基于仿生學的冬季針織運動面料開發與性能評價

王 莉， 張冰潔， 王建萍,3， 劉 莉， 楊雅嵐， 姚曉鳳， 李倩文， 盧 悠

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部 重點實驗室， 上海 200051； 3. 同濟大學 上海國際設計創新研究院， 上海 200092； 4. 北京服裝學院 服裝藝術與工程學院， 北京 100029)

冬季針織運動服的保暖性是其重要的性能之一，保暖針織面料一般設計成比較厚實的襯墊結構或毛圈結構，但這些結構會出現悶熱或易勾絲起球等問題，不符合冬季運動服裝使用要求，而通過設計成衍縫或雙面空氣層結構的方法來提高織物保暖性，又需要更多工序或較高織造要求。

仿生學的應用涉及諸多技術和應用領域，近幾十年來，隨著仿生技術的發展，結合仿生學與紡織技術開發新型仿生紡織品一直備受關注[1]。自然界中許多生物的體表都呈一定特征的非光滑表面形態，這些非光滑表面形態是生物在復雜激烈的生存環境中經過自然選擇的結果，具有某些特殊的性能。蝴蝶翅膀的鱗片表面布滿了精細的三維微納結構[2]，屬于典型的非光滑表面。1975年Lutz發現蝴蝶翅膀可以幫助蝴蝶調節體溫，蝶翼底部積聚的溫暖空氣會增加蝴蝶身體熱量[3]。而后學者進一步探究了蝴蝶鱗片的功能特性，如房巖等研究發現蝴蝶翅膀表面非光滑鱗片能使蝴蝶表面的潤濕性增強[4]；Igor通過研究蝴蝶鱗片結構模型內中空區的作用，發現中空區會增加蝴蝶鱗片中靜止空氣含量，從而提高蝴蝶飛行的升力及降低飛行阻力[5]；韓志武等從仿生結構制備方面對蝴蝶鱗片進行了研究[6-7]；張沙沙等基于生色理論在纖維上的應用，對蝴蝶鱗片的幾何結構特征進行了研究[8-9]。

總結以往學者研究發現蝴蝶鱗片非光滑三維結構的立體中空區可增加靜止空氣含量，內外部氣流發生流通時，鱗片結構可加快氣流交換為身體調溫同時減小空氣阻力。基于此，本文嘗試將蝴蝶鱗片特殊立體結構用于針織物組織結構設計中，從結構仿生在針織物開發應用方面對蝴蝶鱗片的非光滑表面結構形貌進行研究，構建蝴蝶鱗片典型幾何結構三維模型，根據模型特征設計開發出工序簡潔的新型仿生結構針織物，并對其熱濕性能進行研究與評價。

1 蝴蝶鱗片幾何結構建模

蝴蝶翅膀鱗片的非光滑表面形態是由殼層、脊脈、翅脈、微翅脈等構成的三維結構。本文選擇以綠帶翠鳳蝶、多眼灰蝴蝶、碧鳳蝶為代表的3種典型蝴蝶鱗片進行研究，其表面形貌掃描電鏡照片[10]如圖1所示。

圖1 蝴蝶鱗片表面形貌SEM照片Fig.1 SEM images of surface configutation in butterfly wing scales.

本文選擇的3類典型蝴蝶鱗片結構，Ⅰ類鱗片的翅脈中有凹凸狀微翅脈結構，如圖1(a)所示部分綠帶翠鳳蝶鱗片。這類鱗片殼層上有縱向線形脊脈將鱗片等距分開，線性脊脈頂端相互平齊，脊脈與脊脈之間為翅脈結構，翅脈結構中的微翅脈形態似連續褶皺構成的凹凸起伏波浪狀結構，且波浪的“波峰”間幾乎平行，本文稱Ⅰ類結構為波浪結構。

Ⅱ類鱗片的翅脈中有一排凹陷孔洞狀微翅脈結構，如圖1(b)所示多眼灰蝶鱗片。這類鱗片殼層上也有縱向線形脊脈將鱗片等距分開，且線性脊脈頂端相互平齊，但脊脈與脊脈之間的翅脈結構是由形態似單排間隔排列的凹陷孔洞狀微翅脈構成，本文稱Ⅱ類結構為蝶翅結構。

