織物熱濕傳遞性能對皮膚濕感覺閾限的影響

徐蘇紅 倪軍 孫岑文捷 張昭華

摘要： 為研究織物物理參數及人體皮膚散熱機制對主觀濕感覺的影響，文章在中性和高溫兩種蒸汽壓相同的環境條件下，采用恒定刺激法對覆膜和不覆膜織物進行定量加濕操作，設計搭建了雙桿摩擦裝置，模擬前臂與織物間動態接觸，得到不同條件下的皮膚冷卻率和濕感覺差異閾限。結果表明：施加低于皮溫0 ℃或8 ℃的冷刺激，可得到整體皮膚冷卻率為0～0.21 ℃/s;散熱機制對皮膚冷卻率有顯著影響（p<0.05），傳導散熱對皮膚溫度下降作用比蒸發散熱更明顯;既沒有蒸發散熱也沒有傳導散熱時，機械刺激是影響濕感覺判斷的主要因素;增加散熱提高了皮膚對織物的濕敏感度，且傳導散熱的作用占比更大。

關鍵詞： 濕感覺;差異閾限;韋伯分數;織物性能;散熱機制

中圖分類號： TS941.16

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）09-0021-06

引用頁碼： 091104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.09.004（篇序）

The effects of fabric heat and moisture properties on skin moist wetness perception

XU Suhonga， NI Juna，b， SUN Cenwenjiea， ZHANG Zhaohuaa，b

（a.College of Fashion and Design; b.Key Laboratory of Clothing Design and Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China）

Abstract：To investigate the effects of fabric physical parameters and the heat dissipation mechanism of human skin on subjective wetness perception， quantitative humidification was performed on coated and uncoated fabrics under same environmental conditions with neutral and high temperature vapor pressures using constant stimulation method. A doublerod friction device was designed and established to simulate the dynamic contact between the forearm and the fabric， and the difference threshold of skin cooling rate and wetness perception under different conditions was obtained. The results show that： under the cold stimulation at 0 ℃ or 8 ℃ lower than skin temperature， the overall skin cooling rate is 0～0.21 ℃/s; the heat dissipation mechanism significantly affects the skin cooling rate（p<0.05）. Compared to evaporative heat dissipation， conduction heat dissipation has a more obvious effect on lowering skin temperature. Mechanical stimulation is the main factor that affects wetness perception without evaporative or conduction heat dissipation mechanism. The skin is more sensitive to moisture when heat dissipation is improved， and conduction heat dissipation has a greater effect.

Key words：wetness perception; difference threshold; weber score; fabric properties; heat

收稿日期： 20210603;

修回日期： 20210824

基金項目： 中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2232021G08）

作者簡介： 徐蘇紅（1997），女，碩士研究生，研究方向為服裝設計與工程。通信作者：倪軍，副教授，nj2000@dhu.edu.cn。

熱和濕兩種感覺的共同作用使得處在高溫環境或者出汗狀態的人們通常都會感覺到不舒適，人體這種感知皮膚濕潤的能力在熱調節行為和生理功能方面起了重要作用[1]。雖然人體皮膚上沒有直接的濕感覺器，但是普遍認為是由溫度感受器接收的熱輸入和機械感受器接收的機械輸入在大腦感覺中樞的整合，使得人類可以以一種合理的方式感知和處理皮膚濕感覺[2]。

近年來，國內外學者分別從溫度和機械刺激兩方面對濕感覺的形成和影響進行探索。前者集中在探索冷熱刺激、干濕刺激及兩者交互條件[3-4]下濕感覺的規律，后者則主要研究外界壓力、摩擦、持續時間等影響因素[5]，而這兩種信號輸入在實際生活中可與外界環境溫濕度、織物的熱濕性能及機械物理性能相聯系[6]。Zhang等[78]研究了9種不同成分、表面紋理的織物在不同摩擦速度下的濕感覺實驗，結果表明織物的類型、含水量及摩擦速度對皮膚濕感覺有顯著影響。Margherita等[9]研究了在靜態和動態控制條件下，織物厚度、結構、壓力和摩擦對濕和黏感覺的影響，結果顯示高壓（236 Pa）下的濕感知反應比低壓（127 Pa）下更大，且黏感覺和皮膚溫度冷卻為濕感覺的預測因子，而織物與皮膚間的摩擦力或摩擦因數又與黏感覺呈正相關性[10]，進而影響濕感覺評價。人體皮膚表面與環境之間存在著熱量和水汽的傳遞，由于皮膚溫度和環境條件的不同呈現不同的散熱方式，同時又受到覆蓋在皮膚表面織物影響，散熱機制更加復雜，但是不同散熱方式在濕感覺形成中的影響仍然未知。

