纱线 通常为聚酯或尼龙微细纤维织成的紧密织物。它不是利用膨胀机理，而是利用纱 的极细细度( 每根长丝为0 1 - 一0 3 d t e x i 删) 和织物中纱线之间的间隙足够小，水分 不能通过，但水蒸汽可以通过，如图1 - 1 所示。 6 第一章前言 股织物 ”t 起扩”t tr 水扩 图1 - 1 紧密织物透湿模硝 俯 视 图 正视图 ( 2 ) 亲水性膜层压和涂层织物 利用高聚物膜的亲水成分提供了足够的化学基团作为水蒸汽分子的阶石， 水分子由于氢键和其他分子问力，亲水基团在高湿度一侧吸附水分子，通过高分 子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成“吸附扩散解吸”过程，达到透 湿的目的，亲水成分可以是分子链中的亲水基团或是嵌段共聚物的亲水组分 1 4 9 巧，如图1 2 所示： 谵u 蚪& 赫 爷体5 ，纺悔 缘f = l & m i 图1 - 2 亲水性膜透湿过程 ( 3 ) 微孔膜层压和涂层织物 应用与紧密织物相同的防水机理，微孔织物也利用了水滴与水蒸汽分子之 问尺寸差异的机理，但是，微孑l 织物使用了具有微孔结构的膜，它依靠层压或涂 7 天津1 ：业大学硕十学位论文 层产生许多约o 1 靴m 的微孔来达到防水透气的目的，大多数是非对称微孔膜， 具有网状结构。在水蒸汽压差下，空气和水蒸汽可自由地通过弯弯曲曲的微孔， 这种微孔结构可以迅速转移水蒸汽。微孔膜的透气性是确定汗液通过织物的蒸发 速度的主要因素。这类织物的缺陷是微孔会因拉伸而不断扩大，从而使液态水易 于渗透，如图1 3 所示。 衣缝、vl i l 1 t j ， 图1 - 3 微孔膜透湿模型 积k ：卟& 嘲 4 l n 状鲶妇 瑷毛：f l l 咖 ( 4 ) 复合膜层压和涂层织物 复合膜织物通常是由两个或多个微孔膜和亲水膜组成，采用复合膜的理由 是：( 1 ) 微孔膜织物的微孔结构容易被大量的媒介弄脏，降低织物的透气性；( 2 ) 不同类型的防水透气膜需要贴压到面料上或罩层上。如果使用常规的粘着剂或聚 合物，防水透气织物的透气性将会降低，而亲水膜既可以涂层在微孔膜上密封表 面微孔，又可以作为粘合剂把透气膜粘合到面料或里料上1 5 2 j 。所以，它们将透气 性损失减至最低，克服了微孔膜的不足。 在这三种防水透湿材料中，紧密织物型防水材料耐水压太低，限制了它的应 用范围；而且这种织物遇水变僵硬，不利于穿着，也是此类织物一大缺点。在涂 层防水透湿材料的制作过程中，溶剂回收设备费用较高，且易造成环境污染，经 涂层处理后，防水耐久性差，附着牢度差，微孔涂层过程要产生连续均匀的微孔 结构工艺较难控制。亲水性涂层透湿性相对低一些；粘贴薄膜型防水透湿材料， 特别是以美国g o r e t e x ( p t f e 复合膜) 为代表的防水透湿材料，具有优良的性 能：防水效果好，附着牢度高，透湿性能极强，粘贴薄膜材料代表了防水透湿材 料研究的方向。 8 第一章前言 1 3 本论文研究的目的和内容 暖体出汗假人的出汗模拟系统由水恒温控制系统、供水增压限流系统和出汗 管路系统组成。出汗模拟系统中研发了模拟“皮肤 材料，实现了出汗的稳定性 与连续性。通过采用模拟皮肤的保水量与不同部位出汗量对应的原则及封闭式出 汗管道循环系统技术，实现了出汗量与流速的微量可控。 温度，温差，湿度等环境条件和假人皮肤自身厚度都会对假人皮肤透湿量产 生影响。全国各地温度，湿度环境条件是不同的，并且在不同状态下，人出汗量 是不同的，在静止状态下出汗量少，平缓和剧烈运动出汗量多。因此，在共用一 个出汗系统的前提下，如何在不同的环境条件下模拟真人运动状态，实现假人各 种运动状态不同的出汗量，成为我们要进一步解决的问题。 