人體腳部著鞋襪條件下熱濕舒適性測試

滿向東, 閆西寧

(1.武警后勤裝備研究所,北京 102613;2.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院,陜西 西安 710048)

人體腳部是人體承重和活動的重要器官,對腳部的保護(hù)措施一直是人們研究的重要方面,鞋靴和襪子是人體保護(hù)腳部的關(guān)鍵要素.人類著裝鞋襪的目的主要有兩個:一是當(dāng)腳部在與地面或堅硬物體接觸時具有良好的力學(xué)舒適性能,二是保護(hù)腳部在不同溫濕度環(huán)境時具有良好的熱濕舒適性,因此著裝鞋襪條件下腳部熱濕舒適性研究是鞋靴和襪子設(shè)計的重要前提和組成部分.

熱濕舒適性的研究始于20世紀(jì)60年代,姚穆等[1]建立了環(huán)境——服裝——人體之間的熱濕舒適性模型.在鞋襪熱濕舒適性研究方面,Langmaier F[2]測試獲得了腳部皮膚表面舒適溫度模型,并研究了不同的鞋幫材料在鞋內(nèi)產(chǎn)生的相對濕度和溫度的關(guān)系.王妮[3-5]對軍用鞋材的吸濕放濕性能進(jìn)行了對比研究.梁高勇等[6-8]從重量、穩(wěn)定性、合腳性、鞋底的彈性與緩沖性、鞋底的防滑性、鞋幫的透氣透濕性、防污性、抗菌性等多個方面測試分析鞋的穿著舒適性.此外還有許多研究開發(fā)出各種鞋材和進(jìn)行鞋靴結(jié)構(gòu)設(shè)計來改善鞋靴穿著的熱濕舒適性[9-11].

本文搭建動態(tài)的溫度和濕度測試系統(tǒng),通過測試人體運(yùn)動過程中環(huán)境——鞋襪——腳部系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù),對人體腳部在著鞋襪條件下進(jìn)行熱濕舒適性評價.

1 實 驗

1.1 儀器

測試系統(tǒng)主要由微氣候室、運(yùn)動系統(tǒng)(包括運(yùn)動平臺和受試人員)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成.微氣候室的構(gòu)成為面積15m2的室內(nèi)空間,可進(jìn)行溫度和濕度調(diào)控,其中調(diào)溫精度±1℃,調(diào)濕精度±5%,空氣流速0.3m/s.運(yùn)動系統(tǒng)由運(yùn)動平臺Tempo T921電動跑步設(shè)備,受試人員的運(yùn)動速度調(diào)控范圍:1.5～13Km/h.數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括2個濕度傳感數(shù)據(jù)記錄儀器(RH1和RH2),量程為0～100%,測試精度±4.5%,測溫精度±0.5℃;6個表面熱電偶(T1,T2,T3,T4,T5,T6),量程為-200℃～300℃,響應(yīng)時間1ms;2個溫濕度變送器以及補(bǔ)償導(dǎo)線、數(shù)據(jù)記錄儀、計算機(jī)、直流電源等,數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示.

1.2 材料和受試人員

材料選用布面橡膠底的運(yùn)動鞋和尼龍襪、漢麻襪、棉襪等,其中3種襪子的面密度為15g,漢麻襪為棉/漢麻混紡紗制成,漢麻含量為25%.

圖1 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

選擇4名男性為受試人員,其基本參數(shù)見表1.

表1 受試人員基本參數(shù)

1.3 測試方案和指標(biāo)

(1) 環(huán)境條件確定 根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)所提供的我國各省5月～7月的累年月平均氣溫在20℃～30℃之間,累年月平均相對濕度在50%～90%之間.將溫度分別設(shè)定在20℃,25℃,30℃,相對濕度設(shè)定為70%.

(2) 活動狀態(tài)、運(yùn)動量的確定 測試過程分3個階段.第一階段按規(guī)定穿好鞋襪后靜坐30min(模擬日常生活和辦公狀態(tài)),第二階段以5Km/h步行或9Km/h跑步(模擬運(yùn)動或體能訓(xùn)練狀態(tài)),第三階段靜坐休息.

(3) 測試方法 分別將濕度傳感器RH1和溫度傳感器T1固定于腳底第一根腳趾與第二根腳趾之間;濕度傳感器RH2和溫度傳感器T2在腳心;溫度傳感器T3在腳底第5根腳趾根部與腳掌連接處;溫度傳感器T4在第2,4根腳趾之間正上方處;溫度傳感器T5在腳背中心處;溫度傳感器T6在腳后跟內(nèi)側(cè)處.所有傳感器均固定于襪子的外表面.

