機(jī)織物透氣性研究進(jìn)展

楊恩惠， 沈海生， 邱華*

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122；2. 南通賽暉科技發(fā)展股份有限公司,江蘇 南通 226000)

織物的透氣性影響著服裝的穿著舒適度和相關(guān)紡織產(chǎn)品的性能[1]。舒適度是消費(fèi)者在購(gòu)買服裝過程中需要考慮的首要條件，炎熱天氣下，服裝面料良好的透氣性有助于人體散熱[2]。此外，服用織物一般需要洗滌以便再次使用，洗滌后需使用干洗機(jī)對(duì)織物進(jìn)行烘干，而織物的透氣性也影響其烘干效果，因此研究織物透氣性對(duì)改善干洗機(jī)性能也具有指導(dǎo)意義。特殊用途的織物(如宇航服、汽車安全氣囊、降落傘和船帆等)則更需要保證其透氣性，確保安全使用[3]。

機(jī)織服裝作為日常穿著的衣物，具有固形性好、外形挺括等優(yōu)點(diǎn)[4]，對(duì)其進(jìn)行透氣性研究有助于提高機(jī)織服裝的舒適性。文中主要從織物透氣性的影響因素、研究方法及三維建模3方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，并對(duì)研究前景進(jìn)行展望。

1 織物透氣性研究

1.1 影響織物透氣性的因素

1.1.1纖維和紗線層面 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)織物透氣性的研究大多重點(diǎn)討論影響織物透氣性的因素[5-7]，分析這些因素如何影響織物透氣性，并進(jìn)行量化建立相關(guān)關(guān)系。就纖維種類而言，張建祥等[6]通過選用組織結(jié)構(gòu)和厚度相似的棉、麻、羊毛、尼龍、滌綸5類織物進(jìn)行透氣性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維和蛋白質(zhì)纖維形成的織物透氣性普遍優(yōu)于化學(xué)纖維，其中麻纖維織物透氣性最好，尼龍纖維織物透氣性最差，相同條件下麻織物的透氣率是尼龍織物的2倍?？偨Y(jié)得出：由于天然纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比化學(xué)纖維蓬松，因此天然纖維的透氣性普遍優(yōu)于合成纖維。就紗線捻度而言，在一定范圍內(nèi)，紗線捻度增加，織物的透氣性增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著紗線捻度的增加，紗線結(jié)構(gòu)更緊密，且表面的毛羽也會(huì)相對(duì)減少，有利于氣體分子的通過；但如果捻度持續(xù)增加，紗線會(huì)扭曲卷繞，從而減小織物孔隙率，導(dǎo)致透氣性降低。捻度會(huì)直接影響紗線紗支，所以經(jīng)緯紗的紗支也影響織物的透氣性。OGULATA T[7]在控制經(jīng)緯密及其他條件相同的情況下，比較經(jīng)緯紗紗支對(duì)面料透氣性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，面料透氣性會(huì)隨著紗支的增加而增強(qiáng)，因?yàn)榧喼г酱笠馕吨喚€越細(xì)，從而增大了織物的孔隙率。

1.1.2織物層面 就織物緊密程度而言，織物越緊密，透氣性越差?？椢锞o密程度可以從以下兩點(diǎn)進(jìn)行分析：①織物經(jīng)緯密。陳妍等[8]研究顯示，在紗支不變的條件下，隨著織物經(jīng)緯密的增加，織物透氣性呈下降趨勢(shì)；OGULATA T[7]的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究證明了該觀點(diǎn)。②織物的交織狀態(tài)(即織物組織)。陳妍等[8]通過對(duì)蜂巢織物、緞紋織物、經(jīng)重平織物、斜紋織物、平紋織物進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在緯向密度一定時(shí)，其透氣性依次遞減，但當(dāng)緯向密度處在中間水平(即180根/dm、210根/dm)時(shí)，經(jīng)重平織物與斜紋織物的透氣量相近。由此表明，不同組織形成的織物緊密度不同，因此不同機(jī)織物的透氣性也不相同。張建祥等[6]、陳麗麗等[9]同樣進(jìn)行了不同組織織物透氣性的比較，得出相同結(jié)論。就織物厚度而言，學(xué)者們一般以不同層數(shù)的同種織物進(jìn)行研究[10]。陳曉東等[11]根據(jù)流體力學(xué)中多孔介質(zhì)理論，將織物層數(shù)不斷疊加并測(cè)試其透氣性，使用Fluent軟件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)織物的透氣性隨織物厚度的增加而減小，并且呈冪律函數(shù)關(guān)系，且R2=0.998?？椢锖穸炔粌H影響織物孔隙率，在一定壓力下還導(dǎo)致織物變形。XIAO X L等[12]通過使用織物低氣壓壓縮厚度測(cè)試儀、織物低氣壓徠卡顯微鏡觀察儀和FX-3300透氣性測(cè)試儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立厚度變形與外加氣壓的關(guān)系。結(jié)果表明，織物在氣壓<200 Pa時(shí)厚度變化較明顯，氣壓>200 Pa時(shí)厚度變化不大。

