整鞋保暖性能測試方法相關性研究

鄧成亮，沈光來，王嘉樂，劉炫皓

（1.廣州廣檢技術發(fā)展有限公司，廣東 廣州，510800；2.廣州檢驗檢測認證集團有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

足部被稱為人體的第二個心臟，寒冷環(huán)境下足部能否保暖直接關系著人體健康。作為身體末端，足部離心臟距離最遠，受供血能力影響，相比于身體其他部位，足部往往更“怕冷”[1]。研究表明，人感覺不舒適大多始于足部的不舒適，足部溫度在28～33 ℃時人體感覺舒服，足部皮膚在25 ℃時，人開始感覺到有點冷，如果腳的溫度低于22 ℃就會影響局部的血液循環(huán)，使人感覺不舒服[2]，到21 ℃以下時，會明顯感覺到冷，并伴有不舒適甚至痛感[3]。而當腳的溫度下降到7 ℃以下時就會有凍傷的危險[1]。因此，在寒冷的冬季，面對市面上良莠不齊的鞋靴，如何選擇一雙真正保暖的鞋來保護腳部不受寒冷侵襲成為消費者極為關心的問題。市場監(jiān)管部門及第三方檢測機構如何科學準確地測試及評估防寒鞋靴的保暖性能，保護消費者的權益不受侵害，顯得尤為重要。

研究整鞋保暖性測試方法主要包括主觀測試和客觀測試兩個方向，目前國內外關于整鞋保暖性測試形成標準的方法并不多[4]，主要有GB/T 21284-2015《鞋類 整鞋試驗方法 保溫性》[5]、ISO 20877:2011 Footwear-Test methods for whole shoe-Thermal insulation[6]、SATRA TM436:2010 Determination of Whole Shoe -Thermal Insulation Value and Cold Rating[7]、GB/T 20991-2007 5.13《個體防護裝備鞋的測試方法防寒性的測定》[8]和ISO 20344:2011 Personal protective equipment-Test methods for footwear[9]。

其中，GB/T 21284-2015 等同采用ISO 20877:2011，ISO 20877:2011中關于整鞋保暖性測試采用了ISO 20344:2011中的方法；而GB/T 20991-2007則是修改采用了ISO 20344:2011的上一個版本。實際上GB/T 21284-2015/ISO 20877:2011的樣品制備和試驗操作是采用ISO 20344:2011，所以這四個標準的測試原理和方法是相同的[4,10]，由于測試過程中需在鞋內腔加入不銹鋼珠導熱，簡稱其為鋼珠法。SATRA TM436:2010在測試時使用了人造腳模，簡稱其為腳模法。本研究選取了10雙棉鞋（靴）分別按鋼珠法和腳模法進行了保暖性測試，并進行了保暖性主觀試穿評價，分析了三種測試方法之間的相關性，為今后整鞋保暖性測試方法的進一步改進、保暖分級指標的確定等提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及樣品信息

STM567型整鞋舒適性能測試儀，英國SATRA測試儀器公司；STM472型鞋類防寒性能試驗機，英國SATRA測試儀器公司；lk-14-20型步入式冷庫，廣州東之旭試驗設備有限公司。

樣品：市場上購買的棉鞋，共10雙，編號為樣品1～樣品10。

1.2 實驗方法簡介

1.2.1 鋼珠法

按GB/T 21284-2015《鞋類整鞋試驗方法保溫性》中附錄A.2對樣品1～樣品10中的左鞋進行冷隔絕性測試，鞋內腔加入4 kg直徑為5 mm的不銹鋼球，測試前在（23±2）℃環(huán)境中至少調節(jié)3 h。然后將整鞋放入低溫箱內，低溫箱溫度為（-17±2）℃，幫面上口用合適的塞子小心塞緊，記錄內墊和前幫襯里處30 min內溫度降低值，取二者降低值的最大值作為該次的測試結果，測試3次，取3次測試的平均值作為該樣品溫降值的最終結果（此處相比GB/T 21284-2015，增加了對前幫襯里處溫降值的測試，以期取得更合理的表征結果），記為ΔT，單位為℃。