針對人體濕敏感性和濕感強度評價的研究，多采用心理物理法操作，分為感覺閾限的測量和閾上感覺的量化[11]。前者可細化為絕對閾限AL和差異閾限DL兩個物理量，目前在濕感覺領域中的相關研究較少。Jeon等[12]模擬人體的低/高出汗量，對四種織物分別采用了0.5 mL和1.5 mL為標準刺激進行DL實驗，實驗結果顯示在低汗水平下，棉的DL最大;在高汗水平下，高性能聚酯纖維的DL最大，證明可通過DL來預測不同紡織品的熱濕舒適性能。之后，Bergmann等[13]將機械輸入納入濕感覺測試，得到三種材料在靜態（僅有熱輸入）和動態（增加機械輸入）接觸下的DL，結果表明靜態下的韋伯分數為0.34～0.63，動態下的韋伯分數在0.3左右，三種材料的韋伯分數之間無顯著差異，也為機械輸入在濕感覺形成中的作用提供心理物理證據。

為了進一步研究人體濕敏感度規律，本實驗從濕感覺形成的熱、機械兩種刺激因素出發，設計織物覆膜條件和環境條件，探討了織物的熱濕傳遞性能、表面機械性能，散熱機制中的傳導散熱和蒸發散熱對濕感覺的影響。

1實驗

1.1材料及儀器

1.1.1材料

實驗選用了三種厚度接近的典型針織T恤面料，表征不同的濕傳遞性能，分別是A：100%純棉汗布，具有優良的吸濕性能;B：100%改性滌綸織物Coolmax，是一種徑向6溝槽結構的改性滌綸，具有更好的芯吸能力;C：滌氨混紡汗布，吸濕性差但導濕性好。實驗中所有面料不能重復使用，防止面料因與人體皮膚表面接觸后受到污染，影響實驗結果。具體織物參數如表1所示。

實驗選取了不透濕，不透水，厚度小于0.05 mm的PET不干膠透明薄膜黏附在面料外表面，可以防止面料中的水分蒸發到外界。每種織物分為覆膜和不覆膜兩種條件進行裁剪，大小為5 cm×17 cm，各裁剪3塊備用。

1.1.2實驗裝置

雙桿摩擦儀及實驗臺的搭建如圖1所示。

雙桿摩擦儀主要由電機（24 V，5 000 r/min，ZYTD520，浙江正科電機有限公司）、機體、雙桿、夾持裝置（夾子、彈簧）及固定組件（L型角碼、螺絲）組成。測試織物通過兩端夾子固定，由驅動桿在電機的控制下進行勻速水平往復運動，速度的調節范圍為0～0.12 m/s。

實驗臺大小為60 cm×120 cm，考慮到摩擦儀的運動量程（7 cm）及受試者的舒適體驗，使用高度可調節的座椅。另外，為控制每位受試者手臂到桌面的垂直高度一致，以保證施加壓力的一致性，在受試者手臂下方放置可調節增高臺，實驗前用“L”型鋼尺輔助調節每位受試者手臂上表面到桌面的高度統一為14 cm。

1.2受試者

13名（10名女性）健康且無感覺系統疾病的在校大學生受試者，年齡（24±1）歲，身高（166±7） cm，體重（54±7） kg，自愿參加實驗。每位受試者2次實驗間隔至少24 h。

1.3實驗條件

1.3.1環境條件

實驗在人工氣候艙中進行，設定了中性和高溫兩種環境條件，分別為：溫度（25±1） ℃，相對濕度71%±5%;溫度（35±1） ℃，相對濕度39%±5%。兩種環境下的水蒸氣分壓力相同（2.25 kPa），以保障不同環境下的人體皮膚表面具有相同水分蒸發能力。

1.3.2加濕方式

實驗設置5個加濕水平作為比較刺激量：0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 mL，使用去離子水作為模擬汗液，加濕前需使用NE222D恒溫水浴箱（英國鎳電有限公司）將其加熱至與實驗的相應環境溫度（35 ℃或25 ℃）相同。利用100～1 000 μL微量移液器（寧波市鄞州群安實驗儀器有限公司）分別吸取5個水平加濕量的去離子水，在織物內表面中心處垂直滴入，等待1 min后，將面料裝入塑封袋備用。

另外，采用加濕量0.7 mL的實驗織物A（100%純棉汗布）作為標準刺激物。實驗過程中，受試者通過比較待測織物與標準刺激物，評價待測織物的濕感覺比標準刺激物強或弱。

