織物涼感等級(jí)的主客觀評(píng)價(jià)及確定

楚鑫鑫，肖 紅，范 杰

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)織物熱舒適性的要求也越來(lái)越高。特別是在夏季，接觸涼感越來(lái)越成為消費(fèi)者選擇面料的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。一些具有接觸涼感的服用類和生活用類紡織品也進(jìn)入市場(chǎng)，被消費(fèi)者接受和喜愛。2018年，GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》正式實(shí)施，規(guī)定了紡織品與皮膚接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，提出了接觸瞬間涼感和接觸涼感系數(shù)的概念，但此標(biāo)準(zhǔn)還存在不足：1)僅規(guī)定了接觸瞬間涼感，不能反映織物持續(xù)的散熱能力和熱吸收能力，不能夠完全概括現(xiàn)有涼感制品的特點(diǎn)；2)在對(duì)織物的接觸瞬間涼感進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，規(guī)定瞬態(tài)熱流密度最大值qmax在某一數(shù)值范圍內(nèi)，就判定織物具有涼感性能，并不能對(duì)涼感強(qiáng)弱進(jìn)行等級(jí)劃分，無(wú)法有效地評(píng)價(jià)紡織品涼感程度。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是基于模糊數(shù)學(xué)，將一些多層次、多因素、復(fù)雜模糊不清等定性評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化，進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的一種方法，它把評(píng)價(jià)對(duì)象以及反映評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊概念建成一定的模糊集合[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，模糊綜合評(píng)價(jià)方法突出的優(yōu)勢(shì)是方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，對(duì)多因素且模糊性的問(wèn)題具有很好的適用性[2]。除此之外，通過(guò)運(yùn)用一定的算法綜合各因素的值來(lái)判斷整個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)。這種數(shù)學(xué)方法已被越來(lái)越多應(yīng)用到解決紡織領(lǐng)域中的問(wèn)題：吳志斌等[3]對(duì)滌綸仿真絲綢手感風(fēng)格進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)；柯寶珠等[4]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)織物風(fēng)格；劉侃[5]利用模糊聚類分析法對(duì)服裝面料的縫制加工性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；羅紀(jì)華等[6]用綜合模糊評(píng)定的方法，對(duì)比評(píng)定各種整理后苧麻織物服用性能的優(yōu)劣。

前期研究中，研制了熱流式織物涼感測(cè)試儀器[7]，并基于該儀器確定了織物涼感的檢測(cè)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，探明了織物沿平面方向的傳熱機(jī)制[9]。為進(jìn)一步對(duì)織物涼感進(jìn)行等級(jí)劃分，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)織物涼感等級(jí)進(jìn)行研究，并與以人為中心的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)劃分進(jìn)行比較，擬確定符合實(shí)際使用感受的涼感等級(jí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

試樣樣品規(guī)格如表1所示。其中，聚烯烴纖維的熱導(dǎo)率為14 W/(m·K)，而普通的天然和合成纖維熱導(dǎo)率多在0.05 W/(m·K)以下。為較全面地劃分織物涼感等級(jí)，實(shí)驗(yàn)室中共織造和收集不同涼感的57塊試樣，包括單方向含有聚烯烴導(dǎo)熱絲的試樣17塊、雙向都含有導(dǎo)熱絲的試樣16塊、常規(guī)普通纖維不同組織結(jié)構(gòu)和厚重程度的試樣20塊和含有不同金屬絲(銅纖維、銀纖維和鍍銀纖維)的試樣4塊。

1.2 客觀評(píng)價(jià)測(cè)試方法及指標(biāo)

采用FFZ415熱流式?jīng)龈袦y(cè)試儀，對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的57塊樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)參見文獻(xiàn)[9-10]。測(cè)試每一塊試樣的最大瞬態(tài)熱流密度qmax、穩(wěn)態(tài)熱流密度qbal的值。測(cè)試過(guò)程模擬了織物和皮膚接觸時(shí)，通過(guò)人體皮膚的最大瞬態(tài)熱流密度，熱流密度越大表明織物與皮膚接觸瞬間人體損失的熱量越多，織物與人體的接觸涼感越強(qiáng)[11]。測(cè)試結(jié)果見表1。

