熱風干燥式鞋盒中運動鞋干燥性能表征與分析

趙宇歌 沈雨生 何義平 劉純一 周立亞 丁雪梅 吳雄英

摘 要：運動鞋日常護理中需要干燥，通常是采用熱風干燥式鞋護理產品進行。然而，目前熱風干燥式鞋護理產品對運動鞋干燥規律的研究仍是空白，行業內也缺乏量化評價鞋護理產品干燥性能的方法，很難為生產廠商提供參數設置的理論指導。本文研究了運動鞋干燥測試方法，選用3種有代表性的運動鞋（跑鞋、籃球鞋和老爹鞋）在不同溫度和風量條件下測試鞋盒環境和鞋腔內的溫濕度變化，以探討各因素對運動鞋干燥的影響作用。結果表明：鞋盒環境溫度和熱風風量增大會提高干燥驅動力，但當鞋盒環境溫度在36℃以上提升時，鞋腔內和鞋盒環境的相對濕度并沒有顯著降低；當熱風風量為116.64 m3/s時，鞋盒環境溫度的升高對于相對濕度降低的影響減小；對于籃球鞋和老爹鞋，干燥時間受風量的影響遠大于鞋盒環境溫度的影響；對于跑鞋，鞋盒環境溫度和風量共同影響干燥時間。

關鍵詞：干燥；運動鞋；溫濕度；風量；瞬時含水率

中圖分類號：TM925.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）04-0227-09

收稿日期：2022－07－18

網絡出版日期：2022－12－07

基金項目：中央高校基本科研業務費專項基金項目（2232022G-08）

作者簡介：趙宇歌（1998— ），女，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性與功能服裝方面的研究。

通信作者：丁雪梅，E-mail： fddingxm@dhu.edu.cn

近年來中國運動鞋行業保持快速發展，根據Euromonitor統計數據［1］顯示，2019年中國運動鞋行業市場規模已經達到了1830億美元，2014—2019年年均復合增速為20.6%。根據《2022—2027年中國運動鞋行業產銷需求與投資預測分析報告》［2］，全球運動鞋市場規模到2025年將達到3791億美元左右，運動鞋市場規模進一步擴大。然而，運動鞋在日常穿著中由于運動出汗會產生潮濕、異味等問題，影響穿著舒適度的同時，會對人腳功能和健康產生不利影響［3］，因此，運動鞋在日常護理中需要進行干燥。

干燥是通過物料內水分擴散和物料表面蒸發方式來去除潮濕物料的水分，并將其含水量降低到所需水平，從而干燥物體［4］。干燥作為人類生活中最廣泛存在的一個復雜熱物理過程，是應用于化工、食品、農業、輕工、建筑、煤炭、紡織和木材等各領域的重要工序［5］。魏禹同［6］研究了核桃層中溫度、濕度、

壓力及風速隨干燥時間的變化規律；于昕辰［7］研究了干衣機滾筒轉動產生的織物運動及其對干燥特性及烘干效果的影響；包偉［8］探究了干衣機中織物溫度、含水率以及機械作用對羊毛織物尺寸收縮的影響規律以及原因，并進行機理解釋。然而，當前對運動鞋潤濕狀態下整鞋的干燥過程的研究仍是空白，大多聚焦于運動鞋穿用過程中熱濕舒適性研究［9-12］。整鞋干燥過程研究區別于面料或衣物的干燥過程，因為鞋是立體結構且整體形狀穩定性好，而面料或衣物可形變量大。此外，運動鞋在結構、造型和材料構成的差異會對運動鞋干燥性能產生較大影響。

綜上所述，市面上鞋護理產品類型多樣，但缺乏對其干燥性能的評價標準，對溫濕度等關鍵參數設計也缺少理論支持。因此，本文通過運動鞋整鞋干燥性能測試，探究溫濕度和風量對不同種類運動鞋干燥的影響規律，為后續鞋護理產品開發提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料和設備

