仿蜻蜓翅膀結構的冬季針織面料研發及其性能

丁雪婷, 王建萍,3, 潘 婷, 姚曉鳳, 袁魯寧

(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)

一直以來保暖的針織運動內衣都是冬季熱銷產品。與日常服裝不同,針織運動內衣在劇烈運動過程中更易積累汗液從而導致穿著不舒適,甚至影響運動員成績,很多針織物難以在保證保暖性的基礎上同時保證汗液有效導出,因此研發具有較好熱濕舒適性的針織運動內衣十分重要。

仿生學是一門結合工程技術學、生物學、物理學和數學的新興邊緣科學,隨著仿生技術近幾十年的發展,結合仿生學與紡織技術開發出的功能紡織品受到越來越多的關注[1-2]。通過仿造生物體非光滑表面形貌,設計具有凹凸肌理的仿生針織物,使織物厚度增加從而可提高其保暖性。仿生針織物與人體皮膚接觸形成微氣候調節空間,該空間能夠貯存人體散發的熱氣流達到保溫作用,且還能提高氣體的流動性達到快速排汗的作用[3-4]。

自然界的昆蟲在進化的過程中不斷優化翅膀結構,從而提高了其環境適應性,其中,蜻蜓翅膀的非光滑表面布滿了各種三維結構。早在1986年,有學者[5]研究了蜻蜓翅膀的褶皺。1996 年,Thomas等[6]通過研究蜻蜓翅膀的微觀結構發現其表面存在乳突狀蠟質覆蓋物。而后學者們進一步探究了蜻蜓翅膀的特性,發現蜻蜓翅膀的翅膜表面分布著乳突結構,乳突之間的間隙能夠儲存一定數量的空氣,起到保溫作用,且翅膜表面分布的乳突結構能穩定地形成一層氣膜,使蜻蜓翅膀具備疏水性能,可將水分快速排走[7-8]。趙紅曉[9]觀察到蜻蜓翅膀的翅脈表面呈現凸凹不平的褶皺波浪形貌,該結構能夠儲存一定數量的空氣,起到保溫作用。還有學者從仿生結構設計的角度對蜻蜓翅膀的宏觀結構進行研究,認為翅膀表面布滿的多邊形網格結構使翅膀呈現凹凸不平狀[10-11]。Song等[12]測量了蜻蜓翅膜表面的微觀結構及納米力學性能。Okamoto等[13]認為蜻蜓翅膀具有空間立體三維結構,前后膜翅橫截面呈不規則的皺褶狀。

上述學者們的主要觀點可歸納為:蜻蜓翅膀的表面呈凹凸不平狀,翅膀表面的乳突結構和褶皺波浪形貌可儲存一定數量的空氣,起到保溫作用,并且乳突結構使翅膀具有超疏水性能。基于此,本文嘗試將蜻蜓翅膀的結構形貌運用于針織物設計當中,開發出具有凹凸肌理的針織面料,并對面料進行熱濕性能分析,拓寬采用仿生技術開發功能織物的思路,為針織運動內衣制備提供更多的面料選擇。

1 仿生針織物形貌設計

蜻蜓翅膀的宏觀結構如圖1所示。它的非光滑表面是由前翅、翅根部的翅脈、前緣脈、翅結、翅梢附近的翅脈及翅膜、翅梢邊緣、后緣脈和翅痣組成。蜻蜓翅膀上交錯分布的縱脈和橫脈在翅膀表面宏觀上形成了三角形、四邊形、五邊形和六邊形的網格形態。

1—前翅;2—翅根部的翅脈;3—前緣脈;4—翅結;5—翅梢附近的翅脈及翅膜;6—翅梢邊緣;7—后緣脈;8—翅痣。圖1 蜻蜓翅膀宏觀結構Fig. 1 Macrostructure of dragonfly wings

圖2示出蜻蜓翅膀的微觀結構[9,14]。從掃描電鏡照片可看出:蜻蜓翅膀的翅膜表面分布有乳突結構,乳突頂端近似柱形,呈現無規則排列狀[14];翅脈表面布滿凸凹不平的褶皺,褶皺就像微風拂過的水面波浪起伏,稱之為“褶皺狀波浪形貌”[9]。

圖2 蜻蜓翅膀微觀結構Fig. 2 Microstructure of dragonfly wings.(a) Papillary structure; (b) Fold wave morphology

