緯編成形護膝結構設計及其熱濕舒適性

王予濤, 叢洪蓮, 顧洪陽

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

近年來,人們健康意識的提高和全民健身運動浪潮的高漲推動了運動類紡織品的發展。目前市場上輕運動類針織護膝較為普及,其原料主要有滌綸低彈絲(DTY)、錦綸等,且組織結構大都為羅紋組織,熱濕功能分區較為簡單,或是分區區域較為模糊,這類護膝不能較好地滿足消費者在日常運動中的熱濕舒適性需求。為提高護膝的穿著舒適度與防護性能,熊燕[1]制備了無捻紗/空芯紗用于編織護膝;龐欣[2]選用氨綸彈性包覆紗為原料提高護膝壓力,研發了高彈運動針織護膝,并通過對護膝的壓力梯度進行研究得出其自下而上遞增的規律;匡麗贅等[3]在橫機上設計開發了袋狀空氣層護膝,利用空氣層結構的特殊性通過對護膝填充物質來提高護膝的防護性能。目前護膝產品的開發大都是通過研究原材料來提升其防護性和舒適性,但是對護膝的功能分區研究較少。無縫圓緯機可編織不同組織結構實現護膝功能區域的劃分,以提高人體在運動中的舒適性,如王偉榮等[4]從圍度尺寸和縱向結構方面對緯編無縫瑜伽褲進行分區結構設計,針對不同拉伸度對瑜伽褲劃分,調節不同區域壓力來提高瑜伽運動的舒適性;馮杏清等[5]基于女性特征結合熱濕及形態特征,有針對性地對緯編無縫運動服進行區域性分區設計;吳志明等[6]基于舒適性的運動胸衣分區設計對其進行劃分,使得穿著胸衣運動時更好地貼合人體。目前對護膝進行的研究方向主要集中在穿戴舒適性、防護性、壓力等方面,而對熱濕舒適性、功能分區設計等研究鮮有報道,因此對緯編成形護膝的結構設計及其熱濕性能研究具有重要意義。

本文通過分析下肢結構特征和熱濕分布特征,結合熱濕需求對護膝進行熱濕分區結構設計。選用150 dtex(96 f)滌綸DTY、75 dtex(288 f)×2滌綸DTY和1 120 dtex橡筋紗原料,制備了14種具有單向導濕性能的組織樣品,并進行水分管理測試和透氣性測試。然后結合腿部特征對護膝進行分區結構設計,并選用匹配熱濕分區的組織結構編織出緯編成形護膝,以期為緯編成形護膝的設計和開發提供參考,使其滿足穿戴者在日常運動中的穿著需求。

1 人體腿部特征

1.1 腿部形態特征

腿部作為肌肉較發達的部位,主要由大腿、膝蓋、小腿構成,圍度變化與肌肉的運動狀態密切相關,可分為大腿中圍區、膝蓋區、膝下區3個部分。圖1為腿部形態特征網格線劃分示意圖,將大腿圍8等分,按膝上圍線和膝下圍線作為2條劃分線,將大腿中圍至小腿中圍的區域劃分多個區域。

圖1 腿部形態特征網格線劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid line division of leg morphological features

1.2 腿部熱濕特征

根據人體下肢出汗情況分布特點[7],對腿部熱濕特征分區,如圖2所示。人體內的脂肪被消耗時,會釋放熱量,同時肌肉的活動也會刺激汗腺產生熱量。在下肢中,膝蓋上部和下部被肌肉包裹,在運動時帶動這些肌肉做功,同時消耗部分存儲脂肪而釋放出較多熱量[8-10]。腘窩處脂肪多且摩擦頻繁更易產生熱量,而膝蓋處肌肉較少,在運動時不易發熱出汗,因此可根據腿部的熱濕特征來對護膝的熱濕功能進行分區設計。

圖2 腿部熱濕特征分區圖Fig.2 Partition map of leg heat and moisture characteristics

2 護膝面料性能研究

2.1 樣品制備

滌綸DTY是護膝常用原料之一,不僅可制備單向導濕的織物,還能滿足護膝的拉伸要求。本文在針數為288的ZY550HS全自動高速電腦圓緯機(三功位進行組織編織)上,使用線密度分別為 75 dtex(288 f)×2、150 dtex(96 f)的滌綸DTY,根據潤濕梯原理[11-13]制備樣本。另外選用 1 120 dtex 橡筋紗增加護膝的厚度和彈力,其中橡筋紗以襯緯組織編織到織物中(見圖3),使織物的橫列方向周期襯入不成圈的緯紗,使其具有良好的橫向彈性。

