針織無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的散熱導(dǎo)濕仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

俞旭良, 叢洪蓮, 董智佳, 沈穎樂

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對于品質(zhì)生活的需求越來越高,尤其在服裝穿著方面體現(xiàn)得更為突出。在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí),人們渴望穿著高質(zhì)量、多功能、時(shí)尚、舒適的運(yùn)動(dòng)服裝,而無縫針織技術(shù)極大程度上滿足了消費(fèi)者的這些需求。

目前,無縫技術(shù)在運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛,同時(shí)結(jié)合特殊紗線使用、后整理工藝處理、組織結(jié)構(gòu)變化,較多功能性無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣應(yīng)運(yùn)而生,如水分管理、吸濕快干、單向?qū)竦裙δ艿漠a(chǎn)品。為了更好地實(shí)現(xiàn)功能性,眾多研究人員嘗試將仿生學(xué)科與紡織工程結(jié)合起來。周艷衛(wèi)[1]根據(jù)葉脈“分支結(jié)構(gòu)”的流體仿生原理,設(shè)計(jì)出導(dǎo)濕樹形仿生結(jié)構(gòu)針織面料;李娜[2]依據(jù)熱帶綠色植物滴水觀音為仿生模型,設(shè)計(jì)以散熱為水分傳遞驅(qū)動(dòng)力,表面快速散熱、內(nèi)層快速導(dǎo)濕的雙層織物結(jié)構(gòu)。科研人員從大自然許多生物上得到啟示,研發(fā)出可滿足各種復(fù)雜場景的仿生結(jié)構(gòu),同時(shí)市場對仿生結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣上的呈現(xiàn)有著迫切需求,故對于針織無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣仿生結(jié)構(gòu)的研究也越發(fā)重視。本文先對人體汗腺分泌、體脂消耗等現(xiàn)象進(jìn)行了研究,劃分無縫內(nèi)衣的不同熱濕分布特征,以此建立無縫內(nèi)衣的熱濕結(jié)構(gòu)分區(qū),同時(shí)在不同結(jié)構(gòu)分區(qū)中設(shè)計(jì)了散熱、導(dǎo)濕功能的仿生結(jié)構(gòu),為針織無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的參考意義。

1 無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣熱濕要求

由于人體肌肉顫抖、汗腺分泌等現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生大量熱量和汗水,無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣出現(xiàn)明顯的熱濕分布特征[3-4],影響其穿著舒適性能。

1.1 無縫內(nèi)衣熱分布特征

目前,有研究基于人體結(jié)構(gòu)原理和體脂帶的分布特點(diǎn),設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服裝的熱濕分區(qū),以此提高運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的性能[5-6]。在饑餓或劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí),體脂的消耗會(huì)釋放大量熱量,同時(shí)人體肌肉的顫動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生熱量,這是人體產(chǎn)熱的兩種主要方式[7]。成年人的體脂率正常范圍在20%左右,體脂帶主要分布在胸腔及腹腔內(nèi)的器官處;人體肌肉群主要集中在胸部、腹部、四肢等部位,而后背肌肉群在人體中占比較少[8],因此在運(yùn)動(dòng)時(shí)前身會(huì)是產(chǎn)熱密集區(qū)域。如圖1所示,人體在前胸、腹部、腋下部位由于存在大量脂肪帶和肌肉群進(jìn)行產(chǎn)熱,這些部位在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)具有較高的體溫,因此在無縫內(nèi)衣上的相應(yīng)部位設(shè)立為高溫?zé)岱植继卣鲄^(qū)域,而腰部及后背存在的肌肉群較少,主要依靠脂肪帶產(chǎn)熱,故設(shè)立為無縫內(nèi)衣中溫?zé)岱植继卣鲄^(qū)域。只有胸間少數(shù)部位產(chǎn)熱較少,為無縫內(nèi)衣的常溫?zé)岱植继卣鲄^(qū)域。

圖1 無縫內(nèi)衣熱分布特征Fig.1 Heat distribution characteristics of seamless underwear

1.2 無縫內(nèi)衣濕分布特征

人體汗腺具有分泌汗液與排泄物的作用,是人體排汗的主要器官。汗腺分為兩種類型,一種為小汗腺,另一種為大汗腺。小汗腺主要對人體體溫進(jìn)行調(diào)節(jié),小汗腺遍布全身皮膚,在掌跖、腋下、前胸、背脊等部位的分布較為密集。大汗腺主要分布在多毛的部位,如腋窩、乳暈等處,其分泌的汗液容易在細(xì)菌分解下散發(fā)臭味。如圖2所示,在運(yùn)動(dòng)或者高溫高濕的條件下,人體的腋下、胸間、背脊部位會(huì)分泌大量汗液,汗液困于服裝內(nèi)部,影響穿著舒適,因此在無縫內(nèi)衣的這些部位設(shè)立為高濕濕分布特征區(qū)域。汗腺在人體后背的分布較前身更為密集,運(yùn)動(dòng)時(shí)后背大面積區(qū)域發(fā)生汗液滲透衣物的現(xiàn)象,故后背大面積區(qū)域?yàn)闊o縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的中濕濕分布特征區(qū)域,前身大面積區(qū)域出汗適中,為常濕濕分布特征區(qū)域。

