林可心1,2，庞晓燕3，张雷4，左莹1, 2，王亚洲5，温会涛1,2,5
（1．福建省皮革绿色设计与制造重点试验室，福建 晋江 362271；2．兴业皮革科技股份有限公司国家企业技术中心，福建 晋江 362261；
3.中国皮革制鞋研究院有限公司，北京，100015；4．陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021；5. 泉州轻工职业学院智慧制造学院，福建 晋江 362200）
摘 要：为满足消费者对牛鞋面革舒适性能的追求，通过调研皮革舒适度的相关评价指标及其客观测试手段，结合眼看手摸的主观评价，提出了一种基于柔软度、丰满度、弹性度、通透性、轻量化、平细度以及附属性能等牛鞋面革舒适度的评价方法，当每个评价指标均处于理想区间时，则鞋面革产品具有较高舒适度。这为牛鞋面革舒适度的评价提出了一个较为客观、系统、科学的方法，也为鞋面革产品的生产、销售和使用过程中的舒适性提供了判断依据。
关键词：制革工程；皮革；牛鞋面革；舒适度；评价指标
Construction of an Evaluation System for High—Comfort Degree
Cattle Shoes Upper Leather Based on Objective Rating Method
LIN Kexin1,2, PANG Xiaoyan3, ZHANG Lei4, ZUO Ying1,2,WANG Yazhou5, WEN Huitao1,2,5
(1．Fujian Key Laboratory of Leather Green Design and Manufacture, Jinjiang 362271, China;2．National Enterprise Technical Center, Xingye Leather Technology Co., Ltd., Jinjiang 362261, China;3．China Leather and Footwear Research Institute Co., Ltd., Beijing 100015, China;
4．College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China;
5. Wisdom Manufacturing academy, Quanzhou College of Technology, Jinjiang 362200, China)
Abstract：To meet the consumer's pursuit of comfort performance for cattle shoe upper leather, an evaluation method based on softness, fullness, elasticity, permeability, lightweighting, smoothness, and ancillary performance was proposed by investigating the relevant evaluation indicators and objective testing methods of leather comfort, combined with subjective evaluation results of sight and touch. When each evaluation indicator is in the ideal range, the shoe upper leather product has high comfort degree. It provides a relatively objective, scientific, and systematic method for evaluating the comfort of cow shoe upper leather, and provides a judgment basis for the production, sales, and use of shoe upper leather products.
