热湿交互——防寒鞋热湿舒适性研究的难点与进展

弓太生，杜美娴，康路平，张诗雨，吴婷，覃义婷

（1.陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710021；2.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西 西安 710021；3.际华三五一五皮革皮鞋有限公司，河南 漯河 462000）

引言

我国大部分地区位于北温带，自长江流域以北冬季较为寒冷，特别是西北高原和东北地区，冬季异常寒冷，室外温度可达-30 ℃[1]。因此，防寒鞋对于保护户外工作者的足部健康显得尤为重要。鞋腔良好的热湿环境可以大幅度提升鞋类的舒适性。服装的热湿舒适性是服装舒适性的一个重要方面，是指人体着装后在不同气候环境中，人体与环境间不断进行热湿能量交换，在这种能量交换达到平衡时，人体感到既不冷又不热，既不闷又不湿的舒适满意的服装性能。它直接影响到人体的健康状况，因此对鞋服热湿舒适性的研究尤为重要[2]。作者通过相关检索，对防寒鞋热湿舒适性相关文献进行了整理、归纳及总结，主要从生理基础、材料、结构和理论模型四个方面对防寒鞋的热湿舒适性进行介绍，并重点分析了寒冷环境下防寒鞋的热湿交互作用，以期为未来防寒鞋热湿舒适性研究及发展提供参考。

1 研究方法

1.1 文献检索策略

中文检索数据库为：中国知网、万方、维普等；英文检索数据库为：Science Direct、Web of Science、Springer Link 等。中文检索词分别为：“鞋”并含“舒适性”或含“热湿”或含“保暖”，英文检索词分别为："shoes" OR "footwear" AND "heat and humidity comfort" OR "cold protection"。纳入2006 年8 月至2023 年3 月期间发表的文献进行筛选、整理、归纳及总结。

1.2 文献纳入排除标准

纳入标准：（1）通过泛读和精读文献，纳入与防寒鞋热湿舒适性相关的研究性文章；（2）纳入的文献类型包括实验研究和设计研究；（3）文献中包含防寒鞋热湿舒适性相关的材料、结构和理论研究内容。

排除标准：（1）根据题目及摘要进行初步筛选，剔除重复性文献；（2）文献的研究方法中未涉及热湿舒适性；（3）没有提供完整或合适内容的文献。

1.3 文献纳入结果

依照上述关键词检索，在中、英文数据库分别获得50 和82 篇文献。严格按照纳入及排除标准进一步筛选，最终纳入17 篇文献（见图1）。

图1 文献搜集情况Fig.1 Literature collection

2 生理基础研究

人体四肢肌肉量少，因此通过代谢的产热量也很小，并且产热量随组织温度的下降而下降。例如，35 ℃时一只脚的产热量比0 ℃时高出约160 kJ[3]。当环境温度下降时，人体系统首先保证身体核心的温度，降低对其他部位的热量供应，尤其是四肢部位[4]。研究表明，在寒冷环境中，如果足部没有得到充分的保护，即使其它部位穿着暖和，寒冷的不适感还是会占据主导地位[5]。

研究发现，当皮肤温度约为33 ℃，相对湿度约为60%时，足部舒适性最佳[3]。当脚趾皮肤温度在25 ℃左右时，足部开始发凉[6]；足部皮肤温度进一步降低到20 ℃以下时，会有强烈的冷感[7]；当温度下降到15 ℃左右时，会出现足部疼痛的迹象；在达到10 ℃之前疼痛就已无法忍受[8]。研究表明，脚趾温度降低4 ℃（从28 ℃降至24 ℃），不适感会增加14%，且长时间暴露在寒冷潮湿的天气中会导致脚部冻伤[9]。因此，鞋靴的良好保暖性显得尤为重要。

