運動服用針織面料熱濕舒適性能評價

姚芳芹， 方麗英

(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)

人體出汗后，汗液會以汽態(潛汗)和液態(顯汗)兩種形式排出[1]。當人體在靜止或是少量運動的情形下，汗液僅以汽態形式排出體外。當運動量較大或處于炎熱環境下，皮膚表面出現液態汗水，為避免人體出現不舒適的黏體感和濕冷感，服裝面料應具備良好的吸附、轉移和散發汗液的能力[2]。隨著生活水平的不斷提高，消費者對運動服用面料的吸濕、透氣、排汗等功能性需求也在提升。

為了提高運動面料的熱濕舒適性能，鮑正壯等[3]測試了13種緯平彈力針織物的性能指標，運用改進灰色關聯度法分析織物吸濕速干性能，并對吸濕性、速干性較差的織物提出改進方法；汪世奎等[4]根據人體運動時各部位對熱濕舒適性能的不同需求，在不同部位配置適合人體熱濕和拉伸需求的新型面料，取得一定的效果。目前對面料的熱濕舒適性能研究主要側重于纖維材料的改性[5]、織物加工工藝優化[6-7]以及對其吸濕性、導濕性等單項指標的研究[8]，而根據各項指標在熱濕舒適性能中的權重對面料進行綜合評價的較少，尤其是針對運動服用面料的研究相對空缺；另外不同季節環境下，影響面料熱濕舒適性能因素權重的大小會有差異[9]。因此，有必要在特定環境下(如高溫)對運動針織面料進行綜合分析。

目前，關于織物性能的綜合評價方法主要有模糊綜合評價、灰色近優模型和灰色關聯度分析，但這3種方法在運用中有一定的局限性。模糊綜合評判適合評價因素多的對象系統，但評價過程中隸屬度、權重的確定都帶有較強的主觀性[10]；灰色近優模型適用于影響因子多且難以確定權重的情形，但無法深入探究各指標對綜合性能的影響程度；灰色關聯度分析計算過程簡便，結果直觀，但計算關聯度時客觀性不足[11]；而灰色聚類和主成分分析法將定性分析和定量分析相結合，既可以排除主觀因素的影響，對已有的聚類結果進行交叉驗證，又可以探討各因素對面料熱濕舒適性能的影響程度。

基于此，文中選取20種運動服用針織面料為研究對象，測試其熱濕舒適性能指標，并通過灰色聚類和主成分分析法探討影響面料熱濕舒適性能的因素，獲得性能優劣的比較排序,以期為開發和設計運動服用產品提供理論依據，并為消費者選購產品提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 選取10種寧波申洲針織有限公司研發的新型運動面料(1#，4#，6#，7#，9#，11#，13#，14#，18#，19#)和10種市場上常見的運動服用針織面料(2#，3#，5#，8#，10#，12#，15#，16#，17#，20#)，具體規格見表1。

表1 面料規格參數

1.1.2儀器 YG606D型平板式保溫儀，寧波紡織儀器廠制造；KES-F7接觸冷暖感測試儀，日本加多技術有限公司制造；FX3300型透氣性測試儀， 瑞士Textest公司制造；YG747型通風式烘箱， 常州中纖檢測儀器設備有限公司制造；PW-5P-AT2自動吸水速度試驗機，日本株式會所大榮科學精器制作所制造；YG(B)216-II型織物透濕量儀，溫州大榮紡織儀器有限公司制造。

1.2 熱濕舒適性能測試

被測試樣均在標準環境[溫度(25±2) ℃，相對濕度(65±3) %]的恒溫恒濕室內靜置24 h。

1.2.1面料保溫性能測試 參照GB 1048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》[12]，采用平板式保溫儀測試，每種面料取3個試樣，計算其保溫率、傳熱系數，取平均值。

1.2.2面料接觸涼感性能測試 根據GB/T 35263—2017《紡織品接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》[13]方法，采用接觸冷暖感測試儀測試試樣熱流量，在試樣的反面任選5個位置測試，取其平均值，計算接觸涼感系數。

1.2.3面料透氣性測試 參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》[14]，采用透氣性測試儀測試試樣的透氣率。同一試樣不同部位重復測定10次，取平均值。

1.2.4面料回潮率測試 根據GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》[15]，采用通風式烘箱烘干試樣，測試試樣的回潮率。

1.2.5面料導濕性測試 參照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》[16]，采用自動吸水速度試驗機測試試樣的液體芯吸高度。每種面料取3個試樣，經(緯) 向液體芯吸高度取其平均值。

1.2.6面料透濕性測試 參照GB/T 12704—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法》[17]，采用織物透濕量儀測試試樣的透濕量，每種面料取3個試樣，取其平均值。

