人体脚部着鞋袜条件下热湿舒适性测试

满向东, 闫西宁

(1.武警后勤装备研究所,北京 102613;2.西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)

人体脚部是人体承重和活动的重要器官,对脚部的保护措施一直是人们研究的重要方面,鞋靴和袜子是人体保护脚部的关键要素.人类着装鞋袜的目的主要有两个:一是当脚部在与地面或坚硬物体接触时具有良好的力学舒适性能,二是保护脚部在不同温湿度环境时具有良好的热湿舒适性,因此着装鞋袜条件下脚部热湿舒适性研究是鞋靴和袜子设计的重要前提和组成部分.

热湿舒适性的研究始于20世纪60年代,姚穆等[1]建立了环境——服装——人体之间的热湿舒适性模型.在鞋袜热湿舒适性研究方面,Langmaier F[2]测试获得了脚部皮肤表面舒适温度模型,并研究了不同的鞋帮材料在鞋内产生的相对湿度和温度的关系.王妮[3-5]对军用鞋材的吸湿放湿性能进行了对比研究.梁高勇等[6-8]从重量、稳定性、合脚性、鞋底的弹性与缓冲性、鞋底的防滑性、鞋帮的透气透湿性、防污性、抗菌性等多个方面测试分析鞋的穿着舒适性.此外还有许多研究开发出各种鞋材和进行鞋靴结构设计来改善鞋靴穿着的热湿舒适性[9-11].

本文搭建动态的温度和湿度测试系统,通过测试人体运动过程中环境——鞋袜——脚部系统中的相关参数,对人体脚部在着鞋袜条件下进行热湿舒适性评价.

1 实 验

1.1 仪器

测试系统主要由微气候室、运动系统(包括运动平台和受试人员)、数据采集和处理系统组成.微气候室的构成为面积15m2的室内空间,可进行温度和湿度调控,其中调温精度±1℃,调湿精度±5%,空气流速0.3m/s.运动系统由运动平台Tempo T921电动跑步设备,受试人员的运动速度调控范围:1.5～13Km/h.数据采集和处理系统包括2个湿度传感数据记录仪器(RH1和RH2),量程为0～100%,测试精度±4.5%,测温精度±0.5℃;6个表面热电偶(T1,T2,T3,T4,T5,T6),量程为-200℃～300℃,响应时间1ms;2个温湿度变送器以及补偿导线、数据记录仪、计算机、直流电源等,数据采集和处理系统构成如图1所示.

1.2 材料和受试人员

材料选用布面橡胶底的运动鞋和尼龙袜、汉麻袜、棉袜等,其中3种袜子的面密度为15g,汉麻袜为棉/汉麻混纺纱制成,汉麻含量为25%.

图1 数据采集和处理系统构成原理图

选择4名男性为受试人员,其基本参数见表1.

表1 受试人员基本参数

1.3 测试方案和指标

(1) 环境条件确定 根据中国气象科学数据共享服务网所提供的我国各省5月～7月的累年月平均气温在20℃～30℃之间,累年月平均相对湿度在50%～90%之间.将温度分别设定在20℃,25℃,30℃,相对湿度设定为70%.

(2) 活动状态、运动量的确定 测试过程分3个阶段.第一阶段按规定穿好鞋袜后静坐30min(模拟日常生活和办公状态),第二阶段以5Km/h步行或9Km/h跑步(模拟运动或体能训练状态),第三阶段静坐休息.

(3) 测试方法 分别将湿度传感器RH1和温度传感器T1固定于脚底第一根脚趾与第二根脚趾之间;湿度传感器RH2和温度传感器T2在脚心;温度传感器T3在脚底第5根脚趾根部与脚掌连接处;温度传感器T4在第2,4根脚趾之间正上方处;温度传感器T5在脚背中心处;温度传感器T6在脚后跟内侧处.所有传感器均固定于袜子的外表面.

(4) 测试指标 根据热湿舒适性研究,人体热湿舒适性的表征指标众多,但从人体生理特征角度来讲,采用皮肤表面微气候区中的温度和相对湿度进行表征则更为直接和方便.文中分别采用脚部各测试点的起始相对湿度和温度,测试过程中相对湿度和温度从开始上升至最大值的增量斜率以及从最大值下降至平衡时的减量斜率进行度量和分析.

2 结果与讨论

2.1 一次运动鞋内温湿度变化规律

图2为4名男性分别穿棉/汉麻混纺袜和运动鞋,在静止30min、步行30min,之后再静止休息180min时鞋内各测试点实时监测的平均结果.可以看出,鞋内人脚各部分的湿度和温度随着时间以及运动状态的不同而变化.在测试时间内,鞋内各部位的相对湿度随着时间和运动量的增加而增大,最终达到饱和状态.对于脚部各测试点的温度值来讲,呈现出各阶段不同规律的表现.在刚穿着鞋的静止阶段,各测试点的温度有一个较为缓慢的增大；在步行阶段,各测试点的温度出现快速升温；停止运动休息时,各测试点温度值则下降.从各测试点湿度和温度的变化情况来看,各测试点湿度、温度的变化规律基本相同,均表现出指数上升规律,但具体变化量值有所不同.对于脚部各温度测试点的温度值来讲,各点的起始温度差异较大,具体表现为脚中部温度值较高,脚趾和脚跟部位的温度值相对较低;但运动后,脚各部的温度均有上升,各部位的温差变小,接近体表温度35℃左右;停止运动后,脚各部的温度下降,恢复到初始状态.对于相对湿度测试值来讲,脚心处的相对湿度明显高于脚趾处的相对湿度,并且脚心处的湿度在运动开始后很快达到100%,而脚趾处的湿度开始30min后上升较快,但在步行开始后,其湿度上升较慢,这主要是在脚心处的汗腺分布密度较大,出汗量较多的缘故.