圖3 橡筋紗編織示意圖Fig.3 Schematic diagram of rubber yarn weaving

針織護膝的組織主要有集圈組織、羅紋組織、仿羅紋組織、網眼組織等,不同組織結構的織物其外觀特點、性能也不同,選擇常用的14種組織結構:羅紋組織(1#、2#、3#)、網眼組織(4#、5#、6#)、仿羅紋組織(7#、 8#、9#)、集圈組織(10#、11#、12#)、復合組織(13#、 14#)。使用無縫圓緯機,通過自帶軟件選取上下針出針方式,形成集圈、浮線和成圈,通過組合搭配形成不同的組織。并在雙面電腦提花機上編織樣布,而后對這些樣品進行整理熨燙后測試其基本參數,表1示出織物樣品規格參數。

表1 織物樣品規格參數Tab.1 Parameters of fabric samples

2.2 織物性能測試與分析

2.2.1 透氣性

參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,通過YG461E-Ⅲ型電腦式透氣儀測試織物的透氣性能,壓降為100 Pa,樣品面積為 20 cm2, 對14種織物分別進行3次測試,取其平均值。

織物透氣性與吸濕排汗性有關,透氣性越好,越有利于汗液排出皮膚表面,從而保持皮膚表面干爽,減少織物與皮膚間的黏滯阻力。圖4示出14種織物樣品的透氣率測試結果?？芍?網眼組織和集圈組織的透氣性相差約80 mm/s,比羅紋組織的透氣性高出26.7%。網眼組織織物表面的小孔洞有利于空氣流通,而有集圈和浮線結合的復合組織由于集圈與成圈的相互拉扯,導致浮線無法形成規則的孔洞,所以按透氣性能強弱依次為:網眼組織、集圈組織、仿羅紋組織、羅紋組織、復合組織。

圖4 織物透氣率對比圖Fig.4 Contrast diagram of fabric permeability

2.2.2 水分管理性能

使用液態水分管理系統測試儀進行測試,首先使用質量分數為0.9%的氯化鈉溶液來模擬人體分泌的汗液,通過輸液管將玻璃瓶蓋與測試儀器的接觸頭連接,然后將織物放置于具有多個探頭的圓臺之中,上部的探頭接觸織物內層,下部的探頭接觸織物外層。在開始實驗一段時間后,0.2 g液體均勻滴在織物的內層,模擬汗水會被織物吸收后擴散,探針會測試不同環之間的電阻。電阻的變化表示液體在織物中的吸收和擴散,從而進一步判斷織物吸收和擴散汗水的能力。圖5示出14種織物液態水分管理性能測試結果。

圖5 不同組織織物的液態水分管理性能對比Fig.5 Comparison of liquid water content management performance of different weave fabrics.(a) Rib weave; (b) Mesh weave; (c) Ribbed weave; (d) Tuck stitch; (e) Composite weave

滲透面浸潤時間、滲透面吸水速率以及單向傳遞指數是表征織物吸濕排汗性能的3個指標,通過對液態水傳遞綜合指數中的權重比例分配對織物樣品進行綜合評級,其中滲透面浸潤時間評級權重占25%,滲透面吸水速率評級權重占25%,單向傳遞指數評級權重占50%。若3個指標中有1個小于3級則為不合格,綜合評級結果如表2所示?？梢钥闯?羅紋組織樣品和復合組織樣品的評級較低,其中羅紋比網眼組織樣品評級低了0.75級,比仿羅紋組織樣品低了0.33級,網眼組織樣品與集圈組織樣品評級較為接近,二者都具有較好的水分管理性能。網眼結構織物的吸濕排汗性能大于其它結構織物,網眼結構中的小孔更有利于水分的排出,并且與相隔的成圈在表面形成凹凸形狀,有利于汗液在表面蒸發。仿羅紋組織和集圈組織織物的吸濕排汗性能接近,但是集圈組織織物中表面線圈更易將水分傳遞出外界,而且不易松散,更適合護膝的功能。復合組織織物的吸濕排汗性相對于其它織物較差,多種線圈的組合會使線圈拉扯變形而孔隙變小,從而導致水分不易通過;而羅紋織物正反均勻,有利于水分流暢通過,具有良好的熱濕性能。綜上分析,網眼組織和集圈組織的水分管理性能較為優異,仿羅紋組織、羅紋組織、復合組織次之。

表2 綜合評級Tab.2 Comprehensive rating 級

3 緯編成形護膝結構設計

3.1 結構設計

為使護膝具有良好的熱濕舒適性,對緯編成形護膝進行結構設計。參考表3護膝尺碼,以L號為例進行護膝結構設計。

表3 常見市售護膝尺碼Tab.3 Market common knee pad size cm

緯編成形護膝原型如圖6所示。上腿圍在膝蓋向上17 cm,下腿圍則在膝蓋向下15 cm處,膝蓋橫向位置定于其中間,結合腿部形態[14],使腘窩長度低于膝蓋使護膝能有彎曲角度。通過橫密和編織針數的關系可控制護膝圍度,反之也可推算組織的編織針數。

單位:cm。圖6 緯編成形護膝原型Fig.6 Prototype knee pad woven with weft

3.2 分區結構設計

根據圖1中的腿部結構特征,將緯編成形護膝原型進行結構劃分,再結合腿部熱濕特征對原型進行分區結構設計,如圖7緯編成形護膝分區結構設計所示,將護膝結構分為高、中、低密度熱濕區域(顏色由深至淺分別表示高、中、低密度)。

