基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的內(nèi)衣服裝接觸冷暖感影響研究

韋玉輝，吳建川，蘇兆偉

（1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 達(dá)利女裝學(xué)院，浙江 杭州 310018）

關(guān)鍵字：內(nèi)衣服裝；接觸冷暖感；計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬；指尖冷暖感模型；服用性能

眾所周知，織物接觸冷暖感是指織物與人體皮膚接觸時(shí)，因二者之間的溫度差異而導(dǎo)致的兩者間熱量傳遞，進(jìn)而在人腦中所產(chǎn)生的冷暖判斷[1-3]。而內(nèi)衣屬于一種緊貼皮膚穿著的服裝，被譽(yù)為“人體的第二肌膚”，故其穿著時(shí)的接觸冷暖感是內(nèi)衣穿著舒適性的重要指標(biāo)之一[4，5]。然而，不并的是，目前關(guān)于純棉內(nèi)衣的研究主要集中在內(nèi)衣的結(jié)構(gòu)、染色牢度、圖案花型、吸濕透氣等性能，而關(guān)于內(nèi)衣服裝接觸冷暖感的研究相對(duì)較少[6-8]。殊不知，接觸冷暖感才是制約消費(fèi)者是否購(gòu)買其產(chǎn)品的重要決策因素之一[6，9]。同時(shí)，目前關(guān)于織物冷暖感的評(píng)價(jià)主要借助KES-F7測(cè)得的最大熱通量和主觀量表評(píng)價(jià)法來進(jìn)行織物接觸冷暖感的評(píng)價(jià)，然而這些評(píng)測(cè)方法均屬于用某些物理指標(biāo)間接反映織物與皮膚觸碰時(shí)的冷暖感，幵沒有直接給出織物接觸時(shí)的冷暖感數(shù)值[7，10，11]。因此，本文以張衛(wèi)剛等人[7]提出的模擬手指指尖觸摸織物過程的指尖冷暖感數(shù)值模型為內(nèi)衣服裝接觸冷暖感的評(píng)價(jià)分析方法，幵以目前市場(chǎng)上常用的四種內(nèi)衣面料作為試驗(yàn)樣品，借助UT235多路溫濕度計(jì)，幵結(jié)合織物接觸冷暖感客觀評(píng)價(jià)——計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法，系統(tǒng)探討纖維種類、經(jīng)緯密、織物厚度、織物的初始溫度（模擬不同穿著季節(jié)）、含水率（模擬汗液吸附量）等對(duì)其冷暖感的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，以期能為提高內(nèi)衣服裝的穿著接觸舒適感提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為探究織物特性對(duì)內(nèi)衣服裝接觸冷暖感的影響，本文共采用10種市場(chǎng)上常用的內(nèi)衣面料作為實(shí)驗(yàn)樣品，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。另外，必須指出：為消除織物本身溫度帶來的誤差，所有的實(shí)驗(yàn)樣品在進(jìn)行測(cè)試前，均在恒濕恒溫室（20±2℃，濕度為 RH65±5%）調(diào)濕8h，確?？椢飿悠返臏囟纫约皾穸然九c環(huán)境溫度等同，調(diào)溫調(diào)濕后，使織物樣品溫度基本都為20℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為探究影響內(nèi)衣服裝穿著接觸冷暖感的影響因素，本文采用電子天平、厚度儀、電子顯微鏡、UT321系列的數(shù)字溫度儀、秒表、Y8028烘箱等設(shè)備，詳細(xì)的設(shè)備及用途說明如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品規(guī)格參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及功能一覽表

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

織物接觸冷暖感測(cè)試：采用主觀量表評(píng)價(jià)方法和客觀的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法。具體測(cè)試過程及受試者要求如下：

主觀測(cè)試：采用8位年齡在20歲左右且身體健康的在校大學(xué)生（四男四女）作為受試者，進(jìn)行織物接觸冷暖感詢問的方法。具體測(cè)試過程：首先，讓受試者在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室靜坐 10分鐘左右，確保其體溫、心跳等均維持在正常范圍內(nèi)，讓其觸摸織物，幵詢問其接觸織物瞬間的感受，讓其依據(jù)冷暖感量表給出冷暖感數(shù)值（如表3所示）[7]，幵記錄下其結(jié)果，完成主觀測(cè)試。

