基于碳納米管發(fā)熱面料的生理內(nèi)褲設(shè)計研究

王斯琦,陶 金

(常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計學(xué)院,江蘇 常熟215500)

生理期是每個女性都會經(jīng)歷的時期,也伴隨著一系列問題,經(jīng)期的安全舒適感對于女性而言意義重大[1]。痛經(jīng)是青年女性常見的婦科疾病,會影響患者的日常生活[2]。研究表明,女性經(jīng)期或行經(jīng)前后小腹疼痛,痛及腰骶[3],目前,緩解治療女性生理期痛經(jīng)的主要方法為服用中西藥物、中醫(yī)針灸推拿和患處熱療。然而,長期服用藥物有害人體健康,而采用中醫(yī)針灸推拿療程較長,且治療步驟繁瑣,為生活帶來諸多不便。近年研究表明遠(yuǎn)紅外材料能發(fā)射遠(yuǎn)紅外線波長為8~15μm的遠(yuǎn)紅外線,具有顯著的共振和熱效應(yīng),可使毛細(xì)血管擴(kuò)張,使皮膚的溫度略有升高,從而加快病灶部位血液循環(huán)和微循環(huán),使病灶部位平滑肌松弛和敏感度下降,從而緩解痛經(jīng)[4]。

采用一種可溫控的輕薄防水型碳納米管發(fā)熱面料對女性生理內(nèi)褲進(jìn)行功能化設(shè)計,利用生理內(nèi)褲通電后發(fā)熱實現(xiàn)對經(jīng)期患處的熱敷理療作用。采用紅外熱成像儀捕捉人體紅外輻射能,形成人體無創(chuàng)性熱成像圖片,在此基礎(chǔ)上研究碳納米管發(fā)熱面料作用于小腹和腰骶部的熱敷性能,評價理療效果,并對內(nèi)褲設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)改良。

1 碳納米管纖維

碳納米管自1991年被IIJI MA[5]發(fā)現(xiàn)以來,在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。作為一種碳材料的新同素異形體,碳納米管材料表現(xiàn)出極好的機械性能及多功能性能[6-9];作為導(dǎo)電材料,碳納米管可以改變聚合物復(fù)合材料的傳導(dǎo)性(導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性)[10];碳納米管膜保留了碳納米管原有的微觀性能并被廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域[11]。碳納米管材料可以被組裝成如纖維、薄膜、氣凝膠等多種結(jié)構(gòu)。其中,碳納米管纖維是碳納米管材料重要的一維表現(xiàn)形式之一,不僅具有可與碳纖維等高性能纖維媲美的機械性能,還很好保持了碳納米管豐富的熱、電、場發(fā)射等功能[12]。碳納米管材料的應(yīng)用推動了智能紡織品的發(fā)展,結(jié)合材料優(yōu)異的熱學(xué)性能,將其嵌入到不同紡織結(jié)構(gòu)中,可開發(fā)出具有電熱功能的紡織品[13]。

2 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲初步設(shè)計及熱敷性能試驗

2.1 材料結(jié)構(gòu)與性能

采用的碳納米管發(fā)熱面料為碳納米管薄膜/面料復(fù)合結(jié)構(gòu),薄膜面密度為5 g/m2,厚度為5μm,輕薄柔軟耐折彎。面料通過USB接電,具有優(yōu)良的電控發(fā)熱性能,發(fā)熱溫度在28~53℃之間,額定電壓為5 V,額定電流為2 A,其中碳納米管柔性加熱膜組的最大功率為7.5 W,最大電流為1.5 A,最大電壓為5 V,可發(fā)射6~14μm的遠(yuǎn)紅外波,具有健康加熱理療效能。此外,面料具備較好的導(dǎo)熱性能和防水性能,發(fā)熱均勻,熱能效率高,可通過手機APP實現(xiàn)智能控溫。發(fā)熱面料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 發(fā)熱內(nèi)褲初步設(shè)計

2.2.1 設(shè)計依據(jù)及說明

基于女性生理期小腹及腰骶疼痛狀況,依據(jù)人體工程學(xué)理論設(shè)計了一款可充電碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲(圖2)。

