基于空間模型的絎縫因素對(duì)羽絨制品保暖性的影響

代萌婷， 屠曄

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院，浙江 杭州 310018)

絎縫是羽絨制品生產(chǎn)過程中一道重要的工序，可以起到固定羽絨絨朵，增加保暖性的效果[1-2]。在絎縫因素研究中，絎縫形式與絎縫數(shù)量對(duì)羽絨制品的保暖性有重要的影響，但此類研究多是在水平放置狀態(tài)下測試保暖性。水平放置與服裝日常使用狀態(tài)存在較大差異[3-4]，在實(shí)際穿著中服裝與地面呈垂直狀態(tài)，當(dāng)絎縫間距較大時(shí)重力作用會(huì)影響羽絨絨朵分布，導(dǎo)致保暖性下降[5-6]。目前，放置狀態(tài)、絎縫因素與羽絨保暖性的關(guān)系尚不明確。因此，有必要以定量分析的方式探究不同的放置狀態(tài)、絎縫因素與羽絨保暖性的關(guān)系。

文中在分析是否懸掛放置及放置時(shí)間對(duì)羽絨保暖性影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)雙因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)合絎縫形式與絎縫數(shù)量測試兩種放置狀態(tài)下羽絨的保暖性，同時(shí)建立羽絨表觀體積近似幾何模型，定量分析和預(yù)測羽絨的保暖性。以期為羽絨服類產(chǎn)品的絎縫因素設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 羽絨服面料(100 %滌綸織物，面密度102 g/m2)，防絨內(nèi)膽(100 %滌綸織物，面密度76 g/m2)，均由蘇州紡織公司生產(chǎn)；白鵝絨(純度95%)，由山東奧絨服裝公司生產(chǎn)。

1.1.2儀器 YG606D型紡織品保暖測試儀，寧波紡織儀器廠制造；游標(biāo)卡尺，上海耐美特實(shí)業(yè)有限公司制造；恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室，中山科瓦特機(jī)電有限公司制造；試樣懸掛裝置，自制,具體如圖1所示。

圖1 懸掛裝置Fig.1 Suspension device

1.2 方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)因素與水平的確定 由于絎縫形式與絎縫數(shù)量對(duì)羽絨制品的保暖性有重要的影響，故將絎縫形式和絎縫數(shù)量作為實(shí)驗(yàn)因素。絎縫形式包括直線、折線、曲線3種，而直線絎縫居多。文中選用直線絎縫，將絎縫形式設(shè)置為水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫3個(gè)水平。不同的絎縫數(shù)量會(huì)影響羽絨試樣靜止空氣的含量，進(jìn)而影響保暖性，故絎縫數(shù)量設(shè)置為0～6條共7個(gè)水平。

1.2.2試樣制備 將羽絨服原材料制作成30 cm×30 cm的試樣，其中，白鵝絨的填充密度選擇130 g/m2[7]。將不同絎縫形式、絎縫數(shù)量組合可以得到19個(gè)試樣，編號(hào)為0#～18#，具體如圖2所示。

圖2 不同水平組合下的絎縫試樣Fig.2 Quilted samples with different combinations

1.2.3懸掛放置時(shí)間的選定 受重力的影響，試樣懸掛一定時(shí)間后，部分羽絨會(huì)下沉。為了探究懸掛放置時(shí)間對(duì)羽絨保暖性的影響，采用0#試樣進(jìn)行懸掛放置實(shí)驗(yàn)，放置時(shí)間分別為0，1.5，3.0,6.0,12.0,18.0,24.0 h，測試其保暖性，同時(shí)與水平放置方式進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，懸掛狀態(tài)下，0#試樣的傳熱系數(shù)先隨著懸掛時(shí)間的增加而增大，隨后變化趨于平緩；當(dāng)懸掛放置時(shí)間在18～24 h之間，試樣傳熱系數(shù)不再發(fā)生變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在水平放置狀態(tài)下，0#試樣的傳熱系數(shù)不受時(shí)間的影響。因此，以下實(shí)驗(yàn)懸掛放置時(shí)間取24 h。

圖3 0#試樣傳熱系數(shù)隨放置時(shí)間變化的趨勢Fig.3 Trend of 0#sample's heat transfer coefficient over time

1.2.4試樣保暖性的測試 在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度65%±2%的條件下，根據(jù)GB/T 35762—2017《紡織品熱傳遞性能試驗(yàn)方法平板法》[8]，采用紡織品保暖測試儀測試水平放置與24 h懸掛放置試樣的傳熱系數(shù)。每個(gè)試樣重復(fù)測量3次，取平均值。