1.1.1 實驗材料

選擇國內某著名運動品牌的三款典型運動鞋作為研究對象，包括跑鞋、籃球鞋、老爹鞋，每款3雙，材料規格信息如表1所示。實驗前將鞋子置于恒溫恒濕室標準大氣條件下，即溫度（20±2）℃，相對濕度（65±5）%，調濕平衡20 h以上。

1.2.2 實驗設備

實驗設備為某品牌熱風式可調溫的堆疊式護理鞋盒，加熱片最高調節溫度為57℃；測試儀器為ETA1006T溫度傳感器（精度為±0.5℃，埃用儀器（蘇州）有限公司）；TP1305-5000濕度傳感器（精度為±3% RH，深圳特美意電子貿易有限公司）；TP700多通路顯示儀（深圳市拓普瑞電子有限公司）；YP502N電子天平（精度為0.01 g，最大量程為1 kg，上海精科天美科學儀器有限公司）；Model 6006-0C加野Kanomax風速儀（精度為±3% m/s，沈陽加野科學儀器有限公司）。圖1為熱風干燥鞋盒測控平臺結構示意圖，其中風從鞋盒左下側流入經鼓風機和加熱片從右側由下至上流經每層鞋盒后從左下側排出。

1.2 運動鞋干燥性能測試方法

參照標準ISO 18454：2018《鞋類.鞋和鞋部件的調氣和試驗的標準大氣環境》，實驗環境溫度為標準大氣條件，即溫度（20±2）℃，相對濕度（65±5）%。

a）樣品加濕：以水替代汗液作為加濕液體，使用細噴壺在前腳掌部、鞋舌內側、后腳跟和腳踝包裹位置出汗顯著區域對鞋子內部均勻加濕，以模擬實際穿著情況，加水量按照運動出汗模擬確定運動鞋加濕量［13］，籃球鞋和老爹鞋吸收水量為10 g，跑鞋吸收水量為6 g。

b）運動鞋的放置：運動鞋居中放置于鞋盒，不與鞋盒側壁接觸，鞋帶保持正常放量，即可以不解開鞋帶實現正常穿脫。

c）鞋盒環境和鞋腔內環境溫濕度測量：如圖1所示，在第1、3、5層各設置鞋腔內和鞋盒環境兩個測試點。鞋腔內測試點使用支架將溫度和濕度傳感器懸空于在每層鞋腔內中部位置；護理鞋盒環境測試點將溫度和濕度傳感器懸空放置于護理鞋盒內環境。

d）風量的測量：使用風速儀測量第1、3、5層入風口處的風速（V），分別為3.24、2.08 m/s和0.66 m/s，風口面積（F）約為0.01 m2，根據風量公式：L=3600×F×V計算第1層、第3層和第5層風口處的風量，結果如表2所示。

e）運動鞋含水率測量：使用精密天平稱量運動鞋加濕前在標準大氣環境下平衡的重量（G0），并記錄各層運動鞋在各時間節點的重量（G），根據公式：

M/%=G-G0G0×100計算瞬時含水率。根據課題組前期研究［14］，當瞬時含水率（M）達到0.5%時認為鞋子已經干燥，終止實驗。

1.3 實驗方案

選取45、50℃和55℃ 3個電熱片加熱設置溫度水平探究溫濕度對運動鞋干燥規律的影響；通過測定第1、3、5層的溫度和濕度和鞋子干燥時間，比較風量對運動鞋干燥規律的影響；采用的3種不同款式的運動鞋（籃球鞋、跑鞋、老爹鞋）來反映不同鞋材及結構之間干燥規律的差異。實驗方案如表2所示。

