保健护腰压力舒适性研究

天津工业大学纺织学院， 天津 300387

在人的一生中，腰痛的发病率可高达75%[1]。老年人、长期站立或久坐的工作人员、热爱运动健身的人、长期吹空调者，都会出现劳损腰疼的现象[2]。佩带护腰能够对腰部起到一定的支撑保护作用。目前，国内外对于保健护腰的研究较少，对于弹性紧身服装已有相关研究。

何晓升等[3]设计了一款新型的护腰带，其可以准确地固定在腰部和骶部，不易滑动。李明菊等[4]、胡茗[5]根据中国女性体型特点，分别探索了紧身原型的设计规则。陶钧[6]证明了制作紧身内衣的面料需具有弹性大、结构紧密、能承受较大拉力且不易变形的特点，为了达到更好的收腹效果，还需要固定鱼骨等部件支撑胸衣，使其不易起皱。Ito等[7]、Inoue等[8]254-258、Inamura等[9]证明了服装的压力舒适性与面料的拉伸性能、剪切性能、柔软度、光滑度和接触感等高度相关。由芳等[10-11]发现，通过测试面料的弹性模量和服装的宽裕量，一定程度上能够预测服装的压力舒适性。李杰等[12]、倪海燕等[13]发现，由不同针织面料制成的紧身服装上各测量点的压力分布规律相似，并且人体曲率大小不同是造成服装压力大小不同的主要因素。

Haruko等[14]、Makabe等[15]424-438，[16]513-521通过试验得到了各类服装的压力舒适阀值。元轶[17]、尹玲等[18]分别得出，影响束腰带压力的因素包括面料的力学性能、束腰带的款式结构及人体的受压部位等。Kirk[19]、 Inoue等[8]258-260、Ibrahim[20]得到了织物拉伸力、服装压力和人体曲率之间的相互关系。Fan等[21]利用标准假人测量塑身衣压力，并运用数学多元回归分析方法建立了着装接触压力的预测模型。岳文侠[22]、潘科[23]、陈丽华等[24]发现了服装压力与一定伸长率条件下的拉伸力呈一次回归关系。

影响保健护腰功效及舒适性的最主要因素是压力舒适性。一定程度的服装压力对人体有益，但服装压力太大会造成内脏移动、呼吸受限等，有害于人体健康[25]。本文在现有成果的基础上，探索保健护腰的压力舒适性与面料伸长率及缩成率之间的回归关系，并进行优化处理，以期为今后保健护腰及紧身调整型服装的设计提供科学依据，更好地满足消费者对舒适性的要求。

1 试验部分

1.1 面料选取及测试

1.1.1 面料选取

保健护腰属于紧身衣范畴，需采用高紧度弹性面料作为材料，其伸长率要求达到50%以上[26]。锦纶手感柔软，伸长率大，断裂强度高，耐摩擦性能好，是合成纤维中最适合与氨纶混合制作贴身面料的一种纤维。另外，经编面料没有纬编面料的卷曲及易脱散性，经向硬挺度高，有利于保健护腰在穿着过程中的保形性。所以，本文选取氨纶质量分数分别为12%、16%、20%、30%的四种不同弹性的锦/氨混纺经编面料(简称“面料”)制作保健护腰，研究面料伸长率和缩成率与保健护腰压力之间的关系。

1.1.2 面料测试

面料的力学性能对保健护腰压力舒适性的影响是综合性的，面料的拉伸性能、压缩性能、表面摩擦性能、硬挺度、折皱回复率等都有一定影响，所以本文选用Instron万能电子强力仪测试面料的拉伸性能，选用KES-FB织物风格仪系统测试面料的压缩性能和表面摩擦性能，选用Phabr Ometer 织物手感风格评价系统测试面料的硬挺度、折皱回复率。四种面料的主要结构参数及物理力学性能见表1。

表1 四种面料的主要结构参数及物理力学性能

由表1可知，四种面料的硬挺度差异不大，其中氨纶质量分数为20%的面料的硬挺度稍大，这是由其面密度和厚度较大所致的；氨纶质量分数为20%的面料的折皱回复率较大，对比氨纶质量分数稍低的面料，发现氨纶含量增加在一定程度上会提高面料的折皱回复率，但氨纶质量分数为30%的面料没有明显优势，因为氨纶含量越大，面料越紧密，线圈之间的摩擦力越大，这并不利于面料的折皱回复；面料的压缩比功随着氨纶质量分数增加而减小，压缩比功代表面料的蓬松感，这说明氨纶含量越大，面料的线圈之间结合越紧密，面料越不蓬松；面料纬向的表面粗糙度比经向大，且表面粗糙度呈现出随着氨纶质量分数增加先增大、后减小的趋势，这是因为面料结构越紧密，其表面越平整。