2 熱濕舒適性能綜合評價

面料熱濕舒適性能測試結果見表2。

表2 面料熱濕舒適性能測試結果

2.1 灰色聚類分析

灰色聚類分析是一種以“少數據”“貧信息”的不確定系統為研究對象,適合小樣本分析且計算簡便的分析方法，可將熱濕舒適性能從好到差分為3個或3個以上的灰類[18-19]。文中采用灰色聚類分析法對20種面料進行熱濕舒適性能分類，將1#～20#面料記為聚類對象，保溫率N1、傳熱系數N2、接觸涼感系數N3、透氣率N4、回潮率N5、經向芯吸高度N6、緯向芯吸高度N7、透濕量N8記為聚類指標，將面料的熱濕舒適性能分為好、中、差3檔，記為k1，k2，k3，即聚類灰數為s=3。

1)在灰色聚類分析中，所有因素都應以正比關系計入，因此熱濕舒適性能指標保溫率以倒數的形式計入。

所有數據進行均值化無量綱處理，具體公式為

(1)

式中：i為聚類對象編號;j為聚類指標編號；dij為面料所測指標值；xij為均值化處理后的值。

2)定義聚類指標j對s個灰類(s=k1,k2,k3)的區間[11]，具體灰數白化區間見表3。

表3 灰數白化區間

3)定義聚類指標j不同灰類的白化權函數。

(2)

5)根據白化權數和權值，計算i對象屬于k灰類的灰色聚類系數

(3)

由計算得出的灰色聚類權系數構造聚類系數矩陣

(4)

矩陣中每一列的最大值決定面料熱濕舒適性能評價所屬的灰類。

由式(4)可以看出，熱濕舒適性能評價處于“好”檔的面料有14#，15#，17#，18#，19#，20#；處于“中”檔的面料有1#，5#，6#，7#，8#，10#，11#，12#，13#，16#；處于“差”檔的面料有2#，3#，4#，9#。分析聚類結果可知，熱濕舒適性能處于“好”檔的面料主體是吸濕排汗纖維面料，在16#～20#吸濕排汗纖維面料中，17#，18#，19#，20#的熱濕舒適性能好，而16#熱濕舒適性能相對較差，這是由于16#面料的總密度最大(210圈/cm2)，厚度也較大(0.54 mm)，這些因素影響了面料的熱傳遞性能，從而導致熱濕舒適性能的下降。熱濕舒適性能處于“差”檔的面料主體是棉混紡面料，其中2#，3#，4#面料的厚度、面密度都很大。由此可以看出，厚度、面密度、總密度等結構參數，對面料的熱濕舒適性能影響較大。

2.2 主成分分析

灰色聚類分析只是簡單的聚類，不能定量分析，且織物的性能在各指標下的表征各不相同，很難根據織物的某一項指標作出整體熱濕舒適性能綜合評價，因此需要通過主成分分析法對織物進行綜合評價，獲得影響因素的因子權重和各面料熱濕舒適性能的優劣排序[18]。

2.2.1主要影響因素分析 由灰色聚類分析得知，面料的結構參數對熱濕舒適性能的影響較大，因此文中將面料厚度、面密度、總密度與傳熱系數、接觸涼感系數、透氣率等熱濕舒適性能參數共同作為指標進行主成分分析。經KMO樣本測度檢驗，得到KMO值為0.730，大于0.5，說明樣本數據適合作因子分析。在SPSS軟件中利用主成分分析法提取因子，可得方差貢獻率、累計方差貢獻率、特征值和旋轉后的成分矩陣，并通過計算得到特征向量，結果見表4～表6。

表4 總方差解釋

表5 旋轉后的成分矩陣

表6 特征向量

由表4總方差解釋表可知，主成分Z1，Z2，Z3的方差貢獻率分別為46.708%，29.965%，7.724%，其累積方差貢獻率達到84.397%，故提取3個主成分。由表5可以看出，10個物理指標可以歸納為3個主成分：主成分1為濕傳遞因子，包括緯向芯吸高度、經向芯吸高度、回潮率；主成分2為熱傳遞因子，包括厚度、傳熱系數、總密度、面密度、接觸涼感系數；主成分3為通透性因子，包括透氣率、透濕量。其中，濕傳遞因子對熱濕舒適性能影響最大，其次是熱傳遞因子和通透性因子。根據表6特征向量寫出主成分表達式：

Z1=0.426X1+0.407X2-0.364X3+0.361X4+
0.349X5-0.348X6+0.029X7-0.148X8
-0.245X9-0.254X10；
Z2=0.015X1-0.010X2+0.242X3+0.164X4+
0.258X5-0.198X6-0.522X7-0.491X8+
0.452X9+0.336X10；
Z3=0.328X1+0.438X2+0.042X3-0.549X4-
0.224X5-0.212X6-0.003X7+0.034X8-
0.157X9+0.527X10。

