抗浸服性能评价方法研究进展_卢业虎.pdf

第 8 卷第 2 期2023 年 4 月服装学报Journal of Clothing esearchVol 8No 2Apr2023收稿日期:2023 01 05;修订日期:2023 03 29。基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目(21KJA540004);苏州市科技计划项目(SS202147);南通市科技计划项目(JC2021004)。作者简介:卢业虎(1986)，男，教授，博士生导师。主要研究方向为智能服装、防护服装研发与工效学评价。Email:yhlu suda edu cn抗浸服性能评价方法研究进展卢业虎1，2，陈乔丹1(1 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215006;2 南通纺织丝绸产业技术研究院，江苏 南通 226300)摘要:介绍了抗浸服面料、结构及服装开发的研究进展，对比了抗浸服的国内外标准，分析了真人实验和暖体假人实验两种服装保暖性能评价方法的优缺点，并总结冷水中人体热调节模型的发展历程，利用数学模型计算浸泡在水中的人体温度分布，提出用数值模拟的方法研究人体服装环境系统的热传递机制，评估着装人体的热舒适情况，预测浸泡在冷水环境中的存活时间。通过对抗浸服发展趋势的展望，提出今后应朝着抗浸服材料与结构创新、数值模拟的新型评价方法以及服装智能化应用的方向发展。关键词:抗浸服;保暖性能;评价方法;热传递模型;数值模拟中图分类号:TS 941 731 3文献标志码:A文章编号:2096 1928(2023)02 0141 08esearch Progress on the Performance Evaluation Methods of Immersion SuitsLU Yehu1，2，CHEN Qiaodan1(1 College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University，Suzhou 215006，China;2 Nantong Textile and SilkIndustrial Technology esearch Institute，Nantong 226300，China)Abstract:The research progress of immersion suit materials，garment structures and clothing development were introduced，and the standards at home and abroad were contrasted The advantages and disadvantages of human trial tests and thermalmanikin experiments for thermal insulating performance evaluation of the garment were analyzed The development of thehuman thermoregulation model in cold water was summarized，and the mathematical model was used to calculate thetemperature distribution of human body immersed in water The numerical simulation method was proposed to clarify theheat transfer mechanism of human body-clothing-environment system，to evaluate the thermal comfort and survival time ofthe dressed human body in cold water Finally，the development trend of immersion suit was predicted，and the directioncould be towards materials and structures innovation of immersion suit，new evaluation methods for numerical simulation，and application of intelligent garmentsKey words:immersion suit，thermal insulating property，evaluation method，heat transfer model，numerical simulation中国海洋资源丰富，管辖海域面积辽阔，随着海洋经济和海上交通的迅速发展，海难也逐渐增多。