皮肤组织不同于无生命的常规材料 ,其在摩擦过程中会表现出自我适应和自我修复[ 1 ],是保护人体免受环境侵害以及保持人体完整的屏障. 日常生活中 ,皮肤免不了要与服装发生直接接触和交互作用 ,产生摩擦 ,甚至损伤和致病. 研究织物与皮肤的摩擦特性 ,对于开发更好的内衣和床品材料 ,更好地保持皮肤健康 ,提高人们的生活质量具有重要的意义. 而皮肤与织物之间的摩擦作用比较复杂 ,开发摩擦性能的专用测试仪器及其测试方法成为首要研究课题.早在 20世纪 80年代 , Gwosdow[ 2 ]曾用弹簧秤在干热、湿热和舒适等一系列温湿度条件下对织物和人体前臂内侧皮肤间的摩擦力进行过简单的测量 ,研究皮肤表面的温湿度环境对织物的接触感受和舒适性的影响. 1988年 ,Morooka[ 3 ]用 KES - SE摩擦仪对针织物和皮肤间的摩擦性能进行了测试.1994年 , Kenins 4 ]将织物搭在人体前臂或食指上 ,用拉力计水平拉动织物 ,测量织物与皮肤间的摩擦力 ,研究皮肤的汗毛分布状况、纤维的类型、织物表面形貌、织物克重、纱线细度以及皮肤的润湿情况对织物和皮肤间摩擦力的影响. 1999年 , Zhang等[ 5 ]在皮肤摩擦计的金属探测器上 ,包覆了铝、尼龙、硅树脂、棉袜和泥质岩材料 ,测试这几种材料与不同部位皮肤间的摩擦系数. 2002年 , Kondo[ 6 ]把织物贴在改装的KES - SE摩擦测试仪的摩擦子上与皮肤进行摩擦试验 ,并对皮肤的角质层水分含量、皮脂数量、真皮层的水分含量进行测试 ,研究个体皮肤状况对织物和皮肤间的摩擦性能影响. 2003年 , Ramkumar[ 7 - 8 ]模仿食指的感应机制 ,用聚硅氧烷材料制成人工手指 ,与织物进行往复摩擦 ,用来测试织物的手感特
性. 2007年 ,Derler[ 9 ]用聚亚胺脂和硅树脂制作成模拟皮肤与织物进行摩擦试验 ,研究皮肤表面的水分含量对织物摩擦性能的影响. 2007年 ,唐玮[ 10 ]把织物贴附在 CETR UMT - 22型微观摩擦磨损试验机的不锈钢圆盘探头上 ,与皮肤进行摩擦试验 ,测试织物与皮肤的摩擦系数.
近些年 ,随着计算机技术的发展 ,国外的一些学者尝试用计算机仿真模拟技术解决这一问题. 2004年 ,W u等[ 11 - 12 ]用有限元方法模拟研究软组织如猪皮、猪脑和人的跟骨脂肪垫在无侧压缩试验中的摩擦接触效应. 2006年 ,邢孟秋等[ 13 ]结合三维显式有限元方法和增广拉格朗日运算法则 ,建立了一个模拟胳膊在转动时皮肤和织物间交互作用的模型 ,研究皮肤与衣袖之间激烈的交互作用.
可见 ,关于织物与皮肤间摩擦特性的研究 ,国内外科研工作者都做了大量的工作 ,取得了不少研究成果. 但迄今为止 ,国内外尚未见可模拟衣服与皮肤实际穿着情况的摩擦测试装置和普遍适用的测试方法 ,更无不同织物与皮肤干湿态条件下动、静摩擦力的系列数据. 为了更有针对性地研究织物与皮肤的摩擦特性 ,本文作者用现有负荷 - 伸长测试仪设计改造出一台新型的织物 - 皮肤摩擦特性测试仪 ,利用该设备可直接测量织物与皮肤之间以及织物与模拟皮肤之间的动、静摩擦力 ,为探索皮肤与织物的摩擦行为 ,避免因摩擦引起的服装款式变形、皮肤损伤等问题 ,为提高服装的舒适性提供了试验研究手段.
