仿人體出汗比例的Walter暖體假人皮膚制備

師云龍， 錢曉明， 梁肖肖， 張文歡， 鄧 輝， 王立晶， 范金土，2

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 康奈爾大學 人類生態(tài)學院， 紐約 14850)

暖體假人是一種從20世紀40年代逐步發(fā)展起來的生態(tài)學實驗器械，到目前已經歷了4代更新，最新一代暖體假人可模擬人體行走，攀爬等動作和出汗、呼吸等生理活動[1]。某些極端測試條件下不適合使用真人測試，同時由于個體差異的存在，真人測試的可重復性并不理想，因此暖體假人作為真人模擬器逐漸成為服裝工效學研究中常見的一種設備[2]。

Walter出汗暖體假人是一款典型的第4代暖體假人，優(yōu)勢在于可同時測算出服裝的熱阻與濕阻2個在服裝舒適性研究中極其重要的參數[3]。該假人全身出汗皮膚由具有相同透濕率的面料制成，即該假人全身各部位具有相同的出汗率，但是真實人體各部位的出汗率并不相同。為了使Walter出汗暖體假人實現(xiàn)人體出汗比例的目的，本文采用液體加成型硅膠，使用刮涂法制備出硅膠涂層，通過對涂層的透濕性能分析確定最佳涂層工藝，利用分形原理和硅膠涂層的熱阻，濕阻，確定涂層的最佳涂覆方式，并制備非均勻出汗皮膚；之后對Walter暖體假人裸態(tài)與著裝情況下采用2種出汗皮膚的整體熱阻與濕阻測量結果進行比較分析。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

加成型液體硅膠由東莞鴻風硅膠公司提供，由A、B 2種組分構成，將2種組分混合即可制得硅膠液。

Walter出汗暖體假人皮膚由天津戴米諾服裝公司提供的面料制成，面密度為190 g/m2。

1.2 實驗儀器

YG(B)216-Ⅱ型透濕箱(溫州大榮紡織儀器有限公司)，YG606G型紡織品熱阻濕阻測試儀(中國寧波紡織設備有限公司)，CP4202C型電子天平(上海奧豪斯有限公司)，DW-2型電動攪拌器(鞏義英峪高科儀器廠)，DZF-6020型真空干燥箱(鞏義市英峪高科儀器廠)。

1.3 硅膠涂層的制備

將液體加成型硅膠的A、B組分按照不同比例混合，攪拌10 min，混合均勻后置于真空干燥箱進行抽真空脫泡處理，脫泡完畢后使用刮輥將液體硅膠涂覆至皮膚面料內側，靜置于室溫2 h，硅膠固化后涂層制備完成。通過調節(jié)硅膠組分的配比和刮涂的厚度，制備了質量比為1∶1,1∶3,1∶5和1∶7，涂層厚度分別為0.15、0.3、0.5、1 mm的涂層樣品。

1.4 實驗方法

通過對不同厚度和不同硅膠組分配比制備得到的硅膠涂層布進行透濕測試，確定涂層工藝。采用此涂層工藝制備具有分形結構的涂層布塊，通過對比具有不同分形維數的涂層布塊的熱濕舒適性，確定最優(yōu)涂層方式。使用該涂層方式按照真實人體出汗分布對Walter暖體假人原始皮膚進行刮涂，制得非均勻出汗皮膚，并對2款皮膚進行實驗對比。

2 結果與討論

2.1 硅膠涂層工藝的確定

本文實驗采用YG(B)216-Ⅱ型透濕箱對硅膠樣品的透濕性能進行測試，依據GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發(fā)法》，設定箱內溫度為(40±0.5)℃，相對濕度為(50±5)%。根據不同質量配比和不同涂層厚度制得的硅膠涂層布的透濕性能如表1所示。

表1 不同質量配比和厚度的硅膠涂層透濕量Tab.1 Water vapor permeability of silicone coated samples of different mass ratios and thicknesses