1.1.3織物后整理層面 織物后整理也對(duì)織物透氣性影響較大[13]，因?yàn)楹笳頃?huì)作用在織物表面及內(nèi)部，直接影響織物的孔隙率，若整理后孔隙率減小，則織物透氣性降低，反之織物透氣性增強(qiáng)。黃時(shí)健[14]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)純棉織物而言，阻燃整理、樹脂整理、拒水拒油整理、生物整理、涂層整理等均會(huì)使其透氣性下降，其中涂層整理可使透氣性降為零。這是因?yàn)檎韯┛梢耘c織物纖維締合或附著在織物表面形成高分子膜，從而大大減小織物孔隙率，導(dǎo)致透氣性下降。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)液氨整理后的棉纖維會(huì)變細(xì)，因此液氨整理可以增大織物的透氣率。張建祥等[6]通過分析液氨柔軟、液氨免燙、液氨潮交聯(lián)等幾種不同液氨整理方法，發(fā)現(xiàn)液氨潮交聯(lián)整理的織物透氣性最強(qiáng)，且液氨柔軟和液氨免燙織物的透氣率比普通柔軟和免燙織物高20%。

1.2 研究織物透氣性的方法

影響織物透氣性的因素較復(fù)雜，需將眾多因素與透氣性之間建立有效關(guān)系。纖維種類和結(jié)構(gòu)對(duì)透氣性有一定影響，但難以建立宏觀關(guān)系，只能將纖維織物分類進(jìn)行研究，因此織物組織結(jié)構(gòu)是透氣性實(shí)驗(yàn)的主要研究對(duì)象[15]。

邱茂偉等[16]利用哈根-泊肅葉定律推導(dǎo)出機(jī)織物紗線間孔隙透氣量與織物結(jié)構(gòu)參教的關(guān)系：

(1)

式中：Q為紗線間孔隙透氣量(m3/s)；μ為空氣動(dòng)力黏度(Pa·s)；L為空隙長(zhǎng)度(m)；Δp為兩表面壓力差(Pa)；dJ為經(jīng)紗表觀直徑(mm)；dW為緯紗表觀直徑(mm)；pJ為經(jīng)紗密度(根/dm)；pW為緯紗密度(根/dm)。但預(yù)測(cè)值與真實(shí)測(cè)量值有很大誤差，因此再利用逐步回歸分析法進(jìn)行擬合，得到織物透氣性與理論值和織物緊度之間的線性方程：

Y=495.84+0.416X1-3.744X2

(2)

式中：Y為透氣量回歸計(jì)算值(L/(m2·s))；X1為透氣量理論值(L/(m2·s))；X2為織物總緊度(%)。通過式(2)間接分析無法從理論上闡明的影響因素。驗(yàn)證結(jié)果表明，式(2)能較精確地預(yù)測(cè)普通機(jī)織物的透氣性。

