利用蒸发冷凝法模拟皮肤出汗的探讨

王革辉 潘文琦

摘 要：提出利用蒸发冷凝法模拟皮肤出汗，通过控制蒸发冷凝时间来控制“出汗量”。研究发现，在一定蒸发冷凝时间范围内，模拟皮肤上的“出汗量”随蒸发冷凝时间的增加而线性增加；当水浴温度为70℃时，模拟皮肤的“出汗量”（g）与蒸发冷凝时间（min）之间的定量关系为：y=0.08+0.09*x；与喷水法相比，采用蒸发冷凝法得到的“出汗量”更稳定，操作更简便，且模拟皮肤出汗更均匀。

关键词：蒸发冷凝法；模拟皮肤；出汗量

中图分类号：TS941.16 文献标识码：B 文章编号：1674-2346（2018）03-0019-06

1 前言

服裝的热湿舒适性对于夏季服装和贴身服装，以及田径、球类等的训练服和比赛服而言是非常重要的。人体产生的热量和水分的散失是通过服装材料和衣下空气层（服装与皮肤的间隙）进行的。在夏季或人体活动水平较高时，如果人体产生的热量不能及时散失就会导致人体非感知出汗的增加或出显汗，这时，有些服装面料更容易粘贴皮肤，使得服装与皮肤的间隙降低或消失，从而明显地阻碍热量和湿气的散失，造成因服装产生的闷热感，从而显著降低服装的热湿舒适性。[1-3]同时，服装面料粘贴皮肤会增大服装面料与皮肤间的摩擦力，阻碍人体的运动，显著降低服装的运动舒适性。

人们对服装和织物的热湿舒适性已进行了大量研究，但关于因皮肤出汗而导致服装面料粘贴皮肤或织物与出汗皮肤间的摩擦力的研究很少。Gwosdow等人[4]从织物触感舒适性的角度较早研究了在环境温湿度从适中（舒适的）、干热、湿热和回到适中的变化过程中，精纺毛织物、起绒棉布、棉布、丝绸、亚麻布和粗麻布6种织物与前臂皮肤间的摩擦力的变化，发现织物与前臂皮肤之间的摩擦力与前臂皮肤的润湿程度成正相关关系，皮肤表面的水分增大了织物与皮肤间的摩擦力，导致织物粗糙感的增加和在热环境中服装穿着满意度的降低。Kenins[5]在20℃、50%RH环境下，将7种羊毛机织物分别与干湿状态的手指肚、前臂皮肤间的摩擦力进行了测试研究，发现：润湿皮肤后羊毛机织物与前臂皮肤间的摩擦力激剧地增大了，而与手指肚间的摩擦力影响不大。因此认为基于手感的穿着舒适性的预测可能不可靠。Kenins[5]还分别在20℃、10%RH和20℃、90%RH 两种环境下，将2种涤纶织物、3种毛织物、1种棉织物和1种丝织物与前臂皮肤间的摩擦力进行了测试研究，发现环境湿度的增大在一定程度上增大了织物与皮肤间的摩擦力，但增大的程度远不及润湿皮肤时增大的程度。王旭[6]通过将织物浸湿再悬挂晾置到不同的含水率后测试不同润湿程度的织物与前臂肤间的摩擦力，发现湿态条件下织物和皮肤间的摩擦力约为干态条件下的3倍；织造密度较大，纱线较细，布面细腻光洁的织物与皮肤间的摩擦力普遍较大。Gerhardt等人[7]采用三轴石英力板测试了1种医用织物与11名女性、11名男性前臂皮肤间的摩擦力，发现完全润湿织物与皮肤间的摩擦系数是干态织物的2倍以上，而且女性皮肤的摩擦系数对水分更敏感，当皮肤含水量从非常干燥变到正常湿润时，女性前臂皮肤的摩擦系数增大43%，男性前臂皮肤的摩擦系数增大26%。张宇轩等人[8]从摩擦对人体皮肤损伤的角度，采用UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损测试仪（Bruker公司，美国）研究了5种迷彩服面料与干湿状态的前臂外侧皮肤的摩擦行为，发现在法向载荷为1N时，织物与湿态皮肤的摩擦系数均高于织物与干态皮肤的摩擦系数；当法向载荷增加到5N时，皮肤的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响。