已有学者通过研究发现了弹性面料的伸长率为100%～180%时，由其制作的服装的压力舒适性最佳[27]。本试验依据FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》，利用Instron万能电子强力仪对面料纬向进行定负荷弹性试验，结果见表2。

表2 面料纬向弹性测试结果

由表2可知，四种面料纬向的伸长率都在100.0%以上，弹性回复率都在90.0%以上，可以满足保健护腰对面料弹性的要求，且可以保证保健护腰穿着过程中的保形性。

1.2 样衣制作

本试验选用无弹性的纯棉白坯布，采用立裁方法，得到基础样板；然后，采用四种缩成率(50%、 60%、 70%、 80%)对基础样板进行缩放，各缩成率下分别采用四种面料制作保健护腰，共得到16件样衣。为了减小试验误差，本试验采用建智165/86A标准女体人台。纯棉白坯布的立裁过程及得到的基础样板分别如图1、图2所示。样衣编号见表3。

图1 纯棉白坯布立裁过程

图2 基础样板

氨纶质量分数/%缩成率/%5060708012a1a2a3a416b1b2b3b420c1c2c3c430d1d2d3d4

注：a1代表氨纶质量分数为12%、缩成率为50%，其他依此类推

1.3 样衣压力测试

试验仪器选用美国 Tekscan 公司的 Flexiforce 压力传感器及其测试系统，试验条件控制在温度25 ℃、相对湿度65%。压力测量点选取：胸下点(A)，前腰中点(B)，腹凸点(C)，腰中侧点(D)，前公主线与腹围线交点(E)，腰侧点(F)，后腰中点(G)。测试前，对仪器进行校准；测试中，待仪器上的数据显示稳定后开始记录各测量点的压力。

图3是根据试验数据画出的16件样衣及各测量点的压力折线图。从图3(a)可以看出，同种面料、不同缩成率的样衣上各测量点的压力具有明显的相关性，其压力排序为50%缩成率样衣>60%缩成率样衣>70%缩成率样衣>80%缩成率样衣。随着缩成率的增大，各测量点的压力差异越来越小，即缩成率越大，压力作用越不明显，整体压力效果降低。对比a、b两种面料的样衣压力变化情况，发现缩成率相同时面料a的样衣上各测量点的压力分别大于面料b的样衣上相应测量点的压力，说明氨纶质量分数增加，面料弹性提高，导致样衣压力下降；还可以看出，面料a的样衣上各测量点的压力随缩成率变化的折线斜率比面料b的大，说明氨纶质量分数越低，面料弹性越小，各测量点的压力随缩成率变化的速度越快。

根据图3(b)，对同一件样衣上各测量点的压力进行比较，发现缩成率为50%、60%、70%的样衣上，腰侧点(F)的压力最大，其次为腹凸点(C)、前腰中点(B)、胸下点(A)、腰中侧点(D)，压力最小的是后腰中点(G)；缩成率为80%的样衣上各测量点的压力均较小，其中腹凸点(C)、前腰中点(B)的压力较大，其次为胸下点(A)、腰侧点(F)、腰中侧点(D)，后腰中点(G)的压力最小。由此可见，人体的腰侧点与腹凸部位是穿戴保健护腰时受压迫比较明显的区域。人体腰部两侧和腹凸处的曲率均比较大，而曲率大的表面在外界压力下易形成应力集中，因此人穿戴保健护腰后，其身体表面曲率大的部位产生的压力明显大于曲率小的部位。所以设计保健护腰时，要适当降低腰部两侧和腹凸处的压力。

(a) 16件样衣的压力

(b) 各测量点的压力

2 试验结果分析

本试验利用SPSS软件进行回归分析，研究保健护腰压力与面料伸长率和样板缩成率之间的关系；然后，采用MATLAB最优化方法中的多目标规划方法，得到最优化组合。

2.1 回归分析

由测试结果知，缩成率为50%、 60%、 70%的样衣上，腰侧点的压力最大；缩成率为80%的样衣上腹凸点、前腰中点的压力较大，且各测量点的压力均不大，对腰部的支撑保护作用较弱。故本文选择缩成率为50%、 60%、 70%的样衣的腰侧点的压力，对保健护腰压力与面料伸长率和缩成率进行相关性分析，结果见表4。