Keywords: Leather engineering; Leather; Cattle shoes upper leather; Comfort degree; Evaluation indicators
前 言
随着人们生活水平的不断提高，对高品质美好生活的要求也越来越高，衣食住行都要讲究舒适。舒适度就是用于描述人们在各种环境中，如家居、旅游、交通、工作等，从生理与心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价，可以视为一种生活质量和幸福感的体现。由于是人的主观感觉，受各种因素及条件的影响，会因人而异,很难量化，有时还会出现截然不同结果。目前，关于人体舒适度、气候舒适度、居室舒适度、汽车舒适度、座椅舒适度等评价体系已经形成，并制定了相关标准，如GB/T 27963人居环境气候舒适度评价等。
皮革是一种与人们生活息息相关的材料，其舒适度也得到了关注。张晓镭等在皮革服装舒适性的研究中提出，皮革服装舒适性与热舒适性、湿舒适性以及运动舒适性有关，其中热舒适性与保温性、密度、透气性等有关；湿舒适性与透水气性、厚度和孔隙率等有关；运动舒适性与延伸性能、崩破性能和感官特性等有关[4]。张红林认为皮鞋舒适性主要与楦型、结构设计和鞋用材料有关，其中鞋用材料应具有柔软、透气良好的特点，这样行走可轻易地弯曲，汗液也可较快地蒸发[5—8]。特步公司也提出了面料亲肤性的判定方法和标准，即与表面粗糙度、最大热流量、透湿量和单位挠曲力功有关[9,10]。
图1 鞋面革的主要感官指标
但遗憾的是，关于鞋面革的舒适度，至今仍没有系统的评价体系。这可能是因为鞋面革领域并没有明确提出舒适度的概念，且其主要采用主观评价，受评价者个体的影响较大，而间接测量又难以准确地评价。对鞋面革而言，舒适度是感官性能的综合评价，而鞋面革的感官特性包括平整度、柔软度、弹性度、丰满度等一系列感官特征，包括但不限于轻、绵、泡、软、细、紧、弹、透、平、晰、滑、硬、挺、Q等感官指标（图1）。同时，部分感官性能指标存在一定的关联（表1）。
表1 舒适度评价指标与相关感官指标之间的关系
感官性能与其组成及结构密不可分。众所周知，皮革是一种具有三维介孔结构的立体材料，具有较好的压缩、拉伸、顶伸和弯曲等物理机械性能。以眼看手摸的方式进行评价的感官性能，实际上与其物理机械性能也存在一定的关系。如果能对这些感官指标进行系统的分析，并与可测试的理化指标进行关联，构建牛鞋面革舒适度评价体系，对鞋面革的生产、皮鞋的制造以及消费者的实际体验，都具有非常重要的实际意义。
1前提条件与评价设想
1.1前提条件
鞋面革舒适度评价对象为成品头层牛鞋面革，暂不包括二层皮革、再生皮革，不包括猪皮、羊皮等其它来源的皮革，也不包括素皮、菌丝皮以及其它类型的人造革或合成革。感官性能、物理力学性能、有害物质限量等满足《QB/T 1873 鞋面用皮革》的标准要求，生态性能应满足 《QB/T 5573—2021绿色设计产品评价技术规范 皮革》的标准要求。鞣制方法不限，但无铬鞣产品需满足《QB/T 5796—2023无铬鞣鞋面用皮革》的标准要求。
1.2评价设想
