织物热湿传递性能对皮肤湿感觉阈限的影响

徐苏红 倪军 孙岑文捷 张昭华

摘要： 为研究织物物理参数及人体皮肤散热机制对主观湿感觉的影响，文章在中性和高温两种蒸汽压相同的环境条件下，采用恒定刺激法对覆膜和不覆膜织物进行定量加湿操作，设计搭建了双杆摩擦装置，模拟前臂与织物间动态接触，得到不同条件下的皮肤冷却率和湿感觉差异阈限。结果表明：施加低于皮溫0 ℃或8 ℃的冷刺激，可得到整体皮肤冷却率为0～0.21 ℃/s;散热机制对皮肤冷却率有显著影响（p<0.05），传导散热对皮肤温度下降作用比蒸发散热更明显;既没有蒸发散热也没有传导散热时，机械刺激是影响湿感觉判断的主要因素;增加散热提高了皮肤对织物的湿敏感度，且传导散热的作用占比更大。

关键词： 湿感觉;差异阈限;韦伯分数;织物性能;散热机制

中图分类号： TS941.16

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）09-0021-06

引用页码： 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

基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2232021G08）

作者简介： 徐苏红（1997），女，硕士研究生，研究方向为服装设计与工程。通信作者：倪军，副教授，nj2000@dhu.edu.cn。

热和湿两种感觉的共同作用使得处在高温环境或者出汗状态的人们通常都会感觉到不舒适，人体这种感知皮肤湿润的能力在热调节行为和生理功能方面起了重要作用[1]。虽然人体皮肤上没有直接的湿感觉器，但是普遍认为是由温度感受器接收的热输入和机械感受器接收的机械输入在大脑感觉中枢的整合，使得人类可以以一种合理的方式感知和处理皮肤湿感觉[2]。

近年来，国内外学者分别从温度和机械刺激两方面对湿感觉的形成和影响进行探索。前者集中在探索冷热刺激、干湿刺激及两者交互条件[3-4]下湿感觉的规律，后者则主要研究外界压力、摩擦、持续时间等影响因素[5]，而这两种信号输入在实际生活中可与外界环境温湿度、织物的热湿性能及机械物理性能相联系[6]。Zhang等[78]研究了9种不同成分、表面纹理的织物在不同摩擦速度下的湿感觉实验，结果表明织物的类型、含水量及摩擦速度对皮肤湿感觉有显著影响。Margherita等[9]研究了在静态和动态控制条件下，织物厚度、结构、压力和摩擦对湿和黏感觉的影响，结果显示高压（236 Pa）下的湿感知反应比低压（127 Pa）下更大，且黏感觉和皮肤温度冷却为湿感觉的预测因子，而织物与皮肤间的摩擦力或摩擦因数又与黏感觉呈正相关性[10]，进而影响湿感觉评价。人体皮肤表面与环境之间存在着热量和水汽的传递，由于皮肤温度和环境条件的不同呈现不同的散热方式，同时又受到覆盖在皮肤表面织物影响，散热机制更加复杂，但是不同散热方式在湿感觉形成中的影响仍然未知。

针对人体湿敏感性和湿感强度评价的研究，多采用心理物理法操作，分为感觉阈限的测量和阈上感觉的量化[11]。前者可细化为绝对阈限AL和差异阈限DL两个物理量，目前在湿感觉领域中的相关研究较少。Jeon等[12]模拟人体的低/高出汗量，对四种织物分别采用了0.5 mL和1.5 mL为标准刺激进行DL实验，实验结果显示在低汗水平下，棉的DL最大;在高汗水平下，高性能聚酯纤维的DL最大，证明可通过DL来预测不同纺织品的热湿舒适性能。之后，Bergmann等[13]将机械输入纳入湿感觉测试，得到三种材料在静态（仅有热输入）和动态（增加机械输入）接触下的DL，结果表明静态下的韦伯分数为0.34～0.63，动态下的韦伯分数在0.3左右，三种材料的韦伯分数之间无显著差异，也为机械输入在湿感觉形成中的作用提供心理物理证据。