人体在运动过程中代谢产热的同时也产生了汽态汗和液态汗，这些汗液通过与周围的环境进行热湿交换来维持人体的热湿平衡。根据Hole[10]的数据，静态时人脚的平均排汗量约为2.5～3.0 g/h，动态时排汗量增大（行走时7.2 g/h，剧烈工作时15.0 g/h）。研究表明，出汗会导致足部周围微气候中的水分增加[11]，在相对湿度超过80%时往往会引起不适[12]，且易于滋生病原微生物和导致足部疾病[13]。

春秋季温度适宜，足部排汗量较少，鞋靴热湿舒适性较好；夏季天气炎热，足部出汗量增大，鞋类产品主要通过增加透气性以改善热湿舒适性；冬季天气寒冷，鞋靴多注重防风保暖，但人体新陈代谢产生的潜汗在鞋腔内不断积聚，出于保暖目的的封闭式设计使得汗液难以排出，足部热湿舒适性就会降低。

当外界温度低于-10 ℃时，很少有外部湿气渗透到鞋内，而由于鞋子外部的温度低，脚部出汗产生的湿气会在靠近鞋子外层处凝结而不容易扩散出去[5]。研究表明，出汗会使鞋子的保暖性下降19%～25%（脚趾部位30%～37%）[8]。在这种情况下，鞋靴成为足部与周围环境热湿交换的媒介或阻碍，鞋材的热传递和湿传递过程相互耦合（见图2）。

图2 足部-鞋靴-环境系统热湿传递示意图Fig.2 Heat and moisture transfer diagram of human foot-shoesenvironment system

综上所述，前人重点研究了寒冷条件下鞋靴的隔热和鞋腔内部水分管理的重要性，为防寒鞋靴的研究提供理论支持和方向。除了具有保暖性能外，防寒鞋还应能吸收和传递汗液蒸汽，将脚在鞋腔内运动产生的湿气水分排出，避免汗液的积累，使鞋腔保持干燥。此外，为了防止外部水分渗入，防寒鞋还应具有一定的防水性能[14]。

3 材料研究

以往的鞋靴舒适性研究主要集中在热舒适性上，且倾向于对传统保温材料进行研究，如天然皮革、毛毡等[15]。近年来，许多研究者开始对新型材料进行研究，如气凝胶复合材料[16-18]、纤维材料[19-22]、远红外材料[23]等。在提升保暖指标的同时，也注重提升鞋靴其它方面的性能，如轻量[24]、耐水洗[25]等。研究发现，聚合物发泡材料在个人防护设备应用领域中具有重要作用[26-27]，如聚氨酯、环氧树脂发泡材料等，它们具有良好的隔热性和优异的机械强度[28-30]，非常适用于制作防寒鞋靴。鞋靴保暖性主要取决于保暖材料内部及鞋腔内使空气静止的能力、控制鞋腔内部湿分的能力、鞋底热传导的能力和鞋子的造型、结构等[5]。汗液堆积、湿度增加是造成主观性不适的主要原因[31]。Hofer 等[32]测量了模拟和真实滑雪动作中滑雪靴内衬内的温度和湿度，发现滑雪靴内部环境的温、湿度强烈影响脚的温度，并且袜子和衬里中的高含水量会降低隔热性，印证了鞋腔内部热和湿的相互作用。

防寒鞋的吸湿性能与其制作材料息息相关[33]。范追追等[34]对热湿舒适性织物的发展现状进行总结，认为提升织物导湿性与排汗快干性是今后织物热湿舒适性领域的研究方向之一。国外对吸湿排汗材料的研究较早，研发水平处于领先地位。如WELLKEY 纤维、CoolmaxR 聚酯纤维等材料均具有优异的吸湿排汗性能。经过几十年的发展，吸湿排汗纤维产品的研发也越来越细化，近年来已有不少研究成果，研究者们通过测评不同材料的水分管理[35]、相对湿度[36]等，推动了吸湿排汗材料的研究和发展。例如，研究者开发制造了具有加速汗液蒸发[37]、改善水分输送性能[38]等功能的新材料。Irzmańska[39]使用高吸水性聚合物（SAP）制备了一种防护鞋用鞋垫。这种鞋垫的顶层为涤纶针织间隔织物、中间层为含SAP 的丙纶熔喷非织布、底层为丙纶增强非织布。使用含有SAP 鞋垫可以降低鞋内相对湿度。与含有SAP 的鞋垫相比，不含SAP 的鞋垫对酸性汗液和碱性汗液的吸收分别下降了30%～33%和55%～64%，这表明SAP 能够有效地去除鞋内微气候中的水分。

