无缝针织运动服织物组织拉伸性能评价与应用

赵欲晓，李秀青，宋彦杰，李 月

(北京服装学院，北京 100029)

无缝针织服装是一种一体成型类产品，其采用固定的筒径和针数，通过组织和原料变化得到具有三维曲面形态的针织服装，其结构有别于普通针织或机织面料裁剪缝制的服装[1]。无缝针织服装通过材料的选择和组织结构的配合，实现产品的舒适感和塑形效果。

目前，主要对从编织工艺和染整工艺方面，无缝针织技术进行研究，探讨分析针织物的变形机制和尺寸稳定性的影响因素[1-3]。无缝针织主要用于袜子和针织内衣的工业化生产，研究者多从压力舒适性和热湿舒适性方面对多项服用性能指标进行测试[4-5]。针对运动服，应用关联分析理论对织物的透湿性、速干性、透气性、弹性等服用性能进行评价优选[6]。

通过织物拉伸实验，结合不同运动姿态下体表皮肤的变化规律，可以有效地将面料拉伸度与体表皮肤变化相匹配。基于此，本文研究对织物组织结构和拉伸性能之间的关系，进行分析研究，以期为该类针织运动服装的开发提供一定的技术依据和参考价值。

1 织物试样设计

1.1 编织设备

选择单针筒SM8-TOP2无缝针织圆机(意大利圣东尼公司)进行编织。该机型结合了袜机和提花圆机的技术特点，采用多级电子选针技术，利用多次选针来实现复合花型的编织。通过电动机控制成圈三角和针盘的升降运动来控制编织的速度和线圈的大小。

SM8-TOP2针织圆机主要由给纱机构、送纱机构、牵拉卷取机构、传动机构和电子控制机构组成。给纱机构由8个IRO SFE储纱器、8个BTSR KTF/25HP包覆氨纶传输器、8个LGL SMART长丝输送器和8个ELAN裸氨纱输送器共同构成[7]。

1.2 组织结构及编织方案

考虑透气性和液态水分管理能力在后续产品研发中的要求，通过前期比对，优选出聚酯纤维71.2%、丙纶22.7%、氨纶6.1%作为原料纱线的配比方案。

使用GRIPHIC6软件进行无缝针织织物组织结构的编写，组织结构的程序语言只可识别GRIPHIC6软件色板界面左侧的前4种颜色，且与面纱和底纱选针器的工作状态相对应，代表面纱、底纱的选定和编织控制程序：黑色代表底纱和面纱均不编织；绿色代表面纱不编织、底纱编织；红色代表面纱编织、底纱不编织；黄色代表面纱和底纱都编织。基本组织结构单元编写方法如图1所示，图中■、▲、●和□分别对应GRIPHIC6软件色板中的黑、绿、红、黄4种颜色。

图1 基本组织结构单元编写方法

选择最具代表性的平纹组织、罗纹组织、网眼组织、间隔抽条组织、交错抽条组织等组织结构，部分对应织物外观效果见图2，根据针数和针法的不同，设计了多种组织结构并进行分析。

图2 代表性组织结构的织物外观

1.3 各种组织的基本性能

14种面料试样组织结构与规格见表1。从组织结构的基本测试可以看出，常见的平纹和罗纹组织结构在厚度和面密度上比较适中；因为外观的需求，立体提花和抽条结构的厚度较一般组织结构更厚，适用于身体需要保暖且可以突出设计的部位。点状交错结构可有效减少织物与身体的接触点，有效提高穿着舒适性。

表1 面料组织结构与规格

2 面料拉伸性能实验

针织物在穿着过程中，因弹性良好，经向和纬向会互相牵扯影响。因此，实验阶段分别对试样做经向和纬向的拉伸测试，对拉伸结果进行比对和分析。

实验仪器：INSTRON强力拉伸机(美国英斯特朗和香港理工大学联合研发)。

实验标准：按照FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》进行。标准中的实验方法分为定伸长(率)拉伸弹性回复率测试和定力拉伸弹性回复率测试2部分。按照需求，实验选择定伸长测试。