1.3 主觀評(píng)價(jià)方法及步驟

1.3.1參試人員及評(píng)價(jià)方法

40名不同性別的在校研究生進(jìn)行主觀評(píng)價(jià), 其中12名男生、28名女生，平均身高166.8 cm，平均體重57.8 kg。參試人員對(duì)57塊不同材質(zhì)的面料進(jìn)行織物涼感的主觀評(píng)價(jià)，形成真實(shí)可靠的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)。其中對(duì)織物涼感等級(jí)的文字描述，A等級(jí)指涼爽感覺(jué)強(qiáng)烈，B等級(jí)指涼爽感覺(jué)明顯，C等級(jí)指稍微有涼爽感覺(jué)，D等級(jí)指涼爽感覺(jué)一般，E等級(jí)指沒(méi)有涼爽感覺(jué)。

整個(gè)主觀評(píng)價(jià)過(guò)程在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，環(huán)境溫度為21 ℃，環(huán)境濕度為63%，空氣流速不超過(guò)0.2 m/s，以確保人體各項(xiàng)機(jī)能處于最佳狀態(tài)，感覺(jué)器官最為敏感，心理狀態(tài)也趨于穩(wěn)定狀態(tài)，有利于實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。參試人員通過(guò)前臂內(nèi)側(cè)對(duì)織物涼感進(jìn)行評(píng)價(jià)。面料在接觸人體皮膚時(shí)，會(huì)有熱量傳導(dǎo)到面料，為避免誤差，每次測(cè)試要間隔2 min，使面料恢復(fù)到初始熱狀態(tài)再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

1.3.2實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)試前，對(duì)參試人員進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容包括：織物涼感的意義講解、測(cè)試時(shí)對(duì)樣本的觸摸方式及調(diào)查問(wèn)卷的填寫方式，以確保實(shí)驗(yàn)的正確進(jìn)行及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)中，在觸摸試樣樣本之前，參試人員需要在實(shí)驗(yàn)室中靜坐20 min，以便適應(yīng)環(huán)境和調(diào)整個(gè)人心理狀態(tài)。隨后，參試人員將前臂裸露往前伸直，并保持前臂內(nèi)側(cè)向上的姿勢(shì)，另一只手將織物放在前臂上，可適當(dāng)采用按壓等方式，模擬皮膚對(duì)服裝產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

參試人員根據(jù)前臂內(nèi)側(cè)與織物接觸時(shí)的瞬間的涼爽感覺(jué)填寫調(diào)查問(wèn)卷表，對(duì)織物的涼感等級(jí)進(jìn)行分級(jí)。

1.3.3結(jié)果計(jì)算

參試人員對(duì)面料進(jìn)行評(píng)級(jí)時(shí)采用計(jì)分的形式對(duì)面料進(jìn)行打分，A等級(jí)對(duì)應(yīng)5分，記為x1，B等級(jí)對(duì)應(yīng)4分，記為x2，C等級(jí)對(duì)應(yīng)3分，記為x3，D等級(jí)對(duì)應(yīng)2分，記為x4，E等級(jí)對(duì)應(yīng)1分，記為x5。每塊面料A、B、C、D、E各等級(jí)中打分的總?cè)藬?shù)作為權(quán)重，記為w1，w2，w3，w4，w5，根據(jù)加權(quán)平均法的公式：

(i=1,2,…，57)

在主觀評(píng)價(jià)織物涼感等級(jí)時(shí)，每塊面料最終都會(huì)被評(píng)為A、B、C、D、E等級(jí)中的某個(gè)級(jí)別，再將同為一個(gè)等級(jí)的面料的加權(quán)平均值按大小排序，取最大值和最小值劃定此等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍。

表1 試樣規(guī)格及熱流密度值Tab.1 Sample size and heat flux value

最終劃定A等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍為4.3～5，B等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍為3.5～4.3，C等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍為2.5～3.5，D等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍為1.5～2.5，E等級(jí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均值范圍為1～1.5。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 織物熱流密度結(jié)果及分析