1.3.3手臂高度設定

手臂厚度及手臂與織物之間接觸的緊密程度會影響實驗中不同受試者的手臂壓力偏差，進而影響對濕感覺的判斷[9]。實驗選取兩種覆膜條件下的A織物進行靜態壓力測試，根據結果確定調節手臂高度（織物皮膚接觸面到桌面距離）為14 cm。得到該高度下的手臂壓力范圍為0.45～0.65 kPa，遠小于人體著裝壓力范圍（1.96～3.92 kPa）[14]。

1.4步驟

每位受試者需要進行兩種環境條件下的正式實驗，每個環境條件下需完成3（織物類型）×2（覆膜條件）×5（加濕量）×3（重復測試），共90次主觀評價。實驗面料根據隨機順序呈現，具體實驗流程如下：

1） 受試者進入氣候艙后靜坐20 min適應環境，期間需熟悉流程和評價方式。實驗人員在受試者的兩前臂內側距離莖凸點10 cm位置進行標記，并完成手臂高度調節。

2） 使用紅外體溫槍（59Mini，福祿克測試儀器有限公司）記錄標記點初始皮膚溫度T1，再將待測試織物和標準刺激織物從塑封袋中取出，外表面朝上同時放置在雙臂上。將織物兩端固定在夾持裝置上，啟動摩擦裝置，速度為10 mm/s，10 s后停止。要求受試者對濕感覺大小進行評價，若待測織物的濕感覺大于標準刺激織物，則記為“+”，反之記為“-”。立刻取下織物，記錄標記點的皮膚溫度T2。之后擦干皮膚表面殘留水分，測定皮膚溫度直到恢復為T1±2 ℃。

3） 重復上述步驟，直到完成所有測試織物。每5次測試交換放置標準織物和測試織物，每2次測試間隔不得少于90 s，每15次測試需休息5 min，防止感覺疲勞。

1.5測試指標

1.5.1織物性能指標

實驗從熱傳遞、濕傳遞、機械三方面對織物進行物理性能測試。

1） 熱傳遞性能指標。根據GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》，使用YG606E型紡織品熱阻測試儀（寧波紡織儀器廠）測試三種織物干態下的導熱系數，結果如表2所示。

根據GB/T 35263—2017《紡織品接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》，使用KESF7接觸冷暖感測試儀（日本加多技術有限公司）測試織物在干態和5種加濕量水平下的最大瞬態熱流量Qmax，結果如圖2所示。

2） 濕傳遞性能指標。根據AATCC 195《織物液態水管理性能》，使用液態水分管理測試儀（MMT，美國錫萊亞太拉斯有限公司）測試織物的液態水分管理能力，結果如表2所示。

3） 表面機械性能。參照前人的方法[15]，選用萬能材料試驗機（Instron3365，ITW集團英斯特朗公司）加輔助裝置的方法，得到了織物在水平方向上的動摩擦系數（表2）。輔助裝置的設計如圖3所示，1#是Instron萬能試驗機的上方夾頭，夾住不可伸長的凱夫拉牽引線2#，牽引線通過定滑輪3#連接到木塊4#，從而拖動大小為5 cm×17 cm的木塊4#，將水平放置板5#的下方與木塊6#連接，整個裝置借助木塊6#由Instron萬能試驗機的下方夾頭夾住。

1.5.2皮膚冷卻率

測量濕織物摩擦前后的皮膚溫度，根據下式計算皮膚冷卻率：

ΔT=T2-T1/t（1）

式中：ΔT為皮膚冷卻率，℃/s;T1為初始皮膚溫度，℃;T2為摩擦后皮膚溫度，℃;t為摩擦時間，10 s。

1.5.3主觀評價指標

差別閾值的傳統測量方法包括最小變化法、恒定刺激法、平均差誤法等[7]。本實驗采用恒定刺激法，該方法一般是選出5～7個刺激值，每種刺激向被試者呈現多次，統計出各個刺激量引起某種反應（有、無或大、小）的次數。若比較刺激的濕感覺大于標準刺激則記為“+”，若比較刺激的濕感覺小于標準刺激則記為“-”;若二者相等則記為“=”。

差異閾限是指人體能產生感覺差異所需要的最小濕刺激量。計算出每一種比較刺激被判斷為“大于”“小于”和“等于”標準刺激的百分比，如圖4所示，以比較刺激值為橫坐標，以百分比值為縱坐標繪制散點圖，然后應用玻爾茲曼函數進行數據擬合：

（2）

韋伯定律指出，差異閾限（DL）是刺激強度水平（φ）的常數部分，即韋伯分數（K）。差異上限（DLu）定義為比較刺激大于標準刺激的百分率為50%;而差異下限（DLl）定義為比較刺激小于標準刺激的百分率為50%。則差異閾限（DL）的計算公式如下：