利用SANTONI的Photon軟件對蜻蜓翅膀的4種結構進行繪制,繪制圖如圖3所示。圖3(a)、(b)所示的六邊形和四邊形結構是仿生蜻蜓翅膀的宏觀結構形貌,線條為蜻蜓翅膀表面交錯的橫脈和縱脈。為簡化織物開發,本文假設橫脈和縱脈交錯形成均勻的六邊形和四邊形。圖3(c)示出的乳突結構是仿生蜻蜓翅膀上翅膜部位的微觀結構形貌,圓點為翅膜上凸起的乳突。為簡化織物開發,本文假設乳突的大小及排列間距相等。圖3(d)示出的褶皺波浪結構是仿生蜻蜓翅膀上翅脈部位的微觀結構形貌,彎曲的線條為翅脈上凸起的不規則褶皺。

2 仿生針織物上機織造與性能測試

2.1 紗線的選擇

4種仿生針織物的面紗選用150 dtex (144 f)石墨烯錦綸復合長絲,地紗采用 Dryarn?聚丙烯纖維/氨綸(30 dtex/30 dtex)包覆紗。其中石墨烯錦綸復合長絲由浙江大學高超教授團隊研發,通過原位聚合法制備質量分數為0.1%石墨烯,石墨烯不易溶出,可保證服用安全性,通過優化紡絲及加彈工藝使得該纖維還具有遠紅外發熱、保暖及負離子保健等多種功能。Dryarn?聚丙烯紗線由意大利Aquafil公司使用茂金屬基聚丙烯Metocene樹脂開發,該紗線具有優異的保暖性和導濕性。假羅紋組織是目前無縫針織服裝中比較常用的一種組織,假羅紋組織針織物具有良好吸濕性和保暖性[15-16],因此選取1+2假羅紋組織針織物作為對照組,該針織物采用的紗線與仿生針織物相同。

2.2 上機工藝

本文所設計的4種仿生針織物和1種對照組針織物采用意大利SANTONI HS-EX8單面電子提花針織圓機進行織造,該機器采用8F成圈系統,筒徑為35.6 cm(14寸),針數為1 248。4種仿生針織物和1種對照組針織物的編織意匠圖如圖4所示。由于褶皺波浪結構的一個循環過大,本文只繪制了一個循環中的部分編織意匠圖。

其中,六邊形結構織物表面的六邊形線條是通過面紗不成圈而地紗成圈實現的,地紗正面露出,面紗反面形成浮線;四邊形結構織物和褶皺波浪結構織物表面的四邊形線條和褶皺波浪線條是由地紗與面紗成圈和地紗與面紗不成圈交替實現的;乳突結構織物表面的圓柱形凸起是由1+1假羅紋組織、1+2假羅紋組織和平針添紗組織交替形成的,1+1假羅紋組織是由地紗與面紗成圈和地紗與面紗不成圈交替實現,1+2假羅紋組織是由地紗與面紗成圈和地紗與面紗不成圈交替,地紗與面紗連續成圈,2個成圈系統交替實現,平針添紗組織是由地紗與面紗連續成圈實現。

織造過程中首先利用SANTONI的Photon軟件繪制4種仿生針織物和1種對照組針織物的dis圖,然后利用SANTONI的Digraph3plus軟件根據dis圖編寫上機程序,機器可通過讀程序進行編織。4種仿生針織物和1種對照組針織物各設置3種上機密度,改變針織物密度可通過調節步進電動機值改變線圈長度來實現。以0位代表默認值,N位表示從0位減小密度,數值越大針織物密度越小,P 位表示從0位增大密度,數值越大針織物密度越大。本文選取的3種織物密度為P10、0和N10,其中,0位設置步進電動機默認值為100,P10位在0位基礎上加10,即設置步進電動機值為110,N10在0位基礎上減10,即設置步進電動機值為90,通過設置不同織物密度以探究密度對針織物性能的影響。

在織造過程中,為避免出現紗線斷紗、針織物破洞、壞針等問題,機器轉速不宜過快,面料密度不宜過小,需保持卷取牽拉張力不宜過大。

2.3 針織物性能測試

本文實驗均在溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(65±2)%環境下進行,織物在恒溫恒濕室平衡24 h。

針織物面密度測試:參照FZ/T 70010—2006《針織物平方米干燥重量的測定》,采用精度為0.01 g的天平,裁取5塊尺寸為100 mm×100 mm的針織物測量,面密度單位為g/m2。

