陳美玉， 孫潤(rùn)軍， 張長(zhǎng)琦， 劉先鋒

(1. 西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 中國軍事科學(xué)院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100190)

經(jīng)編間隔織物由于具有間隔絲構(gòu)成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征使其具有良好的壓縮形變能力和回彈性能[1]，能夠有效緩解人體壓力和吸收沖擊能量。同時(shí)該材料與纖維絮料及海綿等相比，具有良好的透氣性能[2]，可作為手術(shù)臺(tái)布[3]和醫(yī)用護(hù)理墊[4]，或用作老年人防止摔傷的膝部防護(hù)材料[5-6]。特別是經(jīng)編間隔織物的良好支撐性能和卓越的緩壓功能，使得該材料在汽車坐墊[7-9]、枕頭[10]、床墊[11]、文胸罩杯[12]等墊用材料方面?zhèn)涫芮嗖A。

作為墊用材料，間隔織物設(shè)計(jì)的目的是確保材料具有一定支撐性能的同時(shí)，盡可能改善其緩壓性能。墊用材料受到人體頭部或身體的載荷作用而被壓縮時(shí)，人體同時(shí)受到材料的支撐，材料能夠?qū)⑷梭w感受的壓力進(jìn)行有效分散，確保人體感到舒適而沒有受壓迫的感覺，即具有緩壓效應(yīng)，因此，經(jīng)編間隔織物的緩壓性能是消費(fèi)者以及生產(chǎn)廠家極為關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)經(jīng)編間隔織物的緩壓性能已做了初步的研究。包括經(jīng)編間隔織物的壓力分散原理分析，利用醫(yī)用接觸傳感系統(tǒng)或足部傳感器測(cè)試證明經(jīng)編間隔織物確實(shí)具有優(yōu)越的緩壓性能，并分析研究了間隔織物緩解壓力的影響因素[13-14]。通過對(duì)間隔織物球面壓縮與人體坐姿臀部壓強(qiáng)分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：壓縮深度和壓頭半徑與體感壓力舒適性呈正相關(guān)，與平均壓強(qiáng)呈負(fù)相關(guān)；人體舒適性與壓強(qiáng)峰值、壓強(qiáng)均值等密切相關(guān)[15]。并可通過對(duì)經(jīng)編間隔織物的緩壓性能進(jìn)行主、客觀評(píng)價(jià)分析，將主觀分類和客觀聚類進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性,研究表明壓力峰值、單位質(zhì)量的平均減壓量及平均梯度積分可有效地評(píng)估間隔織物的減壓效果[16-18]。此外，借用聚氨酯軟泡材料行業(yè)中常用的壓陷硬度指標(biāo)測(cè)試分析經(jīng)編間隔織物的壓陷性能，也可間接地表征間隔織物的緩壓性能[19]。

設(shè)計(jì)經(jīng)編間隔織物必須系統(tǒng)地研究間隔織物的緩壓性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間具體的量化關(guān)系。本文基于人體受力部位與經(jīng)編間隔織物作用時(shí)所受壓強(qiáng)，從理論上分析經(jīng)編間隔織物壓縮過程中的緩壓性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，并采用球形壓縮模擬人體凸起部位受力，研究分析間隔織物的緩壓性能與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，旨在為經(jīng)編間隔織物的緩壓性能設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 經(jīng)編間隔織物的緩壓機(jī)制

經(jīng)編間隔織物的緩壓性能是針對(duì)人體感受而言的，是人體與間隔織物相互作用的結(jié)果。由于人體呈曲線狀，無論是坐或躺的時(shí)候，人體重力作用分布在墊用材料表面都是非均勻的，在凸出部位如臀部，往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，人體感覺受壓嚴(yán)重。經(jīng)編間隔織物之所以產(chǎn)生舒適感是因?yàn)楫?dāng)人體作用于間隔織物時(shí)，間隔織物會(huì)產(chǎn)生較大的形變，經(jīng)編間隔織物的壓縮位移量越大，該間隔織物與人體曲線吻合越好，受力面積增大，人體坐或躺在經(jīng)編間隔織物時(shí)壓力便能進(jìn)行最大程度地分散，致使人體沒有被壓迫而產(chǎn)生舒適感。因此，經(jīng)編間隔織物的緩壓性能實(shí)質(zhì)就是人體所感受壓強(qiáng)的大小。人體感受的壓強(qiáng)越小，間隔織物的緩壓性能就越好。

1.1 人體與經(jīng)編間隔織物作用的壓縮載荷

人體的臀部等凸起部位的實(shí)際形狀是不規(guī)則的球體，為使理論分析簡(jiǎn)單可行，假設(shè)它是半徑為R的圓球體。當(dāng)壓縮載荷為F0的圓球體對(duì)經(jīng)編間隔織物進(jìn)行壓縮時(shí)，間隔織物會(huì)發(fā)生形變，如圖1所示。