为了进一步研究人体湿敏感度规律，本实验从湿感觉形成的热、机械两种刺激因素出发，设计织物覆膜条件和环境条件，探讨了织物的热湿传递性能、表面机械性能，散热机制中的传导散热和蒸发散热对湿感觉的影响。

1实验

1.1材料及仪器

1.1.1材料

实验选用了三种厚度接近的典型针织T恤面料，表征不同的湿传递性能，分别是A：100%纯棉汗布，具有优良的吸湿性能;B：100%改性涤纶织物Coolmax，是一种径向6沟槽结构的改性涤綸，具有更好的芯吸能力;C：涤氨混纺汗布，吸湿性差但导湿性好。实验中所有面料不能重复使用，防止面料因与人体皮肤表面接触后受到污染，影响实验结果。具体织物参数如表1所示。

实验选取了不透湿，不透水，厚度小于0.05 mm的PET不干胶透明薄膜黏附在面料外表面，可以防止面料中的水分蒸发到外界。每种织物分为覆膜和不覆膜两种条件进行裁剪，大小为5 cm×17 cm，各裁剪3块备用。

1.1.2实验装置

双杆摩擦仪及实验台的搭建如图1所示。

双杆摩擦仪主要由电机（24 V，5 000 r/min，ZYTD520，浙江正科电机有限公司）、机体、双杆、夹持装置（夹子、弹簧）及固定组件（L型角码、螺丝）组成。测试织物通过两端夹子固定，由驱动杆在电机的控制下进行匀速水平往复运动，速度的调节范围为0～0.12 m/s。

实验台大小为60 cm×120 cm，考虑到摩擦仪的运动量程（7 cm）及受试者的舒适体验，使用高度可调节的座椅。另外，为控制每位受试者手臂到桌面的垂直高度一致，以保证施加压力的一致性，在受试者手臂下方放置可调节增高台，实验前用“L”型钢尺辅助调节每位受试者手臂上表面到桌面的高度统一为14 cm。

1.2受试者

13名（10名女性）健康且无感觉系统疾病的在校大学生受试者，年龄（24±1）岁，身高（166±7） cm，体重（54±7） kg，自愿参加实验。每位受试者2次实验间隔至少24 h。

1.3实验条件

1.3.1环境条件

实验在人工气候舱中进行，设定了中性和高温两种环境条件，分别为：温度（25±1） ℃，相对湿度71%±5%;温度（35±1） ℃，相对湿度39%±5%。两种环境下的水蒸气分压力相同（2.25 kPa），以保障不同环境下的人体皮肤表面具有相同水分蒸发能力。

1.3.2加湿方式

实验设置5个加湿水平作为比较刺激量：0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 mL，使用去离子水作为模拟汗液，加湿前需使用NE222D恒温水浴箱（英国镍电有限公司）将其加热至与实验的相应环境温度（35 ℃或25 ℃）相同。利用100～1 000 μL微量移液器（宁波市鄞州群安实验仪器有限公司）分别吸取5个水平加湿量的去离子水，在织物内表面中心处垂直滴入，等待1 min后，将面料装入塑封袋备用。

另外，采用加湿量0.7 mL的实验织物A（100%纯棉汗布）作为标准刺激物。实验过程中，受试者通过比较待测织物与标准刺激物，评价待测织物的湿感觉比标准刺激物强或弱。

1.3.3手臂高度设定

手臂厚度及手臂与织物之间接触的紧密程度会影响实验中不同受试者的手臂压力偏差，进而影响对湿感觉的判断[9]。实验选取两种覆膜条件下的A织物进行静态压力测试，根据结果确定调节手臂高度（织物皮肤接触面到桌面距离）为14 cm。得到该高度下的手臂压力范围为0.45～0.65 kPa，远小于人体着装压力范围（1.96～3.92 kPa）[14]。

1.4步骤

每位受试者需要进行两种环境条件下的正式实验，每个环境条件下需完成3（织物类型）×2（覆膜条件）×5（加湿量）×3（重复测试），共90次主观评价。实验面料根据随机顺序呈现，具体实验流程如下：

