基于碳纳米管发热面料的生理内裤设计研究

王斯琦,陶 金

(常熟理工学院 纺织服装与设计学院,江苏 常熟215500)

生理期是每个女性都会经历的时期,也伴随着一系列问题,经期的安全舒适感对于女性而言意义重大[1]。痛经是青年女性常见的妇科疾病,会影响患者的日常生活[2]。研究表明,女性经期或行经前后小腹疼痛,痛及腰骶[3],目前,缓解治疗女性生理期痛经的主要方法为服用中西药物、中医针灸推拿和患处热疗。然而,长期服用药物有害人体健康,而采用中医针灸推拿疗程较长,且治疗步骤繁琐,为生活带来诸多不便。近年研究表明远红外材料能发射远红外线波长为8~15μm的远红外线,具有显著的共振和热效应,可使毛细血管扩张,使皮肤的温度略有升高,从而加快病灶部位血液循环和微循环,使病灶部位平滑肌松弛和敏感度下降,从而缓解痛经[4]。

采用一种可温控的轻薄防水型碳纳米管发热面料对女性生理内裤进行功能化设计,利用生理内裤通电后发热实现对经期患处的热敷理疗作用。采用红外热成像仪捕捉人体红外辐射能,形成人体无创性热成像图片,在此基础上研究碳纳米管发热面料作用于小腹和腰骶部的热敷性能,评价理疗效果,并对内裤设计进行相应改良。

1 碳纳米管纤维

碳纳米管自1991年被IIJI MA[5]发现以来,在世界范围内掀起了研究热潮。作为一种碳材料的新同素异形体,碳纳米管材料表现出极好的机械性能及多功能性能[6-9];作为导电材料,碳纳米管可以改变聚合物复合材料的传导性(导电性和导热性)[10];碳纳米管膜保留了碳纳米管原有的微观性能并被广泛应用在多个领域[11]。碳纳米管材料可以被组装成如纤维、薄膜、气凝胶等多种结构。其中,碳纳米管纤维是碳纳米管材料重要的一维表现形式之一,不仅具有可与碳纤维等高性能纤维媲美的机械性能,还很好保持了碳纳米管丰富的热、电、场发射等功能[12]。碳纳米管材料的应用推动了智能纺织品的发展,结合材料优异的热学性能,将其嵌入到不同纺织结构中,可开发出具有电热功能的纺织品[13]。

2 碳纳米管发热内裤初步设计及热敷性能试验

2.1 材料结构与性能

采用的碳纳米管发热面料为碳纳米管薄膜/面料复合结构,薄膜面密度为5 g/m2,厚度为5μm,轻薄柔软耐折弯。面料通过USB接电,具有优良的电控发热性能,发热温度在28~53℃之间,额定电压为5 V,额定电流为2 A,其中碳纳米管柔性加热膜组的最大功率为7.5 W,最大电流为1.5 A,最大电压为5 V,可发射6~14μm的远红外波,具有健康加热理疗效能。此外,面料具备较好的导热性能和防水性能,发热均匀,热能效率高,可通过手机APP实现智能控温。发热面料结构如图1所示。

2.2 发热内裤初步设计

2.2.1 设计依据及说明

基于女性生理期小腹及腰骶疼痛状况,依据人体工程学理论设计了一款可充电碳纳米管发热内裤(图2)。

图1 碳纳米管发热面料温控组件

图2 碳纳米管发热内裤设计款式图

图2 中(1):小腹部位为痛经时主要疼痛区,经期或经行前后会反复出现小腹疼痛,严重者可导致昏厥[14],因此将主发热片设计覆盖于小腹区域,充分发挥热敷理疗效用。

图2 中(2):经过多年临床研究发现,痛经患者腰骶部会出现单个或数个阳性反应点,在腰骶部进行压痛点刺激可实现疏通经络气血的效果[15]。在腰骶部设置发热区,通过碳纳米管面料热敷及远红外波理疗作用,利于疏通经络气血,有效缓解症状。

图2 中(3):数据线外壳采用防水耐弯折材质,方便穿戴和清洗。

图2 中(4):在穿戴使用发热内裤过程中可根据自身状况便捷调温。

图2 中(5):方便与充电装置连接进行能源供应。

图2 中(6):由于碳纳米管发热面料为无弹面料,所以设计采用内衣胶将其与内裤同款面料粘合,再与内裤缝合,避免碳纳米管发热面料与高弹面料缝合时形成较大的褶皱而影响舒适性及发热效果。