1.2.5試樣縫邊長度的測試 采用游標(biāo)卡尺測量試樣縫邊a，b的長度，其中，a為絎縫數(shù)量較少的邊，b為絎縫數(shù)量較多的邊。每個(gè)試樣重復(fù)測量3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

試樣縫邊長度測試結(jié)果見表1。

表1 試樣保暖性及縫邊長度測試結(jié)果

2.1 絎縫形式和絎縫數(shù)量對(duì)羽絨保暖性的影響

2.1.1兩種放置方式下羽絨保暖性分析 將絎縫形式、絎縫數(shù)量和放置方式作為控制變量，試樣傳熱系數(shù)作為因變量，采用方差分析方法探究變量之間的主效應(yīng)與交互效應(yīng)，得到主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果，具體見表2。

表2 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表2可以看出，在顯著水平α=0.05下，絎縫形式、絎縫數(shù)量與放置方式對(duì)試樣傳熱系數(shù)均有顯著影響；交互作用中絎縫數(shù)量×放置方式對(duì)試樣傳熱系數(shù)的影響顯著，絎縫形式×絎縫數(shù)量、絎縫形式×放置方式對(duì)試樣傳熱系數(shù)的影響不顯著。比較絎縫形式、絎縫數(shù)量、放置方式的概率p值，從低到高依次為絎縫數(shù)量<絎縫形式<放置方式，表明各因素對(duì)試樣傳熱系數(shù)的影響程度由高到低依次為絎縫數(shù)量>絎縫形式>放置方式。

1)絎縫形式。分別對(duì)兩種放置方式下3種絎縫形式試樣的傳熱系數(shù)進(jìn)行Duncan多重比較，具體結(jié)果見表3。

表3 不同絎縫形式的試樣傳熱系數(shù)Duncan多重比較

由表3可以看出，3種絎縫形式的試樣傳熱系數(shù)均值從小到大依次為斜線絎縫<水平絎縫<垂直交叉絎縫，表明不同絎縫形式試樣的保暖性由強(qiáng)到弱依次為斜線絎縫>水平絎縫>垂直交叉絎縫。從直觀上來看，在絎縫數(shù)量相同時(shí)，雖然斜線絎縫與水平絎縫分割的獨(dú)立空間數(shù)量相同，但斜線絎縫分割出獨(dú)立空間的兩對(duì)立邊寬度大，靜止空氣減少量較少；垂直交叉絎縫分割的獨(dú)立空間數(shù)量比其他絎縫更密集，各絎線間的交叉點(diǎn)多，從而影響分割空間四角的厚度，靜止空氣減少量較多。

2)絎縫數(shù)量。分別對(duì)兩種放置方式下的不同絎縫數(shù)量的試樣傳熱系數(shù)進(jìn)行Duncan多重比較，具體結(jié)果見表4。

由表4可見，在水平放置時(shí)，試樣傳熱系數(shù)均值隨絎縫數(shù)量的增加呈遞增趨勢，絎縫數(shù)量為0時(shí)試樣傳熱系數(shù)均值最低；在懸掛放置24 h時(shí)，試樣傳熱系數(shù)均值隨絎縫數(shù)量的增加呈先減后增的趨勢，絎縫數(shù)量為2條時(shí)試樣傳熱系數(shù)均值最低。這是由于絎縫數(shù)量較少時(shí)，試樣內(nèi)羽絨有足夠的空間距離，可阻礙絨朵間相互抱合，纖維熱傳導(dǎo)降低，內(nèi)部空氣流動(dòng)阻力增大，對(duì)流傳熱微弱，保暖性較好。當(dāng)絎縫數(shù)量增加后，試樣被分割成多個(gè)獨(dú)立空間，絨朵間相互接觸增加纖維的熱傳導(dǎo)[9-10]，且每個(gè)獨(dú)立空間邊緣處空氣流動(dòng)阻力變小，對(duì)流傳熱增加，保暖性下降。