(4) 測試指標(biāo) 根據(jù)熱濕舒適性研究,人體熱濕舒適性的表征指標(biāo)眾多,但從人體生理特征角度來講,采用皮膚表面微氣候區(qū)中的溫度和相對濕度進(jìn)行表征則更為直接和方便.文中分別采用腳部各測試點的起始相對濕度和溫度,測試過程中相對濕度和溫度從開始上升至最大值的增量斜率以及從最大值下降至平衡時的減量斜率進(jìn)行度量和分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 一次運(yùn)動鞋內(nèi)溫濕度變化規(guī)律

圖2為4名男性分別穿棉/漢麻混紡襪和運(yùn)動鞋,在靜止30min、步行30min,之后再靜止休息180min時鞋內(nèi)各測試點實時監(jiān)測的平均結(jié)果.可以看出,鞋內(nèi)人腳各部分的濕度和溫度隨著時間以及運(yùn)動狀態(tài)的不同而變化.在測試時間內(nèi),鞋內(nèi)各部位的相對濕度隨著時間和運(yùn)動量的增加而增大,最終達(dá)到飽和狀態(tài).對于腳部各測試點的溫度值來講,呈現(xiàn)出各階段不同規(guī)律的表現(xiàn).在剛穿著鞋的靜止階段,各測試點的溫度有一個較為緩慢的增大；在步行階段,各測試點的溫度出現(xiàn)快速升溫；停止運(yùn)動休息時,各測試點溫度值則下降.從各測試點濕度和溫度的變化情況來看,各測試點濕度、溫度的變化規(guī)律基本相同,均表現(xiàn)出指數(shù)上升規(guī)律,但具體變化量值有所不同.對于腳部各溫度測試點的溫度值來講,各點的起始溫度差異較大,具體表現(xiàn)為腳中部溫度值較高,腳趾和腳跟部位的溫度值相對較低;但運(yùn)動后,腳各部的溫度均有上升,各部位的溫差變小,接近體表溫度35℃左右;停止運(yùn)動后,腳各部的溫度下降,恢復(fù)到初始狀態(tài).對于相對濕度測試值來講,腳心處的相對濕度明顯高于腳趾處的相對濕度,并且腳心處的濕度在運(yùn)動開始后很快達(dá)到100%,而腳趾處的濕度開始30min后上升較快,但在步行開始后,其濕度上升較慢,這主要是在腳心處的汗腺分布密度較大,出汗量較多的緣故.

2.2 多次運(yùn)動鞋內(nèi)溫濕度變化規(guī)律

圖3為在25℃,70%相對濕度環(huán)境條件下,240min內(nèi)完成2次循環(huán)運(yùn)動條件下鞋內(nèi)溫濕度變化規(guī)律.從圖3中可以看出鞋內(nèi)相對濕度和溫度的變化規(guī)律有所不同.在第一次運(yùn)動過程中,鞋內(nèi)各測試點的相對濕度上升,達(dá)到或接近飽和狀態(tài),之后在飽和狀態(tài)下穩(wěn)定維持較長時間不變.對于各測試點的溫度來講,隨著運(yùn)動開始,腳溫度上升,休息過程,則溫度下降,在多次運(yùn)動過程中,表現(xiàn)為上升—下降波動變化規(guī)律.

圖2 不同運(yùn)動狀態(tài)下鞋內(nèi)溫濕度變化曲線 圖3 2次循環(huán)運(yùn)動下鞋內(nèi)溫濕度變化曲線

表2 腳部各測試點相對濕度的增量斜率

2.3 不同材料襪子對鞋內(nèi)溫濕度變化規(guī)律的影響

在20℃,25℃,30℃,70%相對濕度的環(huán)境條件下,分別穿著漢麻/棉混紡襪、純棉襪、尼龍襪進(jìn)行測試,采用運(yùn)動過程中腳部各測試點相對濕度的增量斜率表征相對濕度變化速率情況,測試計算結(jié)果如表2所示.采用運(yùn)動過程中腳部各測試點溫度上升曲線的斜率(即增量斜率)表征腳部溫升變化速率和休息過程中腳部各測試點溫度下降曲線的斜率(即減量斜率)表征腳部散熱變化速率情況,測試計算結(jié)果如表3～4所示.

表3 腳部各測試點溫度的增量斜率

注:由于T3測頭損壞,故沒有相應(yīng)的測試數(shù)據(jù).

表4 腳部各測試點溫度的減量斜率

注:由于T3測頭損壞,故沒有相應(yīng)的測試數(shù)據(jù).

表2測試數(shù)據(jù)表明,穿著不同纖維材料襪子對鞋內(nèi)腳部熱濕舒適性存在一定程度的影響.穿著纖維素纖維襪子人體腳部相對濕度上升較慢,特別在高溫時,漢麻/棉纖維混紡襪子對緩和腳部濕度上升具有較為明顯的效果,這與纖維素纖維具有較好的吸濕性能,從而緩和鞋內(nèi)濕度增加的速率有關(guān).從表3測試數(shù)據(jù)可以看出,運(yùn)動時穿著不同材質(zhì)的襪子對腳部的溫升影響不大.但從表4測試數(shù)據(jù)可以看出,運(yùn)動后休息時,腳部的降溫速率有所不同,特別在高溫時,尼龍襪的腳部降溫速率明顯大于纖維素襪子.

3 結(jié) 論

(1) 所研制的人體腳部熱濕舒適性測試裝置能夠滿足人體在靜止、運(yùn)動條件下的相關(guān)舒適性能的測試和評價.

(2) 人體在穿著鞋襪后,無論是休息靜止還是運(yùn)動,鞋內(nèi)腳部的相對濕度和溫度均會變化,達(dá)到一個新的平衡狀態(tài);相對濕度和溫度的變化規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律特征.

(3) 穿著不同纖維材料襪子對鞋內(nèi)腳部的熱濕舒適性有一定影響.相對于化纖襪子，纖維素纖維襪子具有較好的濕度緩和作用.

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