對(duì)織物透氣性的研究通常采用線性回歸分析法[17-19]，而佐同林等[20]嘗試采用因子分析和聚類分析法。因子分析通過對(duì)多個(gè)自變量的提取，將原自變量綜合成較少個(gè)數(shù)的互相獨(dú)立且對(duì)因變量起支配作用的因子變量。采用因子分析法既不會(huì)丟失原有自變量信息，也可避免多重共線性現(xiàn)象的發(fā)生。聚類分析是將性質(zhì)相近的研究對(duì)象進(jìn)行分類，如研究不同規(guī)格精紡毛織物的透氣性。通過聚類分析法對(duì)20種精紡毛織物結(jié)構(gòu)參數(shù)中12 個(gè)與透氣性密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提取，綜合出4個(gè)因子變量，分別是織物緊密程度、厚度、經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)相及紗線規(guī)格。佐同林等[21]、趙玲[22]曾利用主成分分析與回歸分析相結(jié)合的方法，建立棉織物透氣性預(yù)測(cè)模型。孫浪濤[23]對(duì)純棉機(jī)織物進(jìn)行透氣性預(yù)測(cè)，選取32種樣本，采用2種流體力學(xué)的孔徑計(jì)算方法計(jì)算織物理論透氣率，建立理論透氣率與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性，回歸方程相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9884。

2 建立三維織物模型

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析處理，可以初步了解織物主要參數(shù)對(duì)透氣性的影響，建立三維模型可更直觀理清相關(guān)參數(shù)與透氣性之間的關(guān)系。建立織物三維模型有幾種方法，其中最著名的是20世紀(jì)30年代的Peirce模型法[24-25]。該模型假定織物中紗線既無伸長(zhǎng)也無壓縮變形，且經(jīng)緯紗的橫截面假定為圓形，紗線在經(jīng)緯紗交織附近相互包覆屈曲呈現(xiàn)圓弧狀，其余部分為直線狀。在此基礎(chǔ)上，建立了一系列關(guān)于紗線屈曲長(zhǎng)度、波高、幾何密度、直徑、縮率與交織角的關(guān)系式。但該模型計(jì)算精度不高，因此后期逐步進(jìn)行了修正完善。谷大鵬等[26]在Peirce模型和坐標(biāo)變換原理基礎(chǔ)上，建立了平紋機(jī)織物紗線空間曲面模型、紗線空間曲面捻轉(zhuǎn)模型和紗線纖維化曲面模型；又通過布爾矩陣和MATLAB語(yǔ)言對(duì)三維機(jī)織物進(jìn)行快速建模[27]，將經(jīng)緯紗分成8個(gè)組元，利用織物三維交織規(guī)律建立對(duì)應(yīng)的布爾矩陣，并利用MATLAB和MATLAB GUI中的編程仿真程序?qū)⒓喚€組元矩陣轉(zhuǎn)化為織物三維模型。組元曲面模型如圖1[27]所示。圖1中，W0～W7為紗線拆分的8個(gè)組元。該方法適用于單層機(jī)織物各種組織的三維描述和模塊化快速構(gòu)建。

朱建華等[28]針對(duì)多層織物的三維模型提出另一種方法，利用函數(shù)矩陣確定紗線中心軌跡并進(jìn)行紗線截面擬合，使用VC++編程語(yǔ)言調(diào)用OpenGL繪制出每根紗線，進(jìn)行單紗的建模與仿真，針對(duì)三維織物的密度、厚度等信息繪制出三維織物模型，具體如圖2所示。該方法適用于各種復(fù)雜組織的多層機(jī)織物建模與仿真，且建立的模型更接近實(shí)際情況。劉讓同等[29]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)織物結(jié)構(gòu)的不足，提出相對(duì)屈曲波高的概念來表征不同的紗線彎曲程度。英國(guó)諾丁漢大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的TexGen軟件[30-31]可以更簡(jiǎn)便地建立織物三維模型，具體如圖3所示。