Ⅲ類鱗片的翅脈中有多排凹陷孔洞狀微翅脈結構，如圖1(c)所示碧鳳蝶鱗片。這類鱗片殼層上脊脈與脊脈間的翅脈結構，是由形似多個緊密排列蜂窩狀不均勻孔洞的微翅脈構成，本文稱Ⅲ類結構為蜂窩結構。

為簡化織物開發，使用SolidWorks軟件對3類蝴蝶鱗片的幾何結構進行三維建模，圖2為其模型俯視圖。

圖2(a)為I類波浪結構三維模型，其中條狀矩形柱為蝴蝶鱗片的線形脊脈，三棱柱為沿著脊脈方向橫貫的間隔凸起，三棱柱凸起頂端與條狀矩柱頂端平齊。為簡化模型，假設三棱柱凸起部位均勻排列且均全部橫貫間隔區。圖2(b)為Ⅱ類蝶翅結構三維模型，其中條狀矩形柱為縱向線形脊脈，沿著脊脈方向的橫貫間隔凹陷孔洞用矩形凹坑表示。為簡化模型，假設矩形凹坑大小及排列間距相等。圖2(c)為簡化后的Ⅲ類蜂窩結構三維模型，只提取緊密排列的蜂窩狀幾何結構進行建模[11]，用六棱柱表示，假設蜂窩的大小相等且間隔均勻。

圖2 3類蝴蝶鱗片結構三維模型Fig.2 3-D models of three types of butterfly scales. (a) Wavy structure I; (b) Butterfly wing structure Ⅱ; (c) Honeycomb structure Ⅲ

2 仿生織物開發與性能測試

2.1 材料的選擇

本文選用的丙綸是意大利制造商Aquafil公司使用安德巴塞爾工業生產的茂金屬基聚丙烯Metocene樹脂開發的名為Dryarn?的聚丙烯紗線，是具有獨特保溫性和超高排汗率的環保纖維。本文選擇材料規格為雙股70 dtex(72 f)聚丙烯紗線作面紗，50 dtex聚丙烯紗線包覆17 dtex氨綸作地紗，記A組。為防止紗線種類對仿生織物性能的實驗結果造成干擾，使用普通市售滌綸紗線織造仿生織物作為對照B組。為減少織物參數對性能的影響，2組紗線盡量選擇總規格相近的配比，B組規格為150 dtex滌綸作面紗，30 dtex滌綸包覆20 dtex氨綸作地紗。

2.2 仿生織物設計與上機織造

設計不均勻單面提花織物的線圈大小不一致，有的較小而有些拉的很長，同時設計每個線圈背后的浮線數量也不相同，這樣在織物下機后，拉長的大線圈會收縮，而平針線圈不收縮，使平針部分產生褶皺，在織物反面浮線形成附加層，會使織物產生凹凸不平的外觀。

本文通過設計不同的浮線數量、長短與區域性規律排列的方法，試織3類仿蝴蝶鱗片結構紋理的立體感織物，其編織意匠圖如圖3所示。所設計的仿生織物在意大利SANTONI MF8-CHN單面電子提花針織圓機上進行試織，機器采用8F成圈系統，針距為0.907 mm(28E)，針數為1 248針，筒徑為356 mm。

此外由于仿生織物組織浮線較長，且連續浮線區域的成圈系統數較多，為增加面料強度，編織時應增加面料密度，適當調寬織機撐布架寬度，需保持卷取牽拉張力均勻且不宜過大。織機轉速不宜過快，以防止織物出現破洞、漏針的疵點。

圖3 仿生織物編織意匠圖Fig.3 Knitting artisan of bionic fabrics.