希望从鞋面革的众多感官性能评价指标中，选取若干个具有代表性的指标。初步选出的关键感官指标为：柔软度、视密度、透气性、回弹性、丰满性、平细度以及其他附加属性或功能属性；然后，将感官评价指标与客观的检测方法或标准建立联系；并采用客观与主观相结合的方法，确定其舒适度的理想区间；当所有的评价指标均处于理想区间时，该鞋面革具有较高的舒适度（图2）。从而提出基于评价指标、测试方法和理想区间的鞋面革舒适度评价体系。
图2 鞋面革舒适度的评价设想
2评价指标
2.1柔软度
人们对柔软的物体总是无法抵抗。对皮革而言也不例外，更柔软的皮革往往更容易得到消费者的青睐。以鞋面革为例，以柔软风格著称的纳帕类皮革曾经风靡一时，至今仍在流行。柔软度是皮革研究最多、可以客观测试的感官性能之一，也是评价皮革舒适度的重要因素之一。柔软度是指当受力发生形变时，皮革厚度、挤压程度、平滑感觉和皮革弯曲延伸性能的一个综合反映，体现的是胶原纤维活动空间的大小及其相对滑移的难易程度。
1988年印度B. Lokanadam等研究了皮革压缩指数和柔软度的关系，通过厚度来表示压缩指数，从而测出柔软度[11]；1993年英国皮革技术中心（BLC）Alexander用固定压力下皮革的顶伸高度来测定其柔软度，并成功开发了柔软度测试仪BLCST—300[12]。在国内，1993年苏真伟用顶伸参数来表达皮革柔软度[13]，并研制了便携式皮革柔软度测定仪；张晓镭建立了顶伸、压缩等参数与柔软度的数学模型，也研制出了皮革柔软度测量分级装置[14]；2004年李志强通过研究皮革柔软度与抗弯强度和压缩性能的关系，设计出了皮革柔软度测试仪器；彭文利通过顶伸曲线研究皮革的柔软度（式1），当顶伸曲线的斜率变化越大，在相同的载荷下，试样越容易发生变形，这表明试样的柔软性就越好，反之则越差[15]。目前，应用较为广泛的皮革柔软度测试仪GT—300就是基于顶伸高度来测试柔软度的技术原理，测定方法简单，测定结果相对准确和可靠。
通过反复比对不同种类皮革的柔软度测试结果，参照《GB/T 39371—2020皮革 物理和机械试验 柔软度的测定》[16]，较高舒适性的鞋面革的柔软度应控制在4.0～5.5 mm之间；若柔软度低于4.0 mm，则革身较为硬挺、僵硬，手感较差；若高于5.5 mm，则过于柔软，手感也不好，也不适用于鞋面革。因此，较高舒适的鞋面革的柔软度应控制在4.0～5.5mm之间，可以兼顾柔软与硬挺。
2.2丰满度
丰满性是指当皮革受外力作用发生变形时，通过触觉所感受到的挤压、平滑，体现的是胶原纤维交联所形成立体网状结构的性能。一般而言，如果皮革的丰满度越好，那么其整体感官性能综合评价也越好。皮革的丰满性难以通过力学方法进行测量，但已有相关的研究[17—26]。张晓镭研究了皮革受外力压缩而产生变形状态下表现出的力学特性和力学参数，建立了压缩、回弹等物理性能与丰满度的数学模型（式2—式4）[27]，用压缩功（Wcp）、回弹功（Wcr）来表示皮革的丰满性[28]，发现压缩功（Wcp）越大，皮革的可压缩性越好，丰满性也越好；回弹功（Wcr）越大，丰满性也越好。彭文利等利用单位厚度上的压缩功（'Wcp）来表示皮革丰满性（式5），单位厚度上的压缩功（'Wcr）越大，皮革的丰满性越好。对比结果发现，与手感检测的吻合性更好[15]。在此基础上，张晓镭还研制出了皮革丰满度测量的分级装置[14]。但遗憾的是，该装置至今并未商业化应用。因此，关于丰满度，暂无测试设备，也无测试标准。此处建议对皮革的同一位置连续测柔软度，间隔时间为30s，若柔软度变化量＜5%，则认为丰满度较好。
2.3弹性度