摩擦试验装置
图 1为用普通的负荷 - 伸长测试仪改造成的织物和皮肤间摩擦性能测试仪的示意图. 该仪器原有3个主要部分 :测试主机、控制箱和计算机处理及数据采集系统 ,主要改造为在测试主机上添加了摩擦装置 ,由摩擦支架、托手和导布辊等组成. 测试主机的底座箱体内装有步进电机 ,通过齿形皮带传动高精度丝杠 ,并由传动杆连接摩擦装置的基座 ,带动支架上下移动. 摩擦位移由丝杠上的接近开关控制 ,大位移量为 500 mm. 电阻式测力传感器连接在上夹持器附近 ,测试时保持静止 ,测量范围为 0～30 N,精度为 ±1%. 控制箱面部显示试验结果 ,并且有电源、校准等控制开关以及速度转换盘 ,速度范围为100～1 000 mm /m in (无级调速 ). 计算机处理和数据采集系统记录移动距离和与其对应的摩擦力 ,同时输出二者的关系曲线. 我们计划探明人体皮肤与织物的摩擦性能以后 ,将尝试用模拟前臂替换志愿者的前臂 ,进一步完善仪器.
1. 2 试验条件和方法
1. 2. 1 选取测试者和试验材料
作为初步探索 ,选取年龄在 20～30岁之间的男、女各 10名健康志愿者参加试验 ,让志愿者前臂(手腕与肘关节之间 )中部的内侧皮肤与织物产生摩擦 ,所有志愿者的受试部位皮肤均无异常 ,也未进行过涂抹化妆品或外用药物等人为的干预.
试验材料选用市场上常见的与皮肤经常接触的轻薄机织物 ,如锦棉交织布、牛仔布、衬里布和雪纺布等 ,把样品剪成尺寸为 10 cm ×50 cm和 15 cm ×50 cm的待测试样.
1. 2. 2 试验条件
试验环境为温度 20 ℃ ( ±2 ℃) ,相对湿度50% ( ±5% ). 试验前请志愿者在该恒定环境中静坐 30 m in,保持肌肉松弛 ,心态平稳 ,尽量消除历史因素的影响. 试验过程中 ,在皮肤的测试部位作上标记 ,每次测试都从标记处开始 ,以保证所测得的数据具有可比性.
1. 2. 3 试验方法
测试前 ,将志愿者的前臂放在摩擦装置的托手上 ,两端用专用夹具固定 ,使其保持与摩擦装置相对固定的状态 ,防止在上下摩擦运动中 ,由于织物受拉伸力作用而牵动前臂同时运动 ,产生随机误差. 如图1所示 ,上夹持器夹持织物上端 ,织物的另一端绕过胳膊和导布辊 ,由下夹持器水平夹持 ,并施加适当的张力 ,使织物下端垂直向下 ,均匀受力. 测试开始后 ,胳膊随着摩擦装置向下运动 ,皮肤和织物很快由静摩擦转入动摩擦状态 ,计算机处理及数据采集系统同步记录摩擦力与摩擦位移的对应关系.
2 结果与分析
织物摩擦测试仪作为在纱线强力仪上改装的摩擦性能测试装置 ,从理论上可以有效地测试织物与皮肤间的动态摩擦 ,但为证实该仪器的可行性 ,需要进行重现性和可比性试验. 同时为了归纳出相对稳定的测试参数 ,还需要对在测试中可能造成影响的因素进行逐一分析 ,主要从张力、仪器的运动速度以及试样的宽度几个方面入手. 初步探索发现 , 20名志愿者与同一织物的摩擦力大小有一定差异 ,其差异将在后续文章中讨论。本文选定一名摩擦力居中的志愿者 ,该志愿者为 24岁女性 ,身高 1. 67 m,体重60 kg,与待测样品组成摩擦副进行下述试验. 其中每对摩擦副的试验重复测试 10次 ,计算 10次摩擦信号在其有效区间内的平均摩擦力值 ,得到该织物样品与皮肤的摩擦力测试结果 ,并计算出 10条摩擦曲线上摩擦力变异系数 (CV )值的大小 ,根据实际测试条件 ,对比图像的稳定性 ,确定该仪器的测试参数.