2.3 仿生織物性能測試

參照GB/T 3820—1997《紡織品與紡織制品厚度的測定》，采用YG(B)141D數字式織物厚度儀選取同一塊試樣5個不同部位對厚度進行測試。測試的壓腳面積為2 000 mm2，加壓壓力為2 kPa，進行5次厚度測量取平均值。

參照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性穩態條件下熱阻和溫阻的測定》，采用YG606E型紡織品熱阻測量儀測試織物的保暖性能。分別剪取6種織物規格為35 cm×35 cm大小的試樣3塊進行測試，設置熱板溫度為35 ℃。

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG4616G型全自動透氣量儀測試織物的透氣率。選取同一試樣10個不同部位測量。

參照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發法》，使用M261型透濕性能測試儀對織物透濕性能進行測試。裁取每種織物直徑為88 mm的試樣3塊，確保選取試樣表面無折痕，測試之前試樣與水在恒溫恒濕室平衡24 h。

參照GB/T 21655.2—2009《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態水分傳遞法》，使用液態水分管理測試儀(MMT)測試面料單向導濕性能。從待測織物上與經、緯紗平行方向裁剪80 mm×80 mm規格樣品，放置至少24 h后，對每塊樣品選取不同部位進行5次測試，將得到的數據進行匯總，剔除異常值后計算各數據的平均值。其中織物的內層即為測試時的上層，外層為測試時的底層。

以上實驗均在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%環境下進行。

3 仿生織物性能分析

3.1 仿生織物形貌分析

3類蝴蝶鱗片結構仿生織物的表面和里面形貌如圖4所示。I類波浪結構織物表面有均勻縱向間隔線形凸起與波浪狀起伏，其仿照綠帶翠鳳蝶基層的線形脊脈，翅脈和波浪微翅脈結構。凸起高度平齊，織物表面呈現為緯平針組織，縱向線形在織物里面呈現為由浮線組織緊密排列構成的縱向通道。Ⅱ類蝶翅結構織物仿照多眼灰蝴蝶鱗片的線形脊脈及凹孔微翅脈結構，使織物表面有均勻間隔凹陷孔洞及縱向線形凸起，凹陷孔洞在織物里面相互連通形成一排排橫向的中空通道，中空通道由緯平針組織和浮線組織交替構成。Ⅲ類蜂窩結構織物仿照碧鳳蝶鱗片的蜂窩微翅脈結構，表面呈現為浮線組織組成的蜂窩狀凸起與凹陷，里面總體表現為緯平針組織。

圖4 仿生織物形貌圖Fig.4 Morphology of biomimetic fabric.

3.2 仿生織物規格參數

織物樣品的面密度、厚度、橫密、縱密等規格參數見表1。

3.3 仿生織物保暖性分析

織物的保暖性用熱阻、克羅值、傳熱系數和保溫率4 個指標來衡量，其測試結果見表2。考慮織物厚度對保暖性能的影響，探究了織物厚度與保溫率關系，如圖5所示。

由表2可知，6種仿生織物的保暖性排序為2#、5#、3#、6#、1#、4#，其保溫率均超過冬季保暖內衣要求的30%，保暖性能均較好。其中A組、B組織物保暖性能分別排序為2#、3#、1#，5#、6#、4#,可見在A、B 2組中，2#與5#蝶翅結構仿生織物的保暖性能均最好，優于3#與6#蜂窩結構仿生織物，1#與4#的波浪結構仿生織物的保暖性相較最低。

表1 織物規格參數Tab.1 Fabric specification parameters

表2 織物保暖性測試結果Tab.2 Test results of fabric warmth

圖5 織物厚度和保溫率關系Fig.5 Relationship between fabric thickness and warmth retention rate

由圖5可得，仿生織物的保暖性能與織物厚度有一定關系，其厚度越大保暖性越好。2#與5#蝶翅結構仿生織物由于表面有凹陷孔洞，在背面形成中空通道可承載更多的靜止空氣，同時立體中空通道間隔區可與皮膚之間形成獨立空間層，獨立空間層存儲皮膚周圍熱氣流從而進一步提高了織物的保暖性能。3#與6#蜂窩結構仿生織物的浮線區域較波浪結構仿生織物大，浮線組織較蓬松使織物變厚，因而3#與6#蜂窩結構仿生織物保暖性優于1#與4#波浪結構仿生織物，但2種結構保暖性差別較小，是由于波浪結構織物的凹凸波浪層可增加空氣含量，一定程度上提高了面料的保暖性能。