2022 年交通运输部海事局召开会议，指出2021年共组织水上搜救行动 1 881 次，搜救遇险人员14 473人1。在大量搜救行动中，海军、飞行员等海域作业人员面临着落入低温海水的风险。意外落水导致的死亡分为两类:溺水窒息死亡;长时间浸泡在水中失温导致死亡2。研究表明，人浸泡在 0 水中的存活时间仅有几分钟;浸泡在 5 水中的存活时间平均只有45 min;在15 水中的存活时间也不超过 6 h3。服装可调节人体与外界之间的微环境，起到维持人体热平衡的作用。抗浸服是一种防止人员落水后因体内热量在短时间内大量散失而冻伤乃至死亡的个体防护装备，能确保浸泡在水中的作业人员在 2 h 内保持可救治状态4。抗浸服具有防水、保暖、阻燃、密闭的特点，可以提供一定浮力，提高人体浸泡在水中的耐受时间，且其颜色醒目，便于搜救 5，能最大限度保障海域作业人员的生命安全。1抗浸服发展现状抗浸服的研究最早起源于英国，如 MK10 抗浸服是英国开发的用于空军海上救援的服装，兼具防护性和舒适性。美国研制的 MSF 系列抗浸服强调防水、保暖和舒适性，如 MSF300 型包含 Goretex/Nomex防水层和可拆卸的保暖层(见图 1)。中国在20 世纪 70 年代末期研制了防水层为聚氨酯涂层、保暖层为驼毛的第一代抗浸服;20 世纪 80 年代，仿照英国 Ventile 面料研制出了 48201 防水透气织物，开发出第二代抗浸服6;21 世纪后，中国研制的SKQ2 抗浸防寒服被广泛应用于部队(见图 2)，该款 服装的进水量低于400 g，整体热阻值达到0 7 m2K/W7。1 1抗浸面料抗浸面料作为抗浸服的外层，主要起到防水透湿的作用，既要避免水的渗入导致人体热量散失，又需防止汗液冷凝冻伤人体8。抗浸面料主要分为高密织物、涂层织物和层压织物 3 类9，其性能优缺点见表 1。图 1美国 MSF300 抗浸服Fig 1American MSF300 immersion suit图 2中国现役抗浸服Fig 2Chinese immersion suit表 1抗浸面料性能比较Tab 1Comparisons of immersion fabrics类别举例国家特点技术原理高密织物Ventile英国防水，透气，透湿;耐水压低，柔软性差，耐久性差干燥时纱线孔隙大;浸湿时纱线孔隙缩小超细聚酯纤维日本防水，透湿;力学性能差0 1 0 3 dtex 纤维，芯吸效应较好，可将水蒸气排出体外涂层织物Prooface日本防水，透湿，耐水压微孔为 5 10 m 的 PU 涂层Diaplex日本智能防水透湿;成本高形状记忆聚氨酯涂层可根据温度的变化改变其透湿性能三维交联凝胶中国智能防水涂层;透湿性不足利用温敏型共聚物合成三维交联凝胶层压织物Goretex美国防水透气，透湿;成本高疏水性 PTFE 薄膜，微孔孔径小于水滴，大于水蒸气分子PTFE/PU 双薄膜中国防水，防风，透湿，抗水压涂层胶黏结双组分薄膜SympaTex德国防水，防风，透气，环保无孔 PET 薄膜，薄膜两侧压力差实现水分交换高密织物通过控制纱线孔隙实现防水和透湿性能，如典型的 Ventile 高密织物10、日本帝人公司研制的超细聚酯纤维等;早期使用的防水涂层有聚氯乙烯、聚氯丁橡胶等，但因透气透湿性能差而逐渐被聚氨酯(PU)以及智能涂层(如日本的 Prooface产品11、智能 Diaplex 薄膜、刘书芳等12 制备的温敏型智能抗浸面料等)取代;最常见的层压织物是聚四氟乙烯(PTFE)防水透湿织物。图 3 是美国戈尔公司生产的 Goretex 防水透湿织物，具有较好的防水透湿性能。此外，赫新敏等13 开发的透气型阻燃抗浸面料、德国 SympaTex 产品均具有优异的防水透气性能。目前，抗浸面料的研究处于发展阶段，尽管可以满足基础的防水、透湿、抗水压性能，但面料的舒241服装学报第 8 卷适性和耐用性仍需提升。在今后的研究中，抗浸面料需要着重往轻薄、透湿、舒适的方向发展。图 3Goretex 防水透湿面料Fig 3Waterproof and moisture permeable fabric ofGoretex1 2保暖面料保暖面料作为抗浸服的内层，主要作用是减少机体的热量损失。中国第一代抗浸服采用传统保暖材料 驼毛，其保暖性能优异，但难以成型、絮片不均匀、易被虫蛀。