2.2.2 发热内裤制作

依据设计款式图,制作发热内裤,实物图如图3所示。

图3 发热内裤实物穿着实物图

3 发热内裤热敷性能试验

3.1 试验内容

(1)参考女性经期痛经程度评定[16],设定经期疼痛程度评定标准(表1),将志愿者经期疼痛程度分为:不痛经组、轻微痛经组、严重痛经组。志愿者选择对象为来自常熟理工学院的18-24岁健康女大学生。其中不痛经组试验对象有8名,轻微痛经试验对象有11名,严重痛经组试验对象有7名,经过统一定量筛选,每组选定6项试验有效数据作为分析数据。

表1 痛经分度表

(2)由于人体可明显感知的最小温度变化幅度约为5℃,采用手机APP进行温度调控(图4),以5℃温度差为一个测量等级,设置“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”、“43~47℃”、“47~52℃”5个温度等级,每个等级设置2 min的预热时间、5 min的功能体验时间,采用红外热成像仪观察碳纳米管发热内裤的热量分布及变化。每组志愿者轮流穿着发热内裤,依次进行5个温度等级的穿着体验,依据各温度等级的体验情况填写功能评价表格,评价数据在一个温度等级范围内取平均值。

图4 APP智能控温

(3)对试验效果进行评价分析,根据功能性评价意义差异五分法设定试验评估表(表2),采用五级评价等级(0,1,2,3,4),以“一档(28~32℃)”为例:0分=没有效果,1分=轻微效果,2分=一些效果,3分=效果较好,4分=效果很好。

3.2 结果与分析

3.2.1 红外热像检测

红外热成像技术是利用人体生物红外辐射能,通过现代物理科学技术形成的人体无创性的热成像技术[17]。利用红外热像仪可以清晰地呈现出物体表面热量分布状况,如图5所示,为实验者穿戴生理内裤时的热量所在区域。红外热像仪只能检测到物体表面温度,由于生理内裤需要穿在衣物里面,否则表面易散热,实际温度受试验条件影响在衣物脱去情况下采集不到较高温,需要在衣物里才能达到理想温度,截取部分热量分布图:图5(a)、图5(b)、图5(c)为“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”温度等级下小腹部热量分布,图5(d)、图5(e)、图5(f)为对应温度等级下腰骶部位热量分布图,其中腰骶部分在“38~42℃”等级下温度较高,穿在人体上形成热量扩散相连趋势。

表2 功能性评价意义差异五分法

图5 碳纳米管发热内裤热成像图(部分)

由图5表明碳纳米管发热内裤对小腹和腰骶部位的发热作用较为稳定,热量分布较为集中。在不同温度等级下温度有较为明显的变化,对小腹和腰骶部位作用比较精准,热敷作用达到了预期效果。

3.2.2 穿戴评价

根据生理内裤功能性设计3个相关性评价为:舒适的、缓解疼痛的、方便的。以考察碳纳米管发热内裤对经期女性产生效果的一致性。该阶段评价是通过试验者穿戴功能内裤作用于人体的生理感觉来判断碳纳米管发热内裤的功能性能。如图6、图7、图8所示,受试人员在不同阶段的发热温度下的生理评价。

如图6所示,对于发热内裤的舒适性评价,可以看出这3组人员在温度上升到38~42℃时,舒适性评价趋势明显上升,而针对43~47℃和48~53℃的舒适性评价趋势保持大体一致,不痛经和轻微疼痛组的舒适性略有下降,表明随着温度的提升,发热内裤的体验舒适性增加,严重痛经组的舒适性更依赖温度的提升。

图6 功能内裤舒适性评价

图7 功能内裤缓解疼痛效果评价

如图7所示,对于发热内裤缓解疼痛效果评价,可以看出轻微痛经组在28~32℃时较其他两组效果较好,在33~37℃阶段效果提升明显,在38~42℃阶段缓解疼痛效果最明显,后温度阶段区域平稳。从不痛经组整体趋势平稳上升,温度愈高,评价愈高。严重痛经组功能性评价随温度升高较不稳定。说明功能内裤对轻微痛经组缓解疼痛效果最为明显,对严重痛经组缓解痛经效果较低。严重痛经组单一热敷理疗热敷作用有限,缓解痛经程度不稳定,需要其他设施理疗配套共同缓解。

