基于碳納米管發(fā)熱面料的生理內(nèi)褲設(shè)計(jì)研究

王斯琦,陶 金

(常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院,江蘇 常熟215500)

生理期是每個(gè)女性都會(huì)經(jīng)歷的時(shí)期,也伴隨著一系列問(wèn)題,經(jīng)期的安全舒適感對(duì)于女性而言意義重大[1]。痛經(jīng)是青年女性常見(jiàn)的婦科疾病,會(huì)影響患者的日常生活[2]。研究表明,女性經(jīng)期或行經(jīng)前后小腹疼痛,痛及腰骶[3],目前,緩解治療女性生理期痛經(jīng)的主要方法為服用中西藥物、中醫(yī)針灸推拿和患處熱療。然而,長(zhǎng)期服用藥物有害人體健康,而采用中醫(yī)針灸推拿療程較長(zhǎng),且治療步驟繁瑣,為生活帶來(lái)諸多不便。近年研究表明遠(yuǎn)紅外材料能發(fā)射遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)為8~15μm的遠(yuǎn)紅外線,具有顯著的共振和熱效應(yīng),可使毛細(xì)血管擴(kuò)張,使皮膚的溫度略有升高,從而加快病灶部位血液循環(huán)和微循環(huán),使病灶部位平滑肌松弛和敏感度下降,從而緩解痛經(jīng)[4]。

采用一種可溫控的輕薄防水型碳納米管發(fā)熱面料對(duì)女性生理內(nèi)褲進(jìn)行功能化設(shè)計(jì),利用生理內(nèi)褲通電后發(fā)熱實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)期患處的熱敷理療作用。采用紅外熱成像儀捕捉人體紅外輻射能,形成人體無(wú)創(chuàng)性熱成像圖片,在此基礎(chǔ)上研究碳納米管發(fā)熱面料作用于小腹和腰骶部的熱敷性能,評(píng)價(jià)理療效果,并對(duì)內(nèi)褲設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)改良。

1 碳納米管纖維

碳納米管自1991年被IIJI MA[5]發(fā)現(xiàn)以來(lái),在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。作為一種碳材料的新同素異形體,碳納米管材料表現(xiàn)出極好的機(jī)械性能及多功能性能[6-9];作為導(dǎo)電材料,碳納米管可以改變聚合物復(fù)合材料的傳導(dǎo)性(導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性)[10];碳納米管膜保留了碳納米管原有的微觀性能并被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域[11]。碳納米管材料可以被組裝成如纖維、薄膜、氣凝膠等多種結(jié)構(gòu)。其中,碳納米管纖維是碳納米管材料重要的一維表現(xiàn)形式之一,不僅具有可與碳纖維等高性能纖維媲美的機(jī)械性能,還很好保持了碳納米管豐富的熱、電、場(chǎng)發(fā)射等功能[12]。碳納米管材料的應(yīng)用推動(dòng)了智能紡織品的發(fā)展,結(jié)合材料優(yōu)異的熱學(xué)性能,將其嵌入到不同紡織結(jié)構(gòu)中,可開(kāi)發(fā)出具有電熱功能的紡織品[13]。

2 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲初步設(shè)計(jì)及熱敷性能試驗(yàn)

2.1 材料結(jié)構(gòu)與性能

采用的碳納米管發(fā)熱面料為碳納米管薄膜/面料復(fù)合結(jié)構(gòu),薄膜面密度為5 g/m2,厚度為5μm,輕薄柔軟耐折彎。面料通過(guò)USB接電,具有優(yōu)良的電控發(fā)熱性能,發(fā)熱溫度在28~53℃之間,額定電壓為5 V,額定電流為2 A,其中碳納米管柔性加熱膜組的最大功率為7.5 W,最大電流為1.5 A,最大電壓為5 V,可發(fā)射6~14μm的遠(yuǎn)紅外波,具有健康加熱理療效能。此外,面料具備較好的導(dǎo)熱性能和防水性能,發(fā)熱均勻,熱能效率高,可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)智能控溫。發(fā)熱面料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 發(fā)熱內(nèi)褲初步設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及說(shuō)明

基于女性生理期小腹及腰骶疼痛狀況,依據(jù)人體工程學(xué)理論設(shè)計(jì)了一款可充電碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲(圖2)。

圖1 碳納米管發(fā)熱面料溫控組件

圖2 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲設(shè)計(jì)款式圖

圖2 中(1):小腹部位為痛經(jīng)時(shí)主要疼痛區(qū),經(jīng)期或經(jīng)行前后會(huì)反復(fù)出現(xiàn)小腹疼痛,嚴(yán)重者可導(dǎo)致昏厥[14],因此將主發(fā)熱片設(shè)計(jì)覆蓋于小腹區(qū)域,充分發(fā)揮熱敷理療效用。