上述关于织物和皮肤间摩擦的研究都是在对织物施加一定正压力条件下进行的，与人体出汗时服装织物与皮肤的接触状态有一定的差异，而且没有深入探讨皮肤出汗量的大小对织物与皮肤间的摩擦力的影响。郝晴晴和王革辉[9]通过搭建辅助装置和在硅橡胶模拟皮肤上喷水的方式，利用Instron万能试验机对纯棉细布、亚麻细布、棉缎、涤纶乔其纱和真丝双绉5种机织面料与不同“出汗量”的模拟皮肤间的摩擦力进行了测试研究，发现不同织物与“出汗皮肤”间的摩擦力达到最大值时的“出汗量”是不同的。郝晴晴[10]探讨了用微小喷壶给模拟皮肤喷水模拟出汗的问题，制定了严格的“模拟皮肤出汗”操作说明。虽然通过反复练习和规范操作，可以得到“汗滴”分布比较均匀、“汗量”比较稳定的“出汗状态”，但这样的结果会因目标出汗量、操作者或小喷壶的改变而发生变化，不能简单复制应用。

为了进一步研究织物与出汗皮肤间摩擦力的变化规律，开发适合于不同穿着环境和人体活动水平的舒适型服装面料，有必要开发相应的测试仪器，本研究旨在探讨一种能方便而稳定地得到所需的模拟皮肤“出汗量”的方法，为开发织物与出汗皮肤间摩擦力的测试仪器做准备。

2 实验部分

预实验发现，通过控制蒸发冷凝时间和水浴温度可以获得不同“出汗量”，但若获得较大“出汗量”，需较高水浴温度来实现，考虑到模拟皮肤和PET板的耐热性，以及加热板控制较高水浴温度的不稳定性，本研究在70℃水浴温度下，仅控制蒸发冷凝时间获得不同“出汗量”。此外，模拟皮肤“出汗”后，用毛巾轻轻地把“汗水”吸干，模拟皮肤可以重复使用，对“出汗量”没有明显影响。

2.1 模拟皮肤的“出汗”原理

蒸发是在液体表面发生的汽化现象。冷凝是气体或液体遇冷而凝结。本研究利用较高温度的水蒸发形成的水蒸气在温度较低的模拟皮肤表面冷凝成水来模拟人体皮肤出汗。水温和蒸发时间是影响单位面积水面蒸发水量的主要因素，通过严格控制水温的稳定和蒸发时间可以控制蒸发的水量。由水蒸发形成的水蒸气遇到温度较低的模拟皮肤会凝结成水。我们假设，在一定的范围内，凝结水的量可以通过水的蒸发量来控制。

2.2 模拟皮肤

本研究的模拟皮肤采用自制的加成型室温硫化硅橡胶，如图1所示。其厚度为1.5mm，邵氏硬度为5度，摩擦系数为0.237，弹性模量为1.06MPa，抗拉强度为2.84MPa，在人体皮肤的摩擦系数0.12～0.7、弹性模量0.02～100MPa和抗拉强度2.5～16MPa的变化范围内[11]，可以比较好地替代人体皮肤进行织物与皮肤间的摩擦力测试。

2.3 模拟皮肤“出汗”装置

模拟皮肤“出汗”装置见图2，自下而上依次是不锈钢可调数显恒温控电加热板、长方容器、PET板和模拟皮肤组成。加热板主要控制容器中水浴温度保持恒定，预先对加热板进行调试，加热板调至135℃，可保证长方容器中的水浴温度保持在70℃范围内。PET板的作用，一是支撑、保持模拟皮肤平整，二是避免水蒸气散失。PET板中间位置切割出1个16cmcm的长方形缺口（图3），使水蒸气能达到模拟皮肤表面凝结成水，模拟皮肤出汗。

2.4 辅助器材

温度计：普通水银温度计，测温范围0-100℃，精度为℃，用于检测水浴温度。

电子天平：型号为JA5003N，精度为0.001g。

秒表：型号为HS-70W，精度为秒，用于显示蒸发冷凝的时间。

密封袋：尺寸为10cm0cm，用于存放出汗的模拟皮肤，避免“汗水”散失。

毛巾或吸水纸：不掉毛的毛巾或柔韧的吸水纸，用于吸干模拟皮肤上的“汗水”。

2.5 实验环境

温度20℃，相对湿度65%的恒温恒湿环境。

2.6 模拟出汗量的测量

1）将10cm0cm大小的模拟皮肤和1个新密封袋一起称重，记为M0，以备用。

2）在图2的长方容器中加水至距容器口1.5cm水位线，设定好可调数显恒温控电加热板的温度，并开始加热，使水浴温度恒定在70℃。

3）罩上PET板，然后在长方形缺口上覆盖模拟皮肤。

4）用秒表计时，间隔20s时，双手捏住模拟皮肤的4个角，小心并迅速向上翻转，将附着均匀水珠的模拟皮肤对折放入密封袋中，整个翻转过程需避免模拟皮肤上附着水珠的滑落，将装有“出汗”模拟皮肤的密封袋进行称重，记为M1，由M1-M0得到模拟皮肤的“出汗量”。