弹性度是指皮革在受力发生变形的状态下，恢复原状的能力，反映了皮胶原纤维的柔韧程度。弹性度在皮革制造以及人体穿着的过程中，均可被感知到，是衡量皮革品质优劣和舒适度高低的重要指标。从组成与结构上讲，皮革是一种弹塑性材料，受到外力作用时，会同时产生弹性形变和永久形变[29]，这种变形可以通过测定其伸长率来表征。马建中提出，可以用规定负荷伸长率来表征皮革的弹性度[30]。
Chen通过测试猪皮革、牛皮革、山羊皮革等皮革的压缩模量、线性关系、能量、弹性、厚度等，得到一个积分公式（式6），测试结果表明，弹性公式Rcr越大，弹性度越好[31]。张晓镭通过建立的压缩性能与弹性度的数学模型（式2—4）[27]，用回弹功（Wcr）来表示皮革的回弹性[28]，发现回弹功（Wcr）越大，皮革的回弹性越好。张晓镭还通过应力衰减常数()，建立与羊皮服装革手感弹性的关系，结果表明应力衰减常数()与皮革的手感弹性相关[32]。从式（7）可以看出，应力衰减常数()反映出革的手感弹性和变形恢复能力，具有较大应力衰减常数()值的皮革，手感弹性好，变形恢复能力好。具有较小应力衰减常数()值的皮革，手感弹性差，变形能力恢复差。路华经过大量拉伸试验发现了皮革试样拉伸曲线的规律，提出了测定皮革弹性的新方法：分析在拉伸初始阶段样品的应力—应变关系，可以计算出在这一阶段的杨氏模量，通过杨氏模量，定量表征样品的拉伸弹性，即杨氏模量越小，发生弹性形变需要的外力越小，弹性越大[29]。
综上所述，暂用规定负荷伸长率来评价弹性度可能是最方便的选择，其理想的舒适度区间为25%～35%。总之，柔软、丰满、有弹性，是皮革感官性能最重要的3个指标，它们均与其力学性能有关，且存在密切的关系。但迄今为止，只有柔软度有相关的标准，丰满度和弹性度仍有待进一步的研究。
2.4通透性
通透性能主要是指皮革的透气、透湿性能，可以用透水汽性来表示。透水汽性是由于水蒸气存在压差，可以从湿度较大的空气中，透过皮革到湿度较小的空气中的能力。一般而言，高舒适度的皮革，透水汽性能要好，即透气、透湿性能要好，而透水性能要小，即要求有一定的防水性，同时具有较好的耐水渍性能。
透水汽性主要取决于皮革的孔率、亲水性以及表面涂饰层的致密性。如果皮胶原纤维的松散较好，亲水性较强，表面涂饰层具有均匀的多孔性和适度的亲水性，则皮革的透水汽性较好。此外，透水汽性的大小也与所处环境的相对湿度和温度有关，如果皮革两边空气的温度和相对湿度的差值越大，透水汽性也越大。由于皮革具有优异的透水汽性，可以排除穿用者身上的汗气，使穿用者感到舒适，这也是其它皮革替代材料所不及的。
汤克勇教授研究了皮革的物质传递性能及其影响因素，发现未涂饰皮革具有良好的透气性，涂饰使皮革的透气性能大大降低[33]。丁绍兰教授对不同鞋面革、鞋里材料单层和复合试样的透气性及其测试的随机性进行了试验研究，发现涂饰和贴膜会降低皮革的透气性，皮革及其它鞋用材料的透气性存在两向差异，复合试样的透气性主要受单层试样本身的透气能力的影响，排列顺序、组合方式是次要因素，在一定范围内，皮革材料的透气性存在一定的随机性[34]。
王芳等对皮革透气过程进行简化，建立了皮革的透气模型，用单位面积上起毛细管半径（r）和毛细管个数（n）来表达透气作用（式8、式9）[35] ，此种方法能够直接对表现出的结果进行分析，同时还能分析多种因素对皮革透气性的影响。使用此模型多次试验得出结论：皮革的孔隙率对透气性有一定贡献，但不能单独用于面熟皮革的透气性能。这说明，皮革的透气性能比较复杂，单用毛细管半径或个数，并不能完整地描述皮革透气过程。经过多次实验验证，当皮革的透水汽性在3.5～5.0 mg/(10 cm2·24h)时，可以认为其具有良好的透气性和通透性，这有助于提高皮革制品的穿着舒适度和使用耐久性。
2.5轻量化
