基于空間模型的絎縫因素對羽絨制品保暖性的影響

代萌婷， 屠曄

(1.浙江理工大學 服裝學院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 國際教育學院，浙江 杭州 310018)

絎縫是羽絨制品生產過程中一道重要的工序，可以起到固定羽絨絨朵，增加保暖性的效果[1-2]。在絎縫因素研究中，絎縫形式與絎縫數量對羽絨制品的保暖性有重要的影響，但此類研究多是在水平放置狀態下測試保暖性。水平放置與服裝日常使用狀態存在較大差異[3-4]，在實際穿著中服裝與地面呈垂直狀態，當絎縫間距較大時重力作用會影響羽絨絨朵分布，導致保暖性下降[5-6]。目前，放置狀態、絎縫因素與羽絨保暖性的關系尚不明確。因此，有必要以定量分析的方式探究不同的放置狀態、絎縫因素與羽絨保暖性的關系。

文中在分析是否懸掛放置及放置時間對羽絨保暖性影響的基礎上，設計雙因素實驗，結合絎縫形式與絎縫數量測試兩種放置狀態下羽絨的保暖性，同時建立羽絨表觀體積近似幾何模型，定量分析和預測羽絨的保暖性。以期為羽絨服類產品的絎縫因素設計和開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 羽絨服面料(100 %滌綸織物，面密度102 g/m2)，防絨內膽(100 %滌綸織物，面密度76 g/m2)，均由蘇州紡織公司生產；白鵝絨(純度95%)，由山東奧絨服裝公司生產。

1.1.2儀器 YG606D型紡織品保暖測試儀，寧波紡織儀器廠制造；游標卡尺，上海耐美特實業有限公司制造；恒溫恒濕實驗室，中山科瓦特機電有限公司制造；試樣懸掛裝置，自制,具體如圖1所示。

圖1 懸掛裝置Fig.1 Suspension device

1.2 方法

1.2.1實驗因素與水平的確定 由于絎縫形式與絎縫數量對羽絨制品的保暖性有重要的影響，故將絎縫形式和絎縫數量作為實驗因素。絎縫形式包括直線、折線、曲線3種，而直線絎縫居多。文中選用直線絎縫，將絎縫形式設置為水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫3個水平。不同的絎縫數量會影響羽絨試樣靜止空氣的含量，進而影響保暖性，故絎縫數量設置為0～6條共7個水平。

1.2.2試樣制備 將羽絨服原材料制作成30 cm×30 cm的試樣，其中，白鵝絨的填充密度選擇130 g/m2[7]。將不同絎縫形式、絎縫數量組合可以得到19個試樣，編號為0#～18#，具體如圖2所示。

圖2 不同水平組合下的絎縫試樣Fig.2 Quilted samples with different combinations

1.2.3懸掛放置時間的選定 受重力的影響，試樣懸掛一定時間后，部分羽絨會下沉。為了探究懸掛放置時間對羽絨保暖性的影響，采用0#試樣進行懸掛放置實驗，放置時間分別為0，1.5，3.0,6.0,12.0,18.0,24.0 h，測試其保暖性，同時與水平放置方式進行對比，具體結果如圖3所示。

由圖3可以看出，懸掛狀態下，0#試樣的傳熱系數先隨著懸掛時間的增加而增大，隨后變化趨于平緩；當懸掛放置時間在18～24 h之間，試樣傳熱系數不再發生變化，達到穩定狀態；在水平放置狀態下，0#試樣的傳熱系數不受時間的影響。因此，以下實驗懸掛放置時間取24 h。

圖3 0#試樣傳熱系數隨放置時間變化的趨勢Fig.3 Trend of 0#sample's heat transfer coefficient over time

1.2.4試樣保暖性的測試 在溫度(20±2)℃、相對濕度65%±2%的條件下，根據GB/T 35762—2017《紡織品熱傳遞性能試驗方法平板法》[8]，采用紡織品保暖測試儀測試水平放置與24 h懸掛放置試樣的傳熱系數。每個試樣重復測量3次，取平均值。