此外，A組1#、2#、3#織物的保暖性分別較B組同一結構的4#、5#、6#織物的保暖性要好，可見Dryarn?聚丙烯織物較滌綸織物有更好的保暖性。

3.4 仿生織物透氣性分析

仿生織物的透氣率測試結果如圖6所示。

圖6 仿生織物透氣性測試結果Fig.6 Test results of biomimetic fabric air permeability

由圖6可知，仿生織物的透氣性能由大到小排序為2#、4#、3#、1#、6#、5#。通常情況下，針織物的厚度越小，透氣性越好，織物厚度增加，則透氣性下降。根據表1中織物結構參數和透氣率測試結果可知，A組2#織物的厚度最大，但透氣性卻最好，B組的5#織物厚度最大，透氣性能最好，說明2#與5#蝶翅結構仿生織物由于表面有孔洞，織物內部空氣流動性增強，因而表現出良好的透氣性能；3#與6#蜂窩結構仿生織物厚度較波浪結構仿生織物大，但由于其浮線更多，浮線組織紗線間孔隙率較緯平針組織大，因而3#與6#蜂窩結構仿生織物透氣性能分別優于1#與4#波浪結構仿生織物。分別對比A、B組同一組織結構透氣率可看出，Dryarn?聚丙烯織物較滌綸織物有更好的透氣性。

3.5 仿生織物透濕性分析

織物透濕性指人體散熱發汗時維持人體與織物微環境適宜的能力。仿生織物透濕性能結果見圖7。

圖7 仿生織物透濕率測試結果Fig.7 Test results of biomimetic fabric moisture permeability

由圖7仿生織物的透濕性能排序為3#、6#、1#、4#、2#、5#，分別對比A組1#、2#、3#織物與B組4#、5#、6#織物，在織物材料及紗線規格相同情況下，織物的組織結構會影響織物的透濕性能。3#與6#的蜂窩結構仿生織物的透濕性優于1#與4#的波浪結構仿生織物，是由于蜂窩結構仿生織物中浮線組織區域較多，為織物提供更大的吸濕面積,也有利于提高織物的透濕性能。而2#與5#的蝶翅仿生織物的浮線區域雖多于波浪結構仿生織物，但由于蝶翅結構仿生織物凹陷孔洞形成的中空通道在織物里層有褶皺，阻礙了濕氣傳導，因此其透濕性能相對較差。此外，同一種組織結構下的仿生織物，Dryarn?聚丙烯織物透濕性能優于滌綸織物，是由于纖維的高表面張力，有利于織物表面的濕氣傳導和汗液蒸發。

3.6 仿生織物導濕排汗性能分析

利用液態水分管理儀可有效測量織物的動態水分傳遞性能，可獲得上層浸濕時間(WTT)、底層浸濕時間(WTB)、上層吸收速率(ART，單位為%/s)、底層吸收速率(ARB)、上層最大浸濕半(MWRT)、底層最大浸濕半徑 (MWRB)、上層擴散速度(SST)、底層擴散速度(SSB)、單向傳遞指數(R)、液態水動態傳遞綜合指數(OMMC)等相關指標。測試結果如表3所示。

表3 織物液態水分管理測試結果Tab.3 Test results of fabric moisture management

由表3可知，在織物上層滴水后測試的120 s內，織物累計單向傳輸指數R由大到小排序為：2#、1#、3#、4#、5#、6#。其中B組的4#、5#、6#滌綸仿生織物的底層吸水速率和底層最大浸潤半徑為0，織物的單向傳輸指數小，證明在測試的120 s內，液態水不能從面料的傳導層(上層接觸皮膚面)有效傳遞到吸收層(底層接觸空氣面),滌綸仿生織物的導濕排汗性能較差。A組的1#、2#、3#Dryarn?聚丙烯織物的導濕排汗性能整體優于滌綸織物，2#織物的單向傳遞指數R最大，導濕排汗性能最好，說明2#蝶翅結構仿生織物表層間隔排列的有開口的凹陷孔洞，與其在里層相互串通形成的由中空通道可形成導濕排汗系統。中空通道由浮線組織和緯平針組織交替構成，與人體皮膚間接觸，可加快汗液的傳導與蒸發。

