热风干燥式鞋盒中运动鞋干燥性能表征与分析

赵宇歌 沈雨生 何义平 刘纯一 周立亚 丁雪梅 吴雄英

摘 要：运动鞋日常护理中需要干燥，通常是采用热风干燥式鞋护理产品进行。然而，目前热风干燥式鞋护理产品对运动鞋干燥规律的研究仍是空白，行业内也缺乏量化评价鞋护理产品干燥性能的方法，很难为生产厂商提供参数设置的理论指导。本文研究了运动鞋干燥测试方法，选用3种有代表性的运动鞋（跑鞋、篮球鞋和老爹鞋）在不同温度和风量条件下测试鞋盒环境和鞋腔内的温湿度变化，以探讨各因素对运动鞋干燥的影响作用。结果表明：鞋盒环境温度和热风风量增大会提高干燥驱动力，但当鞋盒环境温度在36℃以上提升时，鞋腔内和鞋盒环境的相对湿度并没有显著降低；当热风风量为116.64 m3/s时，鞋盒环境温度的升高对于相对湿度降低的影响减小；对于篮球鞋和老爹鞋，干燥时间受风量的影响远大于鞋盒环境温度的影响；对于跑鞋，鞋盒环境温度和风量共同影响干燥时间。

关键词：干燥；运动鞋；温湿度；风量；瞬时含水率

中图分类号：TM925.3

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）04-0227-09

收稿日期：2022－07－18

网络出版日期：2022－12－07

基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金项目（2232022G-08）

作者简介：赵宇歌（1998— ），女，河南郑州人，硕士研究生，主要从事服装舒适性与功能服装方面的研究。

通信作者：丁雪梅，E-mail： fddingxm@dhu.edu.cn

近年来中国运动鞋行业保持快速发展，根据Euromonitor统计数据［1］显示，2019年中国运动鞋行业市场规模已经达到了1830亿美元，2014—2019年年均复合增速为20.6%。根据《2022—2027年中国运动鞋行业产销需求与投资预测分析报告》［2］，全球运动鞋市场规模到2025年将达到3791亿美元左右，运动鞋市场规模进一步扩大。然而，运动鞋在日常穿着中由于运动出汗会产生潮湿、异味等问题，影响穿着舒适度的同时，会对人脚功能和健康产生不利影响［3］，因此，运动鞋在日常护理中需要进行干燥。

干燥是通过物料内水分扩散和物料表面蒸发方式来去除潮湿物料的水分，并将其含水量降低到所需水平，从而干燥物体［4］。干燥作为人类生活中最广泛存在的一个复杂热物理过程，是应用于化工、食品、农业、轻工、建筑、煤炭、纺织和木材等各领域的重要工序［5］。魏禹同［6］研究了核桃层中温度、湿度、

压力及风速随干燥时间的变化规律；于昕辰［7］研究了干衣机滚筒转动产生的织物运动及其对干燥特性及烘干效果的影响；包伟［8］探究了干衣机中织物温度、含水率以及机械作用对羊毛织物尺寸收缩的影响规律以及原因，并进行机理解释。然而，当前对运动鞋润湿状态下整鞋的干燥过程的研究仍是空白，大多聚焦于运动鞋穿用过程中热湿舒适性研究［9-12］。整鞋干燥过程研究区别于面料或衣物的干燥过程，因为鞋是立体结构且整体形状稳定性好，而面料或衣物可形变量大。此外，运动鞋在结构、造型和材料构成的差异会对运动鞋干燥性能产生较大影响。

综上所述，市面上鞋护理产品类型多样，但缺乏对其干燥性能的评价标准，对温湿度等关键参数设计也缺少理论支持。因此，本文通过运动鞋整鞋干燥性能测试，探究温湿度和风量对不同种类运动鞋干燥的影响规律，为后续鞋护理产品开发提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料和设备

1.1.1 实验材料

选择国内某著名运动品牌的三款典型运动鞋作为研究对象，包括跑鞋、篮球鞋、老爹鞋，每款3双，材料规格信息如表1所示。实验前将鞋子置于恒温恒湿室标准大气条件下，即温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%，调湿平衡20 h以上。