針織物厚度測試: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,在遠離布邊的位置選取5個不同的部位進行測試,厚度單位為mm。測試的壓腳面積為2 000 mm2,選取的加壓壓力為200 cN。

針織物密度測試:參照FZ/T 70002—1991《針織物線圈密度測定法》,儀器為密度鏡,橫列和縱行各測試5次。橫密單位為縱行/(5 cm),縱密單位為橫列/(5 cm)。

針織物保暖性測試: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紡織品熱阻測量儀,熱板溫度設置為35 ℃,裁取3塊不同位置尺寸為36 cm×36 cm的試樣進行測試。織物的保暖性用熱阻(m2·K/W)、傳熱系數(W/(m2·℃))、克羅值(10-3clo)和保溫率表示。

針織物透氣性測試:參照 GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,采用YG4616G全自動透氣量儀在織物不同位置測試10次。織物面積為20 cm2,壓強為100 Pa,織物的透氣性用透氣率表示,單位為mm/s。

針織物透濕性測試: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》,采用M261透濕性能測試儀,每種織物裁取3塊直徑為88 mm的試樣進行測試。織物的透濕性用透濕率(g/(m2·24 h))表示。

針織物液態水分管理能力測試: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》,采用MMT液態水分管理測試儀,裁取5塊尺寸為80 mm×80 mm的試樣進行測試,將得到的數據進行匯總并計算平均值,最后根據數據進行等級評定。

3 仿生針織物保暖導濕性能分析

3.1 針織物形貌分析

4種仿蜻蜓翅膀結構針織物的外觀如圖5所示。六邊形結構仿照的是蜻蜓翅膀上橫脈和縱脈交錯形成的六邊形網格,針織物外表面均勻的六邊形線條通過地紗成圈而面紗不成圈實現,面紗在織物內表面形成浮線。四邊形結構仿照的是蜻蜓翅膀上橫脈和縱脈交錯形成的四邊形網格,針織物外表面有均勻的四邊形凸起線條,乳突結構仿照的是蜻蜓翅膀上翅膜部位的乳突,乳突頂端近似柱形,針織物外表面均勻的圓柱形凸起部位在針織物內表面表現為凹陷洞坑。褶皺波浪結構仿照的是蜻蜓翅膀翅脈部位凹凸不平的褶皺,針織物外表面呈現不規則褶皺波浪形貌,針織物內表面也呈不規則褶皺波浪形貌。

3.2 針織物基本參數

針織物面密度、厚度、橫密、縱密等規格參數如表1所示。其中,編號為A1～A4的分別是具有六邊形結構、四邊形結構、乳突結構和褶皺波浪結構仿生針織物,編號為B的是對照的1+2假羅紋組織針織物,每種針織物設置P10、0、N10各3種上機密度,研究密度對針織物性能的影響。

表1 針織物規格參數Tab. 1 Specification parameters of knitted fabrics

3.3 針織物保暖性分析

針織物的保暖性可通過熱阻、傳熱系數、克羅值和保溫率4個指標衡量,測試結果如表2所示。研究同一結構下不同密度與針織物保暖性的影響關系,及同一密度下不同結構與針織物保暖性的影響關系。

表2 針織物保暖性測試結果Tab. 2 Test results of warmth retention property of knitted fabrics

針織保暖內衣的保溫率要求高于30%[17],由表2可知,3種上機密度下的4種仿生針織物的保溫率均超過30%,其保暖性較好,且仿生針織物的保溫率均高于1+2假羅紋組織針織物的保溫率,說明仿生針織物的保暖性優于1+2假羅紋組織針織物。仿生針織物的保暖性由高到低的排序依次為A33、A32、A43、A31、A42、A41、A23、A22、A21、A13、A12、A11。

由表2還可知,仿生針織物的保暖性與其密度和結構有一定關系。同一結構下,隨著密度的降低,紗線內部纖維結構越蓬松,厚度增加,使得仿生針織物中通道和孔隙增加,含有的靜止空氣就越多,保暖性越好;同一仿生針織物密度下,乳突結構針織物的保暖性最優,然后依次是褶皺波浪結構、四邊形結構、六邊形結構針織物。由于乳突結構針織物厚度最厚,且外表面的柱形凸起分布較密,柱形凸起在針織物的內表面表現為凹陷的洞坑,可以貯存更多的靜止空氣,因此保暖性最優;褶皺波浪結構和四邊形結構針織物厚度低于乳突結構針織物,二者外表面呈現為凸起,但褶皺波浪結構為不規則的凸起且相比于四邊形結構分布更密,因此保暖性優于四邊形結構針織物。

