织物与皮肤间摩擦特性研究现状与展望

王停停，陈敏之

(浙江理工大学服装学院，杭州　310018)



织物与皮肤间摩擦特性研究现状与展望

王停停，陈敏之

(浙江理工大学服装学院，杭州310018)

摘要：织物作为人体的贴身材料，具有保护人体皮肤的作用，其接触舒适性是衡量织物品质的重要指标之一，与皮肤不当的摩擦会影响人体着装的舒适感，甚至危害人体健康，因而测试与研究织物与皮肤间摩擦特性对提高服装舒适性具有重要意义。文章总结对比了国内外常用的织物与皮肤摩擦特性测试原理和方法，从织物性质、人体的性别、年龄、体表部位及摩擦外界条件分析了对皮肤与织物间摩擦特性的影响，指出在测试设备方面，应进一步扩大设备适用范围、提高精度和操作方便性；在皮肤模拟材料方面，应对皮肤模拟材料的表面特征和组织结构进行更深入研究。

关键词：织物；皮肤；摩擦特性；测试方法

日常生活中，人体皮肤长期与织物接触摩擦，这使得皮肤织物间交互作用成为衡量服装舒适性和触感的关键[1]。皮肤织物交互作用产生摩擦，不当的摩擦会对皮肤造成损伤，反之，有利的摩擦能够防止服装的脱落和滑移，提高服装的稳定性和穿着舒适感，因此，织物与皮肤间摩擦特性成为衡量织物触感舒适的重要指标[2]。

自20世纪30年代，Peirce[3]提出抚摸织物的感觉和织物摩擦性能有关以来，国内外专家学者对织物与皮肤间摩擦特性进行了大量的研究。从皮肤或织物湿度[4-6]、织物或者皮肤表面结构[7-9]及摩擦外界环境等方面[10-11]对织物与皮肤的摩擦特性展开研究，避免织物与皮肤摩擦导致的皮肤磨损、起泡等病状。因而测试与研究织物与皮肤间摩擦特性对提高服装舒适性具有重要意义。本文对于织物与皮肤的接触摩擦特性研究及发展状况进行了分析与总结。

1　织物与皮肤摩擦特性参数

织物与皮肤摩擦特性是织物接触舒适性的一个重要指标。评价织物与皮肤摩擦特性方法有主观评价法和客观评价法。

早期是通过主观评价法对织物的摩擦特性进行评判，即测试人员通过手指抚摸织物表面，织物的形貌特征和手指在织物表面滑移的难易程度反映给大脑，依据标定的评价等级对其表面的光滑(粗糙)程度进行判断[12-13]，因此，主观评价法是以光滑(粗糙)度作为织物与皮肤间摩擦性能指标。但由于主观评价所得结果不能与织物的性能严格对应，并因个体差异导致评价结果具有不可避免的随机性。因此，仍需要运用客观评价的方法对织物与皮肤间摩擦特性进行判定。

1780年，库仑在阿蒙顿的基础上，提出了阿蒙顿-库仑摩擦定律，指出摩擦系数是在一定的摩擦试验参数条件下，摩擦时的摩擦阻力与其正压力之比，是评定摩擦性能的重要参数。1930年，Peirce[3]提出从力学特性来研究织物感官的方法，之后，Morrow等研究者[14-15]均采用摩擦系数μ作为织物与皮肤间摩擦特性参数，至今科学研究者大都采用摩擦系数μ作为织物与皮肤间摩擦特性参数。

不同的摩擦方式其摩擦系数计算方法也不同。直线运动方式是最常见的运动方式(如图1)，摩擦系数为摩擦阻力与其正压力之比；当一个物体在另一物体表面做旋转运动时，则通过扭矩计算摩擦系数(如图2)，物体A绕旋转轴在物体B的表面做旋转运动，通过测试物体A旋转扭矩T，运用表1中的旋转运动中的公式计算出两物体间摩擦系数；当物体做曲面运动(如图3)时，则由欧拉公式得出摩擦系数的计算公式。3种运动方式的摩擦副的摩擦系数计算方法见表1。

