仿蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)的冬季針織面料研發(fā)及其性能

丁雪婷, 王建萍,3, 潘 婷, 姚曉鳳, 袁魯寧

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 上海 200051; 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200051; 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院, 上海 200092)

一直以來(lái)保暖的針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣都是冬季熱銷產(chǎn)品。與日常服裝不同,針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣在劇烈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更易積累汗液從而導(dǎo)致穿著不舒適,甚至影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī),很多針織物難以在保證保暖性的基礎(chǔ)上同時(shí)保證汗液有效導(dǎo)出,因此研發(fā)具有較好熱濕舒適性的針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣十分重要。

仿生學(xué)是一門結(jié)合工程技術(shù)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的新興邊緣科學(xué),隨著仿生技術(shù)近幾十年的發(fā)展,結(jié)合仿生學(xué)與紡織技術(shù)開發(fā)出的功能紡織品受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。通過(guò)仿造生物體非光滑表面形貌,設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)空間,該空間能夠貯存人體散發(fā)的熱氣流達(dá)到保溫作用,且還能提高氣體的流動(dòng)性達(dá)到快速排汗的作用[3-4]。

自然界的昆蟲在進(jìn)化的過(guò)程中不斷優(yōu)化翅膀結(jié)構(gòu),從而提高了其環(huán)境適應(yīng)性,其中,蜻蜓翅膀的非光滑表面布滿了各種三維結(jié)構(gòu)。早在1986年,有學(xué)者[5]研究了蜻蜓翅膀的褶皺。1996 年,Thomas等[6]通過(guò)研究蜻蜓翅膀的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其表面存在乳突狀蠟質(zhì)覆蓋物。而后學(xué)者們進(jìn)一步探究了蜻蜓翅膀的特性,發(fā)現(xiàn)蜻蜓翅膀的翅膜表面分布著乳突結(jié)構(gòu),乳突之間的間隙能夠儲(chǔ)存一定數(shù)量的空氣,起到保溫作用,且翅膜表面分布的乳突結(jié)構(gòu)能穩(wěn)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(xiàn)凸凹不平的褶皺波浪形貌,該結(jié)構(gòu)能夠儲(chǔ)存一定數(shù)量的空氣,起到保溫作用。還有學(xué)者從仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)蜻蜓翅膀的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,認(rèn)為翅膀表面布滿的多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使翅膀呈現(xiàn)凹凸不平狀[10-11]。Song等[12]測(cè)量了蜻蜓翅膜表面的微觀結(jié)構(gòu)及納米力學(xué)性能。Okamoto等[13]認(rèn)為蜻蜓翅膀具有空間立體三維結(jié)構(gòu),前后膜翅橫截面呈不規(guī)則的皺褶狀。

上述學(xué)者們的主要觀點(diǎn)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(jié)構(gòu)和褶皺波浪形貌可儲(chǔ)存一定數(shù)量的空氣,起到保溫作用,并且乳突結(jié)構(gòu)使翅膀具有超疏水性能?；诖?本文嘗試將蜻蜓翅膀的結(jié)構(gòu)形貌運(yùn)用于針織物設(shè)計(jì)當(dāng)中,開發(fā)出具有凹凸肌理的針織面料,并對(duì)面料進(jìn)行熱濕性能分析,拓寬采用仿生技術(shù)開發(fā)功能織物的思路,為針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣制備提供更多的面料選擇。

1 仿生針織物形貌設(shè)計(jì)

蜻蜓翅膀的宏觀結(jié)構(gòu)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(jié)、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(cuò)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(wǎng)格形態(tài)。

1—前翅;2—翅根部的翅脈;3—前緣脈;4—翅結(jié);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(jié)構(gòu)Fig. 1 Macrostructure of dragonfly wings

圖2示出蜻蜓翅膀的微觀結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu),乳突頂端近似柱形,呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則排列狀[14];翅脈表面布滿凸凹不平的褶皺,褶皺就像微風(fēng)拂過(guò)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(jié)構(gòu)Fig. 2 Microstructure of dragonfly wings.(a) Papillary structure; (b) Fold wave morphology