2. 1 皮肤的应力史特性与摩擦试验次数
研究资料指出皮肤具有应力史现象 ,即皮肤受应力后阶段迅速伸展 ,以后就很少伸展 ,若先后相继加以应力并去除之 ,则皮肤对以后所加应力的阶段反应时间延长[ 14 ]. 所以 ,我们首先考察了织物与皮肤的连续多次摩擦特性 ,如图 2所示. 结果表明 ,对织物与皮肤的同一对摩擦组合 ,连续重复多次摩擦试验 ,次摩擦曲线总是明显低于以后各根摩擦曲线 ,并且次摩擦曲线的波动较大 ,即从第二次摩擦试验开始 ,摩擦力才开始趋于稳定 ,摩擦力的转折点即大静摩擦力的起始位置也较根摩擦曲线略微延迟. 分析原因是 ,在张力作用下 ,当皮肤次接触织物并与之进行摩擦时 ,皮肤还没有适应张力的拉伸作用 ,皮肤也没有完全伸展开 ,因此阶段的反应时间短 ,摩擦力也相对较低.在实际穿着中织物与皮肤间往往是重复多次摩擦 ,而且较大的摩擦力容易引起各种危害或不利 ,我们认为第二次及以后的摩擦曲线更具实用价值. 为保证数据的有效性和客观性 ,本文中同一对机织物
和皮肤的摩擦组合需要有效测试 10次 ,因此每对摩擦组合均需要从第 2次测试结果起重复测 10次.
2. 2 重现性评价
为了保证在相同测试条件下 ,同一对摩擦副每次试验的数据可以保持一致 ,需要进行重现性试验.图 3为相同的测试条件 (张力、摩擦速度、试样宽度 )下 ,同一测试者和同一块织物在两次摩擦试验中的摩擦力信号. 对比图 3 ( a)和图 3 ( b)可以看到 ,2次试验的信号基本上一致 ,摩擦力大小和离散度也大致相近 , 2组试验中 10根摩擦曲线上摩擦力变异系数分别为 3. 51%和 3. 69% ,平均动摩擦力的分别为 2. 57和 2. 56 N. 由此证明该仪器所测的数据是客观有效的 ,具有较好的重复性.
2. 3 可比性评价
图 4为相同的测试条件 (张力、摩擦速度、试样宽度 )下 ,同一测试者皮肤与轻薄型牛仔布、涤纶衬里布、锦棉交织布和雪纺绸四种机织物构成摩擦副进行摩擦试验的信号 ,对比可以看出 ,不同织物与皮肤间的摩擦力大小并不相同 , 4组试验的平均动摩擦力分别为 3. 07、2. 60、3. 48和 1. 90 N. 对于织纹明显的牛仔布 ,由于其表面相对比较粗糙 ,测得的摩擦力就比较大 ,而对于纱支细 ,布面光滑的雪纺绸 ,其摩擦力则比较小. 由此证明该仪器在不同的织物表面状况下所测得的摩擦力大小具有可比性.
2. 4 张力对平均动摩擦力的影响
为了使织物和皮肤实现有效接触并产生摩擦作用 ,在试验过程中需要对织物施加一定的张力. 在保证织物伸直而不伸长 ,或略有伸长但不至于发生严重颈缩的前提下 ,试验中对织物分别施加 1. 3、1. 6、2. 0和 2. 3 N等不同的张力 ,进行摩擦对比测试. 图5所示为不同张力下 ,同一受试者皮肤与同种织物的 4组摩擦信号 ,在图中的 4种张力条件下 ,每组试验中 10根摩擦曲线上摩擦力的变异系数分别为10. 78%、16. 59%、3. 57%和 5. 97% ,这表明张力为2 N条件下测得的摩擦曲线的离散性较小 ,摩擦曲线为稳定. 另外发现在不同张力下 ,同一受试者的皮肤与不同类型织物间的摩擦力随张力的增大而增大.