图1　直线运动

图2　旋转运动

图3　曲面运动

运动方式摩擦系数计算公式公式中符号的含义直线运动μ=fNf:摩擦力N:正压力旋转运动μ=TN·rT:扭矩N:正压力r:为旋转中心距离曲面运动μ=1θln(f2-f1)f1、f2:摩擦力θ:包角

2　织物与皮肤间摩擦特性测试设备

目前，测试织物与皮肤间摩擦性能的商业化设备较少，多是自主设计装置，还没发展成一个成熟的体系。织物与皮肤间摩擦性能研究涵盖了生物力学、纺织科学。织物与皮肤间摩擦性能测试设备，按照适用对象分为活体皮肤织物间摩擦特性测试设备和模拟皮肤织物间摩擦特性测试设备。

2.1织物与活体皮肤间摩擦特性测试设备

织物与活体皮肤间摩擦特性测试即为直接测试织物与人体躯干、四肢等皮肤表面间的摩擦性能。其优点是可直观地考察相关织物与具体人体部位皮肤间摩擦性能，缺点是人体体表形态曲度变化复杂，从而影响精度。因而其研究的重点是如何适应不同曲度的皮肤表面，并选择适合的运动模式。

按照工作方式的不同，织物与活体皮肤间摩擦特性测试设备分为台式和手持式。台式测试设备大多是通过固定皮肤的位置，推动织物以一定的速度在皮肤表面运动，而手持式则是通过手持测试设备推动织物在皮肤表面移动，因此，台式设备在适用范围方面有一定局限性，手持式则在测试时的速度和压力的控制有一定局限性。

2.1.1台式织物与皮肤间摩擦特性测试设备

1994年，Kennis[16]设计了一个测试织物与前臂皮肤摩擦性能的装置，采用12V DC电机(Mini motor type3540)拉动织物直线运动，通过传感器测得织物和前臂间的摩擦力，但是并没有考虑到皮肤织物间的正压力。随后，Asserin等[17]发明了一台测量人体前臂与接触材料间摩擦特性的设备，其由摩擦力测量装置、待测部位固定装置和台式位移测微计三部分组成，通过施加不同重量的圆盘改变皮肤与接触材料间的压力，此设备是在固定的接触压力下测得接触材料和皮肤间的摩擦力，摩擦系数经数据处理得出。李炜等[18-19]开发的皮肤摩擦特性测量装置(如图4)采用三维测力传感器，不需要施加于皮肤固定的压力，可以同时测得皮肤和接触材料间的摩擦力和法向载荷，当不平坦的皮肤表面使法向力变化时，也可以计算出皮肤与材料间的摩擦系数，不仅适用于前臂皮肤，也适用于下肢、腹部、背部等部位的测试。Derler等[2]直接采用三维测力传感器、三电荷放大器和瞬态数据记录仪，测试了手指与接触材料的摩擦特性，这种方法简单快捷，适用于手脚等较小的部位。

图4　皮肤摩擦特性测试装置

Cottenden等[20]在运动方式方面进行了创新，使接触材料沿着手臂做曲面运动，设定包角θ为45°(如图5)，但是采用曲面运动方式时包角是比较难以控制和测量的。随后，王府梅等[21]、王旭等[22]在XL-1纱线强力仪上加装摩擦装置、信号采集装置和机构驱动控制装置(如图6)，也是采用曲面运动方式测试织物与皮肤摩擦系数，通过导辊的位置变化改变织物与皮肤间的包角θ，导辊的位置越低则包角θ越小，越高则包角θ越大，测试时需要设定θ的值，即设定导辊的高低位置，由于测试对象大小不一难以将导辊的位置和包角值对应起来，增加了实验的难度。

