柯寶珠，花　卉，陳雪婭，黃心潔

(上海工程技術大學，上海 201620)

基于紅外熱成像技術的襪子熱濕舒適性研究

柯寶珠，花卉，陳雪婭，黃心潔

(上海工程技術大學，上海 201620)

文章運用紅外熱成像儀直接測量人體在穿著純棉、滌棉混紡、竹纖維等不同材質(zhì)的襪子靜止、慢跑后腳部的溫度分布情況，同時設計了主觀問卷調(diào)查表，對不同材質(zhì)襪子在靜止、慢跑后腳部的主觀熱濕舒適感覺進行了評價，并且以此研究設計了更加符合人體腳部濕熱分布不均的襪子。

紅外熱成像；襪子；濕熱舒適性

1　引言

紅外熱成像儀是將紅外光學透鏡與紅外傳感器配合,根據(jù)測得的紅外光譜的輻射照度來實現(xiàn)物體的非接觸光學測溫。早期的紅外技術的應用主要在軍事、光譜學、無損檢測、商業(yè)多光譜成像分析、資源遙感、紅外天文學、交通、風切變換探測、醫(yī)療、公安等領域。

紅外技術在軍事、醫(yī)療以及氣象等領域已廣泛應用，但其在紡織服裝行業(yè)上的應用歷史較短。紅外測溫技術在紡織服裝領域的應用主要集中在面料紡織品的測試上，王云儀等[1]利用紅外熱像儀結(jié)合恒溫水浴試驗裝置，對大豆蛋白復合纖維、莫代爾纖維以及混紡織物產(chǎn)品的熱濕傳遞性能以及在熱濕傳遞中的熱濕耦合現(xiàn)象進行研究性能探索。陳益松等[2]利用紅外攝像拍攝人體和服裝表面的溫度，通過實驗發(fā)現(xiàn)紅外攝像溫度測量是一種有效的測量方式。在紡織工業(yè)中，由于某些工藝(如漿紗烘干、脫水織物烘干、織物熱定型等)難于接觸測溫，紅外輻射測溫法值得廣泛推廣和應用。董俠等[3]對紅外測溫儀就預制試樣的發(fā)射率不同、測量位置不同及試樣受到紅外輻射的照度不同等三種情況對紅外測溫儀測量結(jié)果的影響，探討了準確測溫的最佳使用條件和方法。龔小舟、夏羽等[4]通過紅外熱成像儀分別測試以經(jīng)編間隔織物為里料的防彈衣的熱濕傳導性、透氣散熱性來探討經(jīng)編間隔織物對防彈衣的舒適性能的影響。探討了利用經(jīng)編間隔織物對防彈裝備舒適性提高的可行性。用經(jīng)編間隔織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)防彈衣里料(平紋機織布)， 并制成成衣。劉颯、李云紅等[5]采用紅外熱成像技術對碳纖維織物的熱傳導性進行測算與評價。

然而紅外技術在襪子舒適性研究以及功能的溫度測量上應用較少。襪子作為人們?nèi)粘Ｉ罘椫胁豢苫蛉钡囊徊糠?，其舒適與否直接影響到人們的生理健康和心理舒適感。炎炎夏日或者人體大運動量下，如果穿著的襪子不夠吸濕排汗和透氣，則會感覺悶熱不適，甚至會引發(fā)腳臭或感冒。數(shù)九寒冬，如果穿著的襪子不夠保暖又會因腳部溫度分布不均而凍壞腳趾。本項目試圖通過熱成像技術來分析人體在靜止、慢跑后腳部溫度變化以及分布狀況來設計適合人體腳部熱濕舒適性的襪子。利用紅外熱成像技術研究襪子的熱濕舒適性具有非常重要的意義，也是本文的創(chuàng)新。

2　實驗

2.1實驗儀器及材料

本實驗采用的儀器為FLIR T250紅外熱成像儀，該熱成像儀熱敏度為0.08℃，紅外圖像分辨率為240像素×180像素，溫度范圍為-20～+350℃，該熱成像儀通過將紅外輻射量轉(zhuǎn)換成為電子視頻信號，經(jīng)過電子學處理，形成被測目標的紅外熱成像[6]。

本實驗采用純棉、滌棉混紡(65%棉，35%滌綸)、竹纖維三種材質(zhì)襪子各3雙。

2.2實驗條件和方法

實驗環(huán)境條件設置為25℃±1℃，相對濕度為50%±5%。受試者為3名21歲的年輕女大學生。選取3人測試結(jié)果的平均值為實驗結(jié)果。實驗開始前，受試者每人穿著相同材質(zhì)的襪子，進入實驗環(huán)境，靜止狀態(tài)下適應環(huán)境30 min后，用紅外熱成像儀在距離受試者腳部約50 cm處拍攝腳背和腳底分別在靜止、慢跑10 min(速度為5 km/h)后，將襪子脫去瞬間的紅外熱成像圖。然后利用紅外熱成像系統(tǒng)軟件，分析腳部表面溫度的分布情況。