表4 不同絎縫數(shù)量的試樣傳熱系數(shù)Duncan多重比較

3)處理方式。對(duì)兩種放置方式下試樣的傳熱系數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)。在顯著水平α=0.05下，兩種放置方式下試樣的傳熱系數(shù)有顯著性差異。由圖5可知，水平放置狀態(tài)下測得的試樣傳熱系數(shù)低于24 h懸掛放置的，試樣傳熱系數(shù)差值在絎縫數(shù)量為0～2條時(shí)急劇下降，隨著絎縫數(shù)量繼續(xù)增加試樣傳熱系數(shù)差值逐漸減小并趨于相同。這是由于絎縫數(shù)量為0～2條時(shí)，絎縫對(duì)羽絨絨朵的固定作用較弱，部分羽絨絨朵受到重力作用產(chǎn)生豎直方向的位移，造成位移處兩層面料之間沒有羽絨三維結(jié)構(gòu)的支撐[11-12]，面料與外界環(huán)境產(chǎn)生熱對(duì)流[13]，所以此時(shí)試樣懸掛放置對(duì)羽絨保暖性有顯著影響；當(dāng)絎縫數(shù)量增加至4條后，分割空間隨之減小，迫使絨朵在每個(gè)獨(dú)立空間內(nèi)活動(dòng)間隙減小，絎縫對(duì)羽絨的固定作用增強(qiáng)，故此時(shí)試樣懸掛放置對(duì)羽絨保暖性影響較小。因此，為確保羽絨制品實(shí)際穿著時(shí)的保暖效果，絎縫數(shù)量至少為2條。

2.1.2兩種放置方式下羽絨保暖性關(guān)系 從2.1.1可知，當(dāng)絎縫數(shù)量≥2條時(shí)，水平放置與24 h懸掛放置的羽絨試樣內(nèi)部狀態(tài)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上建立兩種放置方式下羽絨試樣保暖性回歸模型，即

y=0.942 7x+0.200 3，R2=0.998。

其中，x,y分別為水平放置和24 h懸掛放置試樣的傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]。

兩種放置方式下試樣保暖性線性擬合曲線如圖4所示。由圖4可知，在絎縫數(shù)量≥2條時(shí)，兩種放置方式下試樣的傳熱系數(shù)呈高度線性相關(guān)，回歸模型預(yù)測精度達(dá)到0.998，表明回歸模型擬合效果較優(yōu)。

圖4 兩種放置方式下羽絨試樣保暖性線性擬合結(jié)果Fig.4 Linear fitting results of two kinds of placement treatment of down

2.1.3絎縫形式及絎縫數(shù)量與羽絨保暖性的關(guān)系 為了探究絎縫形式、絎縫數(shù)量和水平放置方式與試樣傳熱系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)表1測試數(shù)據(jù)，選用虛擬變量方式對(duì)三者關(guān)系進(jìn)行擬合。 虛擬變量是反映質(zhì)的屬性的人工變量，通常取0或1，使用虛擬變量可增加模型精度， 降低誤差方差。 將水平放置試樣傳熱系數(shù)作為因變量，絎縫形式與絎縫數(shù)量作為自變量，絎縫數(shù)量設(shè)為n，水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫的虛擬變量分別設(shè)為(Z1=0，Z2=1)(Z1=1,Z2=0)(Z1=0,Z2=0)，利用SPSS軟件得到虛擬變量模型，具體見表5。由表5可知，模型R2=0.968，表明模型擬合度良好。不同絎縫形式下絎縫數(shù)量與水平放置試樣傳熱系數(shù)擬合方程為

表5 模型匯總

水平絎縫x=1.857+0.232n；

垂直交叉絎縫x=1.919+0.232n；

斜線絎縫x=1.713+0.232n。

式中，x為水平放置試樣的傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]。

2.2 試樣表觀體積對(duì)羽絨保暖性的影響

為了進(jìn)一步對(duì)絎縫因素和試樣保暖性關(guān)系進(jìn)行定量分析，以水平絎縫為例，建立絎縫后試樣表觀體積的近似幾何模型，分析絎縫因素對(duì)水平放置試樣保暖性的影響。

2.2.1試樣表觀體積近似幾何模型 水平絎縫三維示意如圖5所示。x-z截面示意如圖6所示。

由圖5可以看出，水平絎縫試樣表觀體積可近似視為若干個(gè)均勻橢圓柱體體積之和。記絎縫后兩相鄰邊長度為a，b，橢圓柱體的橢圓截面面積為Sε，由A，B，D，A構(gòu)成的截面面積為Sδ,單個(gè)橢圓柱體體積為VCE，水平絎縫試樣表觀體積為VH。

圖5 n=2時(shí)水平絎縫三維示意Fig.5 3D schematic diagram of gorizontal quilting

根據(jù)圖6及已知條件有：當(dāng)絎縫數(shù)量為n時(shí)，橢圓柱體數(shù)量與絎縫數(shù)量的關(guān)系為n+1。

圖6 橢圓柱體截面幾何示意 Fig.6 Geometrical diagram of elliptical cylinder section

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：l為試樣長度(l=30 cm);n為絎縫數(shù)量;a，b為絎縫后兩相鄰縫邊實(shí)際測量值;c為弧長;θ為弧長c對(duì)應(yīng)的圓心角;r為圓柱體截面半徑。