1） 受试者进入气候舱后静坐20 min适应环境，期间需熟悉流程和评价方式。实验人员在受试者的两前臂内侧距离茎凸点10 cm位置进行标记，并完成手臂高度调节。

2） 使用红外体温枪（59Mini，福禄克测试仪器有限公司）记录标记点初始皮肤温度T1，再将待测试织物和标准刺激织物从塑封袋中取出，外表面朝上同时放置在双臂上。将织物两端固定在夹持装置上，启动摩擦装置，速度为10 mm/s，10 s后停止。要求受试者对湿感觉大小进行评价，若待测织物的湿感觉大于标准刺激织物，则记为“+”，反之记为“-”。立刻取下织物，记录标记点的皮肤温度T2。之后擦干皮肤表面残留水分，测定皮肤温度直到恢复为T1±2 ℃。

3） 重复上述步骤，直到完成所有测试织物。每5次测试交换放置标准织物和测试织物，每2次测试间隔不得少于90 s，每15次测试需休息5 min，防止感觉疲劳。

1.5测试指标

1.5.1织物性能指标

实验从热传递、湿传递、机械三方面对织物进行物理性能测试。

1） 热传递性能指标。根据GB/T 11048—2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》，使用YG606E型纺织品热阻测试仪（宁波纺织仪器厂）测试三种织物干态下的导热系数，结果如表2所示。

根据GB/T 35263—2017《纺织品接触瞬间凉感性能的检测和评价》，使用KESF7接触冷暖感测试仪（日本加多技术有限公司）测试织物在干态和5种加湿量水平下的最大瞬态热流量Qmax，结果如图2所示。

2） 湿传递性能指标。根据AATCC 195《织物液态水管理性能》，使用液态水分管理测试仪（MMT，美国锡莱亚太拉斯有限公司）测试织物的液态水分管理能力，结果如表2所示。

3） 表面机械性能。参照前人的方法[15]，选用万能材料试验机（Instron3365，ITW集团英斯特朗公司）加辅助装置的方法，得到了织物在水平方向上的动摩擦系数（表2）。辅助装置的设计如图3所示，1#是Instron万能试验机的上方夹头，夹住不可伸长的凯夫拉牵引线2#，牵引线通过定滑轮3#连接到木块4#，从而拖动大小为5 cm×17 cm的木块4#，将水平放置板5#的下方与木块6#连接，整个装置借助木块6#由Instron万能试验机的下方夹头夹住。

1.5.2皮肤冷却率

测量湿织物摩擦前后的皮肤温度，根据下式计算皮肤冷却率：

ΔT=T2-T1/t（1）

式中：ΔT为皮肤冷却率，℃/s;T1为初始皮肤温度，℃;T2为摩擦后皮肤温度，℃;t为摩擦时间，10 s。

1.5.3主观评价指标

差别阈值的传统测量方法包括最小变化法、恒定刺激法、平均差误法等[7]。本实验采用恒定刺激法，该方法一般是选出5～7个刺激值，每种刺激向被试者呈现多次，统计出各个刺激量引起某种反应（有、无或大、小）的次数。若比较刺激的湿感觉大于标准刺激则记为“+”，若比较刺激的湿感觉小于标准刺激则记为“-”;若二者相等则记为“=”。

差异阈限是指人体能产生感觉差异所需要的最小湿刺激量。计算出每一种比较刺激被判断为“大于”“小于”和“等于”标准刺激的百分比，如图4所示，以比较刺激值为横坐标，以百分比值为纵坐标绘制散点图，然后应用玻尔兹曼函数进行数据拟合：

（2）

韦伯定律指出，差异阈限（DL）是刺激强度水平（φ）的常数部分，即韦伯分数（K）。差异上限（DLu）定义为比较刺激大于标准刺激的百分率为50%;而差异下限（DLl）定义为比较刺激小于标准刺激的百分率为50%。则差异阈限（DL）的计算公式如下：

DL=DLu-DLl/2（3）

K=DL/φ（4）

式中：DL為差别阈值，mL;Lu为差异上限曲线在判断次数概率为0.5时的刺激量，mL;Ll为差异下限曲线在判断次数概率为0.5时的刺激量，mL;K为韦伯分数;φ为标准刺激水平，本文为0.7 mL。