3　結(jié)果與分析

3.1實驗結(jié)果

圖1為受試者腳部穿純棉襪子靜止30 min狀態(tài)下，將襪子脫去瞬間的熱成像圖。圖1中，越亮的地方，溫度越高；越暗的地方，溫度越低。

圖1　腳部穿純棉襪子靜止30 min狀態(tài)下溫度分布

表1為腳部分別穿純棉、滌棉混紡、竹纖維三種材質(zhì)襪子靜止30 min狀態(tài)下的腳背和腳底最高溫度，由表中可以看出，腳背與腳底的最高溫度排序均為：純棉>滌棉混紡>竹纖維。腳背和腳底的最高溫度都是腳背動脈處和腳底中心部。表2為三種材質(zhì)下腳部各部位的平均溫度，由表3可以看出，在穿三種材質(zhì)襪子靜止30 min的狀態(tài)下，腳部各個部位的平均溫度基本上符合純棉>滌棉混紡>竹纖維這個順序。

表1　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子靜止

表2為三種材質(zhì)下腳部各部位的平均溫度。由表2可以看出，在穿三種材質(zhì)襪子靜止30 min的狀態(tài)下，腳部各個部位的平均溫度基本上符合純棉>滌棉混紡>竹纖維這個順序。

表3為腳部分別穿純棉、滌棉混紡、竹纖維三種材質(zhì)襪子慢跑10 min狀態(tài)下的最高溫度，由表可以看出，腳背與腳底的最高溫度排序基本為：純棉≥滌棉混紡>竹纖維。腳背的最高溫度是腳趾間，純棉和滌棉混紡狀態(tài)下腳底最高溫度位置是腳趾間底部，而竹纖維的腳底最高溫度位置是腳底中心部。

表2　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子靜止

表3　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子靜止10 min

表4為三種材質(zhì)下腳部各部位的平均溫度，由表4可以看出，在穿三種材質(zhì)襪子慢跑10 min的狀態(tài)下，腳部各個部位的平均溫度基本上符合純棉≥滌棉混紡>竹纖維這個順序。

表4　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子慢跑

圖2為受試者腳部穿純棉襪子慢跑10 min狀態(tài)下溫度分布情況。(5 km/h，835 m，52 calories)狀態(tài)下，將襪子脫去瞬間的熱成像圖。圖2中，越亮的地方，溫度越高；越暗的地方，溫度越低。

由于人體腳部出汗及著力點主要在腳底部位，所以腳表面分為四個區(qū)域，分別為腳背(F1)、腳趾(F2)、腳掌(F3)、腳趾底部(F4)、腳跟(F5)。如圖3所示。圖4為這五個區(qū)域在穿著三種材質(zhì)襪子保持靜止30 min狀態(tài)下的平均溫度的變化情況。圖5為這五個區(qū)域在穿著三種材質(zhì)襪子保持慢跑10 min狀態(tài)下的平均溫度的變化情況。

圖2　腳部穿竹纖維襪子慢跑10 min狀態(tài)下溫度分布

圖3　區(qū)域劃分

圖4　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子靜止30 min狀態(tài)下的各部位平均溫度變化折線圖

針對區(qū)域劃分，設計了主觀舒適性問卷，記錄了2名受試者對這五個區(qū)域的主觀評價。主觀評價由熱感值和濕感值構(gòu)成，最終結(jié)果取2人評價結(jié)果的平均值。本次主觀評價采用5級標尺，最小值為0，最大值為4，數(shù)值越大，表示熱感值越大或濕感值越大，相關的主觀標尺見表5、表6。

圖5　腳部分別穿三種材質(zhì)襪子慢跑10 min狀態(tài)下的各部位平均溫度變化折線圖

數(shù)值含義0特別冷1比較冷2剛好3比較熱4特別熱

表6　濕感主評價標尺

表7和表8分別表示靜止30 min和慢跑10 min后腳部的熱感和濕感的主觀評價值。

表7　靜止30 min狀態(tài)下的熱感和濕感的主觀評價結(jié)果

表8　慢跑10 min狀態(tài)下的熱感和濕感的主觀評價結(jié)果

3.2分析與討論

根據(jù)實驗結(jié)果可看出：第一，腳部在靜止狀態(tài)下，五個區(qū)域的最高溫度溫差較大，最高溫度在腳背動脈處；而且相對于平均溫度來說，腳趾以及腳跟部位要低于腳底和腳背1～2℃(由表1、表2可得)。但是腳部在運動狀態(tài)下，五個區(qū)域的溫度基本上差不多，最高溫度在腳趾間；平均溫度來說，腳跟部分還是略低于腳掌、腳背、腳趾部分，但其他部分基本差不多(由表3、表4可得)。第二，在純棉、滌棉混紡、竹纖維這三種材質(zhì)的襪子中，棉的保暖性最好；竹纖維的透熱性能更好。具體分析如下：

