袁魯寧，王建萍,3，張冰潔，張宇婷，姚曉鳳

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051；3.同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院，上海 200092)

針織面料的功能性在不斷提升，實(shí)現(xiàn)其功能性的技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)[1]。對(duì)于冬季運(yùn)動(dòng)保暖內(nèi)衣來(lái)說(shuō)，織物的調(diào)濕控溫能力要求更高，但傳統(tǒng)的功能性針織面料常通過(guò)原材料的固有屬性來(lái)體現(xiàn)，沒(méi)有利用豐富的針織結(jié)構(gòu)，無(wú)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(jié)構(gòu)能夠獲得性能或外觀上的兩面性[2-3]。Marcela等[4]開(kāi)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(jī)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(diào)濕控溫能力深受學(xué)者們關(guān)注，王欣[7]對(duì)調(diào)濕控溫滌綸混紡織物的基本參數(shù)進(jìn)行了比較與分析；黃小蝶等[8]設(shè)計(jì)了面密度相近、組織結(jié)構(gòu)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?fù)鋬?yōu)化具有很好的設(shè)計(jì)自由度[9]，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)域內(nèi)材料分布情況，較少學(xué)者嘗試用拓?fù)鋬?yōu)化知識(shí)解決紡織上的問(wèn)題。本文動(dòng)態(tài)調(diào)濕控溫立體針織物拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可直接在單面電子提花針織圓機(jī)上進(jìn)行編織，改變了常規(guī)針織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的繁瑣，提高了織造效率。通過(guò)組織結(jié)構(gòu)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(diào)濕控溫能力，同時(shí)保持良好的拉伸回復(fù)性能。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 褶皺片狀結(jié)構(gòu)調(diào)濕控溫原理

通過(guò)單面提花工藝對(duì)織物進(jìn)行局部拉伸與壓褶以形成褶皺片狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)調(diào)濕控溫原理在CINEMA 4D軟件中建模構(gòu)建織物的三維模型，如圖1所示。圖中：1為褶皺片狀結(jié)構(gòu)，2為控溫區(qū)域，3為控溫單元，4為內(nèi)部空氣通道，5為外部空氣通道，6為張力區(qū)域，7為側(cè)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖1 褶皺片狀結(jié)構(gòu)示意圖

上述褶皺片狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間形成內(nèi)部空氣通道，褶皺片狀結(jié)構(gòu)之間由于面層的拉伸與里層的壓褶在遠(yuǎn)離人體的一面形成凹槽及外部空氣通道。人體、內(nèi)部空氣通道與外部空氣通道和環(huán)境形成了動(dòng)態(tài)調(diào)濕控溫區(qū)域，控溫區(qū)域具有單獨(dú)的控溫單元，這些控溫單元包含于褶皺片狀結(jié)構(gòu)中并由側(cè)向分離組織彼此隔開(kāi)，內(nèi)部空氣通道通過(guò)側(cè)向分離組織彼此連接，外部空氣通道通過(guò)側(cè)向分離組織彼此相互彌補(bǔ)，使得拓?fù)鋷缀涡螒B(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(jié)構(gòu)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(chǎn)生附加優(yōu)點(diǎn)，比如線圈拉伸使煙囪效應(yīng)更顯著。使用從0°～359°且按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的單面電子提花針織圓機(jī)，用面紗和地紗進(jìn)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(kāi)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(shí)針編織S行，第N+S+1行開(kāi)始全起針編織，其中N、M、P、S為1的整倍數(shù)。循環(huán)以上步驟形成控溫區(qū)域。同時(shí)變換M與P值改變控溫單元的大小與形狀，可產(chǎn)生不同的性能。本文實(shí)驗(yàn)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(jìn)行每編織4縱行開(kāi)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(dòng)作，逆時(shí)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(jìn)行每編織4縱行開(kāi)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(dòng)作，逆時(shí)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?fù)鋬?yōu)化的核心是各控溫單元的排列方式。當(dāng)人體流汗時(shí)，汗滴收集區(qū)域吸收汗滴并轉(zhuǎn)移至皮膚與織物里層形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)面積擴(kuò)散，為皮膚表面降溫。在寒冷狀態(tài)下，內(nèi)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(jìn)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(jī)上編織，通過(guò)組織結(jié)構(gòu)三維扭曲，有效增加蒸發(fā)面積，提高織物拉伸回復(fù)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(dòng)的方向。圖中褶皺片狀結(jié)構(gòu)組成部分的命名方式為a.b。a為褶皺片狀結(jié)構(gòu)與人體和環(huán)境接觸組成空間的編號(hào)，其中，1為褶皺片狀結(jié)構(gòu)，2為控溫區(qū)域，3為控溫單元，4為內(nèi)部空氣通道，5為外部空氣通道，6為張力區(qū)域，7為側(cè)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(hào)，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(jìn)汗液的收集和蒸發(fā)，同時(shí)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(cuò)位排列；2為控溫單元排列方式2，即每3個(gè)相同大小的控溫單元為1組斜向排列形成錯(cuò)位；3為控溫單元排列方式3，即每2個(gè)較小的控溫單元與1個(gè)較大的控溫單元為1組斜向排列形成錯(cuò)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(gè)較小的控溫單元與5個(gè)較大的控溫單元為1組形成Y字形，并沿縱向錯(cuò)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(shí)通過(guò)內(nèi)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(gè)控溫區(qū)域。因此，控溫單元彼此錯(cuò)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(kuò)散到服裝表面，同時(shí)保證一定的內(nèi)部空間便于皮膚表面熱空氣的順暢流動(dòng)。如本文控溫單元排列方式1的內(nèi)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(fù)使用的拓?fù)鋷缀涡螒B(tài)，便于面料的織造與編織圖的調(diào)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(guò)控溫單元的錯(cuò)位排列而保持打開(kāi)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(yīng)，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(shí)現(xiàn)針織物的調(diào)濕作用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材 料