圖2 無縫內(nèi)衣濕分布特征Fig.2 Moisture distribution characteristics of seamless underwear

1.3 結(jié)構(gòu)分區(qū)

通過對無縫內(nèi)衣高、中、常三種狀態(tài)的熱濕分布進(jìn)行性能需求研究,結(jié)合圖1和圖2相應(yīng)部位的熱濕分布特征,組合成高溫高濕、高溫常濕、中溫高濕、常溫高濕、中溫中濕、中溫常濕、常溫常濕的七種熱濕狀態(tài)。

1) 高密度熱濕區(qū)域A:無縫內(nèi)衣高溫高濕的腋下部位及中溫高濕的背脊部位汗腺分布密集,在運(yùn)動(dòng)中出汗巨多,產(chǎn)熱頻繁,是無縫內(nèi)衣結(jié)構(gòu)中特殊熱濕需求區(qū)域,在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分區(qū)時(shí)屬于無縫內(nèi)衣的高密度熱濕區(qū)域。

2) 中密度熱濕區(qū)域B:在高溫常濕的腹部、胸部,常溫高濕的胸間部位及中溫中濕的后背主體部位分布較多的體脂帶或汗腺,同時(shí)連接著較大的肌肉群,也是人體感到汗?jié)瘛灍岬闹貫?zāi)區(qū),故設(shè)定為無縫內(nèi)衣的中密度熱濕區(qū)域。

3) 低密度熱濕區(qū)域C:人體前腰、前肩等中溫常濕區(qū)域及極少常溫常濕區(qū)域可依靠人體自身能量消耗來保持運(yùn)動(dòng)時(shí)的體溫恒定,對于服裝舒適性能的依賴較小,這些部位為無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣結(jié)構(gòu)的低密度熱濕區(qū)域。

如圖3所示,對無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣進(jìn)行高密度、中密度、低密度三種熱濕結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì),揭示運(yùn)動(dòng)場景中無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣不同區(qū)域的熱濕狀態(tài)。同時(shí)針對不同熱濕結(jié)構(gòu)分區(qū),提出散熱、導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)面料設(shè)計(jì),以達(dá)到更佳的熱濕舒適性。

圖3 運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣結(jié)構(gòu)分區(qū)Fig.3 Structure division of sports underwear

2 散熱型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鯊魚V型鋸齒狀皮膚表面可引導(dǎo)水流流動(dòng),減少水流阻力[9]。同時(shí)鯊魚還具有獨(dú)特的呼吸系統(tǒng),使得該物種可不費(fèi)力地長時(shí)間潛伏在海底。

2.1 鯊魚呼吸系統(tǒng)

鯊魚頭部兩側(cè)擁有5～7對魚鰓[10],如圖4(a)所示,魚鰓由鰓囊、鰓絲、鰓弓、鰓間隔、鰓裂道、鰓蓋等組成,是鯊魚呼吸系統(tǒng)的主要器官。富氧水進(jìn)入鯊魚口咽腔,鰓囊開始擴(kuò)大,口咽腔內(nèi)的水被吸入鰓囊,在鰓囊內(nèi)進(jìn)行呼吸作用,鰓絲內(nèi)部含有豐富的毛細(xì)血管,可攝取水中的溶解氧,同時(shí)把二氧化碳排到水中,且呼吸時(shí)血流方向與水流方向相反,進(jìn)一步促進(jìn)氣體交換效率。水在鰓囊內(nèi)完成氣體交換后,鰓囊收縮,貧氧水經(jīng)外鰓裂流出,完成整個(gè)呼吸過程[11]。鯊魚的呼吸主要通過鰓囊的擴(kuò)大與收縮動(dòng)作輔助完成,若在服裝上設(shè)立類似鰓囊的結(jié)構(gòu),讓服裝具備空氣交換、呼吸的功能,可大大改善肌膚與衣物之間的微環(huán)境。

2.2 散熱型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鯊魚的呼吸仿生結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于汽車出風(fēng)口、電腦主機(jī)散熱孔等領(lǐng)域,同時(shí)應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服領(lǐng)域中,可提供氣體交換的代謝場所,實(shí)現(xiàn)服裝散熱排汗的效果[12-13]。