DL=DLu-DLl/2（3）

K=DL/φ（4）

式中：DL為差別閾值，mL;Lu為差異上限曲線在判斷次數概率為0.5時的刺激量，mL;Ll為差異下限曲線在判斷次數概率為0.5時的刺激量，mL;K為韋伯分數;φ為標準刺激水平，本文為0.7 mL。

1.6數據分析

使用Origin Pro 9.0軟件，對差異上下限散點圖利用玻爾茲曼函數進行非線性擬合，采用直線內插法計算不同實驗條件下三種織物的差別閾值。

實驗中，自變量為織物類型、實驗條件（覆膜和環境條件）及加濕量，因變量為皮膚冷卻率、差別閾值與韋伯分數。使用三因素重復方差分析，考察自變量對皮膚冷卻率的影響。利用莫奇來球形假設檢驗方差齊性，若滿足球形假設（p>005），則選擇球形假設結果為主效應統計結果;若不滿足球形假設（p<0.05）則選擇溫室蓋瑟檢驗（統計結果小于075）或胡恩赫費爾德檢驗（統計結果大于0.75）。當發現顯著差異時，則進行邦弗朗尼多重比較。統計分析采用SPSS 24軟件，顯著性水平設為p<0.05。

2結果與分析

2.1皮膚冷卻率

根據環境溫度和覆膜方式的不同，實驗條件分為25NF、25F、35NF和35F。四種實驗條件中的散熱機制不同：在25NF中既有傳導散熱，也有蒸發散熱;在25F中只有傳導散熱;在35NF中只有蒸發散熱;在35F既沒有傳導散熱也沒有蒸發散熱。

圖5為不同實驗條件下人體皮膚冷卻率變化。就整體而言，當織物溫度為25 ℃時，皮膚冷卻率要明顯增大，且隨加濕量遞增。在35 ℃條件下，不同加濕量水平下的皮膚冷卻率均在0.05 ℃/s左右，幾乎可以忽略不計。Filingeri等[3]以低于皮溫2～20 ℃的六種冷干刺激，進行濕感喚醒研究，可以使皮膚溫度下降0.2～4.1 ℃，相應皮膚冷卻率為0.02～0.41 ℃/s。當刺激使皮膚溫度下降0.2～0.7 ℃時，ΔT為0.02～0.07 ℃/s。本文中織物溫度可表示為低于皮溫0 ℃或8 ℃，整體皮膚冷卻變化量為0～2.1 ℃，ΔT為0～0.21 ℃/s，與前人的研究結果一致。

三因素重復測量方差分析結果表明，實驗條件對皮膚冷卻率有顯著影響[F（3，36）=746.616，p<0.001]，加濕量有顯著影響[F（2.193，26.310）=1.647，p=0.003]，織物類型沒有顯著影響[F（1.293，15.515）=2.729，p=0.086]。

皮膚冷卻率平均值為25F：（0.110±0.026） ℃/s;25NF：（0.104±0.031） ℃/s;35F：（0.034±0.016） ℃/s;35NF：（0.030±0.016） ℃/s。25F比25NF的平均更大，但在統計學上并沒有顯著差異（p>0.05），此時皮膚表面主要通過傳導方式散熱。35F與35NF無顯著差異（p>0.05），且整體平均值相差很小幾乎可以忽略，蒸發散熱在降低皮膚溫度中作用較小。25NF與35NF，以及25F與35F相比較都有顯著差異（p<0.05），說明傳導散熱在降低皮膚溫度中起主導作用。除了0.7 mL與0.9 mL之間不存在顯著性差異（p=0.195），其他加濕量水平之間均存在顯著性差異（p<0.05），且加濕量越大，織物的Qmax越大，熱量散失增加，從而導致局部皮膚溫度降低;另一方面，殘留在皮膚表面的水分越多，水分蒸發帶走的熱量越多，ΔT越大。

部分交互作用對皮膚冷卻率有顯著影響（p<0.05），在加濕量為0.3 mL的35F條件下，織物C與A（p=0.013）、織物C與B之間（p=0.011）存在顯著差異，分析認為是因為織物C在0.3 mL加濕量下的Qmax最大，且它的導熱系數最大，導致散熱影響最大。在加濕量為1.1 mL時，織物A與B（p=0.049）、織物A與C之間（p=0.019）存在顯著差異，此時織物A的Qmax最大，表明織物熱傳遞性能中的Qmax會影響皮膚冷卻率。

