基于计算机数值模拟技术的内衣服装接触冷暖感影响研究

韦玉辉，吴建川，苏兆伟

（1.安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000；2.杭州职业技术学院 达利女装学院，浙江 杭州 310018）

关键字：内衣服装；接触冷暖感；计算机数值模拟；指尖冷暖感模型；服用性能

众所周知，织物接触冷暖感是指织物与人体皮肤接触时，因二者之间的温度差异而导致的两者间热量传递，进而在人脑中所产生的冷暖判断[1-3]。而内衣属于一种紧贴皮肤穿着的服装，被誉为“人体的第二肌肤”，故其穿着时的接触冷暖感是内衣穿着舒适性的重要指标之一[4，5]。然而，不并的是，目前关于纯棉内衣的研究主要集中在内衣的结构、染色牢度、图案花型、吸湿透气等性能，而关于内衣服装接触冷暖感的研究相对较少[6-8]。殊不知，接触冷暖感才是制约消费者是否购买其产品的重要决策因素之一[6，9]。同时，目前关于织物冷暖感的评价主要借助KES-F7测得的最大热通量和主观量表评价法来进行织物接触冷暖感的评价，然而这些评测方法均属于用某些物理指标间接反映织物与皮肤触碰时的冷暖感，幵没有直接给出织物接触时的冷暖感数值[7，10，11]。因此，本文以张卫刚等人[7]提出的模拟手指指尖触摸织物过程的指尖冷暖感数值模型为内衣服装接触冷暖感的评价分析方法，幵以目前市场上常用的四种内衣面料作为试验样品，借助UT235多路温湿度计，幵结合织物接触冷暖感客观评价——计算机数值分析方法，系统探讨纤维种类、经纬密、织物厚度、织物的初始温度（模拟不同穿着季节）、含水率（模拟汗液吸附量）等对其冷暖感的影响规律及其作用机制，以期能为提高内衣服装的穿着接触舒适感提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

为探究织物特性对内衣服装接触冷暖感的影响，本文共采用10种市场上常用的内衣面料作为实验样品，具体规格参数如表1所示。另外，必须指出：为消除织物本身温度带来的误差，所有的实验样品在进行测试前，均在恒湿恒温室（20±2℃，湿度为 RH65±5%）调湿8h，确保织物样品的温度以及湿度基本与环境温度等同，调温调湿后，使织物样品温度基本都为20℃。

1.2 实验设备

为探究影响内衣服装穿着接触冷暖感的影响因素，本文采用电子天平、厚度仪、电子显微镜、UT321系列的数字温度仪、秒表、Y8028烘箱等设备，详细的设备及用途说明如表2所示。

表1 实验样品规格参数

表2 实验所用设备及功能一览表

1.3 测试指标及方法

织物接触冷暖感测试：采用主观量表评价方法和客观的计算机数值模拟方法。具体测试过程及受试者要求如下：

主观测试：采用8位年龄在20岁左右且身体健康的在校大学生（四男四女）作为受试者，进行织物接触冷暖感询问的方法。具体测试过程：首先，让受试者在恒温恒湿实验室静坐 10分钟左右，确保其体温、心跳等均维持在正常范围内，让其触摸织物，幵询问其接触织物瞬间的感受，让其依据冷暖感量表给出冷暖感数值（如表3所示）[7]，幵记录下其结果，完成主观测试。

图1 织物冷暖感测试示意图

客观测试：将织物放置在办公桌上，受试者用右手食指指腹快速轻轻按压织物。采用测温仪实时检测接触中心处的手指皮肤温度与织物底面的温度（测试示意图如图1所示），再依据公式1完成其冷暖值客观评价。

表3 织物接触冷暖感主观评价量表

式中，Tskin是手指指尖的皮肤温度，C1，C2，K1是系数，其取值如表4所示：

表4 各系数取值一览表

2 模型验证

为了验证本文引用的张卫刚等人建立的指尖接触冷暖感模型是否合理正确，本文首先选择了四种常见内衣面料进行冷暖感的数值模拟和主观量表评价的结果对比。

表5和图2分别为四种织物（1#、2#、3#、4#）的主客观冷暖感结果。通过观察表5和图2可知，四种织物采用主观量表得到的接触瞬间冷暖感数值从高到低依次为 2#、3#、1#、4#，其冷感从强到弱依次为2#、3#、1#、4#。这与四种织物采用指尖模型计算得到的冷暖感结果一致，而且主观评价的四种织物在初始温度20℃的条件下，其冷暖感区间均在凉爽和凉之间，与模拟结果的区间相同。这说明张卫刚等人建立的指尖接触冷暖感模型是适用于内衣服装的冷暖感评价，故后面的研究均是依据此方法进行的。

