基于碳納米管發熱面料的生理內褲設計研究

王斯琦,陶 金

(常熟理工學院 紡織服裝與設計學院,江蘇 常熟215500)

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

采用一種可溫控的輕薄防水型碳納米管發熱面料對女性生理內褲進行功能化設計,利用生理內褲通電后發熱實現對經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,形成人體無創性熱成像圖片,在此基礎上研究碳納米管發熱面料作用于小腹和腰骶部的熱敷性能,評價理療效果,并對內褲設計進行相應改良。

1 碳納米管纖維

碳納米管自1991年被IIJI MA[5]發現以來,在世界范圍內掀起了研究熱潮。作為一種碳材料的新同素異形體,碳納米管材料表現出極好的機械性能及多功能性能[6-9];作為導電材料,碳納米管可以改變聚合物復合材料的傳導性(導電性和導熱性)[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用在多個領域[11]。碳納米管材料可以被組裝成如纖維、薄膜、氣凝膠等多種結構。其中,碳納米管纖維是碳納米管材料重要的一維表現形式之一,不僅具有可與碳纖維等高性能纖維媲美的機械性能,還很好保持了碳納米管豐富的熱、電、場發射等功能[12]。碳納米管材料的應用推動了智能紡織品的發展,結合材料優異的熱學性能,將其嵌入到不同紡織結構中,可開發出具有電熱功能的紡織品[13]。

2 碳納米管發熱內褲初步設計及熱敷性能試驗

2.1 材料結構與性能

采用的碳納米管發熱面料為碳納米管薄膜/面料復合結構,薄膜面密度為5 g/m2,厚度為5μm,輕薄柔軟耐折彎。面料通過USB接電,具有優良的電控發熱性能,發熱溫度在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,可發射6~14μm的遠紅外波,具有健康加熱理療效能。此外,面料具備較好的導熱性能和防水性能,發熱均勻,熱能效率高,可通過手機APP實現智能控溫。發熱面料結構如圖1所示。

2.2 發熱內褲初步設計

2.2.1 設計依據及說明

基于女性生理期小腹及腰骶疼痛狀況,依據人體工程學理論設計了一款可充電碳納米管發熱內褲(圖2)。

圖1 碳納米管發熱面料溫控組件

圖2 碳納米管發熱內褲設計款式圖

圖2 中(1):小腹部位為痛經時主要疼痛區,經期或經行前后會反復出現小腹疼痛,嚴重者可導致昏厥[14],因此將主發熱片設計覆蓋于小腹區域,充分發揮熱敷理療效用。

圖2 中(2):經過多年臨床研究發現,痛經患者腰骶部會出現單個或數個陽性反應點,在腰骶部進行壓痛點刺激可實現疏通經絡氣血的效果[15]。在腰骶部設置發熱區,通過碳納米管面料熱敷及遠紅外波理療作用,利于疏通經絡氣血,有效緩解癥狀。

圖2 中(3):數據線外殼采用防水耐彎折材質,方便穿戴和清洗。

圖2 中(4):在穿戴使用發熱內褲過程中可根據自身狀況便捷調溫。

圖2 中(5):方便與充電裝置連接進行能源供應。

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

2.2.2 發熱內褲制作

依據設計款式圖,制作發熱內褲,實物圖如圖3所示。

圖3 發熱內褲實物穿著實物圖

3 發熱內褲熱敷性能試驗

3.1 試驗內容

(1)參考女性經期痛經程度評定[16],設定經期疼痛程度評定標準(表1),將志愿者經期疼痛程度分為:不痛經組、輕微痛經組、嚴重痛經組。志愿者選擇對象為來自常熟理工學院的18-24歲健康女大學生。其中不痛經組試驗對象有8名,輕微痛經試驗對象有11名,嚴重痛經組試驗對象有7名,經過統一定量篩選,每組選定6項試驗有效數據作為分析數據。

表1 痛經分度表

(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APP進行溫度調控(圖4),以5℃溫度差為一個測量等級,設置“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”、“43~47℃”、“47~52℃”5個溫度等級,每個等級設置2 min的預熱時間、5 min的功能體驗時間,采用紅外熱成像儀觀察碳納米管發熱內褲的熱量分布及變化。每組志愿者輪流穿著發熱內褲,依次進行5個溫度等級的穿著體驗,依據各溫度等級的體驗情況填寫功能評價表格,評價數據在一個溫度等級范圍內取平均值。

圖4 APP智能控溫

(3)對試驗效果進行評價分析,根據功能性評價意義差異五分法設定試驗評估表(表2),采用五級評價等級(0,1,2,3,4),以“一檔(28~32℃)”為例:0分=沒有效果,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 結果與分析

3.2.1 紅外熱像檢測

紅外熱成像技術是利用人體生物紅外輻射能,通過現代物理科學技術形成的人體無創性的熱成像技術[17]。利用紅外熱像儀可以清晰地呈現出物體表面熱量分布狀況,如圖5所示,為實驗者穿戴生理內褲時的熱量所在區域。紅外熱像儀只能檢測到物體表面溫度,由于生理內褲需要穿在衣物里面,否則表面易散熱,實際溫度受試驗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℃”溫度等級下小腹部熱量分布,圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)為對應溫度等級下腰骶部位熱量分布圖,其中腰骶部分在“38~42℃”等級下溫度較高,穿在人體上形成熱量擴散相連趨勢。

表2 功能性評價意義差異五分法

圖5 碳納米管發熱內褲熱成像圖(部分)