图5　织物与前臂的接触摩擦示意

图6　改装织物皮肤间摩擦特性测试装置

2.1.2手持式织物与皮肤间摩擦特性测试设备

台式织物与皮肤间摩擦特性测试设备在测试腹部、胸部等有一定的局限性，手持式测试设备也开始出现。李宏凯等[23]将二维力传感器和数据采集系统封装于一个壳体，测试探头为不锈钢半球，采用球-面摩擦方式，测头上可粘贴待测试样，手持测试仪测试待测部位的摩擦特性，Rmalho等[24]设计的手持式测试仪探头不同于李宏凯等[23]设计的测试仪，此测试仪的探头装有固定待测式样的圆环，采用的是面—面摩擦方式。

随着测试技术的发展，织物与皮肤间摩擦特性测试设备精度也越来越高，适用范围也有所扩大，测试设备的精度很大程度上受传感器精度影响，因此要选择高精度测力传感器。对已有的织物与活体皮肤间摩擦特性测试装置进行的统计和对比见表2。

2.2织物与模拟皮肤间摩擦特性测试设备

由于人体结构的复杂性，科研人员[2,7,25-26]使用皮肤模拟材料Lorica soft®代替活体皮肤，并且Lorica soft®也一直被用来代替皮肤研究织物与人体皮肤的摩擦性。模拟皮肤织物间摩擦特性测试方法即为直接测试织物与模拟皮肤材料表面间的摩擦性能。其优点是降低了设备的要求，一般测试织物或者皮肤摩擦特性的设备都可以用来测试织物与模拟皮肤材料间摩擦特性，缺点是现有皮肤模拟材还未能完全模拟皮肤的结构组织和功能。对已有的织物与模拟皮肤间摩擦特性测试装置进行的统计和对比见表3。

日本的川端季雄较早开发出一套KES织物风格测试系统[27]，其中包含KES-FB4织物摩擦测试仪，测试时需将皮肤模拟材料粘在测头上，与接触织物进行相对移动，测得织物与皮肤模拟材料的摩擦特性，测试精度高，由于接触压力为定值，测试弹性面料过程中会有拉扯，因此不适用于弹性较好的面料，价格也较昂贵。之后，米尼奥大学研发了Frictorq[28-30]，该装置采用旋转运动方式，其经过了3个发展阶段：第一代FrictorqⅠ由上圆盘在下圆盘表面围绕中心轴做旋转运动，第二代FrictorqⅡ将上圆盘改为底部装有3个方形金属块的圆环形，提高了测试精度，第三代FrictorqⅢ在第二代的基础上增加了置水容器，用于测试不同液体环境下的织物与皮肤模拟材料间的摩擦特性。而Gerhardt等[31]开发的织物摩擦分析仪是包含测试和数据采集的一套系统(如图7)，采用直线往复运动方式，测试时无需固定织物与皮肤模拟材料间的正压力，传感器记录二者相对运动时的摩擦力和压力的变化，最终计算出二者的比值，即摩擦系数。

表2活体皮肤与织物间摩擦特性测试设备

发明人国家时间工作方式力传感器运动方式适用范围KeninsP澳大利亚1994台式测力传感器直线运动前臂皮肤与织物AsserinJ法国2000台式应变式传感器直线运动人体上下肢与织物李炜中国2006台式三维传感器直线运动人体上下肢、胸腰部等与织物DelerS瑞士2007台式Kistler,Type9203直线运动手指与织物CottendenAM英国2008台式MTT170,Dia-Stron曲面运动手臂与织物王府梅中国2009台式电阻式测力传感器曲面运动前臂、下肢与织物李宏凯中国2009手持式二维力传感器直线运动活体皮肤与织物RotaruGM[25]瑞士2013台式Model9254,Kistler直线运动前臂与织物RamalhoA葡萄牙2013手持式二维力传感器直线运动人体皮肤与织物