相较于传统材料而言，新型保暖材料(如新雪丽、气凝胶、充气材料等)具有较低的导热系数14，保暖性能更好，具体如图 4 所示。图 4保暖材料的导热系数Fig 4Thermal conductivity of thermal insulatingmaterials美国 3M 公司生产的新雪丽是一种轻薄保暖、高度蓬松的材料。DUCHAME M B15 对比了新雪丽和多孔泡沫隔热材料的保暖性能，发现新雪丽材料可以使汗液蒸发速率加快。气凝胶的隔热性能优于新雪丽，是一种超级隔热材料。NUCKOLS M等16 发现潜水员身着气凝胶服装时的平均潜水时间(126 2 min)比身着新雪丽服装时的潜水时间(91 2 min)长 38%;第三代纤维素基气凝胶服装表现出更优的保暖性能 17。充气材料一般采用充有空气的气囊，ALDE N N 等 18 通过储气瓶对两层面料之间的气囊进行充放气，以实现优异的保暖性能，且可通过热传递模型计算出保暖气囊的最佳尺寸。1 3抗浸服结构抗浸服的结构设计需要考虑着装者的运动灵活性、穿脱便捷性以及服装在不同环境下的功能性。抗浸服一般采用连体式结构，配备水密拉链，袖口和裤脚等处密封连接。在此基础上，通过加入充气层、浮力内胆、智能设备等，开发出新型抗浸服。牛蒙蒙19 研制出含有防水层充气层保暖层结构的抗浸防寒服，具体如图 5 所示。由图 5 可以看出，充气层为一片式结构，含有相互连接的气囊，可通过快速充放气来调节服装保暖效果，并提供一定的抗压能力。为了提升服装的穿脱便利性，马焕明20 发明了一种军用连体抗浸服，在后肩背部至大腿侧边设计了斜开式气密拉链，具体如图 6 所示。图 5充气型抗浸服Fig 5Inflatable immersion suit图 6军用连体抗浸服Fig 6Military one-piece immersion suit卢佳佳等21 在抗浸服中加入可拆卸的保暖浮力内胆，开发出一种适用于冰上救援的抗浸防寒服。此外，智能技术也成功应用于抗浸服中。刘诗涵等22 设计了一款能够卫星定位的智能水上救生衣系统，可检测并采集落水者的位置、移动速度、所处海拔高度、水温等信息，并发出救援信号，从而缩短救援时间。2标准及评价方法2 1抗浸服相关标准为确保抗浸服可以最大限度保障海上工作人员的安全，国内外组织制定了抗浸服的一系列标准，包括抗浸服织物的防水性、保暖性、耐磨性、易燃性等防护性能的测试标准，以及抗浸服结构和号型的设计标准等，相关标准见表 2。中国常用的抗浸服标准为 GB/T 20898 系列标准，与 ISO 15027 系列标准等同。该系列标准提出341第 2 期卢业虎，等:抗浸服性能评价方法研究进展了织物性能的测试方法，并通过实验确定服装的隔热值，但该标准的测试条件是在平静水池中，不符合真实海域环境的服装热阻值。加拿大通用标准CAN/CGSB 65 将暖体假人模型浸泡在波高为40 cm的湍流水中，以模拟真实的海域环境;同时在2 平静水域进行真人实验，如果该抗浸服在 6 h 内能保持人体核心温度下降 2 以内，则该防护服通过测试。GJB 20A2006 标准规定了飞行员抗浸防寒服的号型，以确保服装设计的合体性。中国人民解放军装备部发布的 GJB 821A2010 标准为模拟海域情况，设计了气流吹袭试验，但模拟的海域环境与真实水域仍有较大差距。表 2抗浸服相关标准Tab 2elated standards of immersion suit标准号标准名称ISO 150271:201223 Immersion SuitsPart 1:Constant Wear Suits，equirements Including SafetyISO 150272:201224 Immersion SuitsPart 2:Abandonment Suits，equirements Including SafetyISO 150273:201225 Immersion SuitsPart 3:Test MethodsGB 995319995 浸水保温服GB/T 20898 1200726 浸水服 第 1 部分:常穿服安全要求GB/T 20898 2200727 浸水服 第 2 部分:弃船服安全要求GB/T 20898 3200728 浸水服 第 3 部分:试验方法CAN/CGSB 65 16200529 Immersion Suit SystemsCAN/CGSB 65 17199930 Helicopter Passenger Transportation Suit SystemsGJB 20A200631 飞行员个体防护救生装备号型GJB 821A201032 飞行人员救生抗浸防寒飞行服规范2 2保暖性能评价方法海上事故导致人员死亡的主要原因之一是冷水浸泡引起的体温过低，因而保暖是抗浸服重要的性能。