圖1 織物冷暖感測(cè)試示意圖

客觀測(cè)試：將織物放置在辦公桌上，受試者用右手食指指腹快速輕輕按壓織物。采用測(cè)溫儀實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸中心處的手指皮膚溫度與織物底面的溫度（測(cè)試示意圖如圖1所示），再依據(jù)公式1完成其冷暖值客觀評(píng)價(jià)。

表3 織物接觸冷暖感主觀評(píng)價(jià)量表

式中，Tskin是手指指尖的皮膚溫度，C1，C2，K1是系數(shù)，其取值如表4所示：

表4 各系數(shù)取值一覽表

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文引用的張衛(wèi)剛等人建立的指尖接觸冷暖感模型是否合理正確，本文首先選擇了四種常見內(nèi)衣面料進(jìn)行冷暖感的數(shù)值模擬和主觀量表評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)比。

表5和圖2分別為四種織物（1#、2#、3#、4#）的主客觀冷暖感結(jié)果。通過觀察表5和圖2可知，四種織物采用主觀量表得到的接觸瞬間冷暖感數(shù)值從高到低依次為 2#、3#、1#、4#，其冷感從強(qiáng)到弱依次為2#、3#、1#、4#。這與四種織物采用指尖模型計(jì)算得到的冷暖感結(jié)果一致，而且主觀評(píng)價(jià)的四種織物在初始溫度20℃的條件下，其冷暖感區(qū)間均在涼爽和涼之間，與模擬結(jié)果的區(qū)間相同。這說明張衛(wèi)剛等人建立的指尖接觸冷暖感模型是適用于內(nèi)衣服裝的冷暖感評(píng)價(jià)，故后面的研究均是依據(jù)此方法進(jìn)行的。

圖2 織物冷暖感的計(jì)算機(jī)模擬值

表5 織物冷暖感主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 纖維種類

圖2為組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯密、厚度基本相同，纖維成分不同的四種織物（1#、2#、3#、4#），在織物初始溫度為 20℃時(shí)的織物接觸瞬間冷暖感的模擬結(jié)果。由圖2可知，1#-4#面料的冷感強(qiáng)度從高到低依次2#＞3#＞1#＞4#，這是因?yàn)檠蛎w維的導(dǎo)熱系數(shù)＜棉纖維的導(dǎo)熱系數(shù)＜麻纖維的導(dǎo)熱系數(shù)＜蠶絲纖維的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)越大，織物與皮膚接觸時(shí)，其織物傳遞熱量的能力越強(qiáng)，纖維間傳遞的熱量越多，故織物接觸瞬間的冷感越強(qiáng)[6，10]。這也從一定程度上證明了冬季服裝一般選擇羊毛纖維而夏季服裝則多選擇蠶絲和麻纖維組成織物的合理性。

3.2 織物經(jīng)緯密度

圖3為織物結(jié)構(gòu)、纖維組成、織物厚度相同，織物初始溫度為20℃條件下，經(jīng)緯密度不同的三種織物（5#、6#、7#）接觸瞬間冷暖感的模擬結(jié)果。由圖3可知，織物的經(jīng)緯密度越小，接觸瞬間的冷越強(qiáng)，而且穩(wěn)定后的接觸冷感也越強(qiáng)。這是因?yàn)榻?jīng)緯密度越小，織物組織越稀疏，紗線間空隙越大，熱量也容易散發(fā)出去[10，11]。這也是冬天服裝的經(jīng)緯密度普遍大于夏季服裝經(jīng)緯密度的原因。