2 結果與分析

2.1 溫度和風量對運動鞋干燥規律的影響

2.1.1 溫度對運動鞋干燥規律的影響

以籃球鞋在護理鞋盒環境和鞋腔內溫濕度變化為例探究溫濕度對運動鞋干燥規律的影響，測試結果如圖2所示。圖2中可見，當加熱片加熱時，鞋盒環境溫度先升高，后基本穩定；鞋腔內溫度與鞋盒環境溫度變化趨勢基本相同。對于相同的鞋盒層（也即風量一定），隨著鞋盒環境溫度升高，籃球鞋達到穩定溫度的時間變短。這是因為經加熱片加熱后的烘干氣流攜帶的能量越高，傳遞給織物的能量越多。當氣流流經鞋子表面時，其表面溫度的上升速度越快，鞋子的升溫階段時間越短，隨后鞋子迅速進入烘干的主要階段（恒速烘干階段）。

在C6、C8、C9條件下（分別見圖2（f）、圖2（h）和圖2（i）），鞋腔內溫度最終高于鞋盒環境溫度。這主要是由于相對濕度大小對溫度變化產生了影響。研究表明［14］相對濕度越大，物料升溫速率越快，且能達到的溫度越高。在C6、C8、C9條件下，鞋腔內初始相對濕度均大于90%（C8、C9條件下鞋腔內初始相對濕度接近100%），鞋材升溫快，在相同時間內溫度上升的高，最終鞋腔內溫度大于鞋盒環境溫度。另外研究發現，比較C7與C6，C7設置溫度雖然較高，但由于是最頂層（第5層），因而鞋盒環境及鞋腔內溫濕度都比C6大。

此外，溫度會影響鞋盒環境中的濕度變化進而影響鞋腔內相對濕度，鞋盒環境相對濕度先快速下降，后趨于穩定。在中等風量的條件下（見圖2（b）、圖2（e）和圖2（h）），鞋盒環境溫度穩定在32℃時，其相對濕度穩定在30%左右，鞋腔內相對濕度勻速下降，最終到達70%左右；而鞋盒環境溫度穩定在36℃時，其相對濕度穩定在25%左右，鞋腔內相對濕度與鞋盒環境相對濕度變化趨勢一致，先快速下降，后趨于平緩，穩定在40%左右。加熱氣流通過熱傳遞和對流方式加熱護理鞋盒環境中空氣，當鞋盒環境溫度升高到36℃時，鞋盒環境容納濕氣的能力增強，相對濕度顯著降低，形成溫度及濕度差，鞋材表面水分蒸發，干燥介質和物料表面的水蒸氣分壓差增大，干燥推動力增強，促進水分蒸發，干燥效率提高［15］。

從圖3可以看出，當干燥時間一定時，加熱片設置溫度越高，其終點的瞬時含水率越低。這是因為恒速階段的織物表面溫度越高，越有利于織物表面水分的蒸發，此階段的失水速率越大，恒速階段維持的時間越短，故達到目標含水率的總烘干時間會進一步縮短［16］。由此可見，溫度升高會提高干燥驅動力。但是，設置溫度由50℃提升至55℃時，對其恒速階段的失水速率影響不大（50℃和55℃瞬時含水率曲線斜率幾乎一致）。結合圖2（f）和圖2（i），當鞋盒環境溫度由36℃提升至38℃時，鞋腔內和鞋盒環境的相對濕度并沒有顯著降低，這說明通過增加加熱片溫度來提高運動鞋失水速率的方法是有限的。在烘干過程中，織物會出現溫度梯度對濕分傳輸的耦合作用（索瑞效應）明顯大于濕度梯度對熱量傳輸的耦合作用，導致濕分沿著溫度梯度由外向內遷移而不是由內向外遷移，水分遷移動力降低［5］。從圖3還可以看出，烘干溫度與烘干時間成反比例關系。實際上，Higgins等［17］和Wu等［18］關于滾筒干衣機內烘干溫度對織物中水分蒸發的研究也有類似的結論。