抗浸服的保暖性能评价方法分为两种:通过真人测试进行主客观评价，测量着装人体在水中的平均皮肤温度、核心体温、心率、新陈代谢等生理指标;采用暖体假人模型进行客观评价，将身着抗浸服的暖体假人浸入水中，评价整体服装的保暖性能。2 2 1真人实验DUCHAME M B 等33 比较了真人和假人模型在平静海域和波浪环境中身着抗浸服的热阻，在皮肤和抗浸服外表各贴上 12 个传感器后，在水中浸泡 1 h，根据平均热流和温度得到抗浸服的总热阻。XUE L H 等34 探究了不同类型和不同组合层数抗浸服的热阻，利用传感器测量并计算着装受试者浸泡在水中的核心温度、平均皮肤温度和平均体温。真人实验可以得到受试者的主观感受和客观生理数据，但易出现失温等威胁人体健康的情况，且极端条件下人体实验开展的程序较为复杂，需严格遵从医嘱和实验伦理，在实验过程中规定如出现紧急情况(如大量水进入衣物)时须终止实验;人体核心温度低于36 2，或平均体表温度低于20，或受试者心率每分钟超过180 次时，须终止实验;受试者也可主观要求终止实验。因而在评价抗浸服保暖性时，一般采取真人实验和暖体假人模型结合的方法，以使评价结果更全面、准确。2 2 2暖体假人模型暖体假人模型用于模拟人体与环境之间热湿交换，与真人实验相比具有两大优势:暖体假人模型可在冷水、高温液体、火灾等极端环境下进行实验，规避了真人实验存在的安全和伦理问题;暖体假人模型可作为一个标准对象，确保反复实验的稳定性，并缩短实验时间。图 7为两种浸水暖体假人模型，其中图7(a)为 NEMO 23区潜水暖体假人模型，每个区域可以均匀加热，利用热敏电阻测量皮肤温度;图7(b)为 TIM 潜水暖体假人模型，其有 15 个独立控制区域，配有温度传感器和电加热器。MAK L 等35 运用 NEMO 和 TIM 假人模型评价了抗浸服的隔热性能，对比了两种假人模型的差异以及假人与真人实验的相关性，发现在两种实验方法下，服装的合身程度、褶皱和受压缩程度不同，会对服装的热阻产生影响。DUCHA-MEL M B 等36 比较了着装真人和暖体假人在平静和湍流水中的服装热阻，发现假人在湍流水中惯性较大，增加了热损失，导致假人测试的热阻低于真人实验。因此，牛蒙蒙19 采用收缩网状服装施加压力的方法模拟水环境中承受的静水压，并结合暖体假人模型，进行压缩后抗浸服保暖性能的测试。目前来看，暖体假人与真人实验的等效性还需深入研究。一方面，在真实海域中测试会出现随机情况，不能保证每次测试条件的一致性，因而使用人工气候室模拟真实海域的风浪面临巨大挑战。另一方面，受到波浪、风等因素的影响，暖体假人能441服装学报第 8 卷否模拟低温下人体会出现的热生理现象以及人体漂浮特性也需着重考虑。图 7浸水暖体假人模型Fig 7Immersion thermal manikin models3人体服装环境热传递数值模拟3 1水中人体热调节模型当环境温度过高或过低时，人体会作出相应的反应来维持体温(如血管收缩、出汗、颤抖等)。人体热调节模型主要用于模拟这些热交换过程，以此计算人体在不同环境下的温度分布37。PENNES HH38 于 1948 年提出手臂径向温度分布计算模型。在此基础上，STOLWIJK J A J 等39-40、FIALA D等41-42 将人体划分为多层圆柱体和独立的身体节段，并出现了两节点模型(GAGGE A P 等43-44 将人体分为核心层和皮肤层)和多节点模型(STOLWIJKJ A J40 将人体分为25 节点);后期还出现了多元模型(如 Smith 模型45、Ferreira 模型46 等三维人体模型)。以上模型都是假定人体处于空气中。当人体浸泡在冷水中时，冷应激导致皮肤和肌肉浅层的血液灌注减少，皮肤温度下降，此时身体会采取颤抖和增加血液灌注的方式维持人体热平衡。基于冷、热应激引起的调温机制差别，大量学者对冷水中的人体热调节模型展开了研究，具体见表 3。由表 3可以看出，已有研究不仅详细考虑了人体代谢产热、血液灌注、冷颤等生理过程，还利用模型预测不同水温下人体的核心温度和皮肤温度。