1.2.2 實验设备

实验设备为某品牌热风式可调温的堆叠式护理鞋盒，加热片最高调节温度为57℃；测试仪器为ETA1006T温度传感器（精度为±0.5℃，埃用仪器（苏州）有限公司）；TP1305-5000湿度传感器（精度为±3% RH，深圳特美意电子贸易有限公司）；TP700多通路显示仪（深圳市拓普瑞电子有限公司）；YP502N电子天平（精度为0.01 g，最大量程为1 kg，上海精科天美科学仪器有限公司）；Model 6006-0C加野Kanomax风速仪（精度为±3% m/s，沈阳加野科学仪器有限公司）。图1为热风干燥鞋盒测控平台结构示意图，其中风从鞋盒左下侧流入经鼓风机和加热片从右侧由下至上流经每层鞋盒后从左下侧排出。

1.2 运动鞋干燥性能测试方法

参照标准ISO 18454：2018《鞋类.鞋和鞋部件的调气和试验的标准大气环境》，实验环境温度为标准大气条件，即温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%。

a）样品加湿：以水替代汗液作为加湿液体，使用细喷壶在前脚掌部、鞋舌内侧、后脚跟和脚踝包裹位置出汗显著区域对鞋子内部均匀加湿，以模拟实际穿着情况，加水量按照运动出汗模拟确定运动鞋加湿量［13］，篮球鞋和老爹鞋吸收水量为10 g，跑鞋吸收水量为6 g。

b）运动鞋的放置：运动鞋居中放置于鞋盒，不与鞋盒侧壁接触，鞋带保持正常放量，即可以不解开鞋带实现正常穿脱。

c）鞋盒环境和鞋腔内环境温湿度测量：如图1所示，在第1、3、5层各设置鞋腔内和鞋盒环境两个测试点。鞋腔内测试点使用支架将温度和湿度传感器悬空于在每层鞋腔内中部位置；护理鞋盒环境测试点将温度和湿度传感器悬空放置于护理鞋盒内环境。

d）风量的测量：使用风速仪测量第1、3、5层入风口处的风速（V），分别为3.24、2.08 m/s和0.66 m/s，风口面积（F）约为0.01 m2，根据风量公式：L=3600×F×V计算第1层、第3层和第5层风口处的风量，结果如表2所示。

e）运动鞋含水率测量：使用精密天平称量运动鞋加湿前在标准大气环境下平衡的重量（G0），并记录各层运动鞋在各时间节点的重量（G），根据公式：

M/%=G-G0G0×100计算瞬时含水率。根据课题组前期研究［14］，当瞬时含水率（M）达到0.5%时认为鞋子已经干燥，终止实验。

1.3 实验方案

选取45、50℃和55℃ 3个电热片加热设置温度水平探究温湿度对运动鞋干燥规律的影响；通过测定第1、3、5层的温度和湿度和鞋子干燥时间，比较风量对运动鞋干燥规律的影响；采用的3种不同款式的运动鞋（篮球鞋、跑鞋、老爹鞋）来反映不同鞋材及结构之间干燥规律的差异。实验方案如表2所示。

2 结果与分析

2.1 温度和风量对运动鞋干燥规律的影响

2.1.1 温度对运动鞋干燥规律的影响

以篮球鞋在护理鞋盒环境和鞋腔内温湿度变化为例探究温湿度对运动鞋干燥规律的影响，测试结果如图2所示。图2中可见，当加热片加热时，鞋盒环境温度先升高，后基本稳定；鞋腔内温度与鞋盒环境温度变化趋势基本相同。对于相同的鞋盒层（也即风量一定），随着鞋盒环境温度升高，篮球鞋达到稳定温度的时间变短。这是因为经加热片加热后的烘干气流携带的能量越高，传递给织物的能量越多。当气流流经鞋子表面时，其表面温度的上升速度越快，鞋子的升温阶段时间越短，随后鞋子迅速进入烘干的主要阶段（恒速烘干阶段）。

在C6、C8、C9条件下（分别见图2（f）、图2（h）和图2（i）），鞋腔内温度最终高于鞋盒环境温度。这主要是由于相对湿度大小对温度变化产生了影响。研究表明［14］相对湿度越大，物料升温速率越快，且能达到的温度越高。在C6、C8、C9条件下，鞋腔内初始相对湿度均大于90%（C8、C9条件下鞋腔内初始相对湿度接近100%），鞋材升温快，在相同时间内温度上升的高，最终鞋腔内温度大于鞋盒环境温度。另外研究发现，比较C7与C6，C7设置温度虽然较高，但由于是最顶层（第5层），因而鞋盒环境及鞋腔内温湿度都比C6大。