测试方法：每块试样通过平行裁样法得到经向和纬向各3个测试样，测试样大小为100 mm×50 mm，预加张力0.1 N，拉伸速度50 mm/min，反复拉伸1次和10次。根据运动服延展性能要求，设置最大拉伸形变为50%。每次拉伸到预设最大形变时，停置1 min，以回程速度回到起点，停置3 min，周而复始，反复拉伸。

3 实验结果与分析

3.1 一次拉伸结果分析

各试样经向和纬向一次拉伸实验结果见表2。经向拉伸中，达到预设最大形变时，2#试样载荷最大，7#试样载荷最小；纬向拉伸中，达到预设最大形变时，8#试样载荷最大，7#试样载荷最小。

表2 一次拉伸实验结果 N

在一次拉伸过程中，试样达到最大形变时的载荷量并不能完全表示织物在受到外力作用时产生弹性形变的难易，可以通过拟合函数来求取对应的弹性模量，从而判断不同组织结构的形变特性。初始弹性模量，即拉伸开始阶段载荷—位移曲线起始段直线部分的斜率，可以通过拟合函数来求取得到，视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。2#和7#试样载荷—位移及拟合函数曲线图如图3所示，在经向拉伸实验中，达到预设最大形变时载荷最大和最小的2#和7#试样，载荷—位移曲线起始段直线部分的斜率即为对应的初始弹性模量。各组织结构经、纬向一次拉伸拟合函数见表3，表中Adj.R-Square为调整后相关系数R的平方，用于评估回归模型的拟合度和效果，越接近1，表明拟合度越好。

图3 2#和7#试样载荷—位移及拟合函数曲线图

如表3所示，由经向拉伸的初始弹性模量可知，罗纹组织经向抗拉伸性最好，不易发生塑性变形。8#菱形立体提花、14#纵向三针点状交错、1#平纹和12#横向2针线性循环组织拉伸性能良好。10#间隔抽条、7#菱形提花和6#大网眼组织经向拉伸性能偏弱，易发生拉伸形变。

表3 各组织结构经向、纬向一次拉伸拟合函数

各组织试样在纬向上表现出了较大的差异性，8#菱形立体提花的纬向延伸性较差，紧实、不易变形，可以提供足够的压力，并且起到保护作用。7#菱形提花组织和14#纵向三针点状交错组织纬向延伸性最强，适合用于运动中横向皮肤拉伸明显的区域。其余组织结构纬向拉伸性能相近，可以结合透气、透湿等性能进行综合评估。

综合分析经纬向，7#组织结构在经向和纬向上都具有良好的延伸性，可以满足70%的皮肤拉伸变化需求。5#、6#试样经向的延伸性远好于纬向。2#、3#、4#组织结构经向的延伸性略差于纬向，这是由于罗纹组织纬向易伸展的特性造成的。其余组织结构经、纬向的拉伸性能没有较大差异，产品使用中可以弱化双向拉伸性能差异的影响。

3.2 10次拉伸结果分析

针织织物具有良好的回复性，但是在回复过程中表现出一定的塑性变形。织物拉伸产生形变，卸载后产生残余形变，即载荷为零而形变不回到零，称之为“滞后”现象。

服用性能中，“滞后”现象重要的考量指标就是服装拉伸多次后的回复性，本文研究参考FZ/T 70006—2004，测试反复拉伸了10次。针织织物在反复拉伸过程中，表现出良好的回复性，2#试样经向反复拉伸10次实验结果如图4所示。在第1次拉伸中，滞后性明显，在之后的拉伸过程中，滞后性逐渐被弱化。

图4 2#试样经向10次反复拉伸实验结果

滞后性因滞后效应产生，参考量为滞后变量。一般情况下，被解释变量与解释变量的因果关系不一定就在瞬时发生，可能存在时间上的滞后，或者说解释变量的变化可能需要经过一段时间才能完全对被解释变量产生影响。同样地，被解释变量当前的变化也可能受其自身过去水平的影响，这种解释变量受到自身或另一解释变量过去值影响的现象称为滞后效应，表示过去值的变量称为滞后变量[8-9]。