利用SANTONI的Photon軟件對(duì)蜻蜓翅膀的4種結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)是仿生蜻蜓翅膀的宏觀結(jié)構(gòu)形貌,線條為蜻蜓翅膀表面交錯(cuò)的橫脈和縱脈。為簡(jiǎn)化織物開發(fā),本文假設(shè)橫脈和縱脈交錯(cuò)形成均勻的六邊形和四邊形。圖3(c)示出的乳突結(jié)構(gòu)是仿生蜻蜓翅膀上翅膜部位的微觀結(jié)構(gòu)形貌,圓點(diǎn)為翅膜上凸起的乳突。為簡(jiǎn)化織物開發(fā),本文假設(shè)乳突的大小及排列間距相等。圖3(d)示出的褶皺波浪結(jié)構(gòu)是仿生蜻蜓翅膀上翅脈部位的微觀結(jié)構(gòu)形貌,彎曲的線條為翅脈上凸起的不規(guī)則褶皺。

2 仿生針織物上機(jī)織造與性能測(cè)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(fù)合長(zhǎng)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(fù)合長(zhǎng)絲由浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)研發(fā),通過(guò)原位聚合法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%石墨烯,石墨烯不易溶出,可保證服用安全性,通過(guò)優(yōu)化紡絲及加彈工藝使得該纖維還具有遠(yuǎn)紅外發(fā)熱、保暖及負(fù)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(fā),該紗線具有優(yōu)異的保暖性和導(dǎo)濕性。假羅紋組織是目前無(wú)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(duì)照組,該針織物采用的紗線與仿生針織物相同。

2.2 上機(jī)工藝

本文所設(shè)計(jì)的4種仿生針織物和1種對(duì)照組針織物采用意大利SANTONI HS-EX8單面電子提花針織圓機(jī)進(jìn)行織造,該機(jī)器采用8F成圈系統(tǒng),筒徑為35.6 cm(14寸),針數(shù)為1 248。4種仿生針織物和1種對(duì)照組針織物的編織意匠圖如圖4所示。由于褶皺波浪結(jié)構(gòu)的一個(gè)循環(huán)過(guò)大,本文只繪制了一個(gè)循環(huán)中的部分編織意匠圖。

其中,六邊形結(jié)構(gòu)織物表面的六邊形線條是通過(guò)面紗不成圈而地紗成圈實(shí)現(xiàn)的,地紗正面露出,面紗反面形成浮線;四邊形結(jié)構(gòu)織物和褶皺波浪結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)的;乳突結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn),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(xù)成圈,2個(gè)成圈系統(tǒng)交替實(shí)現(xiàn),平針添紗組織是由地紗與面紗連續(xù)成圈實(shí)現(xiàn)。

織造過(guò)程中首先利用SANTONI的Photon軟件繪制4種仿生針織物和1種對(duì)照組針織物的dis圖,然后利用SANTONI的Digraph3plus軟件根據(jù)dis圖編寫上機(jī)程序,機(jī)器可通過(guò)讀程序進(jìn)行編織。4種仿生針織物和1種對(duì)照組針織物各設(shè)置3種上機(jī)密度,改變針織物密度可通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)值改變線圈長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。以0位代表默認(rèn)值,N位表示從0位減小密度,數(shù)值越大針織物密度越小,P 位表示從0位增大密度,數(shù)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(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)默認(rèn)值為100,P10位在0位基礎(chǔ)上加10,即設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)值為110,N10在0位基礎(chǔ)上減10,即設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)值為90,通過(guò)設(shè)置不同織物密度以探究密度對(duì)針織物性能的影響。

在織造過(guò)程中,為避免出現(xiàn)紗線斷紗、針織物破洞、壞針等問(wèn)題,機(jī)器轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快,面料密度不宜過(guò)小,需保持卷取牽拉張力不宜過(guò)大。

2.3 針織物性能測(cè)試

本文實(shí)驗(yàn)均在溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(65±2)%環(huán)境下進(jìn)行,織物在恒溫恒濕室平衡24 h。

針織物面密度測(cè)試:參照FZ/T 70010—2006《針織物平方米干燥重量的測(cè)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(cè)量,面密度單位為g/m2。

針織物厚度測(cè)試:參照GB/T 3820—1997《紡織品與紡織制品厚度的測(cè)定》,采用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀,在遠(yuǎn)離布邊的位置選取5個(gè)不同的部位進(jìn)行測(cè)試,厚度單位為mm。測(cè)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(cè)試:參照FZ/T 70002—1991《針織物線圈密度測(cè)定法》,儀器為密度鏡,橫列和縱行各測(cè)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(cè)試:參照 GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和溫阻的測(cè)定》,采用YG606E紡織品熱阻測(cè)量?jī)x,熱板溫度設(shè)置為35 ℃,裁取3塊不同位置尺寸為36 cm×36 cm的試樣進(jìn)行測(cè)試?？椢锏谋Ｅ杂脽嶙?m2·K/W)、傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))、克羅值(10-3clo)和保溫率表示。