選用運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣常用的83.33 dtex錦綸、22.2 dtex/55.5 dtex錦綸/氨綸包覆紗為原料,參照無縫內(nèi)衣結(jié)構(gòu)模型,在圣東尼無縫內(nèi)衣機(jī)上設(shè)計(jì)織造一款仿生無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣。其中散熱仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域采用吊針數(shù)為16的吊針組織有序間隔并排編織,如圖4(b)所示,黃色為成圈,黑色為浮線,單針16列紗線不成圈,以浮線方式浮在一個(gè)線圈后面,線圈圈柱被拉長,因此編織后線圈嚴(yán)重收縮,拉縮織物,使得同一縱行上的面料下凹形成橫條通道,呈現(xiàn)特殊的凹凸通道結(jié)構(gòu)。試樣效果與鯊魚鰓部形似,形成類似鰓裂道、鰓囊的通道及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)。仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,下陷部位與皮膚接觸,隨著人體肌肉運(yùn)動(dòng)顫抖發(fā)生擠壓收縮、回復(fù)的變化,以此模擬鰓囊結(jié)構(gòu)擴(kuò)張、收縮來控制海水進(jìn)出的作用,即實(shí)現(xiàn)內(nèi)衣內(nèi)部空氣與外界空氣快速交換的過程,保證新鮮空氣迅速流入,以及熱量與濕氣的快速排出。同時(shí)試樣輕薄,以及針織線圈結(jié)構(gòu)具備良好的透氣性能,可較好地進(jìn)行氣體交換,實(shí)現(xiàn)鰓絲血管壁仿生結(jié)構(gòu)的原理效果。

如圖4(c)所示,在無縫仿生運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣成品展示中,以產(chǎn)熱為主的腹部區(qū)域、腋下,以及同為高密度熱濕區(qū)域的后背,設(shè)立密集密集排布的散熱仿生結(jié)構(gòu),前后身均設(shè)有該仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域,加速內(nèi)衣整體蒸發(fā)散熱效率,從而改善運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的熱濕情況。

圖4 凹凸仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Concave-convex bionic structure design

3 導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前,土地逐漸沙漠化,一些沙漠蛇、蟾蜍、蜘蛛、節(jié)肢動(dòng)物甚至哺乳動(dòng)物利用它們的體表結(jié)構(gòu)收集水分來克服生存問題[14],形成自身獨(dú)特的水分傳輸系統(tǒng)。

3.1 棘蜥水分傳輸系統(tǒng)

棘蜥主要生活在極度缺乏水資源的澳大利亞沙漠,背上布滿棘手,形成了一套水分收集傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用毛細(xì)作用將水分和霧氣收集起來,并輸送到口腔,保證生存的水分所需[15],如圖5(a)所示。棘蜥皮膚表面存在鱗片及高低不一的大刺,鱗片呈六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了皮膚表面的親水性,而且六邊形鱗片重疊部分形成促進(jìn)水分吸附、運(yùn)輸?shù)钠つw通道,并延伸至棘蜥的整個(gè)體表[16-17],形成棘蜥物種的水分收集輸送系統(tǒng)。棘蜥的水分收集輸送系統(tǒng)具有寶貴的仿生學(xué)意義,其六邊形通道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紡織領(lǐng)域,可進(jìn)行導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)服裝上的導(dǎo)濕、水分傳輸、汗水管控等功能[18]。

3.2 導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)時(shí),變化并排排列的吊針數(shù),使其形成不同方向的凹凸通道,如圖5(b)所示,通過調(diào)整最下方吊針組織的吊針數(shù)為12、16、12,將通道結(jié)構(gòu)向指定方向延伸,同時(shí)循環(huán)的倒Y形排布緊密,組合形成六邊形結(jié)構(gòu)。下機(jī)后,織物形成類似棘蜥的六邊形蜂窩狀仿生結(jié)構(gòu)通道,可將身體大面積的汗液戰(zhàn)略性地輸送到特定區(qū)域(如需要大量降溫或是出汗較多的區(qū)域),集中進(jìn)行水分管理、蒸發(fā)排汗。根據(jù)人體主要的出汗區(qū)域,通常只在內(nèi)衣服飾上設(shè)計(jì)2～3個(gè)吸濕排汗的功能區(qū),但人體出汗區(qū)域覆蓋廣泛,因此該通道可達(dá)到大面積汗水收集,并傳輸?shù)焦δ茉O(shè)定區(qū)域的目的,實(shí)現(xiàn)內(nèi)衣強(qiáng)大的汗水導(dǎo)濕、管控作用,保證皮膚長時(shí)間的干爽。