從表1中看出，qmax值大的試樣其qbal值不一定大，如3#試樣，qmax值為389.1 W/m2，qbal值為 27.8 W/m2，同樣qbal值大的試樣qmax值不一定大，如31#試樣，qmax為353.8 W/m2，qbal值為62.8 W/m2。這與構(gòu)成試樣的聚烯烴的含量、織物組織結(jié)構(gòu)等相關(guān)。聚烯烴在試樣中所占比例大，其接觸瞬間涼感和穩(wěn)態(tài)接觸涼感就較好。編號(hào)為13#、12#、11#的試樣中，的聚烯烴纖維和棉纖維的比例分別為1∶1、2∶1、3∶1，聚烯烴纖維的含量分別從50%增加到75%，試樣的qmax值也從295.7，增加到 346.7 W/m2，聚烯烴纖維在試樣中所占比例大，其接觸瞬間涼感就較好。編號(hào)為15#的試樣，聚烯烴纖維和棉纖維的比例為3∶1，其qmax值為303.8 W/m2，比11#試樣的qmax值小很多，可知試樣中，測(cè)試試樣中聚烯烴纖維較粗，試樣的面密度相對(duì)較大，吸熱量較大，接觸涼感越強(qiáng)。測(cè)試試樣中，試樣的組織結(jié)構(gòu)存在差異，造成試樣的表面有多種形態(tài)，織物表面狀態(tài)越光滑，接觸時(shí)的表面積越大，織物涼感越好。

接觸瞬間涼感與穩(wěn)態(tài)接觸涼感沒(méi)有正相關(guān)關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)中理論分析，接觸瞬間涼感與織物的熱吸收能力、導(dǎo)熱絲的熱傳導(dǎo)能力相關(guān)，反映了織物的瞬間熱吸收能力；而穩(wěn)態(tài)接觸涼感與導(dǎo)熱絲的熱傳導(dǎo)能力相關(guān)，反映了織物持續(xù)的散熱能力。因此，在對(duì)試樣的涼感進(jìn)行等級(jí)劃分時(shí)，需要分別從這2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分類。

2.2 涼感的等級(jí)劃分

人體著裝的涼感程度是一種人體主觀舒適感覺(jué)，目前無(wú)法用物理量來(lái)直接表示。為將主觀感覺(jué)定量化，采用了心理學(xué)標(biāo)尺，將人體主觀感覺(jué)分級(jí)。根據(jù)前面測(cè)試得到面料的qmax、qbal的值，對(duì)面料的涼感等級(jí)進(jìn)行分類。目前使用的心理學(xué)標(biāo)尺主要有3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)標(biāo)尺[12]，把人體的熱舒適性程度賦予相應(yīng)的數(shù)值，從而定量地評(píng)價(jià)此類定性問(wèn)題。在本文對(duì)織物涼感進(jìn)行等級(jí)分類時(shí)，基于5點(diǎn)標(biāo)尺，將其劃分為5個(gè)等級(jí)，A、B、C、D、E，具體見表2。

表2 涼感等級(jí)分類Tab.2 Coolness classification

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.3.1模糊綜合評(píng)價(jià)步驟

對(duì)測(cè)試得到的熱流密度數(shù)值，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，按照以下步驟，進(jìn)行隸屬度等級(jí)分類。

1)建立評(píng)判因素對(duì)象集U={u1,u2,…，ui}(i=1,2,…，n)。因素ui就是評(píng)價(jià)對(duì)象的集合，在此次工作中就是qmax和qbal數(shù)值大小的集合，即表1 中的qmax和qbal數(shù)值。

2)建立評(píng)判集V={v1,v2,…，vi}(i=1,2,3，…，n)。在紡織品評(píng)價(jià)中，評(píng)判集vi就是等級(jí)劃分的集合，此次工作中是涼感等級(jí)的集合，即表2所述集合。