研究发现 ,张力过小时 ,被测织物未被充分伸直 ,皮肤与织物不能有效接触 ,对摩擦信号的稳定性产生了影响. 而张力越大 ,肌肉被拉伸及挤压变形越严重 ,皮下弹性波动大 ,并且织物发生颈缩 ,接触面积不断减小 ,造成信号波动. 2 N的张力能够使常见的机织物充分伸直 ,即使某些织物略有伸长 ,也不至于发生颈缩 ,偏离实际穿着情况 ,而且 2 N张力下的测得的摩擦曲线为稳定 ,因此在测试常见贴身穿着的机织物时 ,推荐设定本仪器的张力为 2 N.
2. 5 运动速度对平均动摩擦力的影响
在摩擦测试过程中 ,我们发现摩擦速度对摩擦信号的稳定性也有影响 ,因此 ,在张力已经确定的前提下 , 针 对 同 一 试 样 , 选 择 在 200、300、500 和700 mm /m in等几种不同的摩擦速度下进行测试 ,结果如图 6所示 ,摩擦速度对摩擦力的大小影响不明显 ,对信号的稳定性则有较大的影响. 4种速度条件下 ,每组试验中 10条摩擦曲线上摩擦力变异系数分别为 14168%、11. 84%、4. 25%和 9. 18% ,表明在500 mm /m in的摩擦速度下 ,摩擦曲线的离散度小 ,摩擦信号稳定.
作者认为 ,摩擦速度过小 ,织物牵伸产生的肌肉变形不能够及时得到回复 ,容易产生黏滑现象 ,导致信号波动. 速度过大 ,织物表面的一些微观摩擦信息会被忽略掉 ,仪器本身也会发生振动 ,这些都对摩擦信号的稳定性产生了影响. 因此 ,织物与皮肤的摩擦速度推荐为适中的 500 mm /m in.
2. 6 样品宽度对平均动摩擦力的影响
同样对于试样宽度的影响 ,也做了对比分析. 由于人体前臂的测试长度大约为 20 cm,根据实际情况 ,为了确保织物不会发生严重倾斜 ,以至于发生剪切作用 ,在样品宽度对比试验中选择 10和 15 cm.图 7为同一样品 ,在摩擦速度为 500 mm /m in,张力为 2 N的测试条件下 , 5种织物分别以 10和 15 cm的试样宽度与同一志愿者的皮肤进行摩擦测试时所表现出来的摩擦性能的差异. 由图 7可以明显看出 ,10 cm的样品宽度得到的摩擦力曲线为稳定 , 2组摩擦曲线的摩擦力变异系数值分别为 3. 57%和9137% ,因此在今后的试验中 ,统一制定试样的宽度为 10 cm.试样规格尺寸的大小 ,以能反映一个完整的织物组织特点为准. 尺寸规格过大 ,摩擦负荷大 ,需要大功率传感器 ,而且易造成动态影响 ,试验误差大 ;而规格过小 ,则无法反映试样表面所具有的真实特性 ,失去了测试的意义[ 15 ]. 理论上 ,对于本试验 ,织物与皮肤的接触面积越大 ,越能真实的模拟实际穿着情况. 然而 ,实际上由于人体前臂两端粗细不均 ,试样越宽 ,织物倾斜越明显 ,误差越大. 因此 ,依照多次对比试验结果 ,认为针对该试验条件 ,推荐选用规格为 10 cm宽的试样为好.
结论
a. 研制的摩擦测试仪可以定量测试运动状态下织物与人体皮肤间的摩擦行为 ,并且可以在不同张力和摩擦速度下测量皮肤与不同材料之间的摩擦性能 ,为研究皮肤与接触物间的摩擦特性提供了试验手段.
b. 由于皮肤的应力史特性 ,织物和皮肤的首次摩擦曲线明显低于随后的各次曲线 ,提出根据第二次以后的 10次摩擦试验结果计算织物和皮肤的各项摩擦指标. 重现性和可比性试验的结果显示 ,相同试验参数下所得的试验数据具有较好的重现性 ,不同织物和皮肤间测得的摩擦力具有可比性 ,试验客观有效.
c. 通过大量的对比试验 ,根据信号的稳定性和实际测试条件 ,推荐出该仪器用于测试常规机织物的各个测试参数 ,其中张力为 2 N,摩擦速度为500 mm /m in,试样的宽度为 10 cm。