此外，温度会影响鞋盒环境中的湿度变化进而影响鞋腔内相对湿度，鞋盒环境相对湿度先快速下降，后趋于稳定。在中等风量的条件下（见图2（b）、图2（e）和图2（h）），鞋盒环境温度稳定在32℃时，其相对湿度稳定在30%左右，鞋腔内相对湿度匀速下降，最终到达70%左右；而鞋盒环境温度稳定在36℃时，其相对湿度稳定在25%左右，鞋腔内相对湿度与鞋盒环境相对湿度变化趋势一致，先快速下降，后趋于平缓，稳定在40%左右。加热气流通过热传递和对流方式加热护理鞋盒环境中空气，当鞋盒环境温度升高到36℃时，鞋盒环境容纳湿气的能力增强，相对湿度显著降低，形成温度及湿度差，鞋材表面水分蒸发，干燥介质和物料表面的水蒸气分压差增大，干燥推动力增强，促进水分蒸发，干燥效率提高［15］。

从图3可以看出，当干燥时间一定时，加热片设置温度越高，其终点的瞬时含水率越低。这是因为恒速阶段的织物表面温度越高，越有利于织物表面水分的蒸发，此阶段的失水速率越大，恒速阶段维持的时间越短，故达到目标含水率的总烘干时间会进一步缩短［16］。由此可见，温度升高会提高干燥驱动力。但是，设置温度由50℃提升至55℃时，对其恒速阶段的失水速率影响不大（50℃和55℃瞬时含水率曲线斜率几乎一致）。结合图2（f）和图2（i），当鞋盒环境温度由36℃提升至38℃时，鞋腔内和鞋盒环境的相对湿度并没有显著降低，这说明通过增加加热片温度来提高运动鞋失水速率的方法是有限的。在烘干过程中，织物会出现温度梯度对湿分传输的耦合作用（索瑞效应）明显大于湿度梯度对热量传输的耦合作用，导致湿分沿着温度梯度由外向内迁移而不是由内向外迁移，水分迁移动力降低［5］。从图3还可以看出，烘干温度与烘干时间成反比例关系。实际上，Higgins等［17］和Wu等［18］關于滚筒干衣机内烘干温度对织物中水分蒸发的研究也有类似的结论。

2.1.2 风量对运动鞋干燥规律的影响

在图2中，每个横行三张图片从左至右比较（加热片设置温度相同），随着风量从23.76 m3/s至74.88 m3/ s再到116.64 m3/s的增加，鞋盒环境温度和鞋腔内温度曲线斜率逐渐增大。这是因为大风量能形成强制对流，篮球鞋表面强制对流的空气可除去饱和水蒸气，还有部分空气通过鞋面织物内部的各级孔隙结构进入鞋腔，带走内部水气，并使鞋腔内温度升高；而风量较小时，以自然对流为主，仅带走表层的水气。

从相对湿度变化角度看，风量越大，鞋盒环境和鞋腔内相对湿度下降速度越快。在C1、C4和C7条件下（分别见图2（a）、图2（d）和图2（g）），鞋腔内相对湿度均保持在80%以上的高点，这是因为烘干气流滞留时间过长，干燥气流的含水率过高，限制了织物内水分向空气中迁移的动力。小风量不能为水分去除提供足够的驱动力，无法快速实现湿气与鞋盒环境的交换，不能利用鞋腔环境与鞋表层之间的温度、湿度差提供干燥推动力。而当风量足够大时，鞋盒环境温度的持续升高对于相对湿度降低的影响减小，如图2（f）和图2（i），终点鞋盒环境温度从34℃上升到38℃，鞋盒环境和鞋腔内相对湿度值近似一致。

从图4可以看出，篮球鞋在相同干燥时间时，风量越大瞬时含水率越小。这是由于干燥气流的体积流量越大，单位时间除湿量越大，传热效率越高，干燥速率越高。

2.1.3 增加导流导管的优化设计

根据前面运动鞋干燥规律的分析，当设置温度和风量不变时，可以通过导流导管设计，提高干燥效率。图5为有无导管设计的干燥原理对比图。实验发现，有导流导管设计的各层鞋腔内升温速率均快于无导管，导流导管设计鞋腔内温度均提升5℃以上。

根据图6，在设置温度为50℃时，有导流导管对比无导管设计，篮球鞋的干燥时间第5层节省54%，第3层节约52%，第1层节约16%。导流导管设计能够合理兼顾鞋前端、鞋底及鞋跟包裹等处，干燥后无液态水。