表4 相关性分析结果

由表4可知，保健护腰压力与面料伸长率、缩成率之间的相关系数分别为-0.575、 -0.751，即保健护腰压力与面料伸长率和缩成率均存在相关性。对这三个变量进行偏相关性分析，保健护腰压力与面料伸长率、缩成率之间的偏相关系数分别为-0.870、 -0.917，显著性(双侧)均为0.000，即面料伸长率和缩成率与保健护腰压力都有显著的相关性。

对保健护腰压力、面料伸长率和缩成率进行多元线性回归分析，回归方程方差分析结果见表5，回归方程拟合结果见表6。表5中“Sig.”即显著性符号为“0.000b”，表明回归关系十分显著。

表5 回归方程方差分析结果

表6 回归方程拟合结果

根据表6中给出的回归模型的常量及缩成率和面料伸长率的回归系数，得到回归方程：

保健护腰压力=0.582-0.325×缩成率-0.253× 面料伸长率

2.2 最优化分析

将回归方程代入MATLAB软件，采用多目标规划方法进行最优化分析，设置：

y表示保健护腰压力；

x(1)表示面料伸长率；

x(2)表示样板缩成率。

80%缩成率的样衣上各测量点的压力数据差异不明显，所以保健护腰压力目标值以缩成率为50%、 60%、 70%的样衣的腰侧点压力为参考。有研究得出调整型腹带的压力舒适阀值为2.46 kPa，针织围腰的压力舒适范围为1.96～3.43 kPa[15]438，[16]521。为方便数据分析，根据传感器受力面积换算出调整型腹带的压力舒适阀值为0.170 N，针织围腰的压力舒适范围为0.139～0.243 N，本试验中样衣的腰侧点的最大压力为0.190 N(图3)，已经达到腰部的压力舒适阀值。保健护腰压力越小，压力舒适性越好，但保健护腰压力过小则起不到支撑保护腰部的作用，故y的目标值选取本试验中缩成率为50%、 60%、 70%的样衣的腰侧点压力的最小值0.060 N。面料伸长率越大，压力舒适性越好，但面料伸长率过大会影响保健护腰在腰部的固定效果，故x(1)的目标值设为本试验中面料伸长率的最大值122.20%。保健护腰属于紧身内衣范畴，其面料伸长率要求达到50.00%以上，且缩成率在70%以上时样衣压力效果不明显，所以设定：x(1)≥50%，x(2)≤70%，y≤0.19，即-0.253×x(1)-0.325×x(2)≤-0.392。初始值选为本试验中最小的面料伸长率和最小的缩成率，即x0=(1.003 0， 0.500 0)。

编写目标函数：

functionf=gofun(x)；f(1)=0.582-0.253×x(1)-0.325×x(2)；f(2)=x(1)

然后，在命令窗口中调用优化函数：

Goal=[0.06，1.22]；weight=abs(Goal)；x0=[0.5，0.5]；A=[-0.253， -0.325]；b=[0.392]；lb=[0.5，0]；ub=[1.222，0.7]；[X， fval，ATTAINFACTOR，EXITFLAG，OUTPUT，LAMBDA]=fgoalattain(@gofun，x0，Goal，weight，A，b，[]，[]，lb，ub)

运算得到最优化结果：

x(1)=1.173 1，x(2)=0.700 0，y=0.057 7

即面料伸长率为117.31%，缩成率为70%时，保健护腰的防护效果及压力舒适性达到最优。

3 结论

(1) 同种面料、不同缩成率的样衣，各测量点的压力排序为50%缩成率样衣>60%缩成率样衣>70%缩成率样衣>80%缩成率样衣。缩成率为80%的样衣上各测量点的压力都很小。同一件样衣上不同测量点的压力，缩成率为50%、60%、70%的样衣上，腰侧点的压力最大，其次为腹凸点、前腰中点、胸下点、腰中测点，后腰中点的压力最小；缩成率越小，各测量点的压力变化越不明显。

(2) 通过SPSS多元回归分析，以压力最大的腰侧点为例，得出保健护腰压力与面料伸长率和缩成率的回归方程：保健护腰压力=0.582-0.325×缩成率-0.253×面料伸长率。

(3) 将回归方程代入MATLAB软件，采用多目标规划方法，得出面料伸长率为117.31%、缩成率为70%时，保健护腰的防护效果及舒适性达到最优化。

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