針織物透氣性測(cè)試:參照 GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,采用YG4616G全自動(dòng)透氣量?jī)x在織物不同位置測(cè)試10次?？椢锩娣e為20 cm2,壓強(qiáng)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(cè)試:參照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分:蒸發(fā)法》,采用M261透濕性能測(cè)試儀,每種織物裁取3塊直徑為88 mm的試樣進(jìn)行測(cè)試?？椢锏耐笣裥杂猛笣衤?g/(m2·24 h))表示。

針織物液態(tài)水分管理能力測(cè)試:參照GB/T 21655. 2—2009《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分:動(dòng)態(tài)水分傳遞法》,采用MMT液態(tài)水分管理測(cè)試儀,裁取5塊尺寸為80 mm×80 mm的試樣進(jìn)行測(cè)試,將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并計(jì)算平均值,最后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。

3 仿生針織物保暖導(dǎo)濕性能分析

3.1 針織物形貌分析

4種仿蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)針織物的外觀如圖5所示。六邊形結(jié)構(gòu)仿照的是蜻蜓翅膀上橫脈和縱脈交錯(cuò)形成的六邊形網(wǎng)格,針織物外表面均勻的六邊形線條通過(guò)地紗成圈而面紗不成圈實(shí)現(xiàn),面紗在織物內(nèi)表面形成浮線。四邊形結(jié)構(gòu)仿照的是蜻蜓翅膀上橫脈和縱脈交錯(cuò)形成的四邊形網(wǎng)格,針織物外表面有均勻的四邊形凸起線條,乳突結(jié)構(gòu)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(nèi)表面表現(xiàn)為凹陷洞坑。褶皺波浪結(jié)構(gòu)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(xiàn)不規(guī)則褶皺波浪形貌,針織物內(nèi)表面也呈不規(guī)則褶皺波浪形貌。

3.2 針織物基本參數(shù)

針織物面密度、厚度、橫密、縱密等規(guī)格參數(shù)如表1所示。其中,編號(hào)為A1～A4的分別是具有六邊形結(jié)構(gòu)、四邊形結(jié)構(gòu)、乳突結(jié)構(gòu)和褶皺波浪結(jié)構(gòu)仿生針織物,編號(hào)為B的是對(duì)照的1+2假羅紋組織針織物,每種針織物設(shè)置P10、0、N10各3種上機(jī)密度,研究密度對(duì)針織物性能的影響。

表1 針織物規(guī)格參數(shù)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(guò)熱阻、傳熱系數(shù)、克羅值和保溫率4個(gè)指標(biāo)衡量,測(cè)試結(jié)果如表2所示。研究同一結(jié)構(gòu)下不同密度與針織物保暖性的影響關(guān)系,及同一密度下不同結(jié)構(gòu)與針織物保暖性的影響關(guān)系。

表2 針織物保暖性測(cè)試結(jié)果Tab. 2 Test results of warmth retention property of knitted fabrics

針織保暖內(nèi)衣的保溫率要求高于30%[17],由表2可知,3種上機(jī)密度下的4種仿生針織物的保溫率均超過(guò)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(shuō)明仿生針織物的保暖性優(yōu)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(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。同一結(jié)構(gòu)下,隨著密度的降低,紗線內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)針織物的保暖性最優(yōu),然后依次是褶皺波浪結(jié)構(gòu)、四邊形結(jié)構(gòu)、六邊形結(jié)構(gòu)針織物。由于乳突結(jié)構(gòu)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(nèi)表面表現(xiàn)為凹陷的洞坑,可以貯存更多的靜止空氣,因此保暖性最優(yōu);褶皺波浪結(jié)構(gòu)和四邊形結(jié)構(gòu)針織物厚度低于乳突結(jié)構(gòu)針織物,二者外表面呈現(xiàn)為凸起,但褶皺波浪結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的凸起且相比于四邊形結(jié)構(gòu)分布更密,因此保暖性優(yōu)于四邊形結(jié)構(gòu)針織物。