3.4 針織物透氣性分析

針織物透氣性測試結果如表3所示。可知,在同一針織物密度下,仿生針織物的透氣性優于1+2假羅紋組織針織物,且在任意密度下,除了A11的透氣性劣于B3外,其余仿生針織物的透氣性均優于任意密度的1+2假羅紋組織針織物。仿生針織物的透氣性能由高到低的排序依次為A33、A23、A32、A22、A13、A21、A43、A31、A12、A42、A41、A11。

表3 針織物透氣性測試結果Tab. 3 Test results of air permeability of knitted fabrics

通常情況下,針織物的密度越小,紗線內部纖維結構越蓬松,紗線間空隙變多,使得氣體分子有著更多的流通通道,透氣性越好。由表3還可知,在同一結構下,隨著密度的減小,仿生針織物的透氣性越好;在密度設置為0和N10下,乳突結構針織物的透氣性最優,然后依次是四邊形結構、六邊形結構、褶皺波浪結構針織物,這主要是由于乳突結構針織物內表面表現為凹陷的洞坑,氣體有著更多的活動空間,針織物內部空氣流動性增強,因而表現出良好的透氣性能;在密度設置為P10時,四邊形結構織物的透氣性最優,然后依次是乳突結構、褶皺波浪結構、六邊形結構針織物;隨著仿生針織物密度增加,導致乳突結構針織物內表面凹陷的洞坑縮緊,針織物內部空氣流動性減弱,從而導致透氣性劣于四邊形結構針織物。

3.5 針織物透濕性分析

針織物的透濕性測試結果如表4所示。可看出,同一針織物密度下,針織物的透濕性除A21劣于B1、A31劣于B1和A23劣于B3 外,其余仿生針織物透濕性均優于1+2假羅紋組織針織物,仿生針織物的透濕性能由高到低的排序依次為A13、A33、A12、A43、A11、A42、A41、A32、A23、A31、A22、A21。

表4 針織物透濕性測試結果Tab. 4 Test results of moisture permeability of knitted fabrics

通常情況下,針織物的密度越小,紗線內部纖維結構越蓬松,紗線間的空隙變多,使得水分子容易逸散,透濕性越好。由表4還可知,在同一結構下,隨著密度的減小,仿生針織物的透濕性越好;當密度設置為P10和0時,六邊形結構針織物的透濕性最優,然后依次是褶皺波浪結構、乳突結構、四邊形結構針織物;在密度設置為N10時,六邊形結構針織物的透濕性最優,然后依次是乳突結構、褶皺波浪結構、四邊形結構針織物。六邊形結構針織物外表面的線條通過面紗不成圈而地紗成圈實現,面紗不成圈導致織物較薄,且面紗在織物內表面形成浮線,可以提供更大的吸濕面積,從而透濕性較好。

3.6 針織物液態水分管理能力分析

液態水分傳遞性能通過液態水分管理儀測量,可獲得底層浸濕時間(WTB)、底層吸收速率(ARB)、單向傳遞指數(R)等相關指標。其中單向傳遞指數反映的是液態水從織物上層傳遞到下層的能力,數值越大,表明液態水傳遞性能越好[18]。

針織物液態水分管理測試結果如表5所示,可知,針織物的單向傳遞指數隨著針織物密度的減小而增大,各仿生針織物的R由大到小排序為A13、A23、A12、A22、A33、A21、A43、A11、A32、A42、A31、A41。

表5 針織物液態水分管理測試結果Tab. 5 Test results of knitted fabrics liquid water management ability

根據GB/T 21655.2—2009中的性能指標分級和性能評定技術要求進行評定,若織物的WTB、ARB、R等性能指標均高于3級,則說明織物具有良好的吸濕排汗性,評定結果如表6所示。可知,所有針織物的WTB、ARB和R的評定等級均高于3級,最高為5級,說明仿生針織物和1+2假羅紋組織針織物均具有良好的吸濕排汗性。

表6 針織物液態水分管理能力評定結果Tab. 6 Evaluation results of liquid water management capability of knitted fabric

