王革輝 潘文琦

摘 要：提出利用蒸發(fā)冷凝法模擬皮膚出汗，通過控制蒸發(fā)冷凝時間來控制“出汗量”。研究發(fā)現(xiàn)，在一定蒸發(fā)冷凝時間范圍內(nèi)，模擬皮膚上的“出汗量”隨蒸發(fā)冷凝時間的增加而線性增加；當(dāng)水浴溫度為70℃時，模擬皮膚的“出汗量”（g）與蒸發(fā)冷凝時間（min）之間的定量關(guān)系為：y=0.08+0.09*x；與噴水法相比，采用蒸發(fā)冷凝法得到的“出汗量”更穩(wěn)定，操作更簡便，且模擬皮膚出汗更均勻。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷凝法；模擬皮膚；出汗量

中圖分類號：TS941.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674-2346（2018）03-0019-06

1 前言

服裝的熱濕舒適性對于夏季服裝和貼身服裝，以及田徑、球類等的訓(xùn)練服和比賽服而言是非常重要的。人體產(chǎn)生的熱量和水分的散失是通過服裝材料和衣下空氣層（服裝與皮膚的間隙）進(jìn)行的。在夏季或人體活動水平較高時，如果人體產(chǎn)生的熱量不能及時散失就會導(dǎo)致人體非感知出汗的增加或出顯汗，這時，有些服裝面料更容易粘貼皮膚，使得服裝與皮膚的間隙降低或消失，從而明顯地阻礙熱量和濕氣的散失，造成因服裝產(chǎn)生的悶熱感，從而顯著降低服裝的熱濕舒適性。[1-3]同時，服裝面料粘貼皮膚會增大服裝面料與皮膚間的摩擦力，阻礙人體的運動，顯著降低服裝的運動舒適性。

人們對服裝和織物的熱濕舒適性已進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于因皮膚出汗而導(dǎo)致服裝面料粘貼皮膚或織物與出汗皮膚間的摩擦力的研究很少。Gwosdow等人[4]從織物觸感舒適性的角度較早研究了在環(huán)境溫濕度從適中（舒適的）、干熱、濕熱和回到適中的變化過程中，精紡毛織物、起絨棉布、棉布、絲綢、亞麻布和粗麻布6種織物與前臂皮膚間的摩擦力的變化，發(fā)現(xiàn)織物與前臂皮膚之間的摩擦力與前臂皮膚的潤濕程度成正相關(guān)關(guān)系，皮膚表面的水分增大了織物與皮膚間的摩擦力，導(dǎo)致織物粗糙感的增加和在熱環(huán)境中服裝穿著滿意度的降低。Kenins[5]在20℃、50%RH環(huán)境下，將7種羊毛機(jī)織物分別與干濕狀態(tài)的手指肚、前臂皮膚間的摩擦力進(jìn)行了測試研究，發(fā)現(xiàn)：潤濕皮膚后羊毛機(jī)織物與前臂皮膚間的摩擦力激劇地增大了，而與手指肚間的摩擦力影響不大。因此認(rèn)為基于手感的穿著舒適性的預(yù)測可能不可靠。Kenins[5]還分別在20℃、10%RH和20℃、90%RH 兩種環(huán)境下，將2種滌綸織物、3種毛織物、1種棉織物和1種絲織物與前臂皮膚間的摩擦力進(jìn)行了測試研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度的增大在一定程度上增大了織物與皮膚間的摩擦力，但增大的程度遠(yuǎn)不及潤濕皮膚時增大的程度。王旭[6]通過將織物浸濕再懸掛晾置到不同的含水率后測試不同潤濕程度的織物與前臂膚間的摩擦力，發(fā)現(xiàn)濕態(tài)條件下織物和皮膚間的摩擦力約為干態(tài)條件下的3倍；織造密度較大，紗線較細(xì)，布面細(xì)膩光潔的織物與皮膚間的摩擦力普遍較大。Gerhardt等人[7]采用三軸石英力板測試了1種醫(yī)用織物與11名女性、11名男性前臂皮膚間的摩擦力，發(fā)現(xiàn)完全潤濕織物與皮膚間的摩擦系數(shù)是干態(tài)織物的2倍以上，而且女性皮膚的摩擦系數(shù)對水分更敏感，當(dāng)皮膚含水量從非常干燥變到正常濕潤時，女性前臂皮膚的摩擦系數(shù)增大43%，男性前臂皮膚的摩擦系數(shù)增大26%。張宇軒等人[8]從摩擦對人體皮膚損傷的角度，采用UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨損測試儀（Bruker公司，美國）研究了5種迷彩服面料與干濕狀態(tài)的前臂外側(cè)皮膚的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)在法向載荷為1N時，織物與濕態(tài)皮膚的摩擦系數(shù)均高于織物與干態(tài)皮膚的摩擦系數(shù)；當(dāng)法向載荷增加到5N時，皮膚的干濕狀態(tài)對織物與皮膚的摩擦系數(shù)無明顯影響。