3.4 針織物透氣性分析

針織物透氣性測(cè)試結(jié)果如表3所示?？芍?在同一針織物密度下,仿生針織物的透氣性優(yōu)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(yōu)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(cè)試結(jié)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(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下,隨著密度的減小,仿生針織物的透氣性越好;在密度設(shè)置為0和N10下,乳突結(jié)構(gòu)針織物的透氣性最優(yōu),然后依次是四邊形結(jié)構(gòu)、六邊形結(jié)構(gòu)、褶皺波浪結(jié)構(gòu)針織物,這主要是由于乳突結(jié)構(gòu)針織物內(nèi)表面表現(xiàn)為凹陷的洞坑,氣體有著更多的活動(dòng)空間,針織物內(nèi)部空氣流動(dòng)性增強(qiáng),因而表現(xiàn)出良好的透氣性能;在密度設(shè)置為P10時(shí),四邊形結(jié)構(gòu)織物的透氣性最優(yōu),然后依次是乳突結(jié)構(gòu)、褶皺波浪結(jié)構(gòu)、六邊形結(jié)構(gòu)針織物;隨著仿生針織物密度增加,導(dǎo)致乳突結(jié)構(gòu)針織物內(nèi)表面凹陷的洞坑縮緊,針織物內(nèi)部空氣流動(dòng)性減弱,從而導(dǎo)致透氣性劣于四邊形結(jié)構(gòu)針織物。

3.5 針織物透濕性分析

針織物的透濕性測(cè)試結(jié)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(yōu)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(cè)試結(jié)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(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下,隨著密度的減小,仿生針織物的透濕性越好;當(dāng)密度設(shè)置為P10和0時(shí),六邊形結(jié)構(gòu)針織物的透濕性最優(yōu),然后依次是褶皺波浪結(jié)構(gòu)、乳突結(jié)構(gòu)、四邊形結(jié)構(gòu)針織物;在密度設(shè)置為N10時(shí),六邊形結(jié)構(gòu)針織物的透濕性最優(yōu),然后依次是乳突結(jié)構(gòu)、褶皺波浪結(jié)構(gòu)、四邊形結(jié)構(gòu)針織物。六邊形結(jié)構(gòu)針織物外表面的線條通過(guò)面紗不成圈而地紗成圈實(shí)現(xiàn),面紗不成圈導(dǎo)致織物較薄,且面紗在織物內(nèi)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(tài)水分管理能力分析

液態(tài)水分傳遞性能通過(guò)液態(tài)水分管理儀測(cè)量,可獲得底層浸濕時(shí)間(WTB)、底層吸收速率(ARB)、單向傳遞指數(shù)(R)等相關(guān)指標(biāo)。其中單向傳遞指數(shù)反映的是液態(tài)水從織物上層傳遞到下層的能力,數(shù)值越大,表明液態(tài)水傳遞性能越好[18]。

針織物液態(tài)水分管理測(cè)試結(jié)果如表5所示,可知,針織物的單向傳遞指數(shù)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?yàn)锳13、A23、A12、A22、A33、A21、A43、A11、A32、A42、A31、A41。

表5 針織物液態(tài)水分管理測(cè)試結(jié)果Tab. 5 Test results of knitted fabrics liquid water management ability

根據(jù)GB/T 21655.2—2009中的性能指標(biāo)分級(jí)和性能評(píng)定技術(shù)要求進(jìn)行評(píng)定,若織物的WTB、ARB、R等性能指標(biāo)均高于3級(jí),則說(shuō)明織物具有良好的吸濕排汗性,評(píng)定結(jié)果如表6所示。可知,所有針織物的WTB、ARB和R的評(píng)定等級(jí)均高于3級(jí),最高為5級(jí),說(shuō)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(tài)水分管理能力評(píng)定結(jié)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(píng)價(jià)

單一指標(biāo)對(duì)針織物熱濕舒適性的評(píng)價(jià)不夠全面,因此聯(lián)合濃縮映射法和功能評(píng)價(jià)值對(duì)多個(gè)因素作全面評(píng)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(jì)算

濃縮映射法是利用式(1)、(2)將指標(biāo)映射成1～2之間的映射矩陣。指標(biāo)中最差的值用數(shù)字1表示,指標(biāo)中最好的值用數(shù)字2表示,其它指標(biāo)通過(guò)公式算出。數(shù)值越大性能越好的指標(biāo)用式(1)計(jì)算,數(shù)值越小性能越好的指標(biāo)用式(2)計(jì)算。各項(xiàng)指標(biāo)中,傳熱系數(shù)越小織物的保暖性越好,其它指標(biāo)值越大對(duì)應(yīng)的性能越好。

(1)

(2)