1.2.2 腳模法

按SATRA TM 436:2010對樣品1～樣品10中的左鞋進行保暖性測試，測試前在標準環(huán)境[溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%]中至少預處理48 h。測試時在腳模上穿上“皮膚”和標準長筒襪及試驗鞋，腳模溫度為38 ℃，風速（1.10±0.15）m/s，試驗在標準環(huán)境條件下進行，測試周期為3 h。記錄3 h測試周期內為維持腳模溫度恒定需消耗的能量P，并計算出熱阻值R，測試3次，取3次測試的平均值作為該樣品熱阻值的最終結果，記為Rm，單位為m2℃W-1。此外，根據(jù)公式（1）計算出該樣品的御寒等級，記為C，單位為℃。其中A為腳模表面積，單位為m2；Tr為目標最低腳溫，單位為℃，是選來代表這個水平以上穿著者可能會因為熱量流失而開始不舒服，一般取20 ℃；H為相關活動級別的熱損耗率，單位為W，為了與下面的主觀試穿試驗的活動等級相匹配，在計算御寒等級C時我們取H=5。（標準中對H的取值說明為：H=4對應活動級別非常低；H=8對應活動級別中下；H=12對應活動級別高；由于主觀試穿測試時以靜坐（對應H=4）為主，配以少量走動，故此處取值H=5，與主觀試穿測試的活動級別相匹配）

1.2.3 主觀試穿評價法

整鞋保暖性能的主觀試穿試驗采取Goldmans的五點標尺，分別對應于腳部感受為：非常不保暖（非常冷，甚至無法堅持完成測試）、不保暖（較冷）、一般保暖（基本不冷）、保暖（不冷）和非常保暖（完全不冷），如表1所示。

表1 主觀評分賦值表Tab.1 Subjective evaluation score table

主觀試穿試驗步驟如下：

（1）選擇試穿人員，確定13名身體健康、無腳病、有較強主觀感受和表達能力，年齡在20～35周歲之間的年輕人作為試穿人員，測量每位試穿人員的腳長和腳寬，確保腳型符合樣品鞋號型。

（2）對試穿人員進行試驗前主觀感受反應能力培訓，使他們熟悉主觀感受等級描述術語的含義，確保試驗開展時能夠正確理解保暖性能具體感受并給出相應的等級及評分。

（3）設計問卷調查表格和指導語，建立相應心理感覺標尺。

（4）試穿人員按規(guī)定試驗方法將樣品1～樣品10共10雙棉鞋逐一試穿，并根據(jù)主觀感受分別如實填寫問卷調查表。同一試穿人員兩次試穿間隔應不少于10 min，以確保身體和腳部溫度恢復到正常狀態(tài)。

（5）統(tǒng)計問卷調查表數(shù)據(jù)，以每雙鞋所有試穿人員評分的平均值作為該雙鞋的最終主觀評分。

主觀試穿試驗方案設計如下：試穿者換上統(tǒng)一凈色的厚棉襪（100%棉，雙層厚度1.2 mm，白色，普通款式），穿上測試鞋，在室溫（23 ℃）下適應10 min。然后穿上厚羽絨服（保證在測試期間上身和腿部不冷），進入冷庫（0 ℃）20 min，期間以靜坐及少量走動為主。完成后對測試鞋（因腳模法測試的是左鞋，此處以左鞋感受為準）進行總體保暖性能評價。

2 結果與討論

對樣品1～樣品10分別按鋼珠法、腳模法和主觀試穿評價法的順序進行保暖性測試。鋼珠法記錄溫降值ΔT，腳模法記錄熱阻值Rm及御寒等級C（H=5），主觀試穿評價法記錄主觀評分。測試結果匯總見表2。其中主觀評分越低，代表主觀試穿評價的結果越差，保暖性能也越差，評分賦值代表的主觀感受及保暖舒適性等級見表1。

表2 保暖性測試結果匯總Tab.2 Summary of thermal insulation test results

為了分析這3種測試方法之間的相關性，分別對熱阻值Rm與溫降值ΔT、熱阻值Rm與主觀評分、御寒等級C（H=5）與溫降值ΔT、御寒等級C（H=5）與主觀評分及溫降值ΔT與主觀評分之間作散點圖并進行線性預測，分別見圖1～圖5。

圖1 熱阻值Rm與主觀評分關系圖Fig.1 Relationship between thermal resistance value and subjective evaluation score