1.6数据分析

使用Origin Pro 9.0软件，对差异上下限散点图利用玻尔兹曼函数进行非线性拟合，采用直线内插法计算不同实验条件下三种织物的差别阈值。

实验中，自变量为织物类型、实验条件（覆膜和环境条件）及加湿量，因变量为皮肤冷却率、差别阈值与韦伯分数。使用三因素重复方差分析，考察自变量对皮肤冷却率的影响。利用莫奇来球形假设检验方差齐性，若满足球形假设（p>005），则选择球形假设结果为主效应统计结果;若不满足球形假设（p<0.05）则选择温室盖瑟检验（统计结果小于075）或胡恩赫费尔德检验（统计结果大于0.75）。当发现显著差异时，则进行邦弗朗尼多重比较。统计分析采用SPSS 24软件，显著性水平设为p<0.05。

2结果与分析

2.1皮肤冷却率

根据环境温度和覆膜方式的不同，实验条件分为25NF、25F、35NF和35F。四种实验条件中的散热机制不同：在25NF中既有传导散热，也有蒸发散热;在25F中只有传导散热;在35NF中只有蒸发散热;在35F既没有传导散热也没有蒸发散热。

图5为不同实验条件下人体皮肤冷却率变化。就整体而言，当织物温度为25 ℃时，皮肤冷却率要明显增大，且随加湿量递增。在35 ℃条件下，不同加湿量水平下的皮肤冷却率均在0.05 ℃/s左右，几乎可以忽略不计。Filingeri等[3]以低于皮温2～20 ℃的六种冷干刺激，进行湿感唤醒研究，可以使皮肤温度下降0.2～4.1 ℃，相应皮肤冷却率为0.02～0.41 ℃/s。当刺激使皮肤温度下降0.2～0.7 ℃时，ΔT为0.02～0.07 ℃/s。本文中织物温度可表示为低于皮温0 ℃或8 ℃，整体皮肤冷却变化量为0～2.1 ℃，ΔT为0～0.21 ℃/s，与前人的研究结果一致。

三因素重复测量方差分析结果表明，实验条件对皮肤冷却率有显著影响[F（3，36）=746.616，p<0.001]，加湿量有显著影响[F（2.193，26.310）=1.647，p=0.003]，织物类型没有显著影响[F（1.293，15.515）=2.729，p=0.086]。

皮肤冷却率平均值为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，但在统计学上并没有显著差异（p>0.05），此时皮肤表面主要通过传导方式散热。35F与35NF无显著差异（p>0.05），且整体平均值相差很小几乎可以忽略，蒸发散热在降低皮肤温度中作用较小。25NF与35NF，以及25F与35F相比较都有显著差异（p<0.05），说明传导散热在降低皮肤温度中起主导作用。除了0.7 mL与0.9 mL之间不存在显著性差异（p=0.195），其他加湿量水平之间均存在显著性差异（p<0.05），且加湿量越大，织物的Qmax越大，热量散失增加，从而导致局部皮肤温度降低;另一方面，残留在皮肤表面的水分越多，水分蒸发带走的热量越多，ΔT越大。

部分交互作用对皮肤冷却率有显著影响（p<0.05），在加湿量为0.3 mL的35F条件下，织物C与A（p=0.013）、织物C与B之间（p=0.011）存在显著差异，分析认为是因为织物C在0.3 mL加湿量下的Qmax最大，且它的导热系数最大，导致散热影响最大。在加湿量为1.1 mL时，织物A与B（p=0.049）、织物A与C之间（p=0.019）存在显著差异，此时织物A的Qmax最大，表明织物热传递性能中的Qmax会影响皮肤冷却率。

2.2差异阈限及韦伯分数

图6为35F条件下，以加湿量为横坐标，三种织物的湿感觉评价判断正确率散点图。以50%正确判断率划线，三种织物在低加湿量上的正确率均较高，而在0.9、1.1 mL上的正确率均过低。在该条件下，三种织物的差异上限曲线趋势并不符合S曲线，无法使用玻尔兹曼曲线拟合，表明皮肤对暖湿刺激不敏感，不能準确地判断织物的湿润程度，导致判断正确率降低。