圖2 中(2):經(jīng)過(guò)多年臨床研究發(fā)現(xiàn),痛經(jīng)患者腰骶部會(huì)出現(xiàn)單個(gè)或數(shù)個(gè)陽(yáng)性反應(yīng)點(diǎn),在腰骶部進(jìn)行壓痛點(diǎn)刺激可實(shí)現(xiàn)疏通經(jīng)絡(luò)氣血的效果[15]。在腰骶部設(shè)置發(fā)熱區(qū),通過(guò)碳納米管面料熱敷及遠(yuǎn)紅外波理療作用,利于疏通經(jīng)絡(luò)氣血,有效緩解癥狀。

圖2 中(3):數(shù)據(jù)線外殼采用防水耐彎折材質(zhì),方便穿戴和清洗。

圖2 中(4):在穿戴使用發(fā)熱內(nèi)褲過(guò)程中可根據(jù)自身狀況便捷調(diào)溫。

圖2 中(5):方便與充電裝置連接進(jìn)行能源供應(yīng)。

圖2 中(6):由于碳納米管發(fā)熱面料為無(wú)彈面料,所以設(shè)計(jì)采用內(nèi)衣膠將其與內(nèi)褲同款面料粘合,再與內(nèi)褲縫合,避免碳納米管發(fā)熱面料與高彈面料縫合時(shí)形成較大的褶皺而影響舒適性及發(fā)熱效果。

2.2.2 發(fā)熱內(nèi)褲制作

依據(jù)設(shè)計(jì)款式圖,制作發(fā)熱內(nèi)褲,實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 發(fā)熱內(nèi)褲實(shí)物穿著實(shí)物圖

3 發(fā)熱內(nèi)褲熱敷性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)參考女性經(jīng)期痛經(jīng)程度評(píng)定[16],設(shè)定經(jīng)期疼痛程度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(表1),將志愿者經(jīng)期疼痛程度分為:不痛經(jīng)組、輕微痛經(jīng)組、嚴(yán)重痛經(jīng)組。志愿者選擇對(duì)象為來(lái)自常熟理工學(xué)院的18-24歲健康女大學(xué)生。其中不痛經(jīng)組試驗(yàn)對(duì)象有8名,輕微痛經(jīng)試驗(yàn)對(duì)象有11名,嚴(yán)重痛經(jīng)組試驗(yàn)對(duì)象有7名,經(jīng)過(guò)統(tǒng)一定量篩選,每組選定6項(xiàng)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

表1 痛經(jīng)分度表

(2)由于人體可明顯感知的最小溫度變化幅度約為5℃,采用手機(jī)APP進(jìn)行溫度調(diào)控(圖4),以5℃溫度差為一個(gè)測(cè)量等級(jí),設(shè)置“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”、“43~47℃”、“47~52℃”5個(gè)溫度等級(jí),每個(gè)等級(jí)設(shè)置2 min的預(yù)熱時(shí)間、5 min的功能體驗(yàn)時(shí)間,采用紅外熱成像儀觀察碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲的熱量分布及變化。每組志愿者輪流穿著發(fā)熱內(nèi)褲,依次進(jìn)行5個(gè)溫度等級(jí)的穿著體驗(yàn),依據(jù)各溫度等級(jí)的體驗(yàn)情況填寫(xiě)功能評(píng)價(jià)表格,評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在一個(gè)溫度等級(jí)范圍內(nèi)取平均值。

圖4 APP智能控溫

(3)對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,根據(jù)功能性評(píng)價(jià)意義差異五分法設(shè)定試驗(yàn)評(píng)估表(表2),采用五級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)(0,1,2,3,4),以“一檔(28~32℃)”為例:0分=沒(méi)有效果,1分=輕微效果,2分=一些效果,3分=效果較好,4分=效果很好。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 紅外熱像檢測(cè)

紅外熱成像技術(shù)是利用人體生物紅外輻射能,通過(guò)現(xiàn)代物理科學(xué)技術(shù)形成的人體無(wú)創(chuàng)性的熱成像技術(shù)[17]。利用紅外熱像儀可以清晰地呈現(xiàn)出物體表面熱量分布狀況,如圖5所示,為實(shí)驗(yàn)者穿戴生理內(nèi)褲時(shí)的熱量所在區(qū)域。紅外熱像儀只能檢測(cè)到物體表面溫度,由于生理內(nèi)褲需要穿在衣物里面,否則表面易散熱,實(shí)際溫度受試驗(yàn)條件影響在衣物脫去情況下采集不到較高溫,需要在衣物里才能達(dá)到理想溫度,截取部分熱量分布圖:圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)為“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”溫度等級(jí)下小腹部熱量分布,圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)為對(duì)應(yīng)溫度等級(jí)下腰骶部位熱量分布圖,其中腰骶部分在“38~42℃”等級(jí)下溫度較高,穿在人體上形成熱量擴(kuò)散相連趨勢(shì)。