上述關(guān)于織物和皮膚間摩擦的研究都是在對織物施加一定正壓力條件下進(jìn)行的，與人體出汗時服裝織物與皮膚的接觸狀態(tài)有一定的差異，而且沒有深入探討皮膚出汗量的大小對織物與皮膚間的摩擦力的影響。郝晴晴和王革輝[9]通過搭建輔助裝置和在硅橡膠模擬皮膚上噴水的方式，利用Instron萬能試驗機(jī)對純棉細(xì)布、亞麻細(xì)布、棉緞、滌綸喬其紗和真絲雙縐5種機(jī)織面料與不同“出汗量”的模擬皮膚間的摩擦力進(jìn)行了測試研究，發(fā)現(xiàn)不同織物與“出汗皮膚”間的摩擦力達(dá)到最大值時的“出汗量”是不同的。郝晴晴[10]探討了用微小噴壺給模擬皮膚噴水模擬出汗的問題，制定了嚴(yán)格的“模擬皮膚出汗”操作說明。雖然通過反復(fù)練習(xí)和規(guī)范操作，可以得到“汗滴”分布比較均勻、“汗量”比較穩(wěn)定的“出汗?fàn)顟B(tài)”，但這樣的結(jié)果會因目標(biāo)出汗量、操作者或小噴壺的改變而發(fā)生變化，不能簡單復(fù)制應(yīng)用。

為了進(jìn)一步研究織物與出汗皮膚間摩擦力的變化規(guī)律，開發(fā)適合于不同穿著環(huán)境和人體活動水平的舒適型服裝面料，有必要開發(fā)相應(yīng)的測試儀器，本研究旨在探討一種能方便而穩(wěn)定地得到所需的模擬皮膚“出汗量”的方法，為開發(fā)織物與出汗皮膚間摩擦力的測試儀器做準(zhǔn)備。

2 實驗部分

預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，通過控制蒸發(fā)冷凝時間和水浴溫度可以獲得不同“出汗量”，但若獲得較大“出汗量”，需較高水浴溫度來實現(xiàn)，考慮到模擬皮膚和PET板的耐熱性，以及加熱板控制較高水浴溫度的不穩(wěn)定性，本研究在70℃水浴溫度下，僅控制蒸發(fā)冷凝時間獲得不同“出汗量”。此外，模擬皮膚“出汗”后，用毛巾輕輕地把“汗水”吸干，模擬皮膚可以重復(fù)使用，對“出汗量”沒有明顯影響。

2.1 模擬皮膚的“出汗”原理

蒸發(fā)是在液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象。冷凝是氣體或液體遇冷而凝結(jié)。本研究利用較高溫度的水蒸發(fā)形成的水蒸氣在溫度較低的模擬皮膚表面冷凝成水來模擬人體皮膚出汗。水溫和蒸發(fā)時間是影響單位面積水面蒸發(fā)水量的主要因素，通過嚴(yán)格控制水溫的穩(wěn)定和蒸發(fā)時間可以控制蒸發(fā)的水量。由水蒸發(fā)形成的水蒸氣遇到溫度較低的模擬皮膚會凝結(jié)成水。我們假設(shè)，在一定的范圍內(nèi)，凝結(jié)水的量可以通過水的蒸發(fā)量來控制。