表3皮肤模拟材料与织物间摩擦特性测试设备

发明人国家工作方式力传感器运动方式川端季雄日本台式测力传感器直线运动米尼奥大学葡萄牙台式扭力传感器旋转运动GerhardtLC瑞士台式Type9203,Kistler直线运动CETR公司美国台式测力传感器多种运动方式

图7　织物摩擦分析仪

此外，美国CETR公司的UMT高精度生物医学显微摩擦计，可以测试织物与活体皮肤间摩擦特性，也可以测试织物与模拟皮肤间的摩擦特性。它提供了多种运动方式，如直线运动方式、旋转的运动方式及振动方式。

3　影响织物与皮肤间摩擦特性因素

为研究织物与皮肤间的摩擦特性，科学研究者设计开发了众多测试织物与皮肤摩擦特性的装置，并通过研究证实其受织物性质、人体皮肤的差异性和摩擦环境等方面因素影响。

3.1织物性质对织物与皮肤间摩擦特性的影响

影响织物的表面摩擦性能的主要因素有：纤维纵向形态、纱线细度、织物组织结构。

3.1.1纤维的纵向形态对其的影响

Kenins[16]比较棉织物、涤纶和羊毛织物与同一前臂皮肤的摩擦系数，得出涤纶和羊毛织物都较棉织物的摩擦系数高，这是因为纤维的形态和卷曲影响织物与皮肤的接触面积[32]，羊毛的天然卷曲增加织物与皮肤真实接触面积和摩擦阻力，棉纤维的纵向天然转曲，减小了织物与皮肤间的摩擦阻力。

3.1.2纱线细度和织物组织结构对其的影响

何兰芝等[33]通过研究毛涤混纺织物的摩擦系数，发现纱线越粗，织物表面平均摩擦系数就越大。此外，魏亮等[34]研究了不同形状的蜂巢组织织物的摩擦特性，得出蜂巢状凹凸效应越明显，织物的摩擦因数越大。庄鄂等[35]进一步通过实验得出织物表面的平均摩擦系数主要取决于纤维比表面积、织物紧度、组织浮长。由于织物紧度和组织浮长影响织物组织的凹凸效应，凹凸效应越明显，织物表面起伏越大，织物摩擦因数就越大。

3.2人体个体特征对织物与皮肤间摩擦特性的影响

由于性别、年龄和体表部位三者对皮肤织物间摩擦系数相互影响，因此目前的研究还没有系统的定论，依据已有的研究结论对其总结见表4。

3.2.1人体性别对其的影响

Kenins[16]对50名不同年龄和性别的实验人员的前臂皮肤与不同织物间的摩擦系数进行了研究，得出年龄和性别对织物前臂皮肤间的摩擦系数无显著影响，李炜等[36]、李远峰[37]也得出性别对人体前臂、手、下肢胫骨脊外侧、胫骨脊内侧部位皮肤和前额的摩擦特性影响不大，但是弓娟琴等[38]发现性别对前臂、脸颊、手掌、皮肤摩擦系数有显著影响，但前额和手背则无显著差异，其中性别对前臂摩擦系数影响显著的结论和王旭等[39]得出的女性前臂皮肤与织物间动摩擦力明显大于男性的结论一致。

以上研究结论具有一定的差异，说明性别对织物与皮肤摩擦特性的影响还需进一步研究，这可能是由于人体生长环境的不同造成的人体皮肤具有一定的地域性，各个研究采取的样本存在差异，使得研究结论不一致。但是，多数研究表明性别对多个部位无显著影响。

3.2.2人体年龄和体表部位等对其的影响

李炜等[36]研究得出7～9岁年龄段各部位皮肤之间的摩擦系数都有显著差异；20～25岁、35～45岁年龄组中手掌、手背、上肢和下肢皮肤之间的摩擦系数有显著差异，而前臂掌侧与背侧、下肢胫骨脊外侧与内侧之间则无显著性差异；到55～65岁的年龄时，各部位皮肤的摩擦系数差别减小。说明随着年龄的增大，各部位摩擦系数的差异性逐渐减弱。