圖1是SATRA TM436測試中得到的熱阻值Rm與主觀試穿評分之間的線性趨勢圖。從圖1中可以看出，熱阻值Rm與主觀評分之間的相關性一般，相關系數(shù)為0.752，雖然隨著熱阻值增大，主觀評分也基本上是上升趨勢，但樣品3與樣品5、樣品4與樣品6、樣品8與樣品9之間均存在明顯的熱阻值高而主觀評分低的現(xiàn)象。可能原因如下：熱阻值是單位時間內鞋子內外溫度差與維持該溫度差所需提供熱源功率的比值，測試是一個靜態(tài)的過程，因此Rm也是一個靜態(tài)的數(shù)據(jù)，而主觀評分測試是一個動態(tài)的過程，測試結果不僅與鞋子本身有關，還與試穿者在測試過程中的活動等級有關。

圖2是SATRA TM436測試中得到御寒等級C（H=5）與主觀評分之間的線性趨勢圖，相關系數(shù)達到0.921 7，是這5組數(shù)據(jù)之間最高的，說明御寒等級C（H=5）與主觀評分之間具有高度相關性。從御寒等級C的計算公式中可以看出，相比于熱阻值Rm，御寒等級C考慮到了活動水平對人們穿鞋保暖性的影響，很好地解決了靜態(tài)測試數(shù)據(jù)與人們實際穿鞋情況的匹配問題?？紤]到主觀試穿試驗過程中測試人員的活動水平，在計算御寒等級C時，我們選擇了與之相匹配的低活動等級，取H=5。御寒等級C（H=5）與主觀評分之間的高度相關性結果也證實了這種想法是合理的。

圖2 御寒等級（H=5）與主觀評分關系圖Fig.2 Relationship between cold rating value(H=5)and subjective evaluation score

圖3是熱阻值與溫降值之間的線性趨勢圖，相關系數(shù)為0.6196，為5組關系之間最低的，二者之間沒有體現(xiàn)出明顯的相關性。這與前面的分析可能存在一定的關系：采用GB/T 21284-2015鋼珠法測試的是在低溫環(huán)境下鞋內腔溫度的下降值，而主觀試穿法是人為評價在低溫環(huán)境下腳的冷暖感受，二者測試的原理和過程是基本相通和類似的，因此如果從前面得出的熱阻值與主觀評分之間相關性一般的結論推斷出熱阻值與溫降值之間的相關性也一般的結論，與此處是完全一致的。

圖3 熱阻值與溫降值關系圖Fig.3 Relationship between thermal resistance value and temperature decrease

圖4是御寒等級C（H=5）與溫降值之間的線性趨勢圖，隨著御寒等級C（H=5）增加，溫降值也隨之增大，二者相關系數(shù)達到0.863 4，說明二者雖然測試原理不同，但在評估整鞋保暖性結果上具有高度相關性。圖5是溫降值與主觀評分之間的線性趨勢圖，相關系數(shù)為0.854 8，同樣具有高度相關性。

圖4 御寒等級（H=5）與溫降值關系圖Fig.4 Relationship between cold rating value(H=5)and temperature decrease

圖5 溫降值與主觀評分關系圖Fig.5 Relationship between temperature decrease and subjective evaluation score

3 結論

（1）采用SATRA TM436:2010腳模法測試整鞋的保暖性，使用御寒等級C（H=5）時作為測試結果時與采用主觀試穿評價法及GB/T 21284-2015鋼珠法的測試結果具有高度相關性，相關系數(shù)分別達到0.921 7和0.863 4，以御寒等級C來表征整鞋保暖性是完全可行的。

（2）采用GB/T 21284-2015鋼珠法測試結果與主觀試穿評分同樣具有較高相關性，相關系數(shù)達到0.854 8，說明此方法也是比較科學合理的?，F(xiàn)行國行標產品標準保暖性能多采用鋼珠法測試，保暖指標一般設定為30 min測試時間內鞋腔溫降值以10 ℃為界限，低于此值為合格，高于此值則不合格，測試結果直觀易于理解。

（3）采用SATRA TM436:2010腳模法測試整鞋的保暖性，使用熱阻值Rm作為測試結果時與采用主觀試穿評價法及GB/T 21284-2015鋼珠法的測試結果相關性均一般，可能原因是使用Rm作為評價指標時未考慮到穿著者實際的活動等級。

希望通過本研究對三種整鞋保暖性測試方法相關性的分析，能給今后明確腳模法評價指標分級及相關標準制定提供依據(jù)，為整鞋保暖性測試方法的進一步改進提供參考，推動整鞋保暖性測試及評價向更科學、合理、全面的方向發(fā)展。