為開(kāi)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(xì)，細(xì)度均勻。DRYARN?包覆紗中大多數(shù)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(shù)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(shè)計(jì)試樣1#至8#。在意大利SANTONI Top2單面電子提花針織圓機(jī)上進(jìn)行試織，機(jī)器參數(shù)為8F成圈系統(tǒng)，針數(shù)為1 488針，筒徑為381 mm?？椢镆?guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 織物組織規(guī)格參數(shù)表

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

以下實(shí)驗(yàn)方法均在實(shí)驗(yàn)溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(65±2)%的環(huán)境下進(jìn)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(cè)定》，采用YG606E型紡織品熱阻測(cè)量?jī)x對(duì)織物的保暖性能進(jìn)行測(cè)試。分別剪取3塊織物規(guī)格為35 cm×35 cm的試樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。

參照GB/T 21655.2—2009《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》，使用MMT液態(tài)水分管理測(cè)試儀測(cè)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(cè)試結(jié)果取各自各指標(biāo)的平均值。

參照FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，使用HD026 N+型電子織物強(qiáng)力機(jī)測(cè)試了織物的彈性回復(fù)率。以帶狀形式制備20 cm×5 cm樣品(其中有效實(shí)驗(yàn)范圍為10 cm×5 cm)，測(cè)試織物在30%應(yīng)變下拉伸2次的拉伸回復(fù)率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 織物保暖性能分析

織物的保暖性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。織物保溫率均遠(yuǎn)超過(guò)FZ/T 73022—2019《針織保暖內(nèi)衣》標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小不一，控溫單元排列方式3和4的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)錯(cuò)位排列，相鄰距離較大，存儲(chǔ)靜止空氣能力較好。總的來(lái)說(shuō)，由DRYARN?和DRYARN?包覆紗構(gòu)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(guān)。

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(cè)試結(jié)果。單向傳遞指數(shù)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(qiáng)[10]。8種織物的單向傳遞指數(shù)從大到小的排列順序?yàn)?#、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?？椢?#～4#由DRYARN?和DRYARN?包覆紗構(gòu)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(shù)較大。由各織物的液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)可見(jiàn)，1#～4#達(dá)到4級(jí)，說(shuō)明液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞性能很好，5#～8#達(dá)到3級(jí)，說(shuō)明液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞性能好。這是由于內(nèi)部空氣通道與外部空氣通道共同作用，使得織物結(jié)構(gòu)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(cè)試結(jié)果

3.3 拉伸回復(fù)性能分析

表4示出經(jīng)向和緯向的彈性回復(fù)率與織物控溫單元排列方式的關(guān)系。4種控溫單元排列方式的織物緯向彈性回復(fù)率優(yōu)于經(jīng)向，這是由于織物的拉伸與壓褶主要依靠縱向線圈拉伸實(shí)現(xiàn)，已被拉伸的線圈經(jīng)向彈性回復(fù)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(fù)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(fù)性能，但經(jīng)向彈性回復(fù)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(fù)性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)考慮物體位置關(guān)系的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了4種動(dòng)態(tài)調(diào)濕控溫立體針織物。應(yīng)用于2組紗線進(jìn)行織造與服用性能測(cè)試。得到以下結(jié)論。

1)4種不同控溫單元排列方式的立體針織物通過(guò)組織結(jié)構(gòu)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(diào)濕控溫能力，并保持良好的拉伸回復(fù)性能。同時(shí)，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(shì)。當(dāng)人體流汗時(shí)，褶皺片狀結(jié)構(gòu)里層吸收汗液并轉(zhuǎn)移至面層以快速蒸發(fā)，當(dāng)人體感到寒冷時(shí)，內(nèi)部空氣通道儲(chǔ)藏靜止空氣有效控溫。

2)組織結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)傳遞性能很好，拉伸回復(fù)性能也呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

本文嘗試用拓?fù)鋬?yōu)化知識(shí)解決紡織上的問(wèn)題，形成面料的拉伸與壓褶以提高其功能性,為冬季運(yùn)動(dòng)保暖內(nèi)衣用立體針織物的研發(fā)提供了新思路。

FZXB