1.2.5試樣縫邊長度的測試 采用游標卡尺測量試樣縫邊a，b的長度，其中，a為絎縫數量較少的邊，b為絎縫數量較多的邊。每個試樣重復測量3次，取平均值。

2 結果與分析

試樣縫邊長度測試結果見表1。

表1 試樣保暖性及縫邊長度測試結果

2.1 絎縫形式和絎縫數量對羽絨保暖性的影響

2.1.1兩種放置方式下羽絨保暖性分析 將絎縫形式、絎縫數量和放置方式作為控制變量，試樣傳熱系數作為因變量，采用方差分析方法探究變量之間的主效應與交互效應，得到主體間效應檢驗結果，具體見表2。

表2 主體間效應檢驗

由表2可以看出，在顯著水平α=0.05下，絎縫形式、絎縫數量與放置方式對試樣傳熱系數均有顯著影響；交互作用中絎縫數量×放置方式對試樣傳熱系數的影響顯著，絎縫形式×絎縫數量、絎縫形式×放置方式對試樣傳熱系數的影響不顯著。比較絎縫形式、絎縫數量、放置方式的概率p值，從低到高依次為絎縫數量<絎縫形式<放置方式，表明各因素對試樣傳熱系數的影響程度由高到低依次為絎縫數量>絎縫形式>放置方式。

1)絎縫形式。分別對兩種放置方式下3種絎縫形式試樣的傳熱系數進行Duncan多重比較，具體結果見表3。

表3 不同絎縫形式的試樣傳熱系數Duncan多重比較

由表3可以看出，3種絎縫形式的試樣傳熱系數均值從小到大依次為斜線絎縫<水平絎縫<垂直交叉絎縫，表明不同絎縫形式試樣的保暖性由強到弱依次為斜線絎縫>水平絎縫>垂直交叉絎縫。從直觀上來看，在絎縫數量相同時，雖然斜線絎縫與水平絎縫分割的獨立空間數量相同，但斜線絎縫分割出獨立空間的兩對立邊寬度大，靜止空氣減少量較少；垂直交叉絎縫分割的獨立空間數量比其他絎縫更密集，各絎線間的交叉點多，從而影響分割空間四角的厚度，靜止空氣減少量較多。

2)絎縫數量。分別對兩種放置方式下的不同絎縫數量的試樣傳熱系數進行Duncan多重比較，具體結果見表4。

由表4可見，在水平放置時，試樣傳熱系數均值隨絎縫數量的增加呈遞增趨勢，絎縫數量為0時試樣傳熱系數均值最低；在懸掛放置24 h時，試樣傳熱系數均值隨絎縫數量的增加呈先減后增的趨勢，絎縫數量為2條時試樣傳熱系數均值最低。這是由于絎縫數量較少時，試樣內羽絨有足夠的空間距離，可阻礙絨朵間相互抱合，纖維熱傳導降低，內部空氣流動阻力增大，對流傳熱微弱，保暖性較好。當絎縫數量增加后，試樣被分割成多個獨立空間，絨朵間相互接觸增加纖維的熱傳導[9-10]，且每個獨立空間邊緣處空氣流動阻力變小，對流傳熱增加，保暖性下降。

