如何利用織物面料的熱特徵,製成保暖性能極佳的冬裝外套?

利用服裝面料的熱導率、熱阻、熱擴散率等特徵,選擇適合的材料製作極具保暖性能的冬裝外套

冬裝的熱性能
冬裝最重要的作用是阻擋人體體溫與寒冷環境之間的熱量傳遞。熱量可以通過多種方式傳遞,比如傳導、對流和輻射,而這些都是戶外冬裝面料設計師必須要考慮的因素。在設計最耐用和最保溫的冬裝時,高蓄熱係數( high thermal effusivity)和低熱導率( low thermal conductivity)的材料是首選面料。現今,擁有低熱輻射率特點的天然(或合成)紡織品,已被廣泛應用到防風保暖的設計中,以達到優秀的保暖效果。

蓄熱率是指材料吸收熱量的速率,熱導率是指材料有效傳遞熱量的能力,兩者成反比。而熱輻射率結合了熱容和熱擴散率。這些熱特性不斷地影響著人們與周圍環境的接觸和互動方式。這些專業詞彙可以解釋為什麼金屬比毛毯摸起來更冷,為什麼金屬保溫瓶比陶瓷杯能讓咖啡更保溫。舉例來說,毛毯面料的導熱係數遠低於金屬的,所以毛毯能夠更好地保溫,讓我們冬天窩在毛毯中時,感到溫暖舒適。

熱流率的其一應用是測量紡織物面料的溫暖度或者涼爽感。當通過任何瞬態方法或儀器,在短測試時間內,從表面測量紡織物面料時,測量的熱流率包括各種傳熱機制,比如熱傳導、對流和輻射,以及傳感器和样品之間的熱阻。不過,由於熱流率的公式中最主要的因子是熱導率,僅適用於固體的材料。

環境中的熱物性
空氣的導熱係數相對較低,但由於它是非靜止狀態,這自然會增加人們和周圍環境之間的熱傳遞速率。比如,寒風指數通常是冬裝抗寒設計中必要考慮的因素。此外,亦必須要考慮空氣中的濕度與衣物的含水量,因為水是比空氣更好的導熱體,如果衣服因下雨、出汗或浸水而潮濕,水分子會佔據衣服纖維之間的大部分孔洞,這必然導致熱損失的顯著增加。

加拿大冬季天气

(圖一) 冬季天氣示意圖

保溫隔熱面料的選擇
理想情況下,冬季外套的材料應該能保護穿著者免受風、水和雪的侵襲,但這說起來容易做起來難。服裝面料設計師很難找到符合上述所有要求的織物面料,並且很多保溫隔熱效果好的材料,產出或生產成本很高。現今,許多製造商和消費者的首選保溫材料是羽絨,其是從鵝和鴨的羽毛中採集的一種天然材料,是緊挨著牠們皮膚的柔軟羽狀物,其平均熱阻為0.21–0.3m²(°C/W)。羽絨的獨特性在於其質地非常地蓬鬆,且沒有其他禽鳥類羽毛中又長又尖的羽梗,所以價格相對也高出許多。有些製造商會將羽絨與其他羽毛混合,以降低生產成本。含絨量越高,保暖效果越好,但價格也會越高。當在選擇羽絨服時,羽絨與羽毛的比例最佳為 7:3。更高品質的羽絨服,含絨量甚至可達80%以上。

用于表示夹克填充的符号

(圖二) 外套填充物的符號

羽絨市場擴展的最大困難點在於採集,其採集方式被許多人視為不人道的。因此,像North Face和Patagonia 這樣的大品牌廠商,也正極力推動對動物傷害極小化、更人道且持續性佳的採集方式。

 

基於熱性能的分類
羽絨製品一般按其蓬鬆度和填充重量來分類。蓬鬆度是衡量羽絨整體質量的通用指標,通常用300至900之間的數字表示。該值與一盎司羽絨在圓筒中壓縮時,所佔據的立方厘米數直接相關。高品質羽絨比低品質羽絨壓縮性能更好,並且能在羽毛簇間形成氣穴。這些氣穴可提供較低的散熱性,並阻止熱量通過材料的運動,如此即便是長時間穿著填充量高的羽絨服也會更為舒適。一般來說,蓬鬆度低於500的羽絨服會有凹凸不平的視覺和保暖不均的體感,而蓬鬆度在800-900範圍內的羽絨產品,才被行業視為優質產品的標準。

