仿蜻蜓翅膀结构的冬季针织面料研发及其性能

丁雪婷, 王建萍,3, 潘 婷, 姚晓凤, 袁鲁宁

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院, 上海 200051; 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室, 上海 200051; 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院, 上海 200092)

一直以来保暖的针织运动内衣都是冬季热销产品。与日常服装不同,针织运动内衣在剧烈运动过程中更易积累汗液从而导致穿着不舒适,甚至影响运动员成绩,很多针织物难以在保证保暖性的基础上同时保证汗液有效导出,因此研发具有较好热湿舒适性的针织运动内衣十分重要。

仿生学是一门结合工程技术学、生物学、物理学和数学的新兴边缘科学,随着仿生技术近几十年的发展,结合仿生学与纺织技术开发出的功能纺织品受到越来越多的关注[1-2]。通过仿造生物体非光滑表面形貌,设计具有凹凸肌理的仿生针织物,使织物厚度增加从而可提高其保暖性。仿生针织物与人体皮肤接触形成微气候调节空间,该空间能够贮存人体散发的热气流达到保温作用,且还能提高气体的流动性达到快速排汗的作用[3-4]。

自然界的昆虫在进化的过程中不断优化翅膀结构,从而提高了其环境适应性,其中,蜻蜓翅膀的非光滑表面布满了各种三维结构。早在1986年,有学者[5]研究了蜻蜓翅膀的褶皱。1996 年,Thomas等[6]通过研究蜻蜓翅膀的微观结构发现其表面存在乳突状蜡质覆盖物。而后学者们进一步探究了蜻蜓翅膀的特性,发现蜻蜓翅膀的翅膜表面分布着乳突结构,乳突之间的间隙能够储存一定数量的空气,起到保温作用,且翅膜表面分布的乳突结构能稳定地形成一层气膜,使蜻蜓翅膀具备疏水性能,可将水分快速排走[7-8]。赵红晓[9]观察到蜻蜓翅膀的翅脉表面呈现凸凹不平的褶皱波浪形貌,该结构能够储存一定数量的空气,起到保温作用。还有学者从仿生结构设计的角度对蜻蜓翅膀的宏观结构进行研究,认为翅膀表面布满的多边形网格结构使翅膀呈现凹凸不平状[10-11]。Song等[12]测量了蜻蜓翅膜表面的微观结构及纳米力学性能。Okamoto等[13]认为蜻蜓翅膀具有空间立体三维结构,前后膜翅横截面呈不规则的皱褶状。

上述学者们的主要观点可归纳为:蜻蜓翅膀的表面呈凹凸不平状,翅膀表面的乳突结构和褶皱波浪形貌可储存一定数量的空气,起到保温作用,并且乳突结构使翅膀具有超疏水性能。基于此,本文尝试将蜻蜓翅膀的结构形貌运用于针织物设计当中,开发出具有凹凸肌理的针织面料,并对面料进行热湿性能分析,拓宽采用仿生技术开发功能织物的思路,为针织运动内衣制备提供更多的面料选择。

1 仿生针织物形貌设计

蜻蜓翅膀的宏观结构如图1所示。它的非光滑表面是由前翅、翅根部的翅脉、前缘脉、翅结、翅梢附近的翅脉及翅膜、翅梢边缘、后缘脉和翅痣组成。蜻蜓翅膀上交错分布的纵脉和横脉在翅膀表面宏观上形成了三角形、四边形、五边形和六边形的网格形态。

1—前翅;2—翅根部的翅脉;3—前缘脉;4—翅结;5—翅梢附近的翅脉及翅膜;6—翅梢边缘;7—后缘脉;8—翅痣。图1 蜻蜓翅膀宏观结构Fig. 1 Macrostructure of dragonfly wings

图2示出蜻蜓翅膀的微观结构[9,14]。从扫描电镜照片可看出:蜻蜓翅膀的翅膜表面分布有乳突结构,乳突顶端近似柱形,呈现无规则排列状[14];翅脉表面布满凸凹不平的褶皱,褶皱就像微风拂过的水面波浪起伏,称之为“褶皱状波浪形貌”[9]。

图2 蜻蜓翅膀微观结构Fig. 2 Microstructure of dragonfly wings.(a) Papillary structure; (b) Fold wave morphology

利用SANTONI的Photon软件对蜻蜓翅膀的4种结构进行绘制,绘制图如图3所示。图3(a)、(b)所示的六边形和四边形结构是仿生蜻蜓翅膀的宏观结构形貌,线条为蜻蜓翅膀表面交错的横脉和纵脉。为简化织物开发,本文假设横脉和纵脉交错形成均匀的六边形和四边形。图3(c)示出的乳突结构是仿生蜻蜓翅膀上翅膜部位的微观结构形貌,圆点为翅膜上凸起的乳突。为简化织物开发,本文假设乳突的大小及排列间距相等。图3(d)示出的褶皱波浪结构是仿生蜻蜓翅膀上翅脉部位的微观结构形貌,弯曲的线条为翅脉上凸起的不规则褶皱。