由表1可知，在同一涂層厚度情況下，不同硅膠組分配比試樣的透濕量變異系數均在5%以下，即硅膠涂層的透濕量與不同硅膠組分的配比無顯著關系。在同一硅膠組分配比的條件下，隨涂層厚度的增加，樣品的透濕量均呈現(xiàn)增加的趨勢。這是因為經脫泡處理的硅膠液內仍存在少量空氣，在刮涂完畢等待固化的過程中，這部分空氣從硅膠層中析出，形成孔洞，隨硅膠層厚度的增加，孔洞的數量也在增多，直至形成允許水蒸氣透過的通路，從而增加了硅膠層的透濕量。在本文實驗中，硅膠層的作用是覆蓋一部分皮膚的面積，減少被覆蓋區(qū)域出汗量，以實現(xiàn)暖體假人皮膚的非均勻出汗，因此，硅膠涂層的透濕率應盡量小。故通過此透濕實驗確定了硅膠涂層的工藝參數為：液體硅膠的A、B 2種組分的質量配比1∶1，硅膠層厚度0.15 mm。

2.2 硅膠涂層的分形結構

通過確定的硅膠層涂覆工藝，本文實驗制備了3種具有分形結構的硅膠涂層布塊，如圖1所示。

圖1 硅膠塊在面料上分布的示意圖Fig.1 Distribution of silicone blocks on fabric. (a) 4 Silicone blocks; (b) 16 Silicone blocks; (c) 36 Silicone blocks

圖1中，邊長a為布塊整體邊長；b為硅膠塊邊長。3種涂覆方法的硅膠塊總面積均為該布塊總面積的50%?？煽吹剑@3種面料樣品均具有自相似結構，不同的自相似結構往往具有不同的分形維數，研究物體的分形維數有助于分析不同自相似結構物體的特殊性質。其分形維數為

Df=lgM/lgN

式中：M為某個試樣上硅膠塊的數量；N為布塊邊長與硅膠塊邊長之商。

圖1(a)中，布塊邊長為32 cm，硅膠塊邊長為11.314 cm，布塊邊長與硅膠塊邊長之比N為2.828，根據公式計算，圖1(a)中所示涂覆方法的分形維數為1.335。同理，圖1(b)所示涂覆方法的分形維數為1,599；圖1(c)所示涂覆方法的分形維數為1.675。

2.3 硅膠涂層的均勻性

本文實驗對布面進行硅膠涂覆采用手工刮輥進行涂覆，由于人為用力可能存在不均勻，因此需要對涂覆完成的硅膠布塊整體質量進行測量，以排除因硅膠涂覆質量不同帶來的后續(xù)試驗結果的不同。實驗采用電子天平進行測量。其中，涂有4塊硅膠塊的面料質量為49.51 g，涂有16塊硅膠塊的面料質量為50.83 g，涂有36塊硅膠塊的面料質量為46.83 g，3種試樣的變異系數為3.39%，處于合理誤差范圍之內，證明數據可信，說明在刮涂過程中不同試樣上涂覆的硅膠量接近，質量因素對后續(xù)試樣結果的影響可排除。

2.4 硅膠涂層布的熱濕舒適性

面料的熱阻(It)與濕阻(Re)是衡量面料熱濕舒適性最重要的2個指標[5]。本文實驗采用紡織品熱阻濕阻測試儀對3種具有分形結構的硅膠涂層布的熱阻與濕阻進行了測量，測試結果如表2所示。

表2 不同硅膠涂層樣品的熱濕舒適性Tab.2 It and Re of different silicone coated samples

由表2可知，隨硅膠塊數量的增多，樣品的熱阻與濕阻均呈現(xiàn)出增加的趨勢。熱阻的增加表明出經處理的面料的保暖能力得到提升，提高了面料的熱舒適性；同時濕阻的增加則降低了面料排濕的能力，降低了面料的濕舒適性，因此，在熱阻與濕阻均呈現(xiàn)上升趨勢的情況下，需在硅膠涂層面料的保暖性能與排濕性能之間取得平衡。根據ISO 9920—2007 《熱環(huán)境下的人體工效學：服裝整體熱阻與濕阻》的評估，日常穿著服裝的濕阻通常低于40 Pa·m2/W。濕阻過高時，面料內側不能及時擴散至服裝外環(huán)境的水汽會出現(xiàn)冷凝，導致服裝微環(huán)境的濕度增加，破壞服裝與人體的熱濕平衡，給穿著者悶熱的感覺，降低服裝的穿著舒適性。本文實驗中，涂有16塊硅膠的涂覆方法可滿足濕阻不高于40 Pa·m2/W同時熱阻盡量高的需求，因此將涂有16塊硅膠的涂覆方法確定為Walter出汗暖體假人非均勻皮膚的硅膠涂覆方法。