如圖5(c)所示,在無縫仿生運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣中,高溫常濕的胸部區(qū)域設(shè)立了倒Y形導(dǎo)濕通道仿生結(jié)構(gòu),組合成規(guī)則的六邊形通道,并向外延伸至大片胸部區(qū)域。將分散在胸部各區(qū)域的少量汗水傳導(dǎo)至常溫高濕的胸間部位,進(jìn)行集中管控處理,在增強(qiáng)胸間的排汗降溫效果的同時(shí),改善胸部整體區(qū)域的熱濕舒適性。

圖5 通道仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Channel bionic structure design

4 熱濕性能測試

4.1 測溫?zé)嵯駥?shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用TIS 55+紅外熱成像儀(美國FLUKE公司)進(jìn)行測試,測試結(jié)果單位為℃,可測范圍為-45～80 ℃,以后背大面積散熱型仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)闇y試區(qū),測試穿著仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)衣的散熱效果。如圖6所示,測試靜坐30 min與慢跑30 min后相同位置的熱像效果。運(yùn)動(dòng)前后的熱像圖對比顯示,運(yùn)動(dòng)過后,后肩未設(shè)仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域的溫度從28.0 ℃升至29.5 ℃,變化幅度α上升明顯,而凹凸通道仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域的溫度從26.0 ℃上升至26.5 ℃,變化幅度β較小。在運(yùn)動(dòng)中,人體開始產(chǎn)熱出汗,在皮膚表層匯聚成汗水,仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得濕氣與新鮮空氣進(jìn)行交換散失,在空氣流動(dòng)及蒸發(fā)作用下,多余的汗水與熱量被帶走,極大提升了散熱排汗速率,使得人體感受不到潮濕。同時(shí)在仿生結(jié)構(gòu)下陷部位,外界空氣與內(nèi)部空氣形成微小對流,與鰓部的毛細(xì)血液同水流對流效果相同,提升了內(nèi)衣內(nèi)外氣體交換的效率。因此,內(nèi)衣的散熱型仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地起到快速降溫的作用。

圖6 熱像性能測試對比實(shí)驗(yàn)Fig.6 The thermal image performance test contrast experiment

4.2 液態(tài)水分管理實(shí)驗(yàn)

選用無縫內(nèi)衣導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域和相同原料、工藝參數(shù)制備的平針組織內(nèi)衣進(jìn)行液態(tài)水分管理測試實(shí)驗(yàn),測試4組實(shí)驗(yàn)試樣,儀器上感應(yīng)盤下降,在試樣上滴0.9% NaCl試劑,模擬內(nèi)衣的汗水管控情況,其擴(kuò)散速度數(shù)據(jù)記錄如圖7所示,兩塊試樣的平均值a、b差異明顯。對比平針組織,導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提升了試劑的導(dǎo)濕傳遞能力,實(shí)驗(yàn)顯示試樣擴(kuò)散速度提高了約15%,仿生結(jié)構(gòu)試樣上的水分?jǐn)U散范圍較大,傳輸距離較遠(yuǎn),汗水可通過六邊形的導(dǎo)濕仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行長距離的導(dǎo)濕,并隨著通道傳輸?shù)皆O(shè)定區(qū)域,從而改善無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的熱濕性能,使得內(nèi)衣貼身舒適。

圖7 液態(tài)水分管理測試對比實(shí)驗(yàn)Fig.7 The liquid water management test contrast experiment

5 結(jié) 論

本文通過研究人體汗腺分泌、體脂消耗等產(chǎn)熱出汗現(xiàn)象,建立了無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的三種熱濕分布特征,且根據(jù)相應(yīng)部位組合成內(nèi)衣結(jié)構(gòu)模型的高、中、低密度熱濕區(qū)域,得到合理的結(jié)構(gòu)功能分區(qū)。根據(jù)無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的特殊熱濕需求設(shè)計(jì)散熱型仿生結(jié)構(gòu)及導(dǎo)濕型仿生結(jié)構(gòu),通過性能實(shí)驗(yàn)測得凹凸通道仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域的溫度可有效維持在26 ℃左右,實(shí)現(xiàn)內(nèi)衣的散熱降溫功能,同時(shí)六邊形蜂窩狀仿生結(jié)構(gòu)可促進(jìn)汗水傳遞擴(kuò)散速率的提升,增強(qiáng)內(nèi)衣的汗水管控能力。無縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使得內(nèi)衣具有良好的蒸發(fā)散熱、導(dǎo)濕快干等性能特征,內(nèi)衣的熱濕舒適性能得到巨大的提升。

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