圖1 碳納米管發(fā)熱面料溫控組件

圖2 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲設(shè)計款式圖

圖2 中(1):小腹部位為痛經(jīng)時主要疼痛區(qū),經(jīng)期或經(jīng)行前后會反復(fù)出現(xiàn)小腹疼痛,嚴(yán)重者可導(dǎo)致昏厥[14],因此將主發(fā)熱片設(shè)計覆蓋于小腹區(qū)域,充分發(fā)揮熱敷理療效用。

圖2 中(2):經(jīng)過多年臨床研究發(fā)現(xiàn),痛經(jīng)患者腰骶部會出現(xiàn)單個或數(shù)個陽性反應(yīng)點,在腰骶部進(jìn)行壓痛點刺激可實現(xiàn)疏通經(jīng)絡(luò)氣血的效果[15]。在腰骶部設(shè)置發(fā)熱區(qū),通過碳納米管面料熱敷及遠(yuǎn)紅外波理療作用,利于疏通經(jīng)絡(luò)氣血,有效緩解癥狀。

圖2 中(3):數(shù)據(jù)線外殼采用防水耐彎折材質(zhì),方便穿戴和清洗。

圖2 中(4):在穿戴使用發(fā)熱內(nèi)褲過程中可根據(jù)自身狀況便捷調(diào)溫。

圖2 中(5):方便與充電裝置連接進(jìn)行能源供應(yīng)。

圖2 中(6):由于碳納米管發(fā)熱面料為無彈面料,所以設(shè)計采用內(nèi)衣膠將其與內(nèi)褲同款面料粘合,再與內(nèi)褲縫合,避免碳納米管發(fā)熱面料與高彈面料縫合時形成較大的褶皺而影響舒適性及發(fā)熱效果。

2.2.2 發(fā)熱內(nèi)褲制作

依據(jù)設(shè)計款式圖,制作發(fā)熱內(nèi)褲,實物圖如圖3所示。

圖3 發(fā)熱內(nèi)褲實物穿著實物圖

3 發(fā)熱內(nèi)褲熱敷性能試驗

3.1 試驗內(nèi)容

(1)參考女性經(jīng)期痛經(jīng)程度評定[16],設(shè)定經(jīng)期疼痛程度評定標(biāo)準(zhǔn)(表1),將志愿者經(jīng)期疼痛程度分為:不痛經(jīng)組、輕微痛經(jīng)組、嚴(yán)重痛經(jīng)組。志愿者選擇對象為來自常熟理工學(xué)院的18-24歲健康女大學(xué)生。其中不痛經(jīng)組試驗對象有8名,輕微痛經(jīng)試驗對象有11名,嚴(yán)重痛經(jīng)組試驗對象有7名,經(jīng)過統(tǒng)一定量篩選,每組選定6項試驗有效數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

表1 痛經(jīng)分度表

(2)由于人體可明顯感知的最小溫度變化幅度約為5℃,采用手機APP進(jìn)行溫度調(diào)控(圖4),以5℃溫度差為一個測量等級,設(shè)置“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”、“43~47℃”、“47~52℃”5個溫度等級,每個等級設(shè)置2 min的預(yù)熱時間、5 min的功能體驗時間,采用紅外熱成像儀觀察碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲的熱量分布及變化。每組志愿者輪流穿著發(fā)熱內(nèi)褲,依次進(jìn)行5個溫度等級的穿著體驗,依據(jù)各溫度等級的體驗情況填寫功能評價表格,評價數(shù)據(jù)在一個溫度等級范圍內(nèi)取平均值。

圖4 APP智能控溫

(3)對試驗效果進(jìn)行評價分析,根據(jù)功能性評價意義差異五分法設(shè)定試驗評估表(表2),采用五級評價等級(0,1,2,3,4),以“一檔(28~32℃)”為例:0分=沒有效果,1分=輕微效果,2分=一些效果,3分=效果較好,4分=效果很好。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 紅外熱像檢測

紅外熱成像技術(shù)是利用人體生物紅外輻射能,通過現(xiàn)代物理科學(xué)技術(shù)形成的人體無創(chuàng)性的熱成像技術(shù)[17]。利用紅外熱像儀可以清晰地呈現(xiàn)出物體表面熱量分布狀況,如圖5所示,為實驗者穿戴生理內(nèi)褲時的熱量所在區(qū)域。紅外熱像儀只能檢測到物體表面溫度,由于生理內(nèi)褲需要穿在衣物里面,否則表面易散熱,實際溫度受試驗條件影響在衣物脫去情況下采集不到較高溫,需要在衣物里才能達(dá)到理想溫度,截取部分熱量分布圖:圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)為“28~32℃”、“33~37℃”、“38~42℃”溫度等級下小腹部熱量分布,圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)為對應(yīng)溫度等級下腰骶部位熱量分布圖,其中腰骶部分在“38~42℃”等級下溫度較高,穿在人體上形成熱量擴(kuò)散相連趨勢。