三种织物在其他三个实验条件下的差异阈限（DL）及韦伯分数（K）结果如图7所示。织物B的DL在三种条件下均为最大，敏感度最差。与Bergmann等[13]的研究相比，除了35NF条件下B织物，实验的织物总体韦伯分数均小于0.34，湿感觉灵敏度更高。

实验条件为35F时，无法得到湿感觉的差异阈限，此时仅存在动态摩擦的机械刺激，说明人们无法依靠单纯的机械刺激进行湿感觉辨别。与Bergmann等[13]和Filingeri等[4]的结论一致，即织物温度接近皮肤温度时，散热的减少使得对湿的辨别逐渐变难，在皮肤温度下，辨别只能依赖机械刺激，而当其他感官输入（如动态压力和视觉）的贡献有限时，冷刺激是感知湿的主要驱动因素。实验得到了该条件下三种织物的差异下限（分别为A：0.43 mL;B：0.55 mL;C：0.58 mL），说明当实验刺激与标准刺激作比较时，刺激量在从标准刺激水平开始往下减小时人能感受到差异，而从标准刺激量往上增大时人无法辨别出差异。此时在辨别湿感觉减弱时，织物A最为灵敏，B和C差异不大，与织物动摩擦的大小排序一致，因此在该条件下，动摩擦系数是影响湿感觉判断的主要因素。

实验条件为35NF时，可以得到织物的差别阈值排序为B>A>C。对比35F，说明有蒸发散热时，提高了湿感觉的灵敏度，人可以通过接收热输入，辨别湿感觉差异。此时，三种织物的动摩擦系数排序为A>C>B，而与蒸发散热相关的织物湿传递性能排序为B>C>A，说明蒸发散热与机械刺激对湿感觉评价的影响程度不同。

实验条件为25F时，与传导散热相关的织物热传递指标Qmax排序为A>C>B，与织物湿敏感度排序一致。而织物A和B的湿敏感度优于35NF，表明传导散热比蒸发散热在提高湿感灵敏度方面占比更大。

实验条件为25NF时，织物的差别阈值排序为B>C>A，此时结合织物的热湿传递、机械性能指标排序，与35NF相比，传导散热的增加使得湿感觉辨别的灵敏度提高。与25F相比，织物的差别阈值排序相同，织物A的湿态Qmax最大，皮肤瞬间散热量远大于其他两种织物，但是织物A的阈值变化不大，分析认为是由于织物A的浸湿时间最长，扩散速度最慢，因此易聚集液态水，覆膜前后湿传递的差异对其影响最小。此外，织物B的湿感觉阈值降低较大，其液态水分管理能力最佳，能保持皮肤与织物之间的干爽，而覆膜阻碍了其独特的透湿速干性与单向传递能力，进而影响蒸发散热能力。因此相较于25F条件，织物B在25NF条件下蒸发散热和传导散热的同时存在提高了湿感灵敏度。

3结论

本文设计了双臂动摩擦实验，采用恒定刺激法探究了三种织物在两种环境和织物覆膜条件下的湿感觉差异阈限和韦伯分数，分析了散热机制与织物性能对差异阈限的影响，得到以下结论：

1） 织物温度变化可表示为低于皮温0 ℃或8 ℃的冷刺激，得到整体皮肤冷却量为0～2.1 ℃，相应的整体皮肤冷却率为0～0.21 ℃/s。

2） 散热机制对皮肤冷却率有显著影响（p<0.05），蒸发散热对皮肤温度下降作用不明显，主要依靠传导散热的存在。

3） 除了35 ℃不覆膜条件下Coolmax织物的韦伯分数为0.38，织物总体韦伯分数均小于0.34，湿感觉灵敏度较高。

4） 在传导和蒸发散热均不存在的条件下，无法获得湿感觉差异阈限，此时织物的动摩擦系数是影响湿感觉评价的主要因素。传导散热和蒸发散热的存在提高了织物的湿敏感度，且传导散热比蒸发散热的作用更大。

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