2.2 多次运动鞋内温湿度变化规律

图3为在25℃,70%相对湿度环境条件下,240min内完成2次循环运动条件下鞋内温湿度变化规律.从图3中可以看出鞋内相对湿度和温度的变化规律有所不同.在第一次运动过程中,鞋内各测试点的相对湿度上升,达到或接近饱和状态,之后在饱和状态下稳定维持较长时间不变.对于各测试点的温度来讲,随着运动开始,脚温度上升,休息过程,则温度下降,在多次运动过程中,表现为上升—下降波动变化规律.

图2 不同运动状态下鞋内温湿度变化曲线 图3 2次循环运动下鞋内温湿度变化曲线

表2 脚部各测试点相对湿度的增量斜率

2.3 不同材料袜子对鞋内温湿度变化规律的影响

在20℃,25℃,30℃,70%相对湿度的环境条件下,分别穿着汉麻/棉混纺袜、纯棉袜、尼龙袜进行测试,采用运动过程中脚部各测试点相对湿度的增量斜率表征相对湿度变化速率情况,测试计算结果如表2所示.采用运动过程中脚部各测试点温度上升曲线的斜率(即增量斜率)表征脚部温升变化速率和休息过程中脚部各测试点温度下降曲线的斜率(即减量斜率)表征脚部散热变化速率情况,测试计算结果如表3～4所示.

表3 脚部各测试点温度的增量斜率

注:由于T3测头损坏,故没有相应的测试数据.

表4 脚部各测试点温度的减量斜率

注:由于T3测头损坏,故没有相应的测试数据.

表2测试数据表明,穿着不同纤维材料袜子对鞋内脚部热湿舒适性存在一定程度的影响.穿着纤维素纤维袜子人体脚部相对湿度上升较慢,特别在高温时,汉麻/棉纤维混纺袜子对缓和脚部湿度上升具有较为明显的效果,这与纤维素纤维具有较好的吸湿性能,从而缓和鞋内湿度增加的速率有关.从表3测试数据可以看出,运动时穿着不同材质的袜子对脚部的温升影响不大.但从表4测试数据可以看出,运动后休息时,脚部的降温速率有所不同,特别在高温时,尼龙袜的脚部降温速率明显大于纤维素袜子.

3 结 论

(1) 所研制的人体脚部热湿舒适性测试装置能够满足人体在静止、运动条件下的相关舒适性能的测试和评价.

(2) 人体在穿着鞋袜后,无论是休息静止还是运动,鞋内脚部的相对湿度和温度均会变化,达到一个新的平衡状态;相对湿度和温度的变化规律呈现指数规律特征.

(3) 穿着不同纤维材料袜子对鞋内脚部的热湿舒适性有一定影响.相对于化纤袜子，纤维素纤维袜子具有较好的湿度缓和作用.

参考文献：

[1] 姚穆,施楣梧,蒋素婵.织物湿传导理论与实际的研究[J]. 西北纺织工学院学报,2001,15(2):1-23.

[2] LANGMAIER F.The health and comfort properties of shoe upper materials[J]. American shoemaking,1979,332(1):12-16.

[3] 王妮,张燕.军用鞋材的的吸湿防湿性能测试分析[J].中国个体防护装备,2001(2):25-30.

[4] 邓富泉.鞋类的热湿舒适性研究[D].西安：陕西科技大学,2006:2-40.

[5] 田美,丁志文,刘小林,等.利用单向导湿技术提高鞋类舒适性的研究[J].中国皮革,2006(9):119-121.

[6] 梁高勇,陈绮梅,张建春,等.新式作训鞋的穿着舒适性分析[J].中国皮革,2004(4):137-139.

[7] 章献忠.鞋类舒适性研究[J]. 西部皮革,2010,32(10):27-31.

[8] 弓太生,金鑫.湿传导与鞋的穿用舒适性[J].中国皮革,2003(9):122-124.

[9] 韩亚东,揭伟.热塑性橡胶(TPR)鞋材的生产及应用[J].制鞋科技, 1997(2): 16-17,24.

[10] 冷梦春,姚云鹤.现代鞋用材料的再设计[J].皮革科学与工程, 2010(1): 61-63, 67.

[11] 谢美燕,张建兴,刘正贵.中国制鞋材料的现状与发展趋势[J].西部皮革,2006,28(6):37-38.