表2 功能性評價意義差異五分法

圖5 碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲熱成像圖(部分)

由圖5表明碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對小腹和腰骶部位的發(fā)熱作用較為穩(wěn)定,熱量分布較為集中。在不同溫度等級下溫度有較為明顯的變化,對小腹和腰骶部位作用比較精準(zhǔn),熱敷作用達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2.2 穿戴評價

根據(jù)生理內(nèi)褲功能性設(shè)計3個相關(guān)性評價為:舒適的、緩解疼痛的、方便的。以考察碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對經(jīng)期女性產(chǎn)生效果的一致性。該階段評價是通過試驗者穿戴功能內(nèi)褲作用于人體的生理感覺來判斷碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲的功能性能。如圖6、圖7、圖8所示,受試人員在不同階段的發(fā)熱溫度下的生理評價。

如圖6所示,對于發(fā)熱內(nèi)褲的舒適性評價,可以看出這3組人員在溫度上升到38~42℃時,舒適性評價趨勢明顯上升,而針對43~47℃和48~53℃的舒適性評價趨勢保持大體一致,不痛經(jīng)和輕微疼痛組的舒適性略有下降,表明隨著溫度的提升,發(fā)熱內(nèi)褲的體驗舒適性增加,嚴(yán)重痛經(jīng)組的舒適性更依賴溫度的提升。

圖6 功能內(nèi)褲舒適性評價

圖7 功能內(nèi)褲緩解疼痛效果評價

如圖7所示,對于發(fā)熱內(nèi)褲緩解疼痛效果評價,可以看出輕微痛經(jīng)組在28~32℃時較其他兩組效果較好,在33~37℃階段效果提升明顯,在38~42℃階段緩解疼痛效果最明顯,后溫度階段區(qū)域平穩(wěn)。從不痛經(jīng)組整體趨勢平穩(wěn)上升,溫度愈高,評價愈高。嚴(yán)重痛經(jīng)組功能性評價隨溫度升高較不穩(wěn)定。說明功能內(nèi)褲對輕微痛經(jīng)組緩解疼痛效果最為明顯,對嚴(yán)重痛經(jīng)組緩解痛經(jīng)效果較低。嚴(yán)重痛經(jīng)組單一熱敷理療熱敷作用有限,緩解痛經(jīng)程度不穩(wěn)定,需要其他設(shè)施理療配套共同緩解。

圖8 功能內(nèi)褲方便性評價

如圖8所示,對于內(nèi)褲方便性評價,可以明顯看出輕微痛經(jīng)組隊功能性評價明顯高于其他兩組,隨著溫度升高評價升高并趨于穩(wěn)定。方便性偏向個體主觀感覺,與舒適性和緩解疼痛效果相關(guān),并易受其舒適性與緩解疼痛性效果影響。從不痛經(jīng)組與嚴(yán)重痛經(jīng)組評價總體一致,從不痛經(jīng)組評價數(shù)據(jù)較平穩(wěn),嚴(yán)重痛經(jīng)組評價起伏波動較大,較不穩(wěn)定。說明發(fā)熱內(nèi)褲功能對于輕微痛經(jīng)組效果較為明顯,此類志愿者更傾向于選擇發(fā)熱內(nèi)褲。從不痛經(jīng)組與嚴(yán)重痛經(jīng)組傾向較低,有較大改進(jìn)空間。

結(jié)果表明,碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲對緩解女性生理期不適有較好功效,在此基礎(chǔ)上對發(fā)熱內(nèi)褲結(jié)構(gòu)款式進(jìn)行改良可提高產(chǎn)品的適用性。