3)在建立隸屬度函數(shù)時(shí)，選取模糊分布的常用公式(梯形型)。隸屬度函數(shù)是依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立起來(lái)的，目的在于通過(guò)一定的函數(shù)運(yùn)算來(lái)刻劃評(píng)價(jià)因素對(duì)評(píng)判等級(jí)的隸屬程度，從而使本來(lái)模糊的數(shù)學(xué)概念變得直觀[13]。

其隸屬度函數(shù)的數(shù)學(xué)模型如下：

一級(jí)：

二級(jí)：

三級(jí)：

四級(jí)：

五級(jí)：

圖1 試樣qmax、qbal的等級(jí)分級(jí)結(jié)果Fig.1 Grades results of qmax and qbal of samples

在上述數(shù)學(xué)模型中:x1、x3、x5、x7分別是v1和v2、v2和v3、v3和v4、v4和v5的等級(jí)臨界值;x2、x4、x6分別為v2、v3、v4等級(jí)數(shù)值區(qū)間的中間值。

選取模糊分布中的梯形與半梯形分布，為避免等級(jí)間數(shù)值相差較小但評(píng)價(jià)等級(jí)相差一級(jí)的現(xiàn)象，對(duì)選用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。對(duì)于中間型，使其在中間點(diǎn)的隸屬度為1.0，向兩側(cè)邊緣遞減到0.5，對(duì)于偏大型和偏小型使其距離臨界值越遠(yuǎn)，隸屬度越大，在臨界上屬于兩側(cè)的等級(jí)均為0.5[14]。

4)利用模糊分布中的梯形公式對(duì)熱流密度數(shù)值進(jìn)行分類后，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分等級(jí)：A-Rv5，B-Rv4，C-Rv3，D-Rv2，E-Rv1。

2.3.2隸屬度等級(jí)分類結(jié)果

利用隸屬等級(jí)函數(shù)對(duì)qmax、qbal的值進(jìn)行隸屬等級(jí)分類，每一個(gè)熱流密度值都會(huì)對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的Rv值，選擇其中一個(gè)最大的數(shù)值對(duì)應(yīng)的Rv結(jié)果作為最后的隸屬等級(jí)，根據(jù)等級(jí)劃分結(jié)果把實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的57塊試樣進(jìn)行涼感等級(jí)分類。結(jié)果如表3、4所示。

2.4 涼感等級(jí)劃分結(jié)果及分析

基于模糊綜合評(píng)價(jià)法中的隸屬度函數(shù)，對(duì)前述試驗(yàn)中得到的織物qmax、qbal的值進(jìn)行等級(jí)分類，得到較科學(xué)合理的不同涼感程度的qmax、qbal的值范圍，進(jìn)而可以劃分織物的涼感等級(jí)。分類結(jié)果如表5所示。其中，涼感等級(jí)為A對(duì)應(yīng)的面料主要是含有1 333、888 dtex高導(dǎo)熱聚烯烴纖維的面料，涼感等級(jí)為B對(duì)應(yīng)的面料主要是667、444 dtex高導(dǎo)熱聚烯烴纖維的面料，涼感等級(jí)為C對(duì)應(yīng)的面料主要是444、222 dtex高導(dǎo)熱聚烯烴纖維的面料，涼感等級(jí)為D對(duì)應(yīng)的面料主要是含金屬纖維面料和普通面料，涼感等級(jí)為E對(duì)應(yīng)的面料主要是搖粒絨面料，該類面料具有一定保暖性，結(jié)果如圖1所示。

2.5 織物涼感等級(jí)的主觀評(píng)價(jià)

前期客觀測(cè)試最終都要以實(shí)際穿著的涼感感受為基準(zhǔn)，希望測(cè)試儀器也能夠有效地反映穿著特征，通過(guò)儀器的物理測(cè)量能夠有效地推斷出人的生理感覺(jué)和心理感覺(jué)[15]?，F(xiàn)階段所有織造的具有涼感性能的面料最終都要回歸市場(chǎng)，被各行各業(yè)的消費(fèi)者評(píng)比和選擇，由于個(gè)體差異的存在，每個(gè)人對(duì)涼感程度的認(rèn)識(shí)也是不盡相同的，為能更好地幫助消費(fèi)者認(rèn)識(shí)涼感面料以及規(guī)范涼感紡織品市場(chǎng)，對(duì)織物涼感進(jìn)行主觀等級(jí)的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)是非常必要的。

