袁魯寧，王建萍,3，張冰潔，張宇婷，姚曉鳳

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051；3.同濟大學 上海國際設計創(chuàng)新研究院，上海 200092)

針織面料的功能性在不斷提升，實現(xiàn)其功能性的技術也在不斷涌現(xiàn)[1]。對于冬季運動保暖內衣來說，織物的調濕控溫能力要求更高，但傳統(tǒng)的功能性針織面料常通過原材料的固有屬性來體現(xiàn)，沒有利用豐富的針織結構，無法形成面料的拉伸與壓褶以提高其功能性。

緯編立體針織物使用不同的材料、不同的組織結構能夠獲得性能或外觀上的兩面性[2-3]。Marcela等[4]開發(fā)了可持續(xù)功能紡織品用天然高分子纖維，并用于緯編針織物；Wu等[5]研究了緯編針織物的變形行為及機制；楊恩惠等[6]探索了緯編針織物熱量傳遞的有限元仿真模擬。針織物調濕控溫能力深受學者們關注，王欣[7]對調濕控溫滌綸混紡織物的基本參數進行了比較與分析；黃小蝶等[8]設計了面密度相近、組織結構相同的針織面料，研究不同比例纖維混紡針織物的熱濕舒適性。

拓撲優(yōu)化具有很好的設計自由度[9]，通過優(yōu)化設計確定設計域內材料分布情況，較少學者嘗試用拓撲優(yōu)化知識解決紡織上的問題。本文動態(tài)調濕控溫立體針織物拓撲優(yōu)化設計，可直接在單面電子提花針織圓機上進行編織，改變了常規(guī)針織物組織結構設計方法的繁瑣，提高了織造效率。通過組織結構的三維扭曲而形成面料的拉伸與壓褶，有效增加蒸發(fā)面積和里層靜止空氣含量，提高了織物調濕控溫能力，同時保持良好的拉伸回復性能。

1 設計原理

1.1 褶皺片狀結構調濕控溫原理

通過單面提花工藝對織物進行局部拉伸與壓褶以形成褶皺片狀結構。根據調濕控溫原理在CINEMA 4D軟件中建模構建織物的三維模型，如圖1所示。圖中：1為褶皺片狀結構，2為控溫區(qū)域，3為控溫單元，4為內部空氣通道，5為外部空氣通道，6為張力區(qū)域，7為側向分離組織，8為控溫單元的周圍區(qū)域，9為汗滴的收集區(qū)域，10為皮膚與織物里層形成的網狀結構。

圖1 褶皺片狀結構示意圖

上述褶皺片狀結構包含面層和里層，里層與穿著者的皮膚接觸，并在人體與褶皺片狀結構之間形成內部空氣通道，褶皺片狀結構之間由于面層的拉伸與里層的壓褶在遠離人體的一面形成凹槽及外部空氣通道。人體、內部空氣通道與外部空氣通道和環(huán)境形成了動態(tài)調濕控溫區(qū)域，控溫區(qū)域具有單獨的控溫單元，這些控溫單元包含于褶皺片狀結構中并由側向分離組織彼此隔開，內部空氣通道通過側向分離組織彼此連接，外部空氣通道通過側向分離組織彼此相互彌補，使得拓撲幾何形態(tài)垂直于身體軸向覆蓋?？椢锞植坷炫c壓褶使控溫單元形態(tài)不規(guī)則，呈中間窄兩邊寬的多邊形，中間為張力區(qū)域。

1.2 控溫單元編織原理

織物組織結構以緯編立體針織物的形式呈現(xiàn)并形成控溫單元，用針織的形式產生附加優(yōu)點，比如線圈拉伸使煙囪效應更顯著。使用從0°～359°且按逆時針方向轉動的單面電子提花針織圓機，用面紗和地紗進行織造，面紗采用保暖蓄熱功能紗線，地紗采用彈性包覆紗。

圖2為控溫單元編織意匠圖。紗線在針床每編織N縱行后開始編織控溫單元，第N+1行每編織M針持圈不編織P針，逆時針編織S行，第N+S+1行開始全起針編織，其中N、M、P、S為1的整倍數。循環(huán)以上步驟形成控溫區(qū)域。同時變換M與P值改變控溫單元的大小與形狀，可產生不同的性能。本文實驗用織物所含2種控溫單元。較小的控溫單元使用面紗和地紗在針床進行每編織4縱行開始編織控溫單元，第5行每編織7針持圈不編織4針的編織動作，逆時針編織18行，第23行全起針編織。較大的控溫單元使用面紗和地紗在針床進行每編織4縱行開始編織控溫單元，第5行每編織7針持圈不編織4針的編織動作，逆時針編織33行，第34行全起針編織。