2 仿生针织物上机织造与性能测试

2.1 纱线的选择

4种仿生针织物的面纱选用150 dtex (144 f)石墨烯锦纶复合长丝,地纱采用 Dryarn®聚丙烯纤维/氨纶(30 dtex/30 dtex)包覆纱。其中石墨烯锦纶复合长丝由浙江大学高超教授团队研发,通过原位聚合法制备质量分数为0.1%石墨烯,石墨烯不易溶出,可保证服用安全性,通过优化纺丝及加弹工艺使得该纤维还具有远红外发热、保暖及负离子保健等多种功能。Dryarn®聚丙烯纱线由意大利Aquafil公司使用茂金属基聚丙烯Metocene树脂开发,该纱线具有优异的保暖性和导湿性。假罗纹组织是目前无缝针织服装中比较常用的一种组织,假罗纹组织针织物具有良好吸湿性和保暖性[15-16],因此选取1+2假罗纹组织针织物作为对照组,该针织物采用的纱线与仿生针织物相同。

2.2 上机工艺

本文所设计的4种仿生针织物和1种对照组针织物采用意大利SANTONI HS-EX8单面电子提花针织圆机进行织造,该机器采用8F成圈系统,筒径为35.6 cm(14寸),针数为1 248。4种仿生针织物和1种对照组针织物的编织意匠图如图4所示。由于褶皱波浪结构的一个循环过大,本文只绘制了一个循环中的部分编织意匠图。

其中,六边形结构织物表面的六边形线条是通过面纱不成圈而地纱成圈实现的,地纱正面露出,面纱反面形成浮线;四边形结构织物和褶皱波浪结构织物表面的四边形线条和褶皱波浪线条是由地纱与面纱成圈和地纱与面纱不成圈交替实现的;乳突结构织物表面的圆柱形凸起是由1+1假罗纹组织、1+2假罗纹组织和平针添纱组织交替形成的,1+1假罗纹组织是由地纱与面纱成圈和地纱与面纱不成圈交替实现,1+2假罗纹组织是由地纱与面纱成圈和地纱与面纱不成圈交替,地纱与面纱连续成圈,2个成圈系统交替实现,平针添纱组织是由地纱与面纱连续成圈实现。

织造过程中首先利用SANTONI的Photon软件绘制4种仿生针织物和1种对照组针织物的dis图,然后利用SANTONI的Digraph3plus软件根据dis图编写上机程序,机器可通过读程序进行编织。4种仿生针织物和1种对照组针织物各设置3种上机密度,改变针织物密度可通过调节步进电动机值改变线圈长度来实现。以0位代表默认值,N位表示从0位减小密度,数值越大针织物密度越小,P 位表示从0位增大密度,数值越大针织物密度越大。本文选取的3种织物密度为P10、0和N10,其中,0位设置步进电动机默认值为100,P10位在0位基础上加10,即设置步进电动机值为110,N10在0位基础上减10,即设置步进电动机值为90,通过设置不同织物密度以探究密度对针织物性能的影响。

在织造过程中,为避免出现纱线断纱、针织物破洞、坏针等问题,机器转速不宜过快,面料密度不宜过小,需保持卷取牵拉张力不宜过大。

2.3 针织物性能测试

本文实验均在温度为(20±2) ℃,相对湿度为(65±2)%环境下进行,织物在恒温恒湿室平衡24 h。

针织物面密度测试:参照FZ/T 70010—2006《针织物平方米干燥重量的测定》,采用精度为0.01 g的天平,裁取5块尺寸为100 mm×100 mm的针织物测量,面密度单位为g/m2。

针织物厚度测试:参照GB/T 3820—1997《纺织品与纺织制品厚度的测定》,采用YG(B)141D数字式织物厚度仪,在远离布边的位置选取5个不同的部位进行测试,厚度单位为mm。测试的压脚面积为2 000 mm2,选取的加压压力为200 cN。

针织物密度测试:参照FZ/T 70002—1991《针织物线圈密度测定法》,仪器为密度镜,横列和纵行各测试5次。横密单位为纵行/(5 cm),纵密单位为横列/(5 cm)。

针织物保暖性测试:参照 GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和温阻的测定》,采用YG606E纺织品热阻测量仪,热板温度设置为35 ℃,裁取3块不同位置尺寸为36 cm×36 cm的试样进行测试。织物的保暖性用热阻(m2·K/W)、传热系数(W/(m2·℃))、克罗值(10-3clo)和保温率表示。

针织物透气性测试:参照 GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》,采用YG4616G全自动透气量仪在织物不同位置测试10次。织物面积为20 cm2,压强为100 Pa,织物的透气性用透气率表示,单位为mm/s。

针织物透湿性测试:参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分:蒸发法》,采用M261透湿性能测试仪,每种织物裁取3块直径为88 mm的试样进行测试。织物的透湿性用透湿率(g/(m2·24 h))表示。