表3 qmax的隸屬等級(jí)分類結(jié)果Tab.3 qmax subordinate classification result

表4 qbal的隸屬等級(jí)分類結(jié)果Tab.4 qbalsubordinate classification result

表5 涼感等級(jí)分類Tab.5 Cool classification

將40名參試人員對(duì)57塊試樣的平均評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀測(cè)試得到的織物涼感等級(jí)對(duì)比，見表6。

從上述表格中可以看出，主觀評(píng)價(jià)織物的涼感和利用熱流式?jīng)龈袦y(cè)試儀測(cè)試織物的涼感具有高度的一致性，一致性的比例可用此公式表示：(主客觀評(píng)價(jià)等級(jí)一致的面料數(shù)/總面料數(shù))×100%，計(jì)算結(jié)果為78.9%，可以看出面料涼感等級(jí)主客觀評(píng)價(jià)一致性較好。

1#、2#面料分別是不同含量涼感絲的羅紋組織針織面料，表面不平整，在使用熱流式?jīng)龈袦y(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，面料中凹進(jìn)去的部分會(huì)存有部分空氣，最后測(cè)得的熱流密度值變小，在將面料放在前臂內(nèi)側(cè)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)，面料因其柔軟可彎曲，面料中存有的空氣較少，接觸面積相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，得出的涼感等級(jí)較高。3#、9#、28#、32#面料客觀評(píng)價(jià)等級(jí)為A級(jí)，在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)的等級(jí)降為B級(jí)。13#、18#面料客觀評(píng)價(jià)等級(jí)為D級(jí)，在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)等級(jí)升為C級(jí)，47#、54#面料客觀評(píng)價(jià)等級(jí)為E級(jí)，在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)等級(jí)升為D級(jí)。主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果不相同的試樣，分析它們的接觸瞬間最大熱流密度值，大部分都在分界數(shù)值上下，相差很小，例如，9#qmax值為390.7 W/m2，在A、B等級(jí)分界線上方，客觀評(píng)價(jià)中屬于A等級(jí)，但在以人為主體的主觀評(píng)價(jià)中，因個(gè)體存在差異，選擇其為B等級(jí)的人數(shù)較多，即最終9#試樣在主觀評(píng)價(jià)中隸屬于B等級(jí)。

表6 織物涼感客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)對(duì)比表Tab.6 Comparison of objective evaluation and subjective evaluation of fabric coolness

3 結(jié) 論

采用熱流式?jīng)龈袦y(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室收集的57塊面料進(jìn)行測(cè)試，包括含高導(dǎo)熱聚烯烴長(zhǎng)絲的面料、普通面料、和含有金屬絲的面料，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)織物涼感指標(biāo)進(jìn)行客觀等級(jí)分類、和采用參試人員主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行等級(jí)分類，結(jié)果如下。

1)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)織物進(jìn)行的5檔涼感分類，可以較為詳細(xì)給出具體的等級(jí)指標(biāo)。比如，涼感為A級(jí)的織物，其瞬態(tài)熱流密度大于 380 W/m2，穩(wěn)態(tài)熱流密度大于65 W/m2。

2)面料的涼感需要從瞬態(tài)接觸涼感和穩(wěn)態(tài)持續(xù)散熱2個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。接觸瞬間涼感好的面料其穩(wěn)態(tài)接觸涼感不一定會(huì)好，即存在瞬態(tài)熱流密度為A級(jí)、穩(wěn)態(tài)熱流密度為B級(jí)的試樣。使用者需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

3)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)面料的涼感等級(jí)的分類，和人為主觀評(píng)價(jià)織物的涼感等級(jí)具有較好的一致性，為消費(fèi)者在購(gòu)買相關(guān)涼感產(chǎn)品時(shí)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，也可以作為制訂涼感紡織品涼感等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的參考。

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