3.7 仿生織物熱濕舒適性能綜合評價

單一指標對織物熱濕舒適性的評價不夠全面，因此采用能對多個相關因素作全面評判的模糊數學綜合評價法，分析織物的綜合熱濕舒適性能[12]。

1)建立因素集合U。

(1)

式中,U1～U6因子分別代表織物的熱阻、傳熱系數、克羅值、透氣率、透濕率、單向傳遞指數。

2)建立評論集V。

(2)

式中,V1～V6分別代表織物熱濕舒適性能優良等級，分別為：優、較優、良好、良、較差、差。

3)輸入原本數據得出矩陣X，見式(3)，矩陣元素從上到下依次為織物熱阻、傳熱系數、克羅值、透氣率、透濕率、單向傳遞指數，從左到右依次為編號1#～6#的織物。

(3)

4)傳熱系數越小織物保暖性越好，其他因素值越大表征其對應性能越好，對原本數據作極差標準化處理后得到評判矩陣R，見式(4)。其中越大越優型指標見式(5)，越小越優型見式(6)，式中Xij指矩陣X的元素，Ximax、Ximin指某行元素中的最大值與最小值。

(4)

(5)

(6)

5)針對冬季運動特征，根據測試的幾項基本性能進行問卷調查。調查結果顯示：大眾對冬季運動面料的熱濕性能看重程度表現為：保暖性>液態水分傳遞性能>透氣性>透濕性。本文通過主觀附權法進一步確定織物的熱阻、傳熱系數、克羅值、透氣率、透濕率、單向傳遞指數的權重，通過查閱文獻和綜合專家意見，得出權重系數集A。

(7)

6)通過加權平均型評判函數，得到綜合評判集B=A·R=(0.424 1, 0.962 2, 0.531 7, 0.057 3,

0.451 4, 0.207 5)

根據綜合評判結果，織物熱濕舒適性能的綜合評價結果排序為: 2#、3#、5#、1#、6#、4#。6種仿生針織物中，A組以Dryarn?紗線為面紗的2#蝶翅結構仿生織物熱濕舒適性能最好，B組以滌綸紗線為面紗的5#蝶翅結構仿生織物的熱濕舒適性能不僅優于同組的4#和6#仿生織物，還優于A組的1#仿生織物地，表明蝶翅結構能較大程度地提高織物的熱濕舒適性。原因是：其織物表面的若干凹陷孔洞與孔洞在織物里層形成的中空通道構成了保暖排汗系統，中空通道由緯平針組織和浮線組織交替構成，且與人體皮膚接觸后能形成一定的間隔性空間層，從而可以儲存較多靜止空氣以增加織物保暖性能的同時又可以在人體出汗時加快汗液排出與蒸發，幫助人體皮膚表面保持良好的舒適性。該組織結構結合具有特殊保暖性和排汗性能的Dryarn?聚丙烯紗線，能更大程度地發揮紗線與結構的功能優越性。

4 結 論

本文研究了3類蝴蝶鱗片的非光滑表面結構，基于SolidWorks軟件構建其幾何結構三維模型，根據模型特征設計開發了6種仿生結構針織物，并研究和評價其熱濕舒適性能,得出以下結論。

1)本文開發的6種仿蝴蝶鱗片結構針織物保溫率均超過45%，同時透氣性能良好，可在普通單面電子針織提花圓機上織造，織造工藝簡潔高效，有效克服了傳統保暖織物厚重悶熱及織造復雜的問題，適宜用于冬季保暖針織內衣。

2)織物組織結構會影響織物熱濕性能。本文結合自然界蝴蝶鱗片結構特征開發的新型仿生針織物，為功能紡織品開發提供了新的思路與參考。其中以雙股70 dtex (72 f)Dryarn?聚丙烯紗線作面紗，50 dtex Dryarn?聚丙烯紗線包覆17 dtex氨綸作地紗開發的蝶翅結構仿生織物在冬季運動條件下熱濕舒適性能最好，適宜用于冬季針織運動服。

3)使用不同紗線組合織造蝴蝶鱗片仿生織物，其熱濕性能呈現一定差異，本文開發的3類蝴蝶鱗片仿生織物組織與功能紗線組合后，能進一步發揮其結構優越性，提高織物整體舒適性能。