2.1.2 風量對運動鞋干燥規律的影響

在圖2中，每個橫行三張圖片從左至右比較（加熱片設置溫度相同），隨著風量從23.76 m3/s至74.88 m3/ s再到116.64 m3/s的增加，鞋盒環境溫度和鞋腔內溫度曲線斜率逐漸增大。這是因為大風量能形成強制對流，籃球鞋表面強制對流的空氣可除去飽和水蒸氣，還有部分空氣通過鞋面織物內部的各級孔隙結構進入鞋腔，帶走內部水氣，并使鞋腔內溫度升高；而風量較小時，以自然對流為主，僅帶走表層的水氣。

從相對濕度變化角度看，風量越大，鞋盒環境和鞋腔內相對濕度下降速度越快。在C1、C4和C7條件下（分別見圖2（a）、圖2（d）和圖2（g）），鞋腔內相對濕度均保持在80%以上的高點，這是因為烘干氣流滯留時間過長，干燥氣流的含水率過高，限制了織物內水分向空氣中遷移的動力。小風量不能為水分去除提供足夠的驅動力，無法快速實現濕氣與鞋盒環境的交換，不能利用鞋腔環境與鞋表層之間的溫度、濕度差提供干燥推動力。而當風量足夠大時，鞋盒環境溫度的持續升高對于相對濕度降低的影響減小，如圖2（f）和圖2（i），終點鞋盒環境溫度從34℃上升到38℃，鞋盒環境和鞋腔內相對濕度值近似一致。

從圖4可以看出，籃球鞋在相同干燥時間時，風量越大瞬時含水率越小。這是由于干燥氣流的體積流量越大，單位時間除濕量越大，傳熱效率越高，干燥速率越高。

2.1.3 增加導流導管的優化設計

根據前面運動鞋干燥規律的分析，當設置溫度和風量不變時，可以通過導流導管設計，提高干燥效率。圖5為有無導管設計的干燥原理對比圖。實驗發現，有導流導管設計的各層鞋腔內升溫速率均快于無導管，導流導管設計鞋腔內溫度均提升5℃以上。

根據圖6，在設置溫度為50℃時，有導流導管對比無導管設計，籃球鞋的干燥時間第5層節省54%，第3層節約52%，第1層節約16%。導流導管設計能夠合理兼顧鞋前端、鞋底及鞋跟包裹等處，干燥后無液態水。

2.2 不同類型運動鞋的干燥規律

在鞋盒環境相同的條件下，不同類型運動鞋鞋腔內的溫度和濕度有較大差異，3款運動鞋在各個條件下鞋腔內溫濕度變化如圖7所示。

大多數條件下，籃球鞋腔內相對濕度先勻速下降，后趨于穩定。在風量為116.64 m3/s的條件下（見圖7（c）、圖7（f）和圖7（i）），籃球鞋鞋腔內相對濕度在100 min左右出現快速下降點。結合溫度變化曲線，在升溫開始時大部分熱量被用于鞋表層的

大量游離自由水的升溫，隨后鞋材內部的液相毛細水通過孔隙芯吸、滲透和擴散補充到表層繼續蒸發，相對濕度逐漸降低。持續烘干，當含水量很小時，熱風的熱量多用于材料溫度上升，較少用于蒸發水分，所以鞋腔內相對濕度穩定。此外，籃球鞋為保護腳踝，除了采用硬質熱塑性聚氨酯橡膠進行支撐，其鞋幫結構前高后低，鞋口更小，會形成一個更為封閉內腔，熱量在此聚集，因此籃球鞋鞋腔內溫度高于跑鞋和老爹鞋。

在大多數情況下，跑鞋鞋腔內溫度在3種運動鞋中最低，隨著烘干時間的增加，跑鞋鞋腔內溫度超過老爹鞋，仍低于籃球鞋；其鞋腔內相對濕度曲線斜率也逐漸變大，相對濕度下降得越來越快。本課題選用跑鞋鞋面為紗架賈卡材料，該面料質輕且薄且在鞋面覆蓋的面積最大，造成鞋面整體孔隙大，熱量很難匯聚在鞋腔內。老爹鞋鞋面厚實，其吸收的熱量大多用于自身材料的升溫，所以鞋腔內升溫較慢。而隨著溫度升高，熱量累積，水分蒸發，跑鞋整體透氣透濕性好，更有利于水分傳遞到環境，故鞋腔內相對濕度快速下降。