圖1 經(jīng)編間隔織物受圓球體壓縮示意圖

Fig.1 Schematic diagram of warp-knitted spacer fabric compressed by spherical ball

由圖1看出，間隔織物形變部分包括接觸區(qū)和非接觸2部分。當(dāng)球體向下移動(dòng)時(shí)，球體首先需要克服接觸區(qū)的間隔絲形變而產(chǎn)生的力。其次，還需要克服由于間隔織物面層的整體效應(yīng)產(chǎn)生的一個(gè)斜向上的拉力F′。假設(shè)F′與水平成夾角β，則有：

F0=F′cosβ+F

(1)

式中：F0為圓球體的壓縮載荷，N；F′為間隔織物面層的整體效應(yīng)產(chǎn)生的一個(gè)斜向上的拉力，N；β為F′與水平方向的夾角，(°)；F為接觸區(qū)間隔絲發(fā)生形變產(chǎn)生的力，是壓縮過程中接觸區(qū)各間隔絲形變而產(chǎn)生的力之和，N。假設(shè)接觸區(qū)有n根間隔絲，每根間隔絲最初均呈圓弧狀，且忽略接觸區(qū)間隔絲之間的摩擦力，由文獻(xiàn)[20]可得：

(2)

式中：E為間隔絲的拉伸模量，N/mm2；d0為間隔絲圓形截面的直徑，mm；R為間隔絲的原始狀態(tài)的曲率半徑，mm；α為間隔絲的墊紗角度，(°)；l為間隔絲的喂入長(zhǎng)度，mm；r1、r2、ri分別為壓縮過程中接觸區(qū)第1、2、i根間隔絲的曲率半徑，mm。接觸區(qū)每根間隔絲的曲率半徑取決于單絲的形變，是由其在球體的位置決定的。間隔絲越靠近球體的底部，形變?cè)酱螅湟驂嚎s形變而產(chǎn)生的反作用力越大。

將式(2)代入式(1)得：

(3)

1.2 人體感受的壓強(qiáng)

當(dāng)經(jīng)編間隔織物受到人體壓縮時(shí)，人體受到的壓強(qiáng)P為

(4)

式中：F0為壓縮載荷，N；S為人體與經(jīng)編間隔織物接觸區(qū)的面積，m2。

由圖1可以看出，圓球體(人體)與經(jīng)編間隔織物接觸區(qū)的面積S實(shí)際上就是底部半徑為r，球冠高度為h2的圓球球冠ACB的表面積，如圖2所示。球冠ACB可以看成是球冠面積微分單元dS積分所得，假設(shè)∠AOD=θ，則

dS=2πrR·dθ

(5)

又r=Rcosθ

(6)

將式(6)代入式(5)得

dS=2πR2cosθ·dθ

(7)

則球冠表面積S計(jì)算如下：

(8)

由圖2可以得到：

h2=R-Rsinθ=R(1-sinθ)

(9)

將式(9)代入式(8)得球冠的表面積

S=2πRh2

(10)

圖2 球冠示意圖

Fig.2 Schematic diagram of a spherical crown

將式(3)、(10)代入式(4)中，可得圓球體作用于經(jīng)編間隔織物時(shí)受壓壓強(qiáng)

(11)

事實(shí)上，經(jīng)編間隔織物在受到球形壓縮時(shí)，間隔織物與球體的接觸區(qū)及非接觸區(qū)的臨界接觸點(diǎn)A、B的位置受球體的半徑、間隔織物的軟硬度以及間隔織物面層的延伸性能等諸多因素影響[20-21]；但考慮到人體臀部的曲率較小，即當(dāng)圓球體的半徑足夠大時(shí)，非接觸區(qū)的面積所占的比例會(huì)非常小，因此，為使理論計(jì)算切實(shí)可行，此處忽略非接觸區(qū)的影響，則圓球體在壓縮過程中的壓縮位移h1就等于圓球體與間隔織物接觸的球冠高度h2，且間隔織物的斜向上的拉力F′也可忽略，即有：

(12)

由此可見，當(dāng)間隔絲的材質(zhì)確定時(shí)，人體與經(jīng)編間隔織物作用時(shí)所感受的壓強(qiáng)主要取決于間隔織物的三大因素：1)間隔絲直徑d0；2)接觸區(qū)間隔絲的根數(shù)n，其取決于間隔絲單位面積內(nèi)的排列根數(shù)，本文定義為間隔絲的排列密度；3)間隔絲的喂入長(zhǎng)度l和原始曲率半徑R，其最終取決于間隔織物的厚度H0。此外，墊紗角度α也有一定的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品及測(cè)試儀器