由圖5表明碳納米管發熱內褲對小腹和腰骶部位的發熱作用較為穩定,熱量分布較為集中。在不同溫度等級下溫度有較為明顯的變化,對小腹和腰骶部位作用比較精準,熱敷作用達到了預期效果。

3.2.2 穿戴評價

根據生理內褲功能性設計3個相關性評價為:舒適的、緩解疼痛的、方便的。以考察碳納米管發熱內褲對經期女性產生效果的一致性。該階段評價是通過試驗者穿戴功能內褲作用于人體的生理感覺來判斷碳納米管發熱內褲的功能性能。如圖6、圖7、圖8所示,受試人員在不同階段的發熱溫度下的生理評價。

如圖6所示,對于發熱內褲的舒適性評價,可以看出這3組人員在溫度上升到38~42℃時,舒適性評價趨勢明顯上升,而針對43~47℃和48~53℃的舒適性評價趨勢保持大體一致,不痛經和輕微疼痛組的舒適性略有下降,表明隨著溫度的提升,發熱內褲的體驗舒適性增加,嚴重痛經組的舒適性更依賴溫度的提升。

圖6 功能內褲舒適性評價

圖7 功能內褲緩解疼痛效果評價

如圖7所示,對于發熱內褲緩解疼痛效果評價,可以看出輕微痛經組在28~32℃時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,后溫度階段區域平穩。從不痛經組整體趨勢平穩上升,溫度愈高,評價愈高。嚴重痛經組功能性評價隨溫度升高較不穩定。說明功能內褲對輕微痛經組緩解疼痛效果最為明顯,對嚴重痛經組緩解痛經效果較低。嚴重痛經組單一熱敷理療熱敷作用有限,緩解痛經程度不穩定,需要其他設施理療配套共同緩解。

圖8 功能內褲方便性評價

如圖8所示,對于內褲方便性評價,可以明顯看出輕微痛經組隊功能性評價明顯高于其他兩組,隨著溫度升高評價升高并趨于穩定。方便性偏向個體主觀感覺,與舒適性和緩解疼痛效果相關,并易受其舒適性與緩解疼痛性效果影響。從不痛經組與嚴重痛經組評價總體一致,從不痛經組評價數據較平穩,嚴重痛經組評價起伏波動較大,較不穩定。說明發熱內褲功能對于輕微痛經組效果較為明顯,此類志愿者更傾向于選擇發熱內褲。從不痛經組與嚴重痛經組傾向較低,有較大改進空間。

結果表明,碳納米管發熱內褲對緩解女性生理期不適有較好功效,在此基礎上對發熱內褲結構款式進行改良可提高產品的適用性。

4 發熱內褲功能結構的設計優化

經過初步設計與測試,得到了碳納米管生理內褲穿著的基本數據。通過對女性生理期痛經部位和癥狀的調研分析,采取疼痛緩解程度和發熱程度為2個主要指標進行發熱內褲改良設計[18]。基于初步設計款式圖的不完善、試驗過程中遇到的穿戴問題以及試驗數據分析研究等因素,總結試驗人員穿戴不足評價如下:

(1)腰腹部由于功能區面積較大,內褲本身面料保留較少,腰腹部彈性降低。

(2)發熱面料與內褲面料結合區間由于兩者面料無彈與高彈的特性,粘合不緊密,產生的褶皺較多,影響舒適性。

(3)嚴重痛經組的熱敷理療效果較差。

(4)內褲整體缺乏美觀性,功能區之間的連接較為粗糙簡陋。

圖9 優化后碳納米管發熱內褲款式圖

根據試驗人員測量數據與主觀評價簡易將碳納米管發熱內褲款式進行優化改良,如圖9所示。

第一,針對不足(1)的改良:防水數據線采用嵌入式結構,將數據線隱藏在高彈針織松緊量內,可隨意調節腰圍尺寸大小;基于人體工程學角度和調研評價結果,適當增加高彈區面積。

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

第三,針對不足(3)的改良:對于嚴重痛經者,單一的熱敷理療效果對緩解較嚴重痛經效果不夠明顯,需要從面料功能方面進行針對性改進,提高對人體小腹、腰骶部位的理療作用強度;嚴重痛經者需采用必要醫療手段進行治療。

第四,針對不足(4)的改良:根據紅外熱成像數據分析熱量傳導的區域范圍,結合人體本身曲線將小腹與腰骶部加熱區由方形設計改為圓弧形設計,實現對痛經區的精準加熱,提高發熱功效;優化內褲臀下周部版型,調整大腿根部與臀部邊界曲線,使其可以適應不同體型的尺寸需求,提升穿著舒適性。

5 結語

針對經期女性小腹與腰骶部位疼痛的生理特點,采用新型碳納米管發熱面料對女性內褲進行功能性設計,對發熱內褲進行了穿戴試驗及感性評價,從人體工學、感性工學等角度研究發熱內褲的熱敷性能及理療效果,優化內褲功能結構。試驗結果表明,發熱內褲對疼痛部位的熱敷作用精準,對輕微痛經組的緩解效果最為明顯。對發熱內褲結構款式的優化主要包括三個方面:針對經期小腹與腰骶部分癥狀特征,將發熱作用范圍分為3個區域;發熱區形狀采用圓弧行設計,貼合人體曲線,確保發熱功效準確并充分作用于癥狀部位;此外,考慮到碳納米管發熱面料的無彈性與內褲面料高彈性的沖突,采用微彈棉布作為中間緩沖帶,提高熱敷穩定性和穿著舒適性,提升整體制作的可操作性。