表 3水中人体热调节模型Tab 3Human thermoregulation models in cold water时间研究者模型及相关内容19741975MONTGOMEY L D47-48 使用改进的 6 节段模型研究人在冷水中的生理反应，但该模型仅与有限的温度数据进行比较，且没有考虑人体代谢产热1985WISSLE E H49 构建 15 节段人体冷水浸泡模型，并输入人体呼吸、出汗、血液灌注等生理参数模拟血管收缩、呼吸和代谢产热等过程19871988TIKUISIS P 等50-52 以 Stolwijk 模型、Hardy 模型为基础，建立冷水人体热调节模型，研究 20 和28 水温下人体全身浸水51 和头部浸水52 情况，并将初始冷颤限制在躯干区域1995SHENDE B S 等53 使用 Wissler 模型预测人体核心温度、皮肤温度，实验值与预测值具有统计相关性，但有差异2005XU X J 等54 引入冷颤产热建立 6 段人体模型，预测 8 10 水中人的体温、代谢率等生理数据，且考虑了不同体型的影响，预测数据与实验数据吻合2012WISSLE E H55 建立 21 节段全身人体模型，考虑人体冷颤和局部血液灌注对传热的影响2015PAUL A K 等56 建立组织血液相互作用的全身模型，在模型中添加 9 5 mm 皮肤层，预测在 0，10，18 5 水温中人的生存时间，得出当浸泡在 0 水中时，存活时间为 39 50 min(见图 8)2022GULATI T 等57 建立三维体温调节人体模型，模拟空气和水双环境条件，考虑冷颤和水中浸泡系数图 8浸泡在冷水中的人体模型Fig 8Human model immersed in cold water3 2抗浸服的数值模拟研究水中人体热调节模型有助于预测人体在冷水环境中的一系列生理参数，为抗浸服的研究提供基本数据。而数值模拟则是在数学模型的基础上更真实地模拟三维传热过程，基于计算机流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)理论构建数值模型，利用计算机进行数值计算及图像显示，实现多物理场的分离和耦合，且模拟结果可视化58。利用数值模拟可以评价着装人体热舒适性，提供丰富的温度场数据，评估冷环境的安全系数，这对保障作业人员的生命安全具有重要意义。541第 2 期卢业虎，等:抗浸服性能评价方法研究进展DUCHAME M B 等59 利用计算机模型和暖体假人模型数据，研究军用生存装备在陆地和海上的冷环境防护性能，通过计算机模型设置了特定的环境条件和人体测量数据。石大勇等60 基于 VPS 构建了飞行员抗浸防寒服的仿真模型，建立了领口和袖口压力舒适性模型，并根据实验数据对模型进行修正，提出抗浸防寒服的压力舒适性评价方法。但截至目前，有关抗浸防寒服数值模拟和仿真模型的研究较少，未来可以尝试利用 CFD 理论将人体水中热调节模型、抗浸服以及海域环境模型三者结合，用于预测人暴露在水环境中的皮肤温度、核心温度以及存活时间，从而为抗浸服的研究和改良提供帮助。4结 语目前，中国对抗浸服面料与结构设计的研究已取得阶段性进展，新型面料(如层压抗浸面料、气凝胶保暖面料)和服装一体式结构已广泛应用于抗浸服中。然而为了满足基础防护性能，抗浸服依旧较为厚重，不利于行动，舒适性差。抗浸服的保暖性评价可采取真人实验和暖体假人两种方法，其各有优缺点，且两种方法的等效性还需深入研究。因而，为了开发出更优异的抗浸服，未来可从以下 3 个方向展开研究。1)材料和结构创新。在材料上可开发轻薄型的抗浸服面料，减轻服装质量，降低对人体产生的负担和影响。在结构设计上，可通过防护服整体、局部的区分设计，提升着装者的作业灵活性，改善服装的穿着局部舒适性。2)评价方法革新。从以往研究可以看出，无论是真人实验或是暖体假人实验，模拟具有风、巨浪、湍流的真实海域环境是一个很大的挑战，环境模拟的不准确性将会对抗浸服的隔热性评价产生很大影响。因而可以采用 CFD 理论帮助模拟着装人体在海域环境中的传热情况，既可规避真人实验的危险性，降低假人实验的不准确性，同时可以开发出场景模拟更真实和精度更高的模型来预测穿着者浸泡在水中的实际存活时间。3)智能化设计。智能抗浸服可以考虑将新型技术(如快速漂浮系统、GPS 定位系统、水下传感器等)与抗浸服结合，研发出集防护、舒适、智能于一体的智能抗浸服。参考文献:1佚名 深入推进落实“12395”工作思路 奋楫开创海事现代化发展新格局 2022 年全国海事工作会议召开 J 中国海事，2022(1):2Anon Deeply promote the implementation of the 12395work idea and strive to create a new pattern of modernmaritime developmentthe 2022 National Maritime WorkConference was heldJ China Maritime 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