圖1 8個(gè)組元曲面模型Fig.1 The 8 component surface models

圖2 織物模型示意Fig.2 Fabric model diagram

圖3 TexGen建模示意Fig.3 TexGen modeling diagram

通過編織向?qū)г诮缑嬷性O(shè)置yarn width，yarn space，fabric thick等織物參數(shù)，直接構(gòu)建織物三維模型，并設(shè)置紗線性能、紗線截面及表面卷曲度，經(jīng)微調(diào)后使之更接近真實(shí)情況。TexGen軟件不僅能仿真單層織物，還能仿真多層復(fù)雜織物，最重要的是其構(gòu)建的織物模型可以輸出不同的文件格式，包括CAD格式、IGS格式、STEP格式、Surface Mesh 和Volume Mesh格式等，方便織物模型的后期分析處理。

3 存在問題與發(fā)展方向

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)織物透氣性仿真研究的分析，發(fā)現(xiàn)影響織物透氣性的因素多且復(fù)雜，很難把眾多因素全部考慮在內(nèi)，甚至有些因素不能進(jìn)行量化，如纖維結(jié)構(gòu)、纖維間空隙等，所以需要根據(jù)不同種類進(jìn)行區(qū)分。雖然目前多數(shù)研究均表明纖維空隙也能一定程度上影響透氣性[32-33]，但如何把纖維層面的影響量化仍是一大難題。在建立三維織物模型時(shí)，大多以紗線為結(jié)構(gòu)單元，難以把紗線內(nèi)部的纖維空隙表達(dá)出來，所以未來在機(jī)織物透氣性三維仿真研究中，如何進(jìn)一步考慮纖維間的空隙將是重點(diǎn)研究方向。

另外，在不考慮纖維間空隙的前提下，如何模擬紗線間的空隙是主要研究?jī)?nèi)容。ANGELOVA R A等[34]把存在壓力差的織物兩面紗線空隙看作噴氣管道，分別模擬為圓形管道和矩形管道，比較兩者間的差異。結(jié)果顯示，兩者差別不大，但就透氣性而言，圓形管道略優(yōu)于矩形管道。因此后續(xù)研究多以圓形管道模擬織物空隙。XIAO X L等[35-36]根據(jù)被壓扁紗線的橢圓形截面模擬匯聚發(fā)散型通道，列出拋物線方程并積分求得空氣流量，相比而言用此種方法得出的結(jié)果更接近真實(shí)情況。但如何更真實(shí)地模擬紗線間隙、紗線走勢(shì)等細(xì)節(jié)，還需不斷探索。

除了纖維孔隙和紗線間孔隙，在研究織物透氣性過程中，織物表面毛羽也是一個(gè)重要影響因素。毛羽的濃密和長(zhǎng)度一定程度上會(huì)影響織物的孔隙率和空氣阻力，由此影響織物透氣率。一般的數(shù)學(xué)模擬分析法基本沒有考慮毛羽效果，在幾何建模領(lǐng)域，由于技術(shù)問題也很難模擬出表面毛羽，所以未來在精確預(yù)測(cè)織物透氣率時(shí)需重點(diǎn)研究織物毛羽。

4 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)織物透氣性相關(guān)研究中，學(xué)者們已取得一定成果，探討了纖維種類、紗線捻度、紗線紗支、織物密度、織物交織狀態(tài)、織物厚度以及織物后整理技術(shù)對(duì)織物透氣性的影響，并且得出了一般規(guī)律。量化透氣性影響因素的方法包括：①逐步線性回歸分析法；②因子分析與聚類分析相結(jié)合法，通過找出主要影響因子，列出與透過織物氣體流量相關(guān)的關(guān)系式。這些方法可以在理論上把織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)與透氣量聯(lián)系起來，預(yù)測(cè)織物的透氣性。建立織物三維模型時(shí)可以參考經(jīng)典的Peirce模型，在此基礎(chǔ)上用布爾矩陣和MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行三維模型的建立；也可以利用VC++編程語(yǔ)言調(diào)用OpenGL繪制每根紗線，再繪制出三維織物模型；另外TexGen軟件可快速構(gòu)建織物模型，且能輸出不同的文件格式方便分析。但如何建立與實(shí)際織物接近的模型，仍需不斷學(xué)習(xí)探索。學(xué)者們對(duì)織物透氣性三維仿真模擬的研究為后續(xù)探索織物透氣性與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系打下基礎(chǔ)，以便精確預(yù)測(cè)織物透氣性。