4 發(fā)熱內(nèi)褲功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

經(jīng)過初步設(shè)計與測試,得到了碳納米管生理內(nèi)褲穿著的基本數(shù)據(jù)。通過對女性生理期痛經(jīng)部位和癥狀的調(diào)研分析,采取疼痛緩解程度和發(fā)熱程度為2個主要指標(biāo)進(jìn)行發(fā)熱內(nèi)褲改良設(shè)計[18]?；诔醪皆O(shè)計款式圖的不完善、試驗過程中遇到的穿戴問題以及試驗數(shù)據(jù)分析研究等因素,總結(jié)試驗人員穿戴不足評價如下:

(1)腰腹部由于功能區(qū)面積較大,內(nèi)褲本身面料保留較少,腰腹部彈性降低。

(2)發(fā)熱面料與內(nèi)褲面料結(jié)合區(qū)間由于兩者面料無彈與高彈的特性,粘合不緊密,產(chǎn)生的褶皺較多,影響舒適性。

(3)嚴(yán)重痛經(jīng)組的熱敷理療效果較差。

(4)內(nèi)褲整體缺乏美觀性,功能區(qū)之間的連接較為粗糙簡陋。

圖9 優(yōu)化后碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲款式圖

根據(jù)試驗人員測量數(shù)據(jù)與主觀評價簡易將碳納米管發(fā)熱內(nèi)褲款式進(jìn)行優(yōu)化改良,如圖9所示。

第一,針對不足(1)的改良:防水?dāng)?shù)據(jù)線采用嵌入式結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)線隱藏在高彈針織松緊量內(nèi),可隨意調(diào)節(jié)腰圍尺寸大小;基于人體工程學(xué)角度和調(diào)研評價結(jié)果,適當(dāng)增加高彈區(qū)面積。

第二,針對不足(2)的改良:內(nèi)褲面料與發(fā)熱面料緩沖區(qū)中由于碳納米管發(fā)熱面料本身無彈性,與內(nèi)褲面料高彈的特性相反。將無彈碳納米管面料用黏膠工藝與微彈棉布粘合,棉布另一邊與內(nèi)褲高彈面料縫合。在無彈和高彈面料之間形成緩沖區(qū),使整體穿戴更加服帖。

第三,針對不足(3)的改良:對于嚴(yán)重痛經(jīng)者,單一的熱敷理療效果對緩解較嚴(yán)重痛經(jīng)效果不夠明顯,需要從面料功能方面進(jìn)行針對性改進(jìn),提高對人體小腹、腰骶部位的理療作用強度;嚴(yán)重痛經(jīng)者需采用必要醫(yī)療手段進(jìn)行治療。

第四,針對不足(4)的改良:根據(jù)紅外熱成像數(shù)據(jù)分析熱量傳導(dǎo)的區(qū)域范圍,結(jié)合人體本身曲線將小腹與腰骶部加熱區(qū)由方形設(shè)計改為圓弧形設(shè)計,實現(xiàn)對痛經(jīng)區(qū)的精準(zhǔn)加熱,提高發(fā)熱功效;優(yōu)化內(nèi)褲臀下周部版型,調(diào)整大腿根部與臀部邊界曲線,使其可以適應(yīng)不同體型的尺寸需求,提升穿著舒適性。

5 結(jié)語

針對經(jīng)期女性小腹與腰骶部位疼痛的生理特點,采用新型碳納米管發(fā)熱面料對女性內(nèi)褲進(jìn)行功能性設(shè)計,對發(fā)熱內(nèi)褲進(jìn)行了穿戴試驗及感性評價,從人體工學(xué)、感性工學(xué)等角度研究發(fā)熱內(nèi)褲的熱敷性能及理療效果,優(yōu)化內(nèi)褲功能結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明,發(fā)熱內(nèi)褲對疼痛部位的熱敷作用精準(zhǔn),對輕微痛經(jīng)組的緩解效果最為明顯。對發(fā)熱內(nèi)褲結(jié)構(gòu)款式的優(yōu)化主要包括三個方面:針對經(jīng)期小腹與腰骶部分癥狀特征,將發(fā)熱作用范圍分為3個區(qū)域;發(fā)熱區(qū)形狀采用圓弧行設(shè)計,貼合人體曲線,確保發(fā)熱功效準(zhǔn)確并充分作用于癥狀部位;此外,考慮到碳納米管發(fā)熱面料的無彈性與內(nèi)褲面料高彈性的沖突,采用微彈棉布作為中間緩沖帶,提高熱敷穩(wěn)定性和穿著舒適性,提升整體制作的可操作性。