拉伸载荷—位移曲线中，点A和B分别为加载载荷的起点和终点，点M为AB线段的中点，过最大应变值作应力轴的平行线，过最大应力值作应变轴的平行线，2平行线相交于点N，连接NM。NM的中心记为点O，过点O作NM的垂线，交弧线的2点分别记为点C和点D，如图5所示。

图5 滞后性分析示意图

滞后性能的大小，可以通过特定的数学计算量来表示，其中比较方便快捷的办法是，设CD的长度为a，NM的长度为b，那么比值k=a/b即是表征的物理量，k值越大表示滞后性越强。对14个试样组织结构的k值进行计算，得到结果见表4。

表4 各组织结构经向、纬向滞后性k值

10次拉伸后，各组织结构在经向、纬向上的滞后性有所差异。滞后性最弱的是11#横向三针线性循环组织的经向拉伸，k1为0.102。滞后性最强的是9#交错抽条组织的纬向拉伸，k2为0.154。滞后性太强的组织不适用于频繁运动或者长期拉伸、弯曲的部位，织物的堆积会带来不舒适感，同时阻碍导湿散热。1#、2#、4#、6#、7#、8#、12#、14#组织结构经纬向的拉伸滞后性相接近，均处于同一个数量级。3#和9#试样经向、纬向滞后性差异明显，k值约相差0.02。3#和9#组织结构在运用中，可依据实际应用确定组织结构的横向、纵向排列。

4 基于组织性能的运动服应用设计

无缝针织运动服产品开发时，应充分考虑运动特性、人体体表和生理变化规律，结合组织性能测试结果进行更科学的产品设计。同时，无缝针织机的编织过程，需要多方面考虑相邻区域组织结构的牵扯力，编织样板需要反复调节。特殊区域因为机械性能的影响，无法配置最佳组织结构时，需要退而求其次，更换最为合适的组织以优化结构性能。如在骑行上衣设计中，针对现有产品压力值和运动中人体表面伸展关系模糊、散热区域分布不科学等问题，结合织物组织拉伸、散热、透湿等性能，在前胸、前腹，体侧、后背肩胛骨区、后背脊柱区、后腰、腋下、上臂、肘部等部位进行针对性设计，以满足体表变化、稳定肌肉、减轻疲劳、减小风阻、增加散热等功能需求[10-11]。骑行运动中体表尺寸特征、骑行上衣功能需求及对应组织结构见表5。

表5 骑行上衣的功能需求及设计要点

成衣编织筒径的确定主要参考人体运动所需要的压力舒适值和短期有效提高竞技水平的压力值[12]，见表6。编织多种筒径的样片，对样片的服装压力值进行测试，依据评估结果确定编织为30.9 cm，以满足运动中各部位的压力和舒适度。

表6 服装压舒适感参考值 Pa

骑行上衣款式图见图6，骑行上衣工艺程序图见图7。

图6 骑行上衣款式图

图7 骑行上衣的工艺程序图

5 结 论

本文通过拉伸实验，对无缝针织织物的拉伸性能进行分析研究，旨在有效地将无缝针织面料拉伸度与运动中体表皮肤变化、运动功能需求相匹配，为无缝针织运动服装的开发提供一定的技术依据和参考价值。通过研究，得到如下结论：

①在一次拉伸实验中，达到最大位移时的载荷与拉伸初始弹性模量较为一致地反映出各试样经向、纬向产生弹性变形的难易程度。罗纹组织经向抗拉伸性最好，菱形立体提花的纬向不易发生塑性变形，菱形提花组织在经向和纬向上都具有良好的延伸性。

②通过10次反复拉伸实验测定各试样的拉伸滞后性，滞后性最弱和最强的分别是横向三针线性循环组织的经向拉伸和交错抽条组织的纬向拉伸，同一组织结构经向、纬向滞后性差异最大的是2×2罗纹和交错抽条组织。滞后性根据产品的设计，可加以有效利用，更好地满足人体机能的功能和舒适性需求。

③无缝针织运动服装的结构设计，需要考虑人体运动特征、运动功能需求和相邻区域组织结构的牵扯作用，特殊区域因为力学性能的影响，无法配置最佳的组织结构时，需更换为相对合适的组织结构，以达到符合人体工学的效果。