皮革的轻量化是指通过特定的技术和工艺手段，在保持或提升其原有的物理和化学性能同时，有效减少皮革制品的重量。这一过程可能涉及到对皮革材料的组成、结构、密度等方面的调整，从而达到降低重量的目的，并进一步降低生产成本、提高使用效率、增强舒适性和环保性。目前，皮革产品正朝着“轻飘”的方向发展[36]。因此，如何将皮革产品“轻量化”，满足消费者对美好生活的新需求，是皮革行业把握时尚潮流，开发高附加值产品亟待突破的关键方向之一。
皮革作为一种具有介孔结构的三维网状材料，实现皮革轻量化的技术手段，可能包括增加皮革纤维分散程度、优化皮革纤维结构、引入轻质填充材料等[37—39]，在保证强度和耐用的前提下，降低密度和重量。胡玥等[40]通过对比铬鞣、铝-锆鞣剂（TWLZ）鞣、两性有机鞣剂（TWS）鞣和戊二醛（Glu）鞣等不同鞣法所得到的坯革，发现表观密度较低时，更加“松软和轻盈”，轻飘感也更佳；表观密度较高时，则“紧致和厚重”，轻飘感较差。吴渝玉[41]通过引入一些具有二维或三维结构的填充材料，如石墨烯、壳聚糖基、聚乙二醇基等复合材料，其可以“撑开”皮胶原纤维，达到轻量化的目的。朗盛公司[42]通过复鞣工艺设计，在松散的胶原纤维引入一种膨胀性微囊附着于的部分，这些微囊由一种气密的、含有加压液态烃的热塑性壳构成。处理之后将皮革加热，使微囊膨胀到原始体积的倍大小，从而永久性地填满任何隙缝和松散结构，填充皮革的同时实现轻量化。
轻量化可以用（视）密度来表示（式10）[43]，一般皮革的密度为0.4～1.2 g/cm3。由于轻量化的要求，较高舒适度的皮革的视密度应为0.4～0.7 g/cm3。皮革轻量化的应用领域广泛，特别是在对重量敏感的领域，如汽车内饰、鞋类、服装、箱包等。通过轻量化，这些产品可以减轻整体重量，提高燃油效率，降低运输成本，同时保持或提升产品的美观性和舒适性。此外，皮革轻量化也符合当前绿色、环保的发展趋势。通过减少材料消耗和降低生产过程中的能耗，皮革轻量化有助于减少对环境的影响，推动皮革行业的可持续发展。
2.6平细度
黄牛革表面的毛孔细小、呈圆形，较直地伸入革内，排列不规则，但紧密而均匀，好像满天星斗。人们通常通过眼看手摸来感知皮革的品质，基本的要求是粒面平细、毛孔清晰、花纹自然，粒面的观感和触觉质感决定了消费者对产品的认可和满意度，也是皮革舒适度的关键影响因素[44]。这一切均与粒面的状况和皮革的涂饰层有关。一般来说，涂层越厚，天然纹理被掩盖的越严重，天然粒面的可感受性越差，其舒适度也大打折扣。
图3 牛皮革粒面图
粒面状况与皮革表面的粗糙度有关，粗糙度的量化表达可以使用光学仪器，如激光扫描仪来测量皮革表面的高低起伏，并转化为数字输出，以便进行比较和分析。毛孔、花纹也可以通过光学显微镜进行观察，判断其粒面状况。表面涂层厚度按国标GB/T 22889进行测量，其通过观察垂直粒面切割皮革的截面，算出涂层厚度。
也可借鉴织物摩擦学的方法来研究与触觉感知相关的表面力学参数，如用摩擦力、正压力、接触面积、接触工况等参数来量化研究触感。织物表面摩擦特性是影响纺织品触觉舒适性的重要因素，余闯[45]等通过功率谱重心和摩擦系数定量表征织物的细致感和滑溜感，而织物的细致感和滑溜感与织物的舒适度呈正相关。摩擦系数越大，织物的滑溜感越差；功率谱重心值越大，织物表面细致感越好。Lima M[46]等对聚乳酸纤维（Polylatic acid, PLA）和大豆蛋白纤维（Soya Protein Fiber, SPF）进行摩擦试验，发现PLA对织物摩擦系数的影响很大，与棉纤维混纺后变得平滑，而SPF与棉纤维混合后最为光滑。任建[47]等设计了一种圆盘法，可在任意方向上测织物的表面摩擦性能，通过绘制摩擦曲线反映出织物的各向异性特征。杜赵群[48]等通过环形风格测试仪，获取织物的曲线参数和结构参数，用来客观说明织物触感舒适性，并与主观评价进行比较，结果表明曲线参数和结构参数可以有效地表征织物的触觉舒适性能。