由于Sε不是完全的橢圓形，為精確模擬效果，采用差值法[14]計(jì)算Sε。

(6)

(7)

(8)

2.2.2試樣表觀體積與羽絨保暖性的關(guān)系 水平絎縫試樣表觀體積近似幾何模型計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 試樣表觀體積計(jì)算結(jié)果與傳熱導(dǎo)數(shù)的比較

由表6可知，試樣的表觀體積隨絎縫數(shù)量的增加而減小，水平放置試樣的傳熱系數(shù)隨表觀體積的增大而減小，表明此類試樣保暖性隨表觀體積的增大而增加。對(duì)絎縫數(shù)量與試樣表觀體積的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，在顯著水平α=0.05下，回歸模型顯著性檢驗(yàn)的概率p值小于顯著水平(回歸模型Sig=0.003 45、各系數(shù)分別為Sig=0.043 87，0.008 27，0.000 13)，表明可建立回歸模型。由此得到回歸模型：

V=0.058n2-0.608n+2.352，R2=0.941。

式中:n為絎縫數(shù)量(條);V為試樣表觀體積(dm3)。

對(duì)水平放置試樣的表觀體積與傳熱系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，在顯著水平α=0.05下，回歸模型顯著性檢驗(yàn)的概率p值小于顯著水平(回歸模型Sig=0.000 22,各系數(shù)分別為Sig=0.000 02,0.000 52,0.001 33)，表明可建立回歸模型。水平放置試樣的表觀體積與傳熱系數(shù)的回歸模型：

x=0.784V2-3.333V+5.277，R2=0.985。

式中：x為水平放置試樣的傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]；V為試樣表觀體積(dm3)。

進(jìn)一步對(duì)回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表7。

表7 試樣表觀體積和傳熱系數(shù)的測試結(jié)果比較

由表7可以看出，模型預(yù)測的傳熱系數(shù)分布在實(shí)測傳熱系數(shù)兩側(cè)且與實(shí)測數(shù)據(jù)接近，表明實(shí)測值與預(yù)測值相差較小，回歸模型擬合度良好，可用該回歸模型對(duì)羽絨的保暖性進(jìn)行定量分析和預(yù)測。

3 結(jié)語

文中選取30 cm×30 cm羽絨試樣，以水平絎縫、垂直交叉絎縫、斜線絎縫3種絎縫形式、 0～6條絎縫，在水平放置和24 h懸掛放置兩種狀態(tài)下，測試羽絨試樣的傳熱系數(shù)，研究兩種放置方式下絎縫形式與絎縫數(shù)量對(duì)羽絨保暖性的影響。同時(shí)建立絎縫后羽絨表觀體積的近似幾何模型，定量分析和預(yù)測羽絨制品的保暖性。研究表明：

1) 絎縫形式對(duì)羽絨保暖性影響顯著，絎縫形式與處理方式交互作用不顯著;3種絎縫形式的羽絨保暖性從高到低依次為斜線絎縫>水平絎縫>垂直交叉絎縫。

2) 絎縫數(shù)量對(duì)羽絨保暖性影響顯著，絎縫數(shù)量與放置方式交互作用顯著。水平放置時(shí)，羽絨保暖性隨絎縫數(shù)量的增加呈遞減的趨勢；經(jīng)過24 h懸掛放置，羽絨保暖性隨絎縫數(shù)量的增加呈先增后減的趨勢。

3) 兩種放置方式下羽絨保暖性有顯著差異。羽絨保暖性差值隨絎縫數(shù)量的增加，呈先急劇下降、后緩慢下降并逐漸趨于相同的趨勢。接近羽絨制品實(shí)際使用狀況的24 h懸掛放置方式的較優(yōu)絎縫數(shù)量為2條。

4) 當(dāng)絎縫數(shù)量≥2條時(shí)，兩種放置處理下羽絨保暖性呈高度線性相關(guān)，建立水平放置與24h懸掛放置的羽絨保暖性線性回歸模型，模型預(yù)測精度可達(dá)到0.998。

5) 以水平絎縫為例，建立絎縫后羽絨表觀體積的近似幾何模型，羽絨表觀體積隨絎縫數(shù)量的增加而減小，羽絨保暖性隨表觀體積的增大而增加。并建立絎縫數(shù)量與羽絨表觀體積、羽絨表觀體積與保暖性的回歸模型，回歸模型可定量分析和預(yù)測羽絨制品的保暖性。