2.2差異閾限及韋伯分數

圖6為35F條件下，以加濕量為橫坐標，三種織物的濕感覺評價判斷正確率散點圖。以50%正確判斷率劃線，三種織物在低加濕量上的正確率均較高，而在0.9、1.1 mL上的正確率均過低。在該條件下，三種織物的差異上限曲線趨勢并不符合S曲線，無法使用玻爾茲曼曲線擬合，表明皮膚對暖濕刺激不敏感，不能準確地判斷織物的濕潤程度，導致判斷正確率降低。

三種織物在其他三個實驗條件下的差異閾限（DL）及韋伯分數（K）結果如圖7所示。織物B的DL在三種條件下均為最大，敏感度最差。與Bergmann等[13]的研究相比，除了35NF條件下B織物，實驗的織物總體韋伯分數均小于0.34，濕感覺靈敏度更高。

實驗條件為35F時，無法得到濕感覺的差異閾限，此時僅存在動態摩擦的機械刺激，說明人們無法依靠單純的機械刺激進行濕感覺辨別。與Bergmann等[13]和Filingeri等[4]的結論一致，即織物溫度接近皮膚溫度時，散熱的減少使得對濕的辨別逐漸變難，在皮膚溫度下，辨別只能依賴機械刺激，而當其他感官輸入（如動態壓力和視覺）的貢獻有限時，冷刺激是感知濕的主要驅動因素。實驗得到了該條件下三種織物的差異下限（分別為A：0.43 mL;B：0.55 mL;C：0.58 mL），說明當實驗刺激與標準刺激作比較時，刺激量在從標準刺激水平開始往下減小時人能感受到差異，而從標準刺激量往上增大時人無法辨別出差異。此時在辨別濕感覺減弱時，織物A最為靈敏，B和C差異不大，與織物動摩擦的大小排序一致，因此在該條件下，動摩擦系數是影響濕感覺判斷的主要因素。

實驗條件為35NF時，可以得到織物的差別閾值排序為B>A>C。對比35F，說明有蒸發散熱時，提高了濕感覺的靈敏度，人可以通過接收熱輸入，辨別濕感覺差異。此時，三種織物的動摩擦系數排序為A>C>B，而與蒸發散熱相關的織物濕傳遞性能排序為B>C>A，說明蒸發散熱與機械刺激對濕感覺評價的影響程度不同。

實驗條件為25F時，與傳導散熱相關的織物熱傳遞指標Qmax排序為A>C>B，與織物濕敏感度排序一致。而織物A和B的濕敏感度優于35NF，表明傳導散熱比蒸發散熱在提高濕感靈敏度方面占比更大。

實驗條件為25NF時，織物的差別閾值排序為B>C>A，此時結合織物的熱濕傳遞、機械性能指標排序，與35NF相比，傳導散熱的增加使得濕感覺辨別的靈敏度提高。與25F相比，織物的差別閾值排序相同，織物A的濕態Qmax最大，皮膚瞬間散熱量遠大于其他兩種織物，但是織物A的閾值變化不大，分析認為是由于織物A的浸濕時間最長，擴散速度最慢，因此易聚集液態水，覆膜前后濕傳遞的差異對其影響最小。此外，織物B的濕感覺閾值降低較大，其液態水分管理能力最佳，能保持皮膚與織物之間的干爽，而覆膜阻礙了其獨特的透濕速干性與單向傳遞能力，進而影響蒸發散熱能力。因此相較于25F條件，織物B在25NF條件下蒸發散熱和傳導散熱的同時存在提高了濕感靈敏度。

3結論

本文設計了雙臂動摩擦實驗，采用恒定刺激法探究了三種織物在兩種環境和織物覆膜條件下的濕感覺差異閾限和韋伯分數，分析了散熱機制與織物性能對差異閾限的影響，得到以下結論：

1） 織物溫度變化可表示為低于皮溫0 ℃或8 ℃的冷刺激，得到整體皮膚冷卻量為0～2.1 ℃，相應的整體皮膚冷卻率為0～0.21 ℃/s。

2） 散熱機制對皮膚冷卻率有顯著影響（p<0.05），蒸發散熱對皮膚溫度下降作用不明顯，主要依靠傳導散熱的存在。

3） 除了35 ℃不覆膜條件下Coolmax織物的韋伯分數為0.38，織物總體韋伯分數均小于0.34，濕感覺靈敏度較高。

4） 在傳導和蒸發散熱均不存在的條件下，無法獲得濕感覺差異閾限，此時織物的動摩擦系數是影響濕感覺評價的主要因素。傳導散熱和蒸發散熱的存在提高了織物的濕敏感度，且傳導散熱比蒸發散熱的作用更大。

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