在防寒鞋热湿舒适性研究中，除了排出鞋腔内部的湿份/水分这一功能外，防止外界水汽进入鞋腔也非常重要。然而良好的防水性也会降低制鞋材料的透汽性，因此材料科学家研制出了既防水又透湿的防水透汽膜。在鞋材中最受欢迎的防水透汽薄膜有TPU 薄膜[40]和PTFE 薄膜[41]，将透湿膜应用于鞋材中可以提升防寒鞋的透湿性能，并改善鞋靴热湿舒适性能。Zhang[37]将钴配合物基超吸湿材料与防水透气的聚四氟乙烯膜相结合，设计出新型的鞋里、鞋垫等，这些配件材料能迅速吸收汗液中的水分，防止汗液堆积，为鞋腔提供干燥舒适的微气候环境。Shi[42]研制了一种全方位智能杂化膜，该材料由对温度和湿度敏感的热塑性聚氨酯与硅气凝胶颗粒共混而成。所制备的杂化膜不仅具有良好物理力学性能，防水性及保暖性也非常突出，特别是该杂化膜对温、湿度具有自适应性，在低温环境（5 ℃）下透汽性可达1 000 g/m2·24 h，非常适用于防寒鞋靴。

综合分析前人的鞋靴舒适性材料的研究，发现大多数研究具有局限性，往往单独研究热舒适性或湿舒适性，缺少热湿交互研究，今后应加强对材料的热湿交互研究。

4 结构设计

在设计防寒鞋时，要重点考虑适度增大鞋腔内部空间尺寸，以获得合适的足-鞋之间的空气层厚度。除此之外，增加隔热保暖层和多层结构也能够增加鞋靴保暖性。梁高勇[43]采用夹心式复合结构对保暖材料进行了设计，这种多层平片复合结构包括一般保护层、保暖蓄热层和有效阻隔层，能够贮存大量的静止空气，并有效阻隔热量传导、对流和辐射，从而保证了良好的保暖性。Serweta[44]通过增加滑雪靴隔热层及设计多层结构等手段对滑雪靴进行设计，并对其热阻进行测试，结果发现，双层结构滑雪靴的水蒸气渗透性能最好，且隔热性能增加了45%～69%，这是由于双层结构缺乏屏障，水蒸气分子自动发生扩散。Irzmańska[11]开发了一款三层结构的鞋垫，采用超声焊接技术对三层不同化学成分和结构的材料进行点焊，使热量和水分易于运输。将鞋垫放置于防水消防靴中，测试鞋靴内部的微气候，发现使用三层结构鞋垫的鞋靴内部最佳温度和湿度都保持在舒适值内，且该鞋垫表现出非常好的吸水性能。

增加防寒靴的保暖性往往会增加靴体重量。研究表明，随着鞋重量的增加，穿着者的生理成本也增加，导致穿着者过度疲劳[45-46]。有研究者将防寒鞋设计为套靴结构，这种设计不仅可以增加鞋材内部及多层鞋材之间的空气含量，而且减轻了外壳的重量[47]。Colonnal[48]也采用了套靴结构制作滑雪靴，通过改变外壳材料以及制作工艺，在保暖的同时降低了受试者的足底压力，提高了鞋靴的舒适性能。