圖2 控溫單元編織意匠圖

1.3 控溫單元排列方式

織物拓撲優(yōu)化的核心是各控溫單元的排列方式。當人體流汗時，汗滴收集區(qū)域吸收汗滴并轉移至皮膚與織物里層形成的網狀結構，蒸發(fā)面積擴散，為皮膚表面降溫。在寒冷狀態(tài)下，內部空氣通道的暖空氣形成保暖空氣層，三維控溫區(qū)域阻止外部冷空氣進入，以維持身體保暖。該織物可直接在單面電子提花針織圓機上編織，通過組織結構三維扭曲，有效增加蒸發(fā)面積，提高織物拉伸回復能力。

圖3示出控溫單元排列方式示意圖。圖中A為汗液滴落的方向，B為暖空氣流動的方向。圖中褶皺片狀結構組成部分的命名方式為a.b。a為褶皺片狀結構與人體和環(huán)境接觸組成空間的編號，其中，1為褶皺片狀結構，2為控溫區(qū)域，3為控溫單元，4為內部空氣通道，5為外部空氣通道，6為張力區(qū)域，7為側向分離區(qū)域，8為控溫單元的周圍區(qū)域，9為汗滴的收集區(qū)域。b為控溫單元排列方式的編號，控溫單元按V字、Y字等斜向排列，增加汗滴的收集區(qū)域，促進汗液的收集和蒸發(fā)，同時便于熱空氣的多方面循環(huán)，其中:1為控溫單元排列方式1，即相同大小的控溫單元沿縱向錯位排列；2為控溫單元排列方式2，即每3個相同大小的控溫單元為1組斜向排列形成錯位；3為控溫單元排列方式3，即每2個較小的控溫單元與1個較大的控溫單元為1組斜向排列形成錯位，每編織3組改變傾斜方向，使得交界處形成V字；4為控溫單元排列方式4，即每4個較小的控溫單元與5個較大的控溫單元為1組形成Y字形，并沿縱向錯位排列和重疊?？販貑卧牟贾梅绞绞沟闷つw上的汗液在滴落時通過內部空氣通道4被就近的汗滴收集區(qū)域9收集，而不能從上到下貫穿整個控溫區(qū)域。因此，控溫單元彼此錯位，使得接觸皮膚的區(qū)域與不接觸皮膚的區(qū)域彼此偏移，便于汗液收集并擴散到服裝表面，同時保證一定的內部空間便于皮膚表面熱空氣的順暢流動。如本文控溫單元排列方式1的內部空氣通道的命名方式為4.1。

圖3 控溫單元排列方式示意圖

控溫單元排列方式按線圈橫列與縱行方向排列，形成可重復使用的拓撲幾何形態(tài)，便于面料的織造與編織圖的調取。一方面，控溫單元捕捉汗水，汗液滴落被中斷。另一方面，服裝里層與皮膚之間垂直方向上的空氣通道通過控溫單元的錯位排列而保持打開狀態(tài)，氣流方向與重力方向相反，人體軸向空氣暢通，增加服裝的煙囪效應，改善了水分去除，使得面料里層與面層保持更好的干燥效果，實現(xiàn)針織物的調濕作用。

2 實驗部分

2.1 材 料

為開發(fā)具有保暖性且排汗率高的立體針織物，本文選用由義烏盈云科技有限公司提供的4種纖維(DRYARN?、DRYARN?包覆氨綸、錦綸、丙綸包氨綸)作為研發(fā)材料，圖4為纖維束的表面形態(tài)。就纖維束而言，DRYARN?紗線(意大利Aquafil公司)中纖維排列整齊光滑，纖維直徑較錦綸細，細度均勻。DRYARN?包覆紗中大多數纖維沿軸向并帶一定捻度包裹在氨綸表面，整根紗線呈卷曲狀，與丙綸包覆紗相比，纖維直徑相差不大且數量較少，DRYARN?包覆紗中氨綸直徑稍粗。

圖4 纖維束SEM照片(×200)

2.2 試樣織造

分別按照控溫單元排列方式1、2、3、4設計試樣1#至8#。在意大利SANTONI Top2單面電子提花針織圓機上進行試織，機器參數為8F成圈系統(tǒng)，針數為1 488針，筒徑為381 mm。織物規(guī)格參數見表1。

表1 織物組織規(guī)格參數表

2.3 實驗方法

以下實驗方法均在實驗溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±2)%的環(huán)境下進行。