本文研究了常见的防水透湿涂层织物如聚四氟乙烯复合膜，聚氨酯微孔膜， 聚氨酯亲水膜模拟假人皮肤，研究温度，温差，相对湿度，膜的厚度等条件对假 人皮肤透湿性能的影响，结合人体不同运动状态出汗率，以及全国各地典型温湿 度特征，将不同厚度的涂层织物覆盖在假人表面，通过改变膜两侧温度实现使用 一个假人模拟不同地点，人体在静止，平缓运动，剧烈运动各部位出汗量不同的 出汗状态。 9 第二章理论部分 第二章理论部分 2 1 暖体假人皮肤的透湿机理 织物透湿性能理论研究基于f i c k 质扩散模型和l a p l a c e 毛细管传递模型。 织物是一种多孔介质，孔隙的径向尺寸分为三个层次；纤维内各类原纤之间 的孔隙尺寸是l - - l o o n m ；纱线内纤维之问的孔隙径向尺寸是0 2 - - - 2 0 0 p m ；织物 中纱线之间的孔隙径向尺寸是2 0 - - 1 0 0 0 , m 。织物经树醋整理后，织物原有的大 孔隙被封闭或局部封闭，如g o r e t x e 防水透湿织物，与织物复合的膜的孔隙径向 尺寸是0 1 2 a m 。f i k c 扩散定律描述了水蒸气在浓度梯度的推动下，高浓度区 域的水蒸气，通过织物的较大孔隙，自发地迁移到低浓区域。设水蒸气在x 一维 方向上存在浓度梯度，在单位时间内，通过单位截面的质量通量j 用下列公式表 示： 厶：一d 竽 公式称为f i k c 质扩散定律，反映了由于扩散引起的质量和浓度梯度之间的 关系。式中扩散系数d 表征质的扩散的能力，理论意义是：在单位浓度梯度下， 单位时问流经单位截面的质量通量。 水蒸气在通过较d q l 隙( 毛细管) 时，在孔隙内凝结成液态水，有感出汗的液 态水，或是雨水侵入织物，由于毛细管内液体弯曲的附加压力，自动引导液体流 动，该现象称为芯吸现象。毛细管压依据l a p l a c e 公式计算： ， p c = , - rc o s o r 式中： p r 一毛细管压力； y 水的表面张力； r 一毛细管半径； 0 接触角。 对于水平位置的毛细管，根据p o i s e u i i l e 定律，得到液态水在毛细管内流动 的体积通量： 2 布n 刚 式巾：，一一体糨通聚： 玎粘度： 天津1 ：业大学硕十学位论文 毛细管长度。 膜透湿机理实质上只有两种：微孔质扩散和亲水性基团“吸附扩散解吸” 传递水蒸汽分子。其中扩散分为微孔质的扩散，努森扩散，过渡扩散。而高聚物 膜亲水成分提供了足够的化学基团作为水蒸汽分子的介质，在高湿度- n 吸附水 分子，通过高分子链上亲水基团传递到低湿度一侧解吸，形成“吸附扩散解吸” 过程达到透气的目的。亲水膜可以根据f i c k 扩散定律和亨禾l j ( h e n r y ) 定律得到下 列公式： w v p = d s ( p 1 一p 2 ) l 式中：伊一扩散系数， s 溶解度参数， l - 膜的厚度， ( p i - p 2 卜一膜两侧的水蒸汽分压差。 d 表征分子间“孔”的作用，它与分子问剪切力、结晶度、密度、交联度、 增塑剂、使用温度等有关。t g ( 玻璃化温度) 以下时，链段不能运动，“孔”及其 直径大大减少，透湿性下降；在t g 以上时，链段丌始运动，高分子处于高弹态， “孔”及其直径增加，透湿性增大。s 表征高分子与水之问的相互作用，主要受 亲水基团的影响，亲水基团越多，且沿主链排列合适，s 越大。一般把“孔”的 作用和亲水基团“化学阶梯石”的综合作用d s 称为透湿系数，透湿系数越大， 表示透湿性越好。通过研究发现防水透湿织物的透湿机理主要是微孔质扩散，即 利用高聚物微孔直径很小，只有0 5 2 0 缸m ，允许直径0 0 0 0 4 z m 水气分子通透 而不允许直径为1 0 0 3 0 吼m 水滴通过，起防水透湿作用。 