为提高鞋靴的热湿舒适性，徐慧[49]设计出一款能够在手机客户端对温湿度进行智能调控的智能鞋。作者重点对智能鞋的大底进行了设计，在大底和中底之间加入了温湿度传感器、加热模块和通风模块等设计。若用户想调节温度，则可通过加热模块和鞋垫前端的加热片增加鞋腔内部温度；若温度过高，足部出汗量上升，导致鞋内相对湿度升高，则可通过电扇和通风模块将鞋内湿份排出，达到了保暖、排湿、提高舒适度的效果。Li[50]设计开发了一种可以吸收和消除足部汗液的气流系统（见图3）。该系统有两种工作状态，一种是排气模式，将阀门方向调整为向外，即通过挤压后掌中的气囊将鞋内的空气抽出，从而达到除湿排汗的目的；另一种是吸气加热模式，调整气阀的方向向内，即挤压气囊，将空气引入鞋内，这一过程与鞋面内部的空气加热模块一起完成，将热空气引入鞋中。空气加热模块由鞋面内侧的隔热袋和一次性加热垫组成，加热垫直接接触风道对空气进行加热。通过测试，发现该系统可显著提高鞋靴舒适度并减少足部汗液的产生。

图3 气流系统[50]Fig.3 Air flow system[50]

综上所述，防寒鞋靴主要通过增加鞋腔内空气层厚度、增设加热模块、设计气流系统等结构设计来对热湿舒适性进行改善，相信随着科技的进步，功能材料及功能性结构设计趋于完善，能够大幅提升鞋靴热湿舒适性。

5 理论模型

鞋靴热湿舒适性的理论模型研究主要分为材料模型和人体生理模型两部分。材料模型大多对不同材料的性能进行理论建模，探讨不同材料之间热湿传递过程；人体生理模型以人体为原型，建立人体体温模型，描述人体生理反应，并能模拟穿着不同鞋靴时人体的各项体征，也能以此研究防寒鞋靴的热湿舒适性。

5.1 材料模型

对纺织材料传热传质机理的研究始于20 世纪30 年代，主要集中在对纺织品热湿舒适性相关指标的探索以及织物传热传质模型建立和数值求解方面。1939 年，Henry[51]首次提出一个建立在微元体上的数学模型，并通过该数学模型描述了织物的热湿传递机理。在1948～1967 年间，Henry[52]、Nordon[53]、David[54]等人主要使用数学模型研究在周围空气相对湿度和温度变化的条件下羊毛中湿份的传递过程，并采用实验对模型预测结果进行了验证。Li[55]和Holcombe 等人[56]通过数学模拟方法重点研究了纤维、织物与环境间的热量交换，并在后期对模型进行深入研究，提高了模型的计算精度，建立了更精确的服装热湿舒适调节模型[57-58]。

人们对织物内热湿传递的研究日益深入，建立的模型也由简单到复杂，涉及从湿气扩散、液态水的毛细芯吸、吸湿放湿机理，到凝结、蒸发等多种复杂现象。近年来，对热湿耦合模型的研究越来越广泛且愈加追求更精确的结果，不少学者基于传热传质方程，根据热湿舒适性和其它功能性要求，研究了纺织材料厚度、孔隙率、热传导率等参数在热湿耦合模型中对材料最终性能的影响。Du[59]和Fan[60]等对由两块不同温度的平板和织物所构成的系统建立了一个包含传导和热辐射的热交换模型，以最佳隔热性为目标进行了研究，探讨多层均匀纺织材料的最优孔隙率值以及非均匀纺织材料随厚度变化的最优孔隙率分布的问题。Su[61]建立了三层织物系统，该模型模拟了多孔材料中的传热和蓄热的过程，并对其进行了验证，结果发现通过该耦合模型能够进一步提高皮肤温度的预测精度。