图2 织物冷暖感的计算机模拟值

表5 织物冷暖感主观评价结果

3 计算结果与分析

3.1 纤维种类

图2为组织结构、经纬密、厚度基本相同，纤维成分不同的四种织物（1#、2#、3#、4#），在织物初始温度为 20℃时的织物接触瞬间冷暖感的模拟结果。由图2可知，1#-4#面料的冷感强度从高到低依次2#＞3#＞1#＞4#，这是因为羊毛纤维的导热系数＜棉纤维的导热系数＜麻纤维的导热系数＜蚕丝纤维的导热系数，而导热系数越大，织物与皮肤接触时，其织物传递热量的能力越强，纤维间传递的热量越多，故织物接触瞬间的冷感越强[6，10]。这也从一定程度上证明了冬季服装一般选择羊毛纤维而夏季服装则多选择蚕丝和麻纤维组成织物的合理性。

3.2 织物经纬密度

图3为织物结构、纤维组成、织物厚度相同，织物初始温度为20℃条件下，经纬密度不同的三种织物（5#、6#、7#）接触瞬间冷暖感的模拟结果。由图3可知，织物的经纬密度越小，接触瞬间的冷越强，而且稳定后的接触冷感也越强。这是因为经纬密度越小，织物组织越稀疏，纱线间空隙越大，热量也容易散发出去[10，11]。这也是冬天服装的经纬密度普遍大于夏季服装经纬密度的原因。

图3 不同经纬密度的织物冷暖感结果

图4 不同厚度的织物冷暖感结果

3.3 织物厚度

图4为纤维成分、经纬密相同，三种不同厚度（8#、9#、10#）面料，在织物初始温度为20℃条件下，其接触冷暖感的模拟结果。由图4可知，织物越厚，其接触瞬间的暖感越强，而且后期稳定后的织物暖感也越强，反之，织物冷感越强。这是因为织物越厚，皮肤与织物间发生热传递时，热量传递通道越长，热阻越大，进而导致短时间内织物与皮肤之间热量交换较小，故暖感越强[7，11]。而织物越薄，皮肤热量越容易透过织物传递出去，二者发生热量交换时，其热量散失越多，故其冷感越强。

3.4 织物初始温度

图5为1#面料不同初始温度下的织物接触瞬间冷暖感的模拟结果。由图5可知，当织物的初始温度为5℃时，织物接触的瞬间是冷的感觉；当织物初始温度是 20℃时，织物接触瞬间是微凉的感觉；当织物初始温度是35℃时，织物接触瞬间是微暖的感觉。这说明织物初始温度会显著影响织物接触瞬间的冷暖感觉，而且织物初始温度与手指皮肤温度差异越大，其冷暖感越强烈。这是因为两者温差越大，两者之间的热量交换越多，指尖皮肤温度变化越快，故宏观反映到织物接触瞬间的冷暖感越强[8，9]。另外，这也从一定程度上揭示了同一件内衣，冬季穿着时，接触瞬间会有凉甚至冷的感觉，而夏季穿着却是微暖感觉的原因。

图5 不同初始温度的织物冷暖感结果

图6 不同湿度的织物冷暖感结果

3.5 织物含水率

图6为1#面料在不同含水率状态下的织物接触瞬间冷暖感的模拟结果。由图6可知，随着织物含湿量的增加，织物接触瞬间的冷感越强。这是因为纤维的导热系数和静止空气的导热系数远小于水的导热系数，织物内含湿量越高，其水分子越多，其传递热量的能力越强，故其织物接触瞬间冷感越强[9，11]。而且，织物含有的水分越多，织物内的静止空气越小，织物间的热量传递越倾向于高传导水分子完成，故其冷感越强。同时，织物处于干态时，其热量的传递主要是由纤维和静止空气进行，而湿态的织物的热量传递不仅包括纤维、静止空气水分子间的传导，也涉及到水分子自身从内到外迁移蒸发的热量散失。这说明水分的介入，不仅增加了织物接触瞬间的冷感，也改变了织物与皮肤接触瞬间的传递方式。这也是皮肤接触湿衣服比接触干衣物瞬间冷感更强的原因，也是炎热夏季，人们喜欢将衣服或者毛巾沾水打湿来降暑的原因。

4 结论

通过对 10种市场上常用的内衣面料的织物接触冷暖感的研究可知，纤维成分、经纬密、织物厚度、织物初始温度及织物的湿度（含水率）均会不同程度的影响内衣服装接触瞬间的冷暖感，其主要结论如下：织物接触瞬间的冷感与经纬密度呈负相关，与厚度负相关，与初始温度呈负相关，与织物湿度呈正相关。具体来说，夏季内衣应选择织物经纬密较小、纤维成分为蚕丝或麻纤维、厚度稍薄的材料；冬季内衣应选用经纬密度较大、厚度较厚、纤维成分为羊毛或者棉纤维的材料。