圖7 緯編成形護膝分區結構設計Fig.7 Partition structure design of weft woven knee pad

根據熱濕性能測試結果,對各類組織結構按適用的熱濕區域進行分類,結果如表4所示。

表4 組織結構的熱濕區域分類Tab.4 List of organizational structure categories

從羅紋、網眼、集圈組織中分別選取1#、4#、10#性能相對優異的組織進行組合搭配來編織緯編成形護膝。對設計的緯編成形護膝進行虛擬仿真,圖8示出緯編成形護膝仿真結果。

圖8 緯編成形護膝仿真圖Fig.8 Simulation diagram knee pad woven with weft

3.3 上機編織與性能對比

下機后不同組織結構面料的橫縱密和橫向長度影響護膝的圍度,假設M1處有A組織和B組織,編織長度分別為L和K,橫密分別為Q縱行/cm和P縱行/cm,1個線圈長度即為機器1針編織橫向長度(橫密會影響線圈寬度),M1處橫向編織長度為L+K, 總針數為QL+PK。通過在M1處逐漸增加或減少A組織和B組織的編織針數,控制尺寸差異。其中工藝設計時在M2與M3的區域控制增大編織密度,增加膝蓋部位彎曲角度,更符合人體工學。編織完成后將筒套裁剪下來,經過熨燙、包邊、裁剪等工藝,得到如圖9所示的緯編成形護膝。

圖9 緯編成形護膝實物圖Fig.9 Physical picture of knee pad woven with weft

圖10示出市售針織護膝樣品,結構為羅紋組織,原料為150 dtex(50 f)錦綸和150 dtex(50 f)滌綸DTY,乳膠橡筋紗以襯緯組織的形式編入其中。選取體育專業學生分別穿戴緯編成形護膝和市售針織護膝慢跑20 min。

圖10 市售針織護膝Fig.10 Commercial knit knee pad

使用FLUKE熱像儀記錄運動 20 min 和休息 20 min 后的腿部熱成像,另外使用熱濕傳感器記錄腿部熱濕變化,分別對其進行3次測試后取均值。圖11(a) 示出穿戴緯編成形護膝運動與休息后的熱成像圖片。在運動完后腿部熱量大,體表排出大量汗液,此時腿部溫度較高,休息20 min后汗液通過線圈結構排出到外界,再由空氣帶走水分達到冷卻效果,從而使整體溫度較快下降。圖11(b)為穿戴市售針織護膝運動前后熱成像圖片,同樣運動完后腿部溫度較高,但由于線圈緊密,材質較為厚實導致運動過程中汗液不能及時排出,所以對比緯編成形護膝溫度略高,休息20 min后溫度有所降低,但是相比緯編成形護膝降溫速度較慢,散熱能力較差。

圖11 穿戴不同護膝運動前后的熱成像圖片Fig.11 Thermal imaging pictures before and after wearing different knee pads.(a) Knee pads woven with weft; (b) Commercial knit knee pads

圖12示出穿戴緯編成形護膝和市售針織護膝后腿部表面溫濕度變化曲線?？梢钥闯?在25 min附近時,緯編成形護膝達到最大濕度,5 min后濕度迅速下降;市售護膝在21 min附近接近最大濕度,10 min后濕度才呈下降趨勢。二者的溫濕度都處在最大值,但由于分區設計以及面料良好的熱濕功能使得前者在運動過程中能排出更多汗液,所以濕度變化率和溫度變化率要優于后者,緯編成形護膝的熱濕性能要比市售針織護膝好。

圖12 穿戴不同護膝腿部表面溫濕度隨時間的變化Fig.12 Surface temperature and humidity changes of different knee pads over time.(a) Knee pad woven with weft; (b) Commercial knit kneepad

4 結 論

本文通過分析腿部的圍度特征和熱濕特征,根據人體腿部在運動狀態下的熱濕舒適度要求,對護膝進行熱濕分區結構設計。選用紗線結合單向導濕原理,制備了14種不同組織的織物,通過實驗分析其熱濕性能,結合熱濕分區設計選擇合適組織編織護膝,得到如下結論。

1)通過緯編成形原理及單向導濕原理,制備了多種具有熱濕功能的織物,其中網眼組織的熱濕性能優于仿羅紋組織、集圈組織、羅紋組織和復合組織。

2)通過分析人體腿部的形態特征和熱濕特征,結合人體工學,將平面圖縱向8等分,橫向分為3個區域,在滿足腿部曲面的基礎上建立了匹配腿部熱濕需求的緯編成形護膝分區,這種分區設計的護膝在熱濕功能方面比傳統針織護膝更加有效果。

3)在滿足熱濕功能的基礎上,緯編成形護膝應滿足基本的防護性能,新型功能紗線和其它組織結構的結合,可開發出功能更全面的護膝,兼具防護性和舒適性。