尽管热湿的交互作用很复杂，但研究者们从未放弃对热湿耦合的研究，并且也积极探索鞋服产品中的热湿交互机理。为了对运动鞋内部的温度和湿度分布做出定量的估计，Chorny 等[62]建立了一个足-鞋-环境中热-湿耦合传输的数学模型，发现不同环境条件、不同制鞋材料以及不同运动状态都会对皮肤温度和湿度产生强烈的影响，从而改变足部热舒适感受。尤其是运动会引起足部体积变化，导致鞋内空气层减少，热舒适性降低。

5.2 人体生理模型

除材料的热湿耦合模型外，足部及成鞋的热湿耦合模型也具有实用价值。在过去的50 年中，学界已经开发了一系列详细的、多段的人体体温调节模型。其中最著名的模型是由Stolwijk[63]提出的，他创建了一个描述人体热生理反应的模型。其他研究者（如Konz 等人[64]、Wissler[65]、Huizenga 等[66]）将其作为基础，进行了各种改进、提高和进一步发展。

这些模型许多都是有价值的研究工具，有助于更深入地了解人类体温调节的原理。Horiashchenko[67]通过推算得到了脚在鞋中降温过程的数学模型，可以通过已知的足部皮肤到环境的平均总传热阻力来确定脚皮肤的加权平均温度，该模型可以用于预测防寒鞋穿用过程中足部温度的变化情况。

Nemati[68]提出了一个模型来预测脚底温度，该模型首次考虑了足底与鞋子热交互作用中涉及的鞋底热性能、环境条件和足部出汗情况。研究结果表明，出汗在降低足弓区域的热调节中起主要作用，但在脚掌区域效果不大，尤其是在寒冷条件下。该模型还显示了滞留空气对脚部保暖的重要性，若应用于防寒鞋中，可以借此预测空气层厚度对防寒鞋热湿舒适性的影响。

Fiala[69]在其以往研究的基础上，建立了一个用于预测不同热环境中人体热反应和调节反应的数学模型，包括模拟颤抖、出汗和外周血管运动的调节反应，该模型涵盖的环境温度为5～50 ℃[70]。Covill[71]通过有限元分析，建立了鞋内微气候的二维和三维热模型，该模型考虑了鞋帮、鞋底和空气层材料的热性能，模拟了环境温度为15、25 和35 ℃时鞋内的温度分布。

为达到保暖目的，防寒鞋的结构相对封闭，而脚部持续排出的潜汗（运动状态下可能会出现显汗）在鞋腔内的积聚会导致足部的热不适和足部卫生问题。选用合适的制鞋材料及结构可以提高鞋子的热湿舒适性，强制通风也是一种有效手段。Miao等[72]建立了一个有鞋腔强制通风的鞋腔微气候数学模型，使用暖体假足对该数学模型进行了验证，证实该模型能有效预测不同动态条件下鞋子的隔热性能。他们将鞋腔模型与温度调节模型集成，集成后的模型可有效预测强制通风导致的足部皮肤温度变化。预测结果指出：在26.4 ℃的空气温度和32.2 ℃的足部热舒适温度下，所需的最小通风量为5.4～24.6 L/min。

6 结语

目前，国内对防寒鞋靴热湿舒适性的研究主要集中在对材料的指标测试（透气性、吸湿性、保暖性等）及主观评价等方面，缺少对防寒鞋成鞋的热湿舒适性的物理测试和客观分析评价，尤其是缺少在低温环境下防寒鞋热湿舒适性研究。国外对防寒鞋材料和结构方面研究较早，研究内容和技术也相对成熟。基于前人的研究成果，为进一步推动我国防寒鞋的设计研发，提出以下建议：

（1）为了使评测结果更加全面、客观、科学，应将人体的主观感受与客观的数据有机结合；

（2）单独研究传热或传质的结果具有片面性，今后对防寒鞋的研究应加强对低温条件下鞋腔微气候中的热湿交互的研究；

（3）鉴于防寒鞋使用条件的特殊性，今后应加强数值模拟的应用，从制鞋材料、足-鞋-环境到生理参数与运动状态等不同角度建立模型，为防寒鞋的性能提升和设计优化提供理论支撑。