表4 不同絎縫數量的試樣傳熱系數Duncan多重比較

3)處理方式。對兩種放置方式下試樣的傳熱系數進行配對樣本T檢驗。在顯著水平α=0.05下，兩種放置方式下試樣的傳熱系數有顯著性差異。由圖5可知，水平放置狀態下測得的試樣傳熱系數低于24 h懸掛放置的，試樣傳熱系數差值在絎縫數量為0～2條時急劇下降，隨著絎縫數量繼續增加試樣傳熱系數差值逐漸減小并趨于相同。這是由于絎縫數量為0～2條時，絎縫對羽絨絨朵的固定作用較弱，部分羽絨絨朵受到重力作用產生豎直方向的位移，造成位移處兩層面料之間沒有羽絨三維結構的支撐[11-12]，面料與外界環境產生熱對流[13]，所以此時試樣懸掛放置對羽絨保暖性有顯著影響；當絎縫數量增加至4條后，分割空間隨之減小，迫使絨朵在每個獨立空間內活動間隙減小，絎縫對羽絨的固定作用增強，故此時試樣懸掛放置對羽絨保暖性影響較小。因此，為確保羽絨制品實際穿著時的保暖效果，絎縫數量至少為2條。

2.1.2兩種放置方式下羽絨保暖性關系 從2.1.1可知，當絎縫數量≥2條時，水平放置與24 h懸掛放置的羽絨試樣內部狀態均達到穩定狀態，在此基礎上建立兩種放置方式下羽絨試樣保暖性回歸模型，即

y=0.942 7x+0.200 3，R2=0.998。

其中，x,y分別為水平放置和24 h懸掛放置試樣的傳熱系數[W/(m2·℃)]。

兩種放置方式下試樣保暖性線性擬合曲線如圖4所示。由圖4可知，在絎縫數量≥2條時，兩種放置方式下試樣的傳熱系數呈高度線性相關，回歸模型預測精度達到0.998，表明回歸模型擬合效果較優。

圖4 兩種放置方式下羽絨試樣保暖性線性擬合結果Fig.4 Linear fitting results of two kinds of placement treatment of down

2.1.3絎縫形式及絎縫數量與羽絨保暖性的關系 為了探究絎縫形式、絎縫數量和水平放置方式與試樣傳熱系數的關系，根據表1測試數據，選用虛擬變量方式對三者關系進行擬合。 虛擬變量是反映質的屬性的人工變量，通常取0或1，使用虛擬變量可增加模型精度， 降低誤差方差。 將水平放置試樣傳熱系數作為因變量，絎縫形式與絎縫數量作為自變量，絎縫數量設為n，水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫的虛擬變量分別設為(Z1=0，Z2=1)(Z1=1,Z2=0)(Z1=0,Z2=0)，利用SPSS軟件得到虛擬變量模型，具體見表5。由表5可知，模型R2=0.968，表明模型擬合度良好。不同絎縫形式下絎縫數量與水平放置試樣傳熱系數擬合方程為

表5 模型匯總

水平絎縫x=1.857+0.232n；

垂直交叉絎縫x=1.919+0.232n；

斜線絎縫x=1.713+0.232n。

式中，x為水平放置試樣的傳熱系數[W/(m2·℃)]。

2.2 試樣表觀體積對羽絨保暖性的影響

為了進一步對絎縫因素和試樣保暖性關系進行定量分析，以水平絎縫為例，建立絎縫后試樣表觀體積的近似幾何模型，分析絎縫因素對水平放置試樣保暖性的影響。

2.2.1試樣表觀體積近似幾何模型 水平絎縫三維示意如圖5所示。x-z截面示意如圖6所示。

由圖5可以看出，水平絎縫試樣表觀體積可近似視為若干個均勻橢圓柱體體積之和。記絎縫后兩相鄰邊長度為a，b，橢圓柱體的橢圓截面面積為Sε，由A，B，D，A構成的截面面積為Sδ,單個橢圓柱體體積為VCE，水平絎縫試樣表觀體積為VH。

圖5 n=2時水平絎縫三維示意Fig.5 3D schematic diagram of gorizontal quilting

根據圖6及已知條件有：當絎縫數量為n時，橢圓柱體數量與絎縫數量的關系為n+1。

圖6 橢圓柱體截面幾何示意 Fig.6 Geometrical diagram of elliptical cylinder section

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：l為試樣長度(l=30 cm);n為絎縫數量;a，b為絎縫后兩相鄰縫邊實際測量值;c為弧長;θ為弧長c對應的圓心角;r為圓柱體截面半徑。