式中:pij為第i項(xiàng)指標(biāo)中的第j個(gè)方案的功能映射值;aij為第i項(xiàng)指標(biāo)中的第j個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)值;xi為第i項(xiàng)指標(biāo)的各方案中的最小值;di為第i項(xiàng)指標(biāo)的各方案中的最大值。各熱濕指標(biāo)的功能映射值所構(gòu)成的映射矩陣如式(3)所示,映射矩陣中的指標(biāo)由上到下依次是熱阻、傳熱系數(shù)、克羅值、透氣率、透濕率、單項(xiàng)傳遞指數(shù),由左到右依次為編號(hào)A11～B3的針織物。

(3)

3.7.2 功能評(píng)價(jià)值的建立

功能評(píng)價(jià)值法是根據(jù)指標(biāo)之間相對(duì)重要性的不同建立權(quán)重,再根據(jù)式(4)計(jì)算出功能評(píng)價(jià)值Sj。

(4)

式中:Ki為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,通過(guò)查閱文獻(xiàn)得出權(quán)重系數(shù)集Ki[2],見式(5),由左到右依次是熱阻、傳熱系數(shù)、克羅值、透氣率、透濕率、單項(xiàng)傳遞指數(shù)。

(5)

聯(lián)合式(3)～(5)計(jì)算功能評(píng)價(jià)值Sj,結(jié)果見式(6),由左到右依次是編號(hào)A11～B3針織物的功能評(píng)價(jià)值,其中Sj數(shù)值越大,表示針織物擁有越優(yōu)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(jù)綜合評(píng)判結(jié)果可知,在同一針織物密度下,仿生針織物的綜合性能優(yōu)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(yōu)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?yàn)锳33、A32、A23、A13、A43、A22、A21、A42、A12、A31、A41、A11。在同一結(jié)構(gòu)形貌下,仿生針織物的密度越小,綜合性能越好,這是因?yàn)?針織物密度減小,紗線內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)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(dòng)空間;當(dāng)密度設(shè)置為P10時(shí),四邊形結(jié)構(gòu)針織物綜合性能最優(yōu),然后是乳突結(jié)構(gòu)針織物;在密度設(shè)置為0和N10時(shí),乳突結(jié)構(gòu)針織物綜合性能最優(yōu),然后是四邊形結(jié)構(gòu)針織物,表明乳突結(jié)構(gòu)和四邊形結(jié)構(gòu)能較大程度地提高針織物的熱濕舒適性,且以密度設(shè)置為N10時(shí)的乳突結(jié)構(gòu)最優(yōu)。這是因?yàn)?該密度下的乳突結(jié)構(gòu)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(gòu)成的柱形凸起在織物內(nèi)表面表現(xiàn)為凹陷洞坑,在接觸人體皮膚時(shí),該洞坑可以貯存較多的靜止空氣,能進(jìn)一步提高織物的保暖性,同時(shí)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(dòng),人體出汗時(shí)汗液可以快速排出,從而保證人體著裝時(shí)有著良好的熱濕舒適性。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)研究蜻蜓翅膀的宏微觀結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)開發(fā)了4種仿生結(jié)構(gòu)針織物,并編織1+2假羅紋組織針織物作為對(duì)照組,每種針織物設(shè)計(jì)由大到小的3種上機(jī)密度。對(duì)其熱濕性能進(jìn)行研究與評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論。

1)所研發(fā)的仿蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)針織物的保溫率超過(guò)30%,具有良好的保暖性,同時(shí)具有良好的透氣、透濕和吸濕排汗性,性能總體上優(yōu)于1+2假羅紋組織針織物。仿生針織物在保證輕薄的同時(shí)具有良好的熱濕舒適性,適用于冬季針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣。

2)針織物的表面結(jié)構(gòu)和密度都會(huì)影響針織物的熱濕舒適性,本文設(shè)計(jì)開發(fā)的4種仿蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)針織物的熱濕舒適性都隨著密度的減少而提高,其中當(dāng)上機(jī)密度設(shè)置為N10時(shí),即橫密為104縱行/(5 cm)、縱密為159橫列/(5 cm)的乳突結(jié)構(gòu)針織物的熱濕舒適性最好,適用于冬季針織運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的仿蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)針織物克服了眾多針織物在保證保暖性的基礎(chǔ)上難以同時(shí)保證汗液有效導(dǎo)出的問(wèn)題,為冬季運(yùn)動(dòng)針織內(nèi)衣設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新思路。