由表1、表2及圖4可得出，在靜止狀態(tài)下，受試者穿著三種材質(zhì)襪子后的腳部溫度分布狀況，無論哪種都是腳背的溫度最高，而腳趾間和腳后跟的溫度最低。而且無論哪個區(qū)域都是純棉的溫度最高，而竹纖維的溫度最低。由此可得在靜止狀態(tài)下，棉的保溫性能更好；在運動狀態(tài)下，竹纖維的保暖性能最低。

由表3、表4及圖5 可得出，在慢跑10 min后，本來靜止狀態(tài)處于溫度最低的腳趾間的溫度由于關節(jié)摩擦等原因成了最高溫度，而其他幾個區(qū)域的溫度差別不是很大，而且腳后跟依然處于整個腳部的溫度最低。可以看出，三種材質(zhì)在該狀態(tài)下，五個區(qū)域都是竹纖維的溫度最低，因此可得竹纖維的透熱性能最好。

由表7、表8可以看出，在靜止狀態(tài)下，純棉襪子和滌棉混紡襪子的主觀熱感平均水平最高，與實驗結(jié)果一致，也說明了純棉襪子的保暖性能比較好。而在運動狀態(tài)下，竹纖維襪子給受試者帶來的主觀熱感和濕感水平最低，這也與實驗數(shù)據(jù)相符，竹纖維的透濕熱性能最好。

4　結(jié)論

從紅外熱成像儀測得試驗的足部溫度分布圖，結(jié)合主觀評價結(jié)果，可以為設計出更加符合人體腳部濕熱舒適性的襪子提供參考。從以上分析得出的結(jié)論是，純棉襪子的保暖性能最好，竹纖維襪子的透濕熱性能最好。運動狀態(tài)下：腳背和腳心的溫度很高，尤其腳心部位運動時濕感較明顯，所以腳背和腳心部位可以選擇透熱性好的竹纖維材質(zhì)；腳跟的溫度一直都很低，而且濕度不高，所以可以選擇保暖性更好一點的純棉材質(zhì)或耐磨性較好滌棉混紡；腳趾是運動狀態(tài)下最熱的部分，也是最濕的部分，所以在選擇材質(zhì)時既要考慮到透氣透熱性也要考慮到透濕性，所以就可以選擇竹纖維材質(zhì)。這種根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)設計出的不同材質(zhì)拼接的襪子，更加符合腳部濕熱分布不均狀況，使得人體穿著襪子更加舒適。

[1]王云儀，余慶文，馮家好，李俊，陳益松.新型再生纖維織物的熱濕耦合作用[J].紡織學報，2008，29(2)：37—45.

[2]陳益松，徐軍.紅外熱像用于服裝面料隔熱性能的評測[J].紡織學報2007，28(12)：81—83.

[3]董俠,徐衛(wèi)林，姚穆.紅外測溫儀在紡織上使用的條件及方法[J].西北紡織工學院學報，1997，11(3)：262—267.

[4]龔小舟，郭依倫，夏羽，張慶慶，邊偉波，彭長龍，趙仲，胡楨. 防彈衣舒適性能改善設計[J].防護裝備技術研究，2013，6 (3)：9—12.

[5]劉颯，李云紅，王延年.用紅外熱成像技術對碳纖維織物的熱傳導性進行評價[J].2010年全國科學儀器自主創(chuàng)新及應用技術研討會論文，2010，4(2)：84—87，91.

[6]吳宗凡.紅外熱像儀的原理和技術發(fā)展[J].光學及光電儀器, 1997(2)：28—43．

Thermal-wet Comfort of Socks Based on Infrared Thermal Imaging Technology

KeBaozhu，HuaHui，ChenXueya，HuangXinjie

(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Based on infrared thermal imaging device, the distributions of feet surface temperatures after rest/jogging under wearing cotton/blended/bamboo fiber socks were measured. And the subjective comfort questionnaire was designed, the hot and wet feeling of the feet after rest/jogging under wearing different material socks were assessed. Based on this research, the socks that suit for the unevenly distributed thermal-wet feeling of feet were designed.

infrared thermal imaging technology；socks；thermal-wet comfort

2015-07-21

市級大學生創(chuàng)新計劃項目(項目編號：cs1409003)

柯寶珠(1977- )，女，湖北黃石人，副教授。

TS941

A

1009-3028(2015)05-0001-05