除C8條件外（見圖7（h）），老爹鞋鞋腔內相對濕度都處于95%以上的高濕狀態，這因為老爹鞋鞋面由較厚紡織品與合成革拼接而成，透氣透濕性較差，濕氣集中在相對封閉的環境內。即使此時老爹鞋鞋腔內溫度在某些條件下比籃球鞋和跑鞋高，但其烘干效率卻低。纖維的導熱系數遠低于空氣的導熱系數，織物越厚，其傳導熱量的能力越差，越不利于烘干。根據實驗結果，老爹鞋在3個溫度水平下達到最終目標含水率的時間約是籃球鞋和跑鞋的2倍。

2.3 溫度和風量對不同類型運動鞋干燥時間的影響差異

使用JMP軟件分別構建籃球鞋、跑鞋和老爹鞋的溫度、風量和干燥時間的回歸模型，各性能指標見表3。根據表3，3種運動鞋使用最小二乘法擬合的回歸模型R2接近1，統計顯著性P值均小于0.05，擬合回歸效果好。

籃球鞋、跑鞋和老爹鞋干燥時間效應篩選結果見表4，表4中風量用w表示，溫度用t表示。由表4可知，影響籃球鞋烘干時間的顯著性因素及其效應排序為風量最大，其次是風量的自交互項，最后是溫度。由表中參數估計值可知，干燥時間隨著風量和溫度的提高而減小。風量對籃球鞋干燥時間的影響存在最優值，當風量為74.93 m3/s、環境溫度為33.07℃時，籃球鞋干燥時間為141.84 min，烘干效率最高。

影響跑鞋烘干時間的顯著性因素及其效應排序為風量最大，其次是溫度，最后是風量和溫度的交互項。在跑鞋的干燥過程中，環境溫度和風量對于影響干燥時間的影響存在交互作用，風量的影響更大。跑鞋鞋面面料輕薄，具有很強的疏水性，水僅在其表面附著，此外跑鞋的低幫結構也易于濕氣擴散，因此僅通過升溫就能將一部分水傳遞到環境。跑鞋最優的風量為74.93 m3/s，溫度為32.50℃，干燥時間為99.28 min。

影響老爹鞋烘干時間的顯著性因素及其效應排序為風量最大，其次是風量的自交互項。老爹鞋采

用密封性較好的皮革與織物的拼接鞋面，鞋舌、后跟襯墊和鞋口內置的泡棉等吸水性強的較厚鞋材，造成老爹鞋透水性差，不利于鞋中濕氣與外界環境交換，需要足夠大的風量提供干燥驅動力，溫度高低不對其干燥時間造成影響。風量對老爹鞋干燥時間的影響存在最優值，最優干燥風量為74.93 m3/s，干燥時間為208.68 min。

3 結 論

本研究通過實驗確定了整鞋干燥性能的測試方法，采用3款運動鞋在不同溫濕度和風量的條件下，

測定溫濕度變化，計算瞬時含水率，并繪制干燥曲線，得到主要結論如下：

a）鞋盒環境溫度升高和熱風風量增大會提高干燥驅動力。溫度越高，熱風風量越大，鞋盒環境和鞋腔內溫度曲線斜率越大，鞋盒環境和鞋腔內相對濕度下降速度越快。

b）當鞋盒環境溫度在36℃以上再提升時，鞋腔內和鞋盒環境的相對濕度并沒有顯著降低；當風量達到116.64 m3/s時，鞋盒環境溫度升高對于相對濕度降低的影響減小，僅通過升溫或增大熱風風量來提高運動鞋失水速率的方法是有限的。