3.7 仿生針織物熱濕舒適性綜合評價

單一指標對針織物熱濕舒適性的評價不夠全面,因此聯合濃縮映射法和功能評價值對多個因素作全面評判,綜合分析針織物的熱濕舒適性[19]。

3.7.1 功能映射值的計算

濃縮映射法是利用式(1)、(2)將指標映射成1～2之間的映射矩陣。指標中最差的值用數字1表示,指標中最好的值用數字2表示,其它指標通過公式算出。數值越大性能越好的指標用式(1)計算,數值越小性能越好的指標用式(2)計算。各項指標中,傳熱系數越小織物的保暖性越好,其它指標值越大對應的性能越好。

(1)

(2)

式中:pij為第i項指標中的第j個方案的功能映射值;aij為第i項指標中的第j個方案的實驗值;xi為第i項指標的各方案中的最小值;di為第i項指標的各方案中的最大值。各熱濕指標的功能映射值所構成的映射矩陣如式(3)所示,映射矩陣中的指標由上到下依次是熱阻、傳熱系數、克羅值、透氣率、透濕率、單項傳遞指數,由左到右依次為編號A11～B3的針織物。

(3)

3.7.2 功能評價值的建立

功能評價值法是根據指標之間相對重要性的不同建立權重,再根據式(4)計算出功能評價值Sj。

(4)

式中:Ki為第i項指標的權重,通過查閱文獻得出權重系數集Ki[2],見式(5),由左到右依次是熱阻、傳熱系數、克羅值、透氣率、透濕率、單項傳遞指數。

(5)

聯合式(3)～(5)計算功能評價值Sj,結果見式(6),由左到右依次是編號A11～B3針織物的功能評價值,其中Sj數值越大,表示針織物擁有越優越的綜合性能。

Sj={1.308 1.485 1.667 1.514 1.580 1.668 1.477 1.701 1.824 1.438 1.500 1.597 1.117 1.227 1.378}

(6)

根據綜合評判結果可知,在同一針織物密度下,仿生針織物的綜合性能優于1+2假羅紋組織針織物,且在任意密度下,除A11劣于B3外,其余仿生針織物的綜合性能均優于任意密度的1+2假羅紋組織針織物,仿生針織物綜合性能由高到低排序為A33、A32、A23、A13、A43、A22、A21、A42、A12、A31、A41、A11。在同一結構形貌下,仿生針織物的密度越小,綜合性能越好,這是因為:針織物密度減小,紗線內部纖維結構越蓬松,針織物中通道和孔隙增加,含有的靜止空氣就越多,且氣體分子和水分子也有更多的活動空間;當密度設置為P10時,四邊形結構針織物綜合性能最優,然后是乳突結構針織物;在密度設置為0和N10時,乳突結構針織物綜合性能最優,然后是四邊形結構針織物,表明乳突結構和四邊形結構能較大程度地提高針織物的熱濕舒適性,且以密度設置為N10時的乳突結構最優。這是因為:該密度下的乳突結構針織物的厚度最厚,提高了其保暖性,且外表面由1+1假羅紋組織、1+2假羅紋組織和平針添紗組織交替構成的柱形凸起在織物內表面表現為凹陷洞坑,在接觸人體皮膚時,該洞坑可以貯存較多的靜止空氣,能進一步提高織物的保暖性,同時該密度下針織物中的通道和孔隙增加,氣體分子和水分子容易活動,人體出汗時汗液可以快速排出,從而保證人體著裝時有著良好的熱濕舒適性。

4 結 論

本文通過研究蜻蜓翅膀的宏微觀結構,設計開發了4種仿生結構針織物,并編織1+2假羅紋組織針織物作為對照組,每種針織物設計由大到小的3種上機密度。對其熱濕性能進行研究與評價,得出以下結論。

1)所研發的仿蜻蜓翅膀結構針織物的保溫率超過30%,具有良好的保暖性,同時具有良好的透氣、透濕和吸濕排汗性,性能總體上優于1+2假羅紋組織針織物。仿生針織物在保證輕薄的同時具有良好的熱濕舒適性,適用于冬季針織運動內衣。

2)針織物的表面結構和密度都會影響針織物的熱濕舒適性,本文設計開發的4種仿蜻蜓翅膀結構針織物的熱濕舒適性都隨著密度的減少而提高,其中當上機密度設置為N10時,即橫密為104縱行/(5 cm)、縱密為159橫列/(5 cm)的乳突結構針織物的熱濕舒適性最好,適用于冬季針織運動內衣。

本文設計開發的仿蜻蜓翅膀結構針織物克服了眾多針織物在保證保暖性的基礎上難以同時保證汗液有效導出的問題,為冬季運動針織內衣設計與開發提供了新思路。