由于Sε不是完全的橢圓形，為精確模擬效果，采用差值法[14]計算Sε。

(6)

(7)

(8)

2.2.2試樣表觀體積與羽絨保暖性的關系 水平絎縫試樣表觀體積近似幾何模型計算結果見表6。

表6 試樣表觀體積計算結果與傳熱導數的比較

由表6可知，試樣的表觀體積隨絎縫數量的增加而減小，水平放置試樣的傳熱系數隨表觀體積的增大而減小，表明此類試樣保暖性隨表觀體積的增大而增加。對絎縫數量與試樣表觀體積的關系進行回歸分析，在顯著水平α=0.05下，回歸模型顯著性檢驗的概率p值小于顯著水平(回歸模型Sig=0.003 45、各系數分別為Sig=0.043 87，0.008 27，0.000 13)，表明可建立回歸模型。由此得到回歸模型：

V=0.058n2-0.608n+2.352，R2=0.941。

式中:n為絎縫數量(條);V為試樣表觀體積(dm3)。

對水平放置試樣的表觀體積與傳熱系數的關系進行回歸分析，在顯著水平α=0.05下，回歸模型顯著性檢驗的概率p值小于顯著水平(回歸模型Sig=0.000 22,各系數分別為Sig=0.000 02,0.000 52,0.001 33)，表明可建立回歸模型。水平放置試樣的表觀體積與傳熱系數的回歸模型：

x=0.784V2-3.333V+5.277，R2=0.985。

式中：x為水平放置試樣的傳熱系數[W/(m2·℃)]；V為試樣表觀體積(dm3)。

進一步對回歸模型進行驗證，結果見表7。

表7 試樣表觀體積和傳熱系數的測試結果比較

由表7可以看出，模型預測的傳熱系數分布在實測傳熱系數兩側且與實測數據接近，表明實測值與預測值相差較小，回歸模型擬合度良好，可用該回歸模型對羽絨的保暖性進行定量分析和預測。

3 結語

文中選取30 cm×30 cm羽絨試樣，以水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫3種絎縫形式、 0～6條絎縫，在水平放置和24 h懸掛放置兩種狀態下，測試羽絨試樣的傳熱系數，研究兩種放置方式下絎縫形式與絎縫數量對羽絨保暖性的影響。同時建立絎縫后羽絨表觀體積的近似幾何模型，定量分析和預測羽絨制品的保暖性。研究表明：

1) 絎縫形式對羽絨保暖性影響顯著，絎縫形式與處理方式交互作用不顯著;3種絎縫形式的羽絨保暖性從高到低依次為斜線絎縫>水平絎縫>垂直交叉絎縫。

2) 絎縫數量對羽絨保暖性影響顯著，絎縫數量與放置方式交互作用顯著。水平放置時，羽絨保暖性隨絎縫數量的增加呈遞減的趨勢；經過24 h懸掛放置，羽絨保暖性隨絎縫數量的增加呈先增后減的趨勢。

3) 兩種放置方式下羽絨保暖性有顯著差異。羽絨保暖性差值隨絎縫數量的增加，呈先急劇下降、后緩慢下降并逐漸趨于相同的趨勢。接近羽絨制品實際使用狀況的24 h懸掛放置方式的較優絎縫數量為2條。

4) 當絎縫數量≥2條時，兩種放置處理下羽絨保暖性呈高度線性相關，建立水平放置與24h懸掛放置的羽絨保暖性線性回歸模型，模型預測精度可達到0.998。

5) 以水平絎縫為例，建立絎縫后羽絨表觀體積的近似幾何模型，羽絨表觀體積隨絎縫數量的增加而減小，羽絨保暖性隨表觀體積的增大而增加。并建立絎縫數量與羽絨表觀體積、羽絨表觀體積與保暖性的回歸模型，回歸模型可定量分析和預測羽絨制品的保暖性。