5）从密封袋中取出模拟皮肤，用不掉毛的毛巾将模拟皮肤表面水分轻轻吸干，以备后续使用。

在整个研究过程中使用同一块模拟皮肤，通过更换吸水毛巾或吸水纸，保证模拟皮肤在出汗前称重时是干燥的。

重复上述步骤共10次，记录10个“出汗量”数据，取其均值，作为蒸发冷凝时间为20s时的“出汗量”。依次类推，进行蒸发冷凝时间为1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min、5min的9组模拟皮肤出汗实验。每组得到10个 “出汗量”数据，取其均值作为该组的“出汗量”。

3 结果与分析

3.1 实验结果

不同蒸发冷凝时间对应的“出汗量”结果见表1。

因为PET板缺口尺寸为16cmcm，即模拟皮肤的出汗面积为16cmcm，所以，结合表1可以计算得到单位面积模拟皮肤的“出汗量”，结果见表2。

3.2 分析讨论

3.2.1 “出汗量”大小的控制

由表1和表2实验结果发现，在水浴温度保持不变的情况下，模拟皮肤的“出汗量”随蒸发冷凝时间的增加而增加。结合前述出汗原理可知，“出汗量”应随蒸发冷凝时间呈线性增加的，下面进行验证。

采用SPSS软件对实验结果进行线性回归分析，结果如图4，表3和表4。

由表3可见，R方=0.988，接近于1，表明拟合优度很高，不被解释的变量很少。表4中，回归方程显著性检验的概率为0，小于显著性水平0.05，认为蒸发冷凝时间和“出汗量”间的线性关系是显著的，可建立线性方程，得到的“出汗量”y（g）与蒸发冷凝时间x（min）之间的关系式为：y=0.08+0.09*x。

对上述回归模型进行适用度检验，结果如图5。

从图5标准化残差直方图来看，左右两侧不完全对称，略呈左偏，有一定瑕疵；从标准化残差的P-P图来看，散点基本呈直线趋势，可认为残差服从正态分布。此外，表3的Durbin-Watson检验中，DW=1.666恰好在无自相关性的值域中，认为残差独立，通过检验。

由线性回归模型可知，通过控制蒸发冷凝时间可得到不同的“出汗量”，且在水浴温度恒定条件下，一定蒸发冷凝时间范围内，随着蒸发冷凝时间的增加，出汗量线性增加。

3.2.2 “出汗量”的稳定性分析

由表1的数据，可以分别计算得到各蒸发冷凝时间下测得的“出汗量”的变异系数，见表5。

由表5可知，通过蒸发冷凝法控制不同蒸发冷凝时间得到的“出汗量”，其变异系数在1.65%～5.91%之间，小于郝晴晴采用喷水法的“出汗量”变异系数[10]，说明蒸发冷凝法模拟皮肤出汗的“出汗量”更稳定。

3.2.3 模拟皮肤的“汗滴”分布

图6和图7分别为蒸发冷凝法和喷水法模拟皮肤“出汗”的汗滴分布照片。

由图6可见，蒸发冷凝法模拟皮肤出汗面积内“汗滴”分布均匀密集，大小一致。图7显示，喷水法皮肤出汗面积内“汗滴”分布虽然也比较均匀，但“汗滴”的大小和分布都不及前者均匀。

此外，模拟皮肤因具有一定附着性，在一定蒸发冷凝时间（5min）内，实验过 图6 蒸发冷凝法模拟皮肤“汗滴”分布程中将附着均匀水珠的模拟皮肤向上翻转，水珠不会滑落，因此可以模拟人体皮肤较大出汗量的情形。

4 结论

通过以上研究可得如下结论：

1）在恒定水浴温度下，通过严格控制蒸发冷凝时间，可有效穩定地得到不同目标“出汗量”。

2）当水浴温度为70℃时，模拟皮肤的“出汗量”y（g）与蒸发冷凝时间x（min）之间的定量关系为：y=0.08+0.09*x。

3）利用蒸发冷凝法模拟皮肤出汗，实验者仅需严格控制蒸发冷凝时间即可获得稳定可控的“出汗量”，其操作简单容易实现，而且稳定性好。

参考文献

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[10]郝晴晴.机织物与不同出汗量下“皮肤”之间的摩擦力研究[D].上海：东华大学，2011.

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