但无论是粒面毛孔的粗细度还是粒面的粗糙度，至今并无可用的评价参数。从经验上讲，舒适度较高的为中小牛粒面的平细度，因此，仍以中小牛的粒面平细度作为对照。
2.7其他指标
除了柔软度、丰满度、弹性度、通透性、轻量化、平细度等指标外，囿于经验有限，舒适度可能还有其他的指标要求。可根据实际需求进行补充。除此之外，未来可能还会有附加属性、功能属性等要求。附加属性可能包括耐用性、耐候性、可降解性等，功能属性则可能包括防水、防污、阻燃、芳香、导电等。
表2 高舒适度牛鞋面革评价指标初步建议
2.8高舒适度评价体系初建
综上所述，高舒适度牛鞋面革评价体系初步建议如表2所示。需要说明的是，高舒适度牛鞋面革评价体系应具有高度的开放性，随着检测手段与测试能力的提高，未来的评价指标会更合理，设置的参数会更准确，舒适度的评价也会更贴近消费者，更能为生产、销售与应用提供更有价值的参考。
3 结论与展望
近年，随着人们生活习惯的改变，舒适性、场景适用性成为了消费者选择鞋子的重要因素，重视鞋面革性能的提升对鞋类产品舒适度的提高具有重要意义，因此，关于鞋面革舒适性的研究必将是客户和市场关注的重点，也是皮革和皮制品生产者务必重视的关键点。
针对牛皮鞋面革的舒适度，通过分析综述国内外现有感官特性评价方法，提出了一种关于牛鞋面革舒适度的较为系统评价方法，其评价指标包括柔软度、丰满度、弹性度、通透性、轻量化以及平细度等；结合基于眼看手摸的感官性能评价，试图将主观评价转换为基于物理机械性能测试的客观评价；高舒适度牛鞋面革是其柔软度、丰满度、弹性度、通透性、轻量化以及平细度等指标均处于最佳的舒适度区间，且应同时满足，缺一不可。针对每个评价指标，试图寻找客观的评价原理与测试方法，从而进行客观测定。但遗憾的是，有些指标尚没有合适的检测方法标准，只有个别试验性质的研究。因此，需要针对这些检测项目进行方法研究，制定合适的检测标准。同时，舒适度的每个评价指标的理想区间也有待确定。
随着研究的深入，关于牛鞋面革乃至皮革舒适度必将形成明确的评价体系和测定方法，研制出相应的测试仪器，制定出相关评价指标的测试标准，可以客观、准确地确定皮革产品的舒适度，为制革企业生产出高舒适度的皮革，为消费者提供更舒适、生态、高质量的皮革产品奠定基础。
备注：参考公式
式中：Wf为顶伸曲线的斜率；Ff为顶伸力，N；Fp为压缩力，N；Fro为初始回弹力，N；Fr为回弹力，N；'Wcp为单位厚度上的压缩功；h0为测定的总顶伸高度，mm；H为革在受力作用下的即时厚度，mm；Hf为顶伸高度，mm；Hcp为压缩厚度，mm；Hcr为回弹高度，mm；h1测定的总压缩厚度，mm；h2测定的总回弹高度，mm；A为常量， Kc为压缩系数; m表示每个样品总的检测点数；Sr为压缩力为0时的位移；Sm为拉伸过程中的最大位移；K'为衰减速率常数，为衰减常数；为毛细管长度；P1、P2为管道两侧压力，且P1>P2；为空气的粘滞系数；Vt为试验测定的单位时间皮革的气体体积；Va为皮革有效体积即表观体积；Rk为皮革样品的孔隙率；为密度，g/cm3；m为坯革质量，g；h为皮革的平均厚度，cm；s为皮革的面积，cm2。
基金项目：泉州市科技计划项目(2024QZC003QR)
第一作者简介：林可心（1998—），女，助理工程师，2387220515@qq.com，主要从事制革清洁化生产、高性能多功能皮革绿色设计与制造研究
通信作者：温会涛(1980—)，男，博士，高级工程师，创新工程师（三级），1601702360@qq.com，主要从事高性能皮革绿色设计与智造技术开发及产业化应用研究
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