從表2中同樣可看出，隨硅膠塊數量的增多，單個硅膠塊的邊長隨之減少，同時，硅膠涂層的分形維數也在增加。前文確定的Walter出汗暖體假人非均勻出汗皮膚的最佳涂覆方法的分形維數為1.599，非常接近黃金分割數，1.618[6-7]。FAN[8]研究了羊毛的分型結構，發(fā)現(xiàn)羊毛的分形維數為1.595，非常接近黃金分割數。當羊毛的分形維數降低時，意味著羊毛趨向于實心而無法在高溫環(huán)境中提供足夠的散熱能力；同時當羊毛的分形維數升高時則意味著羊毛趨向于空心，羊則會因羊毛無法提供足夠的保暖能力而無法在低溫環(huán)境生存。在本文實驗中，硅膠涂層的分形維數理論上也有2個極端：0和2。當分形維數趨近于0時，意味著硅膠涂層不再具有分型結構，保暖能力不再有任何提升；當分形維數趨向于2時，說明在相同涂覆面積下，布面上的硅膠塊數量也趨向于無窮大，同時面料的濕阻也隨之增加，降低面料的濕舒適性。圖1(b)所示的涂覆方法既可提升面料部分熱舒適性，又可滿足濕舒適性的要求，其分型維數接近于黃金分割數，也再一次證明了黃金分割數在現(xiàn)實生活中具有的豐富內涵。

2.5 非均勻與均勻出汗皮膚的比較

Walter出汗暖體假人非均勻皮膚的設計參考了Weiner提出的相對出汗強度的定義[9]。其定義相對出汗強度為身體某一部位出汗占人體全部出汗量的比例與該身體部位面積占人體全部表面積的比例之比。人體各部位出汗量參考了Havenith提出的人體出汗分布圖[10]。本文實驗將Walter的皮膚分為6部分，各部位的相對出汗強度如表3所示。

在本文實驗中采用硅膠涂層的目的是隔絕出汗，在表1中可看出按照0.15 mm厚度進行涂層涂覆后硅膠涂層仍存在少量透濕量，但是在實際計算中，這部分透濕量是忽略不計的，也就是在后續(xù)計算時，按照硅膠涂層完全沒有出汗量進行計算。

表3 Walter不同部位的出汗量、表面積及相對出汗強度Tab.3 Amount of sweat, surface area and relative sweating intensity of weating of different parts of Walter

由表3可看出，背部相對出汗強度最高，為1.63。為了方便計算，本文實驗將背部相對出汗強度換算為1，其他部位的相對出汗強度則相應轉換為：胸部，0.43；腹部，0.44；大腿，0.26；小腿，0.42；手臂，0.36。以胸部為例，其相對出汗強度為0.43，則意味著相對于背部，胸部的出汗強度為背部的43%，因此，在非均勻出汗的暖體假人皮膚上，假人的胸部部位的出汗強度應減少57%。胸部部位按照之前確定的硅膠涂覆工藝和刮涂方法，應該有57%的面積涂覆硅膠層。同理，假人腹部涂覆硅膠的面積為66%；大腿部位涂覆硅膠的面積為74%；小腿部位涂覆硅膠的面積為58%，手臂部位涂覆硅膠的面積為64%。

使用此涂覆規(guī)則制得的Walter出汗暖體假人的非均勻出汗皮膚與原始均勻出汗皮膚分別對Walter的裸態(tài)和著裝狀態(tài)的整體熱阻與濕阻進行了測試。