由主成分Z1，Z2，Z3按照方差貢獻率的比例可以推得

對指標系數進行歸一化處理得到指標權重，具體見表7。

表7 指標權重

由表7可以看出，影響面料熱濕舒適性能的因子權重從大到小依次為：經向芯吸高度>透濕量=緯向芯吸高度>透氣率>總密度>傳熱系數>接觸涼感系數>厚度>面密度>回潮率。

2.2.2面料綜合比較排序 根據評價公式得到面料熱濕舒適性能分值，綜合分值如圖1所示，面料熱傳遞與濕傳遞分值如圖2所示。

由圖1可以得到面料熱濕舒適性能的得分排序：18#>20#>19#>15#>14#>17#>12#>13#>16#>11#>7#>8#>6#>5#>10#>1#>9#>2#>3#>4#。結果與灰色聚類分析相一致，由此驗證了該主成分評價模型的有效性。

圖1 面料熱濕舒適性能綜合得分 Fig.1 Score of thermal wet comfort of the fabric

圖2 20種面料的主成分得分Fig.2 Principal component score chart of 20 fabrics

由圖1可以看出，吸濕排汗纖維面料(16#～20#)的熱濕舒適性能得分最高，滌綸面料(11#～15#)其次，棉混紡面料(1#～5#)最差，可見原料對熱濕舒適性能影響較大。為了排除厚度、面密度、總密度的影響，選取以下結構參數相近的面料進行比較分析，其熱濕舒適性能得分排序為：2#<5#<8#<11#<15#<18#,說明纖維原料為吸濕排汗纖維的面料熱濕舒適性能最好。究其原因，這兩類纖維材料為異形截面滌綸纖維，具有高表面積和溝槽，可以利用溝槽的毛細作用有效傳輸水汽，導濕、透濕、透氣能力都非常好。纖維原料為棉混紡的面料熱濕舒適性能較差，這是由于棉混紡面料回潮率較高，具有很好的吸濕能力，但導濕能力較差。

結合圖2，將20款面料按照濕傳遞、熱傳遞能力的大小進一步分類，分析結果如下：

1)14#,15#,18#,19#和20#為純滌綸網眼面料和吸濕排汗纖維面料，組織結構均為網眼組織，濕傳遞能力非常強，熱傳遞能力較強，能有效地將人體大量運動后產生的熱量和濕氣傳遞到面料的外表面，保持皮膚表面和面料的干爽，適用于炎熱環境或是劇烈運動后容易大量出汗的場合，可用來制作吸濕速干服裝。其中，18#,19#,20#吸濕排汗纖維面料表現更為優異，是吸濕速干運動服的首選材料。

2)11#,12#,13#,16#和17#為滌綸面料和吸濕排汗纖維面料，熱量和濕度傳遞能力都較強，能保持衣內良好的換氣和干爽，適合制作普通運動服。其中，11#,13#,16#,17#的熱傳遞性能較為接近，得分在0左右，而12#的熱傳遞性能得分接近1，明顯優于其他滌綸面料，且它的厚度、面密度在該類別中都是最小的。因此，可以通過降低面料厚度、面密度的方式提高其熱舒適性能。

3)1#,5#,6#,7#和10#為棉、棉混紡、丙綸/黏膠混紡和錦綸/氨綸混紡面料，濕傳遞能力一般，熱傳遞能力較好或一般，適用于制作運動休閑服。

4)8#和9#為錦綸/氨綸混紡面料，濕傳遞能力較差，但熱傳遞能力非常強，表面光滑涼爽，傳熱系數與接觸涼感系數都較高，且面料彈性較好，適用于夏季室內健身且出汗量較小的場合，如用于制作瑜伽服。

5)2#,3#和4#為未經過吸濕速干整理的棉混紡面料，熱傳遞和濕傳遞能力都較差。棉混紡面料的親膚性、吸濕性較好，但導濕、透濕性能不佳，容易使人體產生的汗液吸附在衣物上，難以及時排出，從而產生黏體感和濕冷感，影響服裝穿著的舒適性，因此2#和3#面料應當避免選用。

3 結語

1)采用灰色聚類方法對運動服用針織面料的熱濕舒適性能進行分類，結果表明：厚度、面密度以及總密度對面料熱濕舒適性能有顯著影響。

2)將面料結構參數與熱濕舒適性能指標結合進行主成分分析，10個物理指標可歸納為3個主成分，分別為：濕傳遞、熱傳遞、通透性。其中，經向芯吸高度、透濕量、緯向芯吸高度、透氣率對面料熱濕舒適性能影響更大。

3)通過對20種運動針織面料的熱濕舒適性能分析，將面料按照不同場合對熱濕性能的需求進行分類，可為企業設計和開發服裝以及消費者選購產品提供一定參考。