本文選用33.33 tex(96 f)的滌綸彈力絲作為面層和底層，不同直徑的圓形截面滌綸單絲作為間隔絲原料，通過拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)制備經(jīng)編間隔織物樣品，樣品的實(shí)測(cè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中間隔絲的排列密度為將間隔織物試樣剪成20 mm×20 mm后，計(jì)算其所包含的間隔絲的根數(shù)，然后換算成每平方厘米的根數(shù)。實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為20 cm×20 cm。測(cè)試前，試樣在溫度為(27±2) ℃，相對(duì)濕度為(65±5) %的測(cè)試環(huán)境中放置24 h。

測(cè)試儀器采用深圳三思縱橫的UTM4304型電子萬能試驗(yàn)機(jī)。為模擬人體凸起部位受力情況，對(duì)電子萬能試驗(yàn)機(jī)的上壓頭進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，改造成球形壓頭，其示意圖如圖3所示。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近于理論分析，球形壓頭半徑R設(shè)計(jì)綜合考慮到人體臀部的曲率以及測(cè)試樣品的尺寸和特性等因素，最終設(shè)計(jì)值為81.25 mm。

表1 經(jīng)編間隔織物樣品的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Main structural parameters of warp-knittedspacer fabric samples

樣品編號(hào)織物厚度/mm間隔絲直徑/mm間隔絲排列密度/(根·cm-2)間隔絲墊紗角度/(°)1#12.60.10067302#12.40.12868283#12.50.16466294#12.60.17865275#12.30.21970306#11.20.17867287#14.40.17869298#18.50.17868309#20.40.178673010#12.50.178533211#12.70.178872912#12.60.1781062713#12.80.17813228

注：圖中數(shù)值單位為mm。 圖3 設(shè)計(jì)的球形壓頭示意圖

Fig.3 Schematic diagram of designed spherical indenter

為防止間隔織物受壓時(shí)在壓板上滑移，用雙面膠把經(jīng)編間隔織物試樣固定在萬能材料試驗(yàn)機(jī)下壓板上。測(cè)試時(shí)，將三思萬能電子試驗(yàn)機(jī)的上壓板換成半徑R為81.25 mm的球形壓頭，對(duì)所有樣品進(jìn)行球形壓縮實(shí)驗(yàn)。根據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮各種間隔織物的承載能力，選定壓縮載荷為30 N時(shí)對(duì)應(yīng)各樣品的球體壓強(qiáng)，分析樣品的緩壓性能與其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 間隔絲直徑對(duì)緩壓性能的影響

圖4示出壓縮載荷為30 N時(shí)間隔絲直徑對(duì)間隔織物的緩壓性能的影響?？梢钥闯觯寒?dāng)樣品的厚度、間隔絲的排列密度和墊紗角度基本相同時(shí)，隨著間隔絲直徑的增加，球體所受的壓強(qiáng)迅速增加。在載荷為30 N下，對(duì)不同間隔絲直徑的經(jīng)編間隔織物樣品進(jìn)行壓縮時(shí)，5#樣品球體所受的壓強(qiáng)達(dá)52.08 kPa，然而1#樣品球體所受的壓強(qiáng)下降近90%，只有5.30 kPa。很顯然，此時(shí)人體與1#樣品作用時(shí)緩壓效果是最好的。究其原因在于間隔絲可看成一個(gè)彈性體，直徑越粗，其彎曲力矩越大，在相同載荷作用時(shí)間隔絲的形變就越小[22]。即球體的壓縮位移就越小，從而受力面積也就越小，所以球體所受的壓強(qiáng)就越大。

圖4 間隔絲直徑對(duì)經(jīng)編間隔織物緩壓性能的影響

Fig.4 Influence of spacer filament diameter on pressure reduction property of warp-knitted spacer fabrics

從理論分析得知，可對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用冪函數(shù)進(jìn)行回歸，得到球體所受的壓強(qiáng)與間隔絲直徑之間的回歸方程：

(13)

式中：P為球體所受壓強(qiáng)，kPa；d0為間隔絲的半徑，mm；γ為相關(guān)系數(shù)。通過與理論方程對(duì)比看出，間隔絲的半徑與球體所受壓強(qiáng)確實(shí)呈冪函數(shù)關(guān)系，且理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2.2.2 間隔織物厚度對(duì)緩壓性能的影響