图8 功能内裤方便性评价

如图8所示,对于内裤方便性评价,可以明显看出轻微痛经组队功能性评价明显高于其他两组,随着温度升高评价升高并趋于稳定。方便性偏向个体主观感觉,与舒适性和缓解疼痛效果相关,并易受其舒适性与缓解疼痛性效果影响。从不痛经组与严重痛经组评价总体一致,从不痛经组评价数据较平稳,严重痛经组评价起伏波动较大,较不稳定。说明发热内裤功能对于轻微痛经组效果较为明显,此类志愿者更倾向于选择发热内裤。从不痛经组与严重痛经组倾向较低,有较大改进空间。

结果表明,碳纳米管发热内裤对缓解女性生理期不适有较好功效,在此基础上对发热内裤结构款式进行改良可提高产品的适用性。

4 发热内裤功能结构的设计优化

经过初步设计与测试,得到了碳纳米管生理内裤穿着的基本数据。通过对女性生理期痛经部位和症状的调研分析,采取疼痛缓解程度和发热程度为2个主要指标进行发热内裤改良设计[18]。基于初步设计款式图的不完善、试验过程中遇到的穿戴问题以及试验数据分析研究等因素,总结试验人员穿戴不足评价如下:

(1)腰腹部由于功能区面积较大,内裤本身面料保留较少,腰腹部弹性降低。

(2)发热面料与内裤面料结合区间由于两者面料无弹与高弹的特性,粘合不紧密,产生的褶皱较多,影响舒适性。

(3)严重痛经组的热敷理疗效果较差。

(4)内裤整体缺乏美观性,功能区之间的连接较为粗糙简陋。

图9 优化后碳纳米管发热内裤款式图

根据试验人员测量数据与主观评价简易将碳纳米管发热内裤款式进行优化改良,如图9所示。

第一,针对不足(1)的改良:防水数据线采用嵌入式结构,将数据线隐藏在高弹针织松紧量内,可随意调节腰围尺寸大小;基于人体工程学角度和调研评价结果,适当增加高弹区面积。

第二,针对不足(2)的改良:内裤面料与发热面料缓冲区中由于碳纳米管发热面料本身无弹性,与内裤面料高弹的特性相反。将无弹碳纳米管面料用黏胶工艺与微弹棉布粘合,棉布另一边与内裤高弹面料缝合。在无弹和高弹面料之间形成缓冲区,使整体穿戴更加服帖。

第三,针对不足(3)的改良:对于严重痛经者,单一的热敷理疗效果对缓解较严重痛经效果不够明显,需要从面料功能方面进行针对性改进,提高对人体小腹、腰骶部位的理疗作用强度;严重痛经者需采用必要医疗手段进行治疗。

第四,针对不足(4)的改良:根据红外热成像数据分析热量传导的区域范围,结合人体本身曲线将小腹与腰骶部加热区由方形设计改为圆弧形设计,实现对痛经区的精准加热,提高发热功效;优化内裤臀下周部版型,调整大腿根部与臀部边界曲线,使其可以适应不同体型的尺寸需求,提升穿着舒适性。

5 结语

针对经期女性小腹与腰骶部位疼痛的生理特点,采用新型碳纳米管发热面料对女性内裤进行功能性设计,对发热内裤进行了穿戴试验及感性评价,从人体工学、感性工学等角度研究发热内裤的热敷性能及理疗效果,优化内裤功能结构。试验结果表明,发热内裤对疼痛部位的热敷作用精准,对轻微痛经组的缓解效果最为明显。对发热内裤结构款式的优化主要包括三个方面:针对经期小腹与腰骶部分症状特征,将发热作用范围分为3个区域;发热区形状采用圆弧行设计,贴合人体曲线,确保发热功效准确并充分作用于症状部位;此外,考虑到碳纳米管发热面料的无弹性与内裤面料高弹性的冲突,采用微弹棉布作为中间缓冲带,提高热敷稳定性和穿着舒适性,提升整体制作的可操作性。