2.2 模擬皮膚

本研究的模擬皮膚采用自制的加成型室溫硫化硅橡膠，如圖1所示。其厚度為1.5mm，邵氏硬度為5度，摩擦系數(shù)為0.237，彈性模量為1.06MPa，抗拉強(qiáng)度為2.84MPa，在人體皮膚的摩擦系數(shù)0.12～0.7、彈性模量0.02～100MPa和抗拉強(qiáng)度2.5～16MPa的變化范圍內(nèi)[11]，可以比較好地替代人體皮膚進(jìn)行織物與皮膚間的摩擦力測試。

2.3 模擬皮膚“出汗”裝置

模擬皮膚“出汗”裝置見圖2，自下而上依次是不銹鋼可調(diào)數(shù)顯恒溫控電加熱板、長方容器、PET板和模擬皮膚組成。加熱板主要控制容器中水浴溫度保持恒定，預(yù)先對加熱板進(jìn)行調(diào)試，加熱板調(diào)至135℃，可保證長方容器中的水浴溫度保持在70℃范圍內(nèi)。PET板的作用，一是支撐、保持模擬皮膚平整，二是避免水蒸氣散失。PET板中間位置切割出1個16cmcm的長方形缺口（圖3），使水蒸氣能達(dá)到模擬皮膚表面凝結(jié)成水，模擬皮膚出汗。

2.4 輔助器材

溫度計：普通水銀溫度計，測溫范圍0-100℃，精度為℃，用于檢測水浴溫度。

電子天平：型號為JA5003N，精度為0.001g。

秒表：型號為HS-70W，精度為秒，用于顯示蒸發(fā)冷凝的時間。

密封袋：尺寸為10cm0cm，用于存放出汗的模擬皮膚，避免“汗水”散失。

毛巾或吸水紙：不掉毛的毛巾或柔韌的吸水紙，用于吸干模擬皮膚上的“汗水”。

2.5 實驗環(huán)境

溫度20℃，相對濕度65%的恒溫恒濕環(huán)境。

2.6 模擬出汗量的測量

1）將10cm0cm大小的模擬皮膚和1個新密封袋一起稱重，記為M0，以備用。

2）在圖2的長方容器中加水至距容器口1.5cm水位線，設(shè)定好可調(diào)數(shù)顯恒溫控電加熱板的溫度，并開始加熱，使水浴溫度恒定在70℃。

3）罩上PET板，然后在長方形缺口上覆蓋模擬皮膚。

4）用秒表計時，間隔20s時，雙手捏住模擬皮膚的4個角，小心并迅速向上翻轉(zhuǎn)，將附著均勻水珠的模擬皮膚對折放入密封袋中，整個翻轉(zhuǎn)過程需避免模擬皮膚上附著水珠的滑落，將裝有“出汗”模擬皮膚的密封袋進(jìn)行稱重，記為M1，由M1-M0得到模擬皮膚的“出汗量”。

5）從密封袋中取出模擬皮膚，用不掉毛的毛巾將模擬皮膚表面水分輕輕吸干，以備后續(xù)使用。

在整個研究過程中使用同一塊模擬皮膚，通過更換吸水毛巾或吸水紙，保證模擬皮膚在出汗前稱重時是干燥的。

重復(fù)上述步驟共10次，記錄10個“出汗量”數(shù)據(jù)，取其均值，作為蒸發(fā)冷凝時間為20s時的“出汗量”。依次類推，進(jìn)行蒸發(fā)冷凝時間為1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min、5min的9組模擬皮膚出汗實驗。每組得到10個 “出汗量”數(shù)據(jù)，取其均值作為該組的“出汗量”。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