表2 功能性評(píng)價(jià)意義差異五分法

圖5 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲熱成像圖(部分)

由圖5表明碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對(duì)小腹和腰骶部位的發(fā)熱作用較為穩(wěn)定,熱量分布較為集中。在不同溫度等級(jí)下溫度有較為明顯的變化,對(duì)小腹和腰骶部位作用比較精準(zhǔn),熱敷作用達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2.2 穿戴評(píng)價(jià)

根據(jù)生理內(nèi)褲功能性設(shè)計(jì)3個(gè)相關(guān)性評(píng)價(jià)為:舒適的、緩解疼痛的、方便的。以考察碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對(duì)經(jīng)期女性產(chǎn)生效果的一致性。該階段評(píng)價(jià)是通過(guò)試驗(yàn)者穿戴功能內(nèi)褲作用于人體的生理感覺(jué)來(lái)判斷碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲的功能性能。如圖6、圖7、圖8所示,受試人員在不同階段的發(fā)熱溫度下的生理評(píng)價(jià)。

如圖6所示,對(duì)于發(fā)熱內(nèi)褲的舒適性評(píng)價(jià),可以看出這3組人員在溫度上升到38~42℃時(shí),舒適性評(píng)價(jià)趨勢(shì)明顯上升,而針對(duì)43~47℃和48~53℃的舒適性評(píng)價(jià)趨勢(shì)保持大體一致,不痛經(jīng)和輕微疼痛組的舒適性略有下降,表明隨著溫度的提升,發(fā)熱內(nèi)褲的體驗(yàn)舒適性增加,嚴(yán)重痛經(jīng)組的舒適性更依賴溫度的提升。

圖6 功能內(nèi)褲舒適性評(píng)價(jià)

圖7 功能內(nèi)褲緩解疼痛效果評(píng)價(jià)

如圖7所示,對(duì)于發(fā)熱內(nèi)褲緩解疼痛效果評(píng)價(jià),可以看出輕微痛經(jīng)組在28~32℃時(shí)較其他兩組效果較好,在33~37℃階段效果提升明顯,在38~42℃階段緩解疼痛效果最明顯,后溫度階段區(qū)域平穩(wěn)。從不痛經(jīng)組整體趨勢(shì)平穩(wěn)上升,溫度愈高,評(píng)價(jià)愈高。嚴(yán)重痛經(jīng)組功能性評(píng)價(jià)隨溫度升高較不穩(wěn)定。說(shuō)明功能內(nèi)褲對(duì)輕微痛經(jīng)組緩解疼痛效果最為明顯,對(duì)嚴(yán)重痛經(jīng)組緩解痛經(jīng)效果較低。嚴(yán)重痛經(jīng)組單一熱敷理療熱敷作用有限,緩解痛經(jīng)程度不穩(wěn)定,需要其他設(shè)施理療配套共同緩解。

圖8 功能內(nèi)褲方便性評(píng)價(jià)

如圖8所示,對(duì)于內(nèi)褲方便性評(píng)價(jià),可以明顯看出輕微痛經(jīng)組隊(duì)功能性評(píng)價(jià)明顯高于其他兩組,隨著溫度升高評(píng)價(jià)升高并趨于穩(wěn)定。方便性偏向個(gè)體主觀感覺(jué),與舒適性和緩解疼痛效果相關(guān),并易受其舒適性與緩解疼痛性效果影響。從不痛經(jīng)組與嚴(yán)重痛經(jīng)組評(píng)價(jià)總體一致,從不痛經(jīng)組評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)較平穩(wěn),嚴(yán)重痛經(jīng)組評(píng)價(jià)起伏波動(dòng)較大,較不穩(wěn)定。說(shuō)明發(fā)熱內(nèi)褲功能對(duì)于輕微痛經(jīng)組效果較為明顯,此類志愿者更傾向于選擇發(fā)熱內(nèi)褲。從不痛經(jīng)組與嚴(yán)重痛經(jīng)組傾向較低,有較大改進(jìn)空間。

結(jié)果表明,碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對(duì)緩解女性生理期不適有較好功效,在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)熱內(nèi)褲結(jié)構(gòu)款式進(jìn)行改良可提高產(chǎn)品的適用性。