暖體假人實驗在人工氣候室中進行，環(huán)境設定為溫度為(20±0.5)℃，相對濕度為(65±5)%，風速為(0.3±0.1)m/s。著裝測試前將整體服裝放置于氣候室內24 h進行調濕處理，測試時每次測量完畢都將服裝脫下再穿上，重復測試3次。服裝為普通工裝套裝，包含內衣，100%棉，205.21 g；長褲，100%棉，436.91 g；上裝，100%棉，421.42 g。暖體假人裸態(tài)與著裝狀態(tài)熱阻與濕阻的測量結果如表4、5所示。

表4 2種皮膚條件下的暖體假人裸態(tài)與著裝熱阻Tab.4 It of nude manikin and dressed manikin under two kinds of skin

由表4可看出，非均勻出汗皮膚裝備狀態(tài)下的測量結果與原始均勻出汗皮膚相比，熱阻值均有提高。跟ISTM標準規(guī)定，整體式暖體假人裸態(tài)熱阻值應在0.08～0.11 ℃·m2/W之間，因此，本文實驗制備的非均勻出汗皮膚符合標準要求，測試結果可信。QIAN[11]在2004年使用完全不出汗的假人與正常出汗的暖體假人進行對比測試，結果顯示2種狀態(tài)下的假人裸態(tài)熱阻值相差2%，這說明出汗量的變化對假人的干熱損失沒有影響。在本文實驗中，均勻出汗皮膚與非均勻出汗皮膚的干熱損失亦沒有明顯區(qū)別，在非均勻出汗皮膚的測試上出現(xiàn)了熱阻值高于均勻皮膚的原因是非均勻皮膚內側涂覆的硅膠層減少了皮膚的散熱能力，增加了熱阻，同時硅膠層的涂覆也阻止了部分水汽傳遞，較低的水汽蒸發(fā)減少了假人整體的濕熱損失，這點也可從2種皮膚測試過程中不同的出汗量反應出來。2種皮膚測試過程中的出汗量如圖2所示。

表5 2種皮膚的裸態(tài)與著裝濕阻Tab.5 Re of nude manikin and dressed manikin under two kinds of skin

圖2 不同狀態(tài)的暖體假人使用不同皮膚的出汗量Fig.2 Sweat amount of two kinds of skin of Walter under different states

由圖2可知，在裸態(tài)和著裝狀態(tài)下，非均勻出汗皮膚的出汗量均低于均勻出汗皮膚，這顯然是因為非均勻出汗皮膚上涂覆的硅膠層阻礙了水蒸氣的蒸發(fā)導致，這也驗證了涂覆了硅膠的皮膚可實現(xiàn)暖體假人Walter的非均勻出汗。

由表5可知，在使用非均勻出汗皮膚的情況下，Walter暖體假人的裸態(tài)濕阻和著裝狀態(tài)濕阻均高于使用均勻出汗皮膚的狀況。這種現(xiàn)象也與圖2所示2種皮膚的出汗量變化有關。

根據濕阻的計算方法，出汗量的變化會極大改變假人的濕熱損失，而濕熱損失是影響濕阻計算的一個重要變量。從圖2可看出，均勻出汗皮膚的出汗量均大于非均勻出汗皮膚，因此相同測試條件下，非均勻出汗皮膚情況下的濕熱損失均低于均勻出汗皮膚，導致裸態(tài)和著裝狀態(tài)下的濕阻結果均大于均勻出汗皮膚。

3 結 論

1)采用不同組分配比制備的硅膠涂層透濕性能沒有顯著差異，硅膠涂層的厚度是決定其透濕率的關鍵因素，增加涂層厚度會增加涂層的透濕率，在本文實驗中選擇了0.15 mm作為涂層厚度。

2)具有不同分形維數的硅膠涂層在相同涂覆面積的前提下具有不同的熱濕性能，分形維數越大，涂層布的熱阻和濕阻都會增加。具有最接近黃金分割數的分形維數的涂覆方式可使硅膠涂層具有最佳熱濕性能。

3)利用0.15 mm厚度和涂覆16塊硅膠的方式制成的Walter出汗暖體假人非均勻出汗皮膚的裸態(tài)和著裝狀態(tài)的熱阻與濕阻測量結果均大于原始均勻出汗皮膚。熱阻增加的原因是硅膠涂層的存在降低了皮膚的散熱能力；而濕阻增加的原因則是因為硅膠層降低了假人整體的濕熱損失。

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