2.2 不同类型運动鞋的干燥规律

在鞋盒环境相同的条件下，不同类型运动鞋鞋腔内的温度和湿度有较大差异，3款运动鞋在各个条件下鞋腔内温湿度变化如图7所示。

大多数条件下，篮球鞋腔内相对湿度先匀速下降，后趋于稳定。在风量为116.64 m3/s的条件下（见图7（c）、图7（f）和图7（i）），篮球鞋鞋腔内相对湿度在100 min左右出现快速下降点。结合温度变化曲线，在升温开始时大部分热量被用于鞋表层的

大量游离自由水的升温，随后鞋材内部的液相毛细水通过孔隙芯吸、渗透和扩散补充到表层继续蒸发，相对湿度逐渐降低。持续烘干，当含水量很小时，热风的热量多用于材料温度上升，较少用于蒸发水分，所以鞋腔内相对湿度稳定。此外，篮球鞋为保护脚踝，除了采用硬质热塑性聚氨酯橡胶进行支撑，其鞋帮结构前高后低，鞋口更小，会形成一个更为封闭内腔，热量在此聚集，因此篮球鞋鞋腔内温度高于跑鞋和老爹鞋。

在大多数情况下，跑鞋鞋腔内温度在3种运动鞋中最低，随着烘干时间的增加，跑鞋鞋腔内温度超过老爹鞋，仍低于篮球鞋；其鞋腔内相对湿度曲线斜率也逐渐变大，相对湿度下降得越来越快。本课题选用跑鞋鞋面为纱架贾卡材料，该面料质轻且薄且在鞋面覆盖的面积最大，造成鞋面整体孔隙大，热量很难汇聚在鞋腔内。老爹鞋鞋面厚实，其吸收的热量大多用于自身材料的升温，所以鞋腔内升温较慢。而随着温度升高，热量累积，水分蒸发，跑鞋整体透气透湿性好，更有利于水分传递到环境，故鞋腔内相对湿度快速下降。

除C8条件外（见图7（h）），老爹鞋鞋腔内相对湿度都处于95%以上的高湿状态，这因为老爹鞋鞋面由较厚纺织品与合成革拼接而成，透气透湿性较差，湿气集中在相对封闭的环境内。即使此时老爹鞋鞋腔内温度在某些条件下比篮球鞋和跑鞋高，但其烘干效率却低。纤维的导热系数远低于空气的导热系数，织物越厚，其传导热量的能力越差，越不利于烘干。根据实验结果，老爹鞋在3个温度水平下达到最终目标含水率的时间约是篮球鞋和跑鞋的2倍。

2.3 温度和风量对不同类型运动鞋干燥时间的影响差异

使用JMP软件分别构建篮球鞋、跑鞋和老爹鞋的温度、风量和干燥时间的回归模型，各性能指标见表3。根据表3，3种运动鞋使用最小二乘法拟合的回归模型R2接近1，统计显著性P值均小于0.05，拟合回归效果好。

篮球鞋、跑鞋和老爹鞋干燥时间效应筛选结果见表4，表4中风量用w表示，温度用t表示。由表4可知，影响篮球鞋烘干时间的显著性因素及其效应排序为风量最大，其次是风量的自交互项，最后是温度。由表中参数估计值可知，干燥时间随着风量和温度的提高而减小。风量对篮球鞋干燥时间的影响存在最优值，当风量为74.93 m3/s、环境温度为33.07℃时，篮球鞋干燥时间为141.84 min，烘干效率最高。

影响跑鞋烘干时间的显著性因素及其效应排序为风量最大，其次是温度，最后是风量和温度的交互项。在跑鞋的干燥过程中，环境温度和风量对于影响干燥时间的影响存在交互作用，风量的影响更大。跑鞋鞋面面料轻薄，具有很强的疏水性，水仅在其表面附着，此外跑鞋的低帮结构也易于湿气扩散，因此仅通过升温就能将一部分水传递到环境。跑鞋最优的风量为74.93 m3/s，温度为32.50℃，干燥时间为99.28 min。

影响老爹鞋烘干时间的显著性因素及其效应排序为风量最大，其次是风量的自交互项。老爹鞋采

用密封性较好的皮革与织物的拼接鞋面，鞋舌、后跟衬垫和鞋口内置的泡棉等吸水性强的较厚鞋材，造成老爹鞋透水性差，不利于鞋中湿气与外界环境交换，需要足够大的风量提供干燥驱动力，温度高低不对其干燥时间造成影响。风量对老爹鞋干燥时间的影响存在最优值，最优干燥风量为74.93 m3/s，干燥时间为208.68 min。