參照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，采用YG606E型紡織品熱阻測量儀對織物的保暖性能進行測試。分別剪取3塊織物規(guī)格為35 cm×35 cm的試樣進行測試，結果取平均值。

參照GB/T 21655.2—2009《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態(tài)水分傳遞法》，使用MMT液態(tài)水分管理測試儀測試了織物吸濕速干性能。每種樣品裁剪5塊試樣，尺寸為8 cm×8 cm。每種樣品的測試結果取各自各指標的平均值。

參照FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》，使用HD026 N+型電子織物強力機測試了織物的彈性回復率。以帶狀形式制備20 cm×5 cm樣品(其中有效實驗范圍為10 cm×5 cm)，測試織物在30%應變下拉伸2次的拉伸回復率。

3 實驗結果與分析

3.1 織物保暖性能分析

織物的保暖性能測試結果見表2?？椢锉芈示h超過FZ/T 73022—2019《針織保暖內衣》標準中30%的保溫率，織物具有優(yōu)異的保暖控溫性能。在織物原料相同的情況下，按照控溫單元排列方式3和4編織的織物保暖率更高，這是由于皮膚與織物里層形成的網狀結構大小不一，控溫單元排列方式3和4的網狀結構錯位排列，相鄰距離較大，存儲靜止空氣能力較好?？偟膩碚f，由DRYARN?和DRYARN?包覆紗構成的織物控溫能力更好，這與纖維本身的蓄熱保暖性能有關。

3.2 液態(tài)水分傳遞性能分析

表3示出8種織物的吸濕速干性能測試結果。單向傳遞指數反映液態(tài)水從材料的浸水面?zhèn)鬟f到滲透面的能力(即液態(tài)水傳遞能力)，其值越大，表明材料液態(tài)水傳遞能力越強[10]。8種織物的單向傳遞指數從大到小的排列順序為4#、2#、1#、7#、3#、5#、6#、8#，總體上，織物1#～4#的液態(tài)水傳遞能力較好。織物1#～4#由DRYARN?和DRYARN?包覆紗構成，DRYARN?紗線纖維間纏繞抱合緊密，孔隙等效直徑較小，適合液態(tài)水分的傳遞，單向傳遞指數較大。由各織物的液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數可見，1#～4#達到4級，說明液態(tài)水動態(tài)傳遞性能很好，5#～8#達到3級，說明液態(tài)水動態(tài)傳遞性能好。這是由于內部空氣通道與外部空氣通道共同作用，使得織物結構影響了織物液態(tài)水分傳遞能力。

表3 織物吸濕速干性能測試結果

3.3 拉伸回復性能分析

表4示出經向和緯向的彈性回復率與織物控溫單元排列方式的關系。4種控溫單元排列方式的織物緯向彈性回復率優(yōu)于經向，這是由于織物的拉伸與壓褶主要依靠縱向線圈拉伸實現(xiàn)，已被拉伸的線圈經向彈性回復能力有所降低。采用保暖蓄熱功能紗線DRYARN?織造的織物表現(xiàn)出較好且穩(wěn)定的彈性回復性能，而由錦綸和丙綸包覆紗織造的織物雖然有優(yōu)異的緯向彈性回復性能，但經向彈性回復性能較差且隨著控溫單元排列方式的變化呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

表4 織物拉伸回復性能測試結果

4 結 論

本文基于拓撲優(yōu)化設計考慮物體位置關系的特點開發(fā)了4種動態(tài)調濕控溫立體針織物。應用于2組紗線進行織造與服用性能測試。得到以下結論。

1)4種不同控溫單元排列方式的立體針織物通過組織結構的三維扭曲，有效增加蒸發(fā)面積和里層靜止空氣含量，提高了織物調濕控溫能力，并保持良好的拉伸回復性能。同時，控溫單元不同的排列方式影響織物的服用性能，V字和Y字形排列方式表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。當人體流汗時，褶皺片狀結構里層吸收汗液并轉移至面層以快速蒸發(fā)，當人體感到寒冷時，內部空氣通道儲藏靜止空氣有效控溫。

2)組織結構相同，材料的固有屬性影響織物服用性能。采用保暖蓄熱功能紗線DRYARN?織造的織物保暖性能優(yōu)異，液態(tài)水動態(tài)傳遞性能很好，拉伸回復性能也呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

本文嘗試用拓撲優(yōu)化知識解決紡織上的問題，形成面料的拉伸與壓褶以提高其功能性,為冬季運動保暖內衣用立體針織物的研發(fā)提供了新思路。

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