圖3 不同經(jīng)緯密度的織物冷暖感結(jié)果

圖4 不同厚度的織物冷暖感結(jié)果

3.3 織物厚度

圖4為纖維成分、經(jīng)緯密相同，三種不同厚度（8#、9#、10#）面料，在織物初始溫度為20℃條件下，其接觸冷暖感的模擬結(jié)果。由圖4可知，織物越厚，其接觸瞬間的暖感越強(qiáng)，而且后期穩(wěn)定后的織物暖感也越強(qiáng)，反之，織物冷感越強(qiáng)。這是因?yàn)榭椢镌胶瘢つw與織物間發(fā)生熱傳遞時(shí)，熱量傳遞通道越長(zhǎng)，熱阻越大，進(jìn)而導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)織物與皮膚之間熱量交換較小，故暖感越強(qiáng)[7，11]。而織物越薄，皮膚熱量越容易透過織物傳遞出去，二者發(fā)生熱量交換時(shí)，其熱量散失越多，故其冷感越強(qiáng)。

3.4 織物初始溫度

圖5為1#面料不同初始溫度下的織物接觸瞬間冷暖感的模擬結(jié)果。由圖5可知，當(dāng)織物的初始溫度為5℃時(shí)，織物接觸的瞬間是冷的感覺；當(dāng)織物初始溫度是 20℃時(shí)，織物接觸瞬間是微涼的感覺；當(dāng)織物初始溫度是35℃時(shí)，織物接觸瞬間是微暖的感覺。這說明織物初始溫度會(huì)顯著影響織物接觸瞬間的冷暖感覺，而且織物初始溫度與手指皮膚溫度差異越大，其冷暖感越強(qiáng)烈。這是因?yàn)閮烧邷夭钤酱?，兩者之間的熱量交換越多，指尖皮膚溫度變化越快，故宏觀反映到織物接觸瞬間的冷暖感越強(qiáng)[8，9]。另外，這也從一定程度上揭示了同一件內(nèi)衣，冬季穿著時(shí)，接觸瞬間會(huì)有涼甚至冷的感覺，而夏季穿著卻是微暖感覺的原因。

圖5 不同初始溫度的織物冷暖感結(jié)果

圖6 不同濕度的織物冷暖感結(jié)果

3.5 織物含水率

圖6為1#面料在不同含水率狀態(tài)下的織物接觸瞬間冷暖感的模擬結(jié)果。由圖6可知，隨著織物含濕量的增加，織物接觸瞬間的冷感越強(qiáng)。這是因?yàn)槔w維的導(dǎo)熱系數(shù)和靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于水的導(dǎo)熱系數(shù)，織物內(nèi)含濕量越高，其水分子越多，其傳遞熱量的能力越強(qiáng)，故其織物接觸瞬間冷感越強(qiáng)[9，11]。而且，織物含有的水分越多，織物內(nèi)的靜止空氣越小，織物間的熱量傳遞越傾向于高傳導(dǎo)水分子完成，故其冷感越強(qiáng)。同時(shí)，織物處于干態(tài)時(shí)，其熱量的傳遞主要是由纖維和靜止空氣進(jìn)行，而濕態(tài)的織物的熱量傳遞不僅包括纖維、靜止空氣水分子間的傳導(dǎo)，也涉及到水分子自身從內(nèi)到外遷移蒸發(fā)的熱量散失。這說明水分的介入，不僅增加了織物接觸瞬間的冷感，也改變了織物與皮膚接觸瞬間的傳遞方式。這也是皮膚接觸濕衣服比接觸干衣物瞬間冷感更強(qiáng)的原因，也是炎熱夏季，人們喜歡將衣服或者毛巾沾水打濕來降暑的原因。

4 結(jié)論

通過對(duì) 10種市場(chǎng)上常用的內(nèi)衣面料的織物接觸冷暖感的研究可知，纖維成分、經(jīng)緯密、織物厚度、織物初始溫度及織物的濕度（含水率）均會(huì)不同程度的影響內(nèi)衣服裝接觸瞬間的冷暖感，其主要結(jié)論如下：織物接觸瞬間的冷感與經(jīng)緯密度呈負(fù)相關(guān)，與厚度負(fù)相關(guān)，與初始溫度呈負(fù)相關(guān)，與織物濕度呈正相關(guān)。具體來說，夏季內(nèi)衣應(yīng)選擇織物經(jīng)緯密較小、纖維成分為蠶絲或麻纖維、厚度稍薄的材料；冬季內(nèi)衣應(yīng)選用經(jīng)緯密度較大、厚度較厚、纖維成分為羊毛或者棉纖維的材料。