大多時候人們確定羽絨服質量的另一種方法是看填充重量,但事實上以實際羽絨量(盎司)來衡量,填充重量和服裝的質量、保暖性沒有直接關係。比如穿了一件很重的羽絨服,如果羽絨蓬鬆度不好,保暖效果可能還比不上填充質量好的輕便羽絨服。所以,在購買羽絨服時,除了評估填充量外,羽絨蓬鬆度也是必要考量點之一。

塞满羽绒的被子

(圖三) 塞滿羽絨的被子

羽絨雖然是最佳的冬裝保溫原料,但卻是一種不防水的材料,在潮濕環境下即無法提供好的保暖力。因為在遇水後,形成一團團的羽毛會破壞能將熱空氣保留住的氣穴。而羽絨一旦被弄濕後,需要很長時間才能變乾,所以大多數的羽絨都需要被縫在稱為”擋板”的口袋中,以防止羽絨隨著含水量或時間的推移滑落到底,這也是為甚麼羽絨服的外觀通常是一格一格的造型。

專用熱材料
上述提到,輻射是一種傳熱機制。Columbia是一家將熱傳導和輻射的力量運用到戶外裝備設計中的一個服裝公司,在他們所設計的許多外套內襯中,使用了一種稱為 Omniheat 的反射材料,這種材料的熱性能與NASA熱毯的熱性能相似。Omniheat技術利用並通過阻擋我們身體發出的紅外輻射來防止熱量損失,也就是說,其可將身體散發的熱量反射至內部。當人們站著不動的時候,大約87%的身體熱量會透過紅外輻射形式的熱量向外流動而損失掉。這是一種非常特殊的能量類型運動,所以能阻止體熱向外輻射比能阻止通過熱傳導向外傳遞更為重要,傳導僅佔個人與其環境之間發生的熱流大約 13%。

另一個有趣的熱設計是North Face設計的Thermoball技術,它是一種有效的冬季絕緣體。這種人造材料旨在利用羽絨的輕便保暖性,並保持滌綸混紡夾克的防水性。 Thermoball由Primaloft合成纖維組成,這些纖維被紡成數以百萬計的小球,這些小球的排列方式類似於羽毛。儘管Thermoball尚未超過天然羽絨的保暖能力,但它的熱阻值明顯高於大多數聚酯混合物,並且比傳統羽絨混合物更防水。

通過分層增加溫暖感
通常大部分重點都放在了我們外層衣服的重要性上,但是用於衣服底層的面料和材料類型也會影響我們的整體舒適度和溫暖度。羊毛是一種流行的材料,由於其天然的高耐熱性和排汗能力,經常用於製作溫暖的冬季毛衣。羊毛是中間層的絕佳選擇,它可以讓您在一些最嚴寒的冬季中保持透氣和溫暖。如果您想避免與羊毛的“癢”,可以試試看美利奴混紡。抓絨是另一種流行的冬季材料,它完全由合成聚酯製成,並且溫暖舒適,不會讓你感到沉重。由於其天然的吸濕排汗能力,抓絨也是在濕冷天氣時穿著的理想面料。而底層材質也就是親膚的那層,可以選用大多數人意想不到的絲綢,絲綢除具有良好的耐熱性,也非常輕且透氣,但應留意避免用其作為外層。

總結
冬裝的性能在很大程度上取決於其熱性能。由低導熱率和高蓄熱係數材料製成的冬裝,能夠有效防止熱量散失並有效阻擋寒冷的冬季風。與其他流行的戶外材料相比,羽絨的熱釋出率最低;然而,它在潮濕環境中時表現不佳,並且原材料獲取成本高且獲取方式不人道。目前許多公司正在努力設計人造羽絨狀材料,這種材料的性能類似於溫暖的羽絨,但在潮濕環境中比羽絨性能更好,且原材料成本更低。另外,與由羊毛、絲綢或羊毛等耐熱織物製成的衣服正確分層也非常重要。冬天是一年中的美好時光,穿著具有保暖性能的衣服,可以讓我們在戶外度過更美好的時光。

 

文獻參考與引用:
Reingardiene, D. [Hypothermia]. Medicina (Kaunas) 39, 90–97 (2003).
Glossary of Terms and Definitions. Thermtest Inc. https://thermtest.com/thermal-resources/glossary.
Everything You Need to Know About Winter Jacket Tech | Popular Science. https://www.popsci.com/winter-jacket-guide/.
Steinhardt, E. Determining an Easily Measured Factor of Merit for The Thermal Performance of Jackets. 7.