3 结 论

本研究通过实验确定了整鞋干燥性能的测试方法，采用3款运动鞋在不同温湿度和风量的条件下，

测定温湿度变化，计算瞬时含水率，并绘制干燥曲线，得到主要结论如下：

a）鞋盒环境温度升高和热风风量增大会提高干燥驱动力。温度越高，热风风量越大，鞋盒环境和鞋腔内温度曲线斜率越大，鞋盒环境和鞋腔内相对湿度下降速度越快。

b）当鞋盒环境温度在36℃以上再提升时，鞋腔内和鞋盒环境的相对湿度并没有显著降低；当风量达到116.64 m3/s时，鞋盒环境温度升高对于相对湿度降低的影响减小，仅通过升温或增大热风风量来提高运动鞋失水速率的方法是有限的。

c）受运动鞋材质和结构的影响，对于篮球鞋，干燥时间受风量的影响远大于鞋盒环境温度的影响；跑鞋面料轻薄，鞋盒环境温度和风量对于干燥时间的影响存在交互作用，其受环境温度的影响大于篮球鞋和老爹鞋；老爹鞋面料厚实，密闭性好，需要足够大的风量提供干燥驱动力，温度不对其干燥时间造成影响，干燥时间仅受风量的影响。护理鞋盒生产厂商应针对不同类型运动鞋设置不同的烘干程序，以提升干燥效率。

d）导流导管作为护理鞋盒存放层出风口的优化设计，鞋腔内和护理鞋盒环境升温快且到达温度高，相对湿度下降得更快且下降得更低，有导流导管对比无导管设计能有效缩短鞋子的干燥时间。

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Characterization and analysis of drying performance of athletic shoes in hot air drying shoe box

ZHAO Yuge1， SHEN Yusheng1， HE Yiping2， LIU Chunyi2， ZHOU Liya1， DING Xuemei1， WU Xiongying3

（1a.College of Fashion and Design; 1b. Key Laboratory of Clothing Design and Technology， the Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China;  2.Wuxi Little Swan Electric Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China;

3.Shanghai Customs District， Shanghai 200135， China）

Abstract：

In recent years， China's sports shoes industry has maintained rapid development. In 2019， the market size of China's sports shoes industry reached 183 billion dollars， and the average annual compound growth rate from 2014 to 2019 was 20.6%. During daily wearing， sports shoes will produce moisture， odor and other problems due to sweating， which will not only affect the wearing comfort， but also adversely affect the function and health of human feet. Therefore， sports shoes need to be dried in daily care. Because the shoe is of three-dimensional structure with good overall shape stability， and the deformable variable of fabric or clothing is large， the research on the drying process of the whole shoe is different from that of fabric or clothing. In addition， the difference in structure， shape and material composition of sports shoes will have a great impact on the drying performance of sports shoes.

We aim to explore the influence of temperature， humidity and air volume on the drying of different types of sports shoes， so as to fill in the blank of quantitative evaluation of the drying performance of shoe care products. Firstly， the drying test method of sports shoes was studied. Three representative sports shoes （running shoes， basketball shoes and clunky sneakers） were selected， and the significant sweating area of sports shoes was humidified according to the sports sweating simulation， and the experiment was terminated when the instantaneous moisture content （M） reached 0.5%. Then， the temperature and humidity changes of shoe box environment and shoe cavity were tested under different temperatures and air volume conditions to explore the impact of temperature and air volume on the drying of sports shoes. According to the experimental results， the optimal design of adding guide tubes was proposed. On this basis， the drying laws of different types of sports shoes were analyzed， and the effects of temperature and air volume on the drying time of different types of sports shoes were discussed. The results show that the drying driving force increases with the increase of the ambient temperature of the shoe box and the hot air volume， but when the ambient temperature of the shoe box increases above 36℃， the relative humidity in the shoe cavity and the shoe box environment does not decrease significantly. When the hot air volume is 116.64 m3/s， the increase of the shoe box environment temperature has less influence on the reduction of the relative humidity. For basketball shoes and clunky sneakers， the drying time is more affected by the air volume than the ambient temperature of the shoe box. For running shoes， the drying time is affected by the ambient temperature and air volume of the shoe box.

There are various types of shoe care products on the market， but there is still a lack of evaluation standards for their drying performance and a lack of theoretical support for the design of key parameters such as temperature and humidity. The results of this study can provide a theoretical basis and reference for appliance companies in the design of care shoe box parameters and product design， to comprehensively achieve the goal of shortening the drying time of care shoe boxes and to provide differentiated drying parameter settings for different types of sports shoes.

Keywords：

drying; sports shoes; temperature and humidity; air volume; instantaneous moisture content