2 1 i h a g e n p o i s e u i l i 透湿模型 当液念水渗透通过高分子聚集围绕而成的“隧道”孔隙，设这些孔隙为垂直 或倾斜于膜表面的、平行的圆柱孔，如图2 1 所示，假设这些孔的直径都相同， 我们用h g a n e p o f s u e l l i 5 3 l 方程建立其透湿模型： ， j ：一生竺 8 r ra x 式中：广一膜孔半径m ； n 水的粘度p a s ： e 膜表面孔隙率； n 膜孔隙数量； t 孔的曲折系数； 1 2 第二章理论部分 图图图图凰图 图2 4h a g e n p o i s e u i l l 透湿模璎 h a g e n p o i s e u i l i 方程被用于解释水的渗透传递过程1 5 4 l ，清楚地表明了圆柱形 孔隙膜结构对湿传递的影响，透过多孔膜的液态水正比于孔隙率、孔半径，反比 于孔的曲折系数和水的粘度。 2 1 2 k o z e n y - c a r m a n 透湿模型 对于由结点、类似纤维的细丝互相连接而成的多孑l 膜，设这些结点为实心圆 球，纤维之间孔隙为圆球堆积而成，如图2 2 所示，我们用k o z e n y c a r m a n 方程 建立水的渗透传递模型，对于密集堆积的实心圆球间空隙传递液态水， k o z e n y c a 姗a n l 5 3 】方程为： - ，；一 x f 那2 ( 1 一占 2 缸 式中：k r k o z e n y c a r m a n 常数； s 膜的比表面积。 其它符号意义同上式。 幽2 - 2k o z e n y c a r m a n 透湿模型 2 1 3 水蒸气k u n d e s n 扩散透湿模型 假设多孔膜防水透湿织物为垂直或倾斜于织物表面的圆柱孔( h a g e n p o i s e u i l i 模型) ，每个圆柱孔的长度等于或基本等于多孔膜防水透湿织物的厚度， 当孔径尺寸小于水分子平均自由程，此时，气体分子与孔壁的碰撞频率大于分子 间碰撞的频率，见图2 3 所示，这种传递过程称k u n d e s n 流1 5 5 j 。k u n d e s n 公式描 述了水蒸气透过膜防水透湿织物的过程： 1 3 天津j ：业大学硕十学位论文 h 扩 8 r 7 - 劫 p 一面面一o x只r ry7 村 图2 - 3k u n d e s n 流示意图 式中：r 气体常数j m 0 1 k ； t - 一温度k ； m 摩尔质量g t o o l ； 罢沿r 方淘的迸莠，p a m 。 c ， 2 1 4 水分子“吸附一扩散一解吸”模型 水分子由聚氨醋p u 树脂的亲水基团吸附，并通过聚氨酷p u 树脂扩散到织 物表面，然后解吸散发到环境。即水蒸气分子通过吸附扩散解吸”过程1 5 6 1 透过聚氨醋p u 树脂膜，如图2 4 所示。 p s , z 即 o 驴- p 驴啪 謦。一，一一辈 竺 幽2 4 水分子“吸附一扩散一解吸” 2 2 织物透湿性能的测量指标及测试方法 2 2 1 织物透湿性测试的国际标准及其测量指标 关于透湿性的测试目前虽然已有1 0 多种不同的通用国际标准，但实际上很 多标准所规范的方法在本质上是一样的，只是单位有所不同。这些标准所用的测 试指标及其所表示的物理意义如下1 5 9 1 。 1 4 第二章理论部分 ( 1 ) w a t e rv a p o rt r a n s m i s s i o n m 它表示在一定的时间内，穿透过一定材 料表面的水汽的质量。其中被测材料的表面温度恒定，而相对湿度不定。测试指 标的单位为g 2 4h m 2 。引用这种测量单位的相关国际标准有：美国a s t m e9 6 ， 中国g b t1 2 7 0 4 9 1 ，日本标准j i s l1 0 9 9 ( 表示为p ) ，国际标准i s o8 0 9 6 一l ( 表示 为w v p ) ，英国b s7 2 0 9 ( 表示为w v p ) ，法国n f g5 2 - 0 1 9 ( 表示为w v p ) 和德国 d i n5 3 - 3 3 3 ( 表示为p v e ) 。 ( 2 ) w a t e rv a p o rt r a n s m i s s i o nr a t e w v t r 它表示在一定条件下，穿透过一定 几何表面积材料水汽的速度。测试指标单位为：g m 2 d a y 。引用这种测量单位 的相关国际标准有：美国a s t m3 9 8 8 3 ，德国d i n5 31 2 2 1 ，美国a s t mf2 2 9 8 。 ( 3 ) w a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t y w v p 它表示在一定条件下，单位材料面积和单 位压力差下，穿透过材料表面水汽的速度。测试指标单位为：g 2 4h r m 2 m m h g 锄或者g r a i n h r 铲i nh g i n 。引用这种测量单位的相关国际标准有：欧 洲标准n f e n i s o1 5 4 9 6 。 ( 4 ) w a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t yi n d e x w v p i 它是一个表示水汽穿透材料能力 的相对值，表示为所测材料的w v p 值除以参考材料的w v p 值，测试指标的单 位为百分比。引用这种测量单位的相关国际标准有：国际标准i s o8 0 9 6 一i ，英国 b s7 2 0 9 。 ( 5 ) r 6 s i s t a n c eal av a p e u rd e a u r e t 它表示材料让水汽穿透过程中，所 需要维持表面温度恒定的能量值。测试指标的单位为：m 2 p a w 。引用这种测 量单位的相关国际标准有：欧洲标准n f e n3 1 0 9 2 等。 2 2 2 织物透湿性能测试方法 2 2 2 1 常用的测试方法 目前，国际上常用测试透湿量( w a t e rv a p o u rt r a n s m i s s i o n ，简称w v n 的方 法有五种：a s t me9 6 水正杯与倒杯法、r 本j i s l l 0 9 9 干燥剂倒杯法、a s t m f 2 2 9 8 动态透湿测试法( d m p c 法) 及i s o1 1 0 9 2 的出汗热盘法。 ( 1 ) a s t me9 6 水正杯法 a s t me9 6 ，p r o c e d u r eb 织物透湿性能测试标准( a s t m1 9 9 9 ) 水正杯法 在一个连接有风道的测试箱罩进行，测试箱空气温度为( 2 3 - 1 - 0 ，5 ) o c ，露点温度为 ( 1 2 1 ) ( 相对湿度5 0 ) ，风管风速为( 2 8 + 0 2 5 ) m s 。从每块测试布样上裁取6 个直径为7 4 啪的圆形试样，每个试样放置在一只1 5 5m l 的铝杯上，杯子内装 有1 0 0m l 蒸馏水，然后盖上挚圈，并固定试样。所有涂层或层压织物的涂层或 层压面正对杯子的水面。每1 轮测试使用1 5 只杯子，每次进行5 种织物测试，每 种3 个样品，随机放置在测试箱内杯子的位置上，试样重复两次( 需6 个样品) 。每 个杯子在感量为0 0 0 1 9 的天平上称重，然后放入测试箱，记录各个杯重与时问， 1 5 天津! f ：业人学硕十学位论文 3h 后进行第二次称量，之后分别在6h 、9h 、1 3h 、2 6h 和3 0h 进行称量( 共称 量8 次) 。透湿量按下式计算： w v t = g 厂i a 式中：w v 卜一透湿量( g h m 2 ) ； e 增重( 蓟； t _ 一测试时间( h ) ； a 测试面积( m 2 ) 。 取6 个样品的平均值为透湿指标，并换算成g