4 發(fā)熱內(nèi)褲功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)與測(cè)試,得到了碳納米管生理內(nèi)褲穿著的基本數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)女性生理期痛經(jīng)部位和癥狀的調(diào)研分析,采取疼痛緩解程度和發(fā)熱程度為2個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行發(fā)熱內(nèi)褲改良設(shè)計(jì)[18]?；诔醪皆O(shè)計(jì)款式圖的不完善、試驗(yàn)過(guò)程中遇到的穿戴問(wèn)題以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究等因素,總結(jié)試驗(yàn)人員穿戴不足評(píng)價(jià)如下:

(1)腰腹部由于功能區(qū)面積較大,內(nèi)褲本身面料保留較少,腰腹部彈性降低。

(2)發(fā)熱面料與內(nèi)褲面料結(jié)合區(qū)間由于兩者面料無(wú)彈與高彈的特性,粘合不緊密,產(chǎn)生的褶皺較多,影響舒適性。

(3)嚴(yán)重痛經(jīng)組的熱敷理療效果較差。

(4)內(nèi)褲整體缺乏美觀性,功能區(qū)之間的連接較為粗糙簡(jiǎn)陋。

圖9 優(yōu)化后碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲款式圖

根據(jù)試驗(yàn)人員測(cè)量數(shù)據(jù)與主觀評(píng)價(jià)簡(jiǎn)易將碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲款式進(jìn)行優(yōu)化改良,如圖9所示。

第一,針對(duì)不足(1)的改良:防水?dāng)?shù)據(jù)線采用嵌入式結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)線隱藏在高彈針織松緊量?jī)?nèi),可隨意調(diào)節(jié)腰圍尺寸大小;基于人體工程學(xué)角度和調(diào)研評(píng)價(jià)結(jié)果,適當(dāng)增加高彈區(qū)面積。

第二,針對(duì)不足(2)的改良:內(nèi)褲面料與發(fā)熱面料緩沖區(qū)中由于碳納米管發(fā)熱面料本身無(wú)彈性,與內(nèi)褲面料高彈的特性相反。將無(wú)彈碳納米管面料用黏膠工藝與微彈棉布粘合,棉布另一邊與內(nèi)褲高彈面料縫合。在無(wú)彈和高彈面料之間形成緩沖區(qū),使整體穿戴更加服帖。

第三,針對(duì)不足(3)的改良:對(duì)于嚴(yán)重痛經(jīng)者,單一的熱敷理療效果對(duì)緩解較嚴(yán)重痛經(jīng)效果不夠明顯,需要從面料功能方面進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn),提高對(duì)人體小腹、腰骶部位的理療作用強(qiáng)度;嚴(yán)重痛經(jīng)者需采用必要醫(yī)療手段進(jìn)行治療。

第四,針對(duì)不足(4)的改良:根據(jù)紅外熱成像數(shù)據(jù)分析熱量傳導(dǎo)的區(qū)域范圍,結(jié)合人體本身曲線將小腹與腰骶部加熱區(qū)由方形設(shè)計(jì)改為圓弧形設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)痛經(jīng)區(qū)的精準(zhǔn)加熱,提高發(fā)熱功效;優(yōu)化內(nèi)褲臀下周部版型,調(diào)整大腿根部與臀部邊界曲線,使其可以適應(yīng)不同體型的尺寸需求,提升穿著舒適性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)經(jīng)期女性小腹與腰骶部位疼痛的生理特點(diǎn),采用新型碳納米管發(fā)熱面料對(duì)女性內(nèi)褲進(jìn)行功能性設(shè)計(jì),對(duì)發(fā)熱內(nèi)褲進(jìn)行了穿戴試驗(yàn)及感性評(píng)價(jià),從人體工學(xué)、感性工學(xué)等角度研究發(fā)熱內(nèi)褲的熱敷性能及理療效果,優(yōu)化內(nèi)褲功能結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)熱內(nèi)褲對(duì)疼痛部位的熱敷作用精準(zhǔn),對(duì)輕微痛經(jīng)組的緩解效果最為明顯。對(duì)發(fā)熱內(nèi)褲結(jié)構(gòu)款式的優(yōu)化主要包括三個(gè)方面:針對(duì)經(jīng)期小腹與腰骶部分癥狀特征,將發(fā)熱作用范圍分為3個(gè)區(qū)域;發(fā)熱區(qū)形狀采用圓弧行設(shè)計(jì),貼合人體曲線,確保發(fā)熱功效準(zhǔn)確并充分作用于癥狀部位;此外,考慮到碳納米管發(fā)熱面料的無(wú)彈性與內(nèi)褲面料高彈性的沖突,采用微彈棉布作為中間緩沖帶,提高熱敷穩(wěn)定性和穿著舒適性,提升整體制作的可操作性。