c）受運動鞋材質和結構的影響，對于籃球鞋，干燥時間受風量的影響遠大于鞋盒環境溫度的影響；跑鞋面料輕薄，鞋盒環境溫度和風量對于干燥時間的影響存在交互作用，其受環境溫度的影響大于籃球鞋和老爹鞋；老爹鞋面料厚實，密閉性好，需要足夠大的風量提供干燥驅動力，溫度不對其干燥時間造成影響，干燥時間僅受風量的影響。護理鞋盒生產廠商應針對不同類型運動鞋設置不同的烘干程序，以提升干燥效率。

d）導流導管作為護理鞋盒存放層出風口的優化設計，鞋腔內和護理鞋盒環境升溫快且到達溫度高，相對濕度下降得更快且下降得更低，有導流導管對比無導管設計能有效縮短鞋子的干燥時間。

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Characterization and analysis of drying performance of athletic shoes in hot air drying shoe box

ZHAO Yuge1， SHEN Yusheng1， HE Yiping2， LIU Chunyi2， ZHOU Liya1， DING Xuemei1， WU Xiongying3

（1a.College of Fashion and Design; 1b. Key Laboratory of Clothing Design and Technology， the Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China;? 2.Wuxi Little Swan Electric Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China;

3.Shanghai Customs District， Shanghai 200135， China）

Abstract：

In recent years， China's sports shoes industry has maintained rapid development. In 2019， the market size of China's sports shoes industry reached 183 billion dollars， and the average annual compound growth rate from 2014 to 2019 was 20.6%. During daily wearing， sports shoes will produce moisture， odor and other problems due to sweating， which will not only affect the wearing comfort， but also adversely affect the function and health of human feet. Therefore， sports shoes need to be dried in daily care. Because the shoe is of three-dimensional structure with good overall shape stability， and the deformable variable of fabric or clothing is large， the research on the drying process of the whole shoe is different from that of fabric or clothing. In addition， the difference in structure， shape and material composition of sports shoes will have a great impact on the drying performance of sports shoes.

We aim to explore the influence of temperature， humidity and air volume on the drying of different types of sports shoes， so as to fill in the blank of quantitative evaluation of the drying performance of shoe care products. Firstly， the drying test method of sports shoes was studied. Three representative sports shoes （running shoes， basketball shoes and clunky sneakers） were selected， and the significant sweating area of sports shoes was humidified according to the sports sweating simulation， and the experiment was terminated when the instantaneous moisture content （M） reached 0.5%. Then， the temperature and humidity changes of shoe box environment and shoe cavity were tested under different temperatures and air volume conditions to explore the impact of temperature and air volume on the drying of sports shoes. According to the experimental results， the optimal design of adding guide tubes was proposed. On this basis， the drying laws of different types of sports shoes were analyzed， and the effects of temperature and air volume on the drying time of different types of sports shoes were discussed. The results show that the drying driving force increases with the increase of the ambient temperature of the shoe box and the hot air volume， but when the ambient temperature of the shoe box increases above 36℃， the relative humidity in the shoe cavity and the shoe box environment does not decrease significantly. When the hot air volume is 116.64 m3/s， the increase of the shoe box environment temperature has less influence on the reduction of the relative humidity. For basketball shoes and clunky sneakers， the drying time is more affected by the air volume than the ambient temperature of the shoe box. For running shoes， the drying time is affected by the ambient temperature and air volume of the shoe box.

There are various types of shoe care products on the market， but there is still a lack of evaluation standards for their drying performance and a lack of theoretical support for the design of key parameters such as temperature and humidity. The results of this study can provide a theoretical basis and reference for appliance companies in the design of care shoe box parameters and product design， to comprehensively achieve the goal of shortening the drying time of care shoe boxes and to provide differentiated drying parameter settings for different types of sports shoes.

Keywords：

drying; sports shoes; temperature and humidity; air volume; instantaneous moisture content