人体年龄对前臂内侧皮肤与织物间的摩擦性能无显著影响[16,31]，人体的身高和体重对织物皮肤间的动摩擦特性没有显著性影响[39]。

表4性别、年龄和体表部位对织物皮肤间摩擦特性影响

影响因素是否显著性别脸颊部位摩擦系数有显著差异;前额、手、前臂部位摩擦系数无显著差异体表部位幼年时期的人的皮肤的体表部位摩擦系数大部分有显著差异;发育成熟后部位摩擦系数差异性减小;随着人的衰老,人体各体表部位摩擦系数趋于一致年龄小范围段的年龄对皮肤无显著影响;跨度较大的年龄段对皮肤显著影响

3.3外界条件对织物与皮肤间摩擦特性的影响

织物和皮肤接触摩擦的外界条件对两者间摩擦性能也有重要影响，包括空气温度和湿度、皮肤湿度和温度、摩擦接触面积和法向载荷等。

皮肤摩擦系数随着皮肤湿度的增大呈增大趋势，当皮肤的湿度达42%左右时，摩擦系数增至1.0以上[10]。此外，皮肤摩擦系数与空气湿度、皮肤湿度和皮肤温度三者呈显著线性正相关[40]。这是由于皮肤水含量增多导致皮肤粗糙度的增大、织物与皮肤接触面积的增加，从而加大了织物与皮肤的摩擦系数。

王旭等[41]研究了针织物和皮肤的摩擦速度在200、300、400、500和600mm/min下对两者间摩擦力的影响，发现速度对两者间的摩擦力的影响不显著。

Derler等[42]研究脚底和地板间的摩擦发现摩擦系数随脚底间的压力的增大而减小，与李炜[43]得出前臂与接触材料间的摩擦系数随压力增大而减小的结论一致。

4　结　语

a) 国内对皮肤织物摩擦特性研究起步较晚，在研究范围、深度和复杂性上都还有待提升。目前关于织物与皮肤间摩擦特性的研究集中在对手、前臂和下肢部位，皮肤织物间摩擦特性测试设备还处于研发阶段，已投入商业化的产品较少。

b) 人体其他部位如腰部、胸部、背部等也是决定服装接触舒适性的关键，特别是对女性贴身衣物织物与皮肤的接触舒适性，因此对人体腰部、胸部等部位与织物的摩擦特性的研究也具有重要意义。因此，针对适用于这些部位的测试设备需要更进一步研究。由于影响织物与皮肤间摩擦特性的因素较多，研究者需根据不同的研究目的选择和设计测试设备。

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(责任编辑：陈和榜)

收稿日期：2015-09-07

作者简介：王停停(1991-)，女，河南开封人，硕士研究生，主要从事服装技术与理论方面的研究。 通信作者：陈敏之，E-mail：cmz_m@163.com

中图分类号：TS941.15；TS101.4

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)03-0058-07

Research Status and Prospect on Fabric-Skin Friction Property

WANGTingting,CHENMinzhi

(School of Fashion Design and Engineering, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：As materials close to human skin, textiles the key to protect the human skin, so contact comfort property is an important index of textiles quality. Improper friction can influence human’s dressing comfort and even lead to skin health problems, so testing and studying the friction characteristics of textile and skin is great significance to the improvement of the garment comfort. Therefore, this paper summarized and compared the domestic and overseas common principles and methods for testing the fabric-skin friction characteristics. The influences of fabric-skin friction property were analyzed from the property of textiles, gender, age, the body parts and friction environment. In terms of testing equipment, it is pointed out that further expanding applicable scope of the devices and improving the precision and operational convenience are required. In terms of the skin simulation material, more in-depth studies on the surface characteristics and organizational structure of the skin simulation material need to be carried out.

Key words：fabric; skin; friction property; testing method