圖5示出壓縮載荷為30 N時(shí)間隔織物的厚度對(duì)其緩壓性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)樣品的間隔絲直徑相同，間隔絲排列密度和墊紗角度基本相同時(shí)，隨著經(jīng)編間隔織物厚度的增加，球體所受的壓強(qiáng)隨之下降。6#樣品球體所受的壓強(qiáng)達(dá)22.15 kPa，然而9#樣品球體所受的壓強(qiáng)只有10.48 kPa?？梢?，相同壓縮載荷時(shí)，9#樣品的緩壓性能更優(yōu)。且隨著經(jīng)編間隔織物厚度的增加，球體所受壓強(qiáng)下降的速度剛開始較快，但隨著間隔織物厚度的進(jìn)一步增加，其下降的速度會(huì)逐漸放緩，并最終會(huì)趨于一個(gè)定值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是：間隔織物中間隔絲相當(dāng)于一個(gè)彈性桿件，間隔織物的厚度增加，意味著喂入的間隔絲的長(zhǎng)度增加，當(dāng)間隔絲的墊紗角度相同時(shí)，外加的壓縮載荷使得間隔絲桿件更容易失穩(wěn)而形變，因此壓縮位移有所增加，所以球體所受的壓強(qiáng)會(huì)減小。需要說明的是，當(dāng)間隔絲的材質(zhì)和直徑確定時(shí)，間隔織物厚度的變化只能在一定的范圍內(nèi)，才能使所設(shè)計(jì)的間隔織物同時(shí)具有一定的支撐性能和緩壓效果。

圖5 間隔織物厚度對(duì)經(jīng)編間隔 織物緩壓性能的影響

Fig.5 Influence of spacer fabric thickness on pressure reduction property of warp-knitted spacer fabrics

上述分析表明可采用反比函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，得到球體所受的壓強(qiáng)與間隔織物厚度之間的回歸方程：

(14)

式中，H0為間隔織物的厚度，mm。由回歸系數(shù)γ看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論回歸具有很好的一致性。

2.2.3 間隔絲排列密度對(duì)緩壓性能的影響

圖6示出壓縮載荷為30 N時(shí)間隔絲排列密度對(duì)其緩壓性能的影響?？梢钥闯觯寒?dāng)樣品的間隔絲直徑相同、織物厚度和間隔絲墊紗角度基本相同時(shí)，隨著間隔絲排列密度的增加，球體所受的壓強(qiáng)也隨之增加，即織物的緩壓性能下降。10#樣品的間隔絲排列密度為53根/cm2，球體所受的壓強(qiáng)達(dá)17.80 kPa，然而13#樣品的間隔絲排列密度增加為132根/cm2，球體所受的壓強(qiáng)增加到27.3 kPa，所以該樣品的緩壓性能略差。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因很簡(jiǎn)單，根據(jù)前面的理論分析可知：間隔絲排列密度增大意味著間隔織物的支撐桿件數(shù)增加，這樣間隔織物的形變能力會(huì)減弱，所以當(dāng)相同的壓縮載荷作用時(shí)，球體與間隔織物接觸區(qū)的面積就會(huì)下降，進(jìn)而球體所受的壓強(qiáng)會(huì)增加。需要特別說明的是：當(dāng)間隔絲排列密度增加至一定程度時(shí)，30 N的壓縮載荷作用可能會(huì)使間隔織物幾乎不發(fā)生形變，此時(shí)球體所受的壓強(qiáng)理論上應(yīng)該是無窮大，但實(shí)際過程并非如此，因人體自身會(huì)發(fā)生一定的形變，即此時(shí)人體所受的壓強(qiáng)會(huì)趨于一個(gè)定值。

圖6 間隔絲排列密度對(duì)經(jīng)編間隔織物 緩壓性能的影響

Fig.6 Influence of arrangement density of spacer filaments on pressure reduction property of warp-knitted spacer fabrics

根據(jù)球體所受壓強(qiáng)的上述變化趨勢(shì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論回歸，可得球體所受的壓強(qiáng)與間隔織物中間隔絲的排列密度之間的回歸方程：

(15)

式中：σ為間隔織物中間隔絲的排列密度，根/cm2。由回歸系數(shù)γ看出，在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論回歸具有很好的一致性。

3 結(jié)束語

經(jīng)編間隔織物的緩壓性能實(shí)質(zhì)就是人體感受的壓強(qiáng)大小。人體感受的壓強(qiáng)越小，間隔織物的緩壓性能就越好。本文基于人體受力部位與經(jīng)編間隔織物作用時(shí)所受壓強(qiáng)，從理論上分析經(jīng)編間隔織物壓縮過程中的緩壓性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，并采用球形壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析間隔織物的緩壓性能與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，得出了各自的理論回歸方程。研究結(jié)果表明：間隔織物壓縮過程中人體所受壓強(qiáng)與間隔絲直徑呈冪函數(shù)變化，與織物的厚度和間隔絲排列密度分別呈反比和正比函數(shù)關(guān)系。

此外，本文以壓縮載荷30 N為例，研究經(jīng)編間隔織物緩壓性能與其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，不同的壓縮載荷作用下，間隔織物緩壓性能的變化趨勢(shì)基本相同，但回歸方程中的參數(shù)可能會(huì)有所不同。