不同蒸發(fā)冷凝時間對應(yīng)的“出汗量”結(jié)果見表1。

因為PET板缺口尺寸為16cmcm，即模擬皮膚的出汗面積為16cmcm，所以，結(jié)合表1可以計算得到單位面積模擬皮膚的“出汗量”，結(jié)果見表2。

3.2 分析討論

3.2.1 “出汗量”大小的控制

由表1和表2實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水浴溫度保持不變的情況下，模擬皮膚的“出汗量”隨蒸發(fā)冷凝時間的增加而增加。結(jié)合前述出汗原理可知，“出汗量”應(yīng)隨蒸發(fā)冷凝時間呈線性增加的，下面進(jìn)行驗證。

采用SPSS軟件對實驗結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如圖4，表3和表4。

由表3可見，R方=0.988，接近于1，表明擬合優(yōu)度很高，不被解釋的變量很少。表4中，回歸方程顯著性檢驗的概率為0，小于顯著性水平0.05，認(rèn)為蒸發(fā)冷凝時間和“出汗量”間的線性關(guān)系是顯著的，可建立線性方程，得到的“出汗量”y（g）與蒸發(fā)冷凝時間x（min）之間的關(guān)系式為：y=0.08+0.09*x。

對上述回歸模型進(jìn)行適用度檢驗，結(jié)果如圖5。

從圖5標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖來看，左右兩側(cè)不完全對稱，略呈左偏，有一定瑕疵；從標(biāo)準(zhǔn)化殘差的P-P圖來看，散點基本呈直線趨勢，可認(rèn)為殘差服從正態(tài)分布。此外，表3的Durbin-Watson檢驗中，DW=1.666恰好在無自相關(guān)性的值域中，認(rèn)為殘差獨立，通過檢驗。

由線性回歸模型可知，通過控制蒸發(fā)冷凝時間可得到不同的“出汗量”，且在水浴溫度恒定條件下，一定蒸發(fā)冷凝時間范圍內(nèi)，隨著蒸發(fā)冷凝時間的增加，出汗量線性增加。

3.2.2 “出汗量”的穩(wěn)定性分析

由表1的數(shù)據(jù)，可以分別計算得到各蒸發(fā)冷凝時間下測得的“出汗量”的變異系數(shù)，見表5。

由表5可知，通過蒸發(fā)冷凝法控制不同蒸發(fā)冷凝時間得到的“出汗量”，其變異系數(shù)在1.65%～5.91%之間，小于郝晴晴采用噴水法的“出汗量”變異系數(shù)[10]，說明蒸發(fā)冷凝法模擬皮膚出汗的“出汗量”更穩(wěn)定。

3.2.3 模擬皮膚的“汗滴”分布

圖6和圖7分別為蒸發(fā)冷凝法和噴水法模擬皮膚“出汗”的汗滴分布照片。

由圖6可見，蒸發(fā)冷凝法模擬皮膚出汗面積內(nèi)“汗滴”分布均勻密集，大小一致。圖7顯示，噴水法皮膚出汗面積內(nèi)“汗滴”分布雖然也比較均勻，但“汗滴”的大小和分布都不及前者均勻。

此外，模擬皮膚因具有一定附著性，在一定蒸發(fā)冷凝時間（5min）內(nèi)，實驗過 圖6 蒸發(fā)冷凝法模擬皮膚“汗滴”分布程中將附著均勻水珠的模擬皮膚向上翻轉(zhuǎn)，水珠不會滑落，因此可以模擬人體皮膚較大出汗量的情形。

4 結(jié)論

通過以上研究可得如下結(jié)論：

1）在恒定水浴溫度下，通過嚴(yán)格控制蒸發(fā)冷凝時間，可有效穩(wěn)定地得到不同目標(biāo)“出汗量”。

2）當(dāng)水浴溫度為70℃時，模擬皮膚的“出汗量”y（g）與蒸發(fā)冷凝時間x（min）之間的定量關(guān)系為：y=0.08+0.09*x。

3）利用蒸發(fā)冷凝法模擬皮膚出汗，實驗者僅需嚴(yán)格控制蒸發(fā)冷凝時間即可獲得穩(wěn)定可控的“出汗量”，其操作簡單容易實現(xiàn)，而且穩(wěn)定性好。

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