针织物液态水分管理能力测试:参照GB/T 21655. 2—2009《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分:动态水分传递法》,采用MMT液态水分管理测试仪,裁取5块尺寸为80 mm×80 mm的试样进行测试,将得到的数据进行汇总并计算平均值,最后根据数据进行等级评定。

3 仿生针织物保暖导湿性能分析

3.1 针织物形貌分析

4种仿蜻蜓翅膀结构针织物的外观如图5所示。六边形结构仿照的是蜻蜓翅膀上横脉和纵脉交错形成的六边形网格,针织物外表面均匀的六边形线条通过地纱成圈而面纱不成圈实现,面纱在织物内表面形成浮线。四边形结构仿照的是蜻蜓翅膀上横脉和纵脉交错形成的四边形网格,针织物外表面有均匀的四边形凸起线条,乳突结构仿照的是蜻蜓翅膀上翅膜部位的乳突,乳突顶端近似柱形,针织物外表面均匀的圆柱形凸起部位在针织物内表面表现为凹陷洞坑。褶皱波浪结构仿照的是蜻蜓翅膀翅脉部位凹凸不平的褶皱,针织物外表面呈现不规则褶皱波浪形貌,针织物内表面也呈不规则褶皱波浪形貌。

3.2 针织物基本参数

针织物面密度、厚度、横密、纵密等规格参数如表1所示。其中,编号为A1～A4的分别是具有六边形结构、四边形结构、乳突结构和褶皱波浪结构仿生针织物,编号为B的是对照的1+2假罗纹组织针织物,每种针织物设置P10、0、N10各3种上机密度,研究密度对针织物性能的影响。

表1 针织物规格参数Tab. 1 Specification parameters of knitted fabrics

3.3 针织物保暖性分析

针织物的保暖性可通过热阻、传热系数、克罗值和保温率4个指标衡量,测试结果如表2所示。研究同一结构下不同密度与针织物保暖性的影响关系,及同一密度下不同结构与针织物保暖性的影响关系。

表2 针织物保暖性测试结果Tab. 2 Test results of warmth retention property of knitted fabrics

针织保暖内衣的保温率要求高于30%[17],由表2可知,3种上机密度下的4种仿生针织物的保温率均超过30%,其保暖性较好,且仿生针织物的保温率均高于1+2假罗纹组织针织物的保温率,说明仿生针织物的保暖性优于1+2假罗纹组织针织物。仿生针织物的保暖性由高到低的排序依次为A33、A32、A43、A31、A42、A41、A23、A22、A21、A13、A12、A11。

由表2还可知,仿生针织物的保暖性与其密度和结构有一定关系。同一结构下,随着密度的降低,纱线内部纤维结构越蓬松,厚度增加,使得仿生针织物中通道和孔隙增加,含有的静止空气就越多,保暖性越好;同一仿生针织物密度下,乳突结构针织物的保暖性最优,然后依次是褶皱波浪结构、四边形结构、六边形结构针织物。由于乳突结构针织物厚度最厚,且外表面的柱形凸起分布较密,柱形凸起在针织物的内表面表现为凹陷的洞坑,可以贮存更多的静止空气,因此保暖性最优;褶皱波浪结构和四边形结构针织物厚度低于乳突结构针织物,二者外表面呈现为凸起,但褶皱波浪结构为不规则的凸起且相比于四边形结构分布更密,因此保暖性优于四边形结构针织物。

3.4 针织物透气性分析

针织物透气性测试结果如表3所示。可知,在同一针织物密度下,仿生针织物的透气性优于1+2假罗纹组织针织物,且在任意密度下,除了A11的透气性劣于B3外,其余仿生针织物的透气性均优于任意密度的1+2假罗纹组织针织物。仿生针织物的透气性能由高到低的排序依次为A33、A23、A32、A22、A13、A21、A43、A31、A12、A42、A41、A11。

表3 针织物透气性测试结果Tab. 3 Test results of air permeability of knitted fabrics

通常情况下,针织物的密度越小,纱线内部纤维结构越蓬松,纱线间空隙变多,使得气体分子有着更多的流通通道,透气性越好。由表3还可知,在同一结构下,随着密度的减小,仿生针织物的透气性越好;在密度设置为0和N10下,乳突结构针织物的透气性最优,然后依次是四边形结构、六边形结构、褶皱波浪结构针织物,这主要是由于乳突结构针织物内表面表现为凹陷的洞坑,气体有着更多的活动空间,针织物内部空气流动性增强,因而表现出良好的透气性能;在密度设置为P10时,四边形结构织物的透气性最优,然后依次是乳突结构、褶皱波浪结构、六边形结构针织物;随着仿生针织物密度增加,导致乳突结构针织物内表面凹陷的洞坑缩紧,针织物内部空气流动性减弱,从而导致透气性劣于四边形结构针织物。

3.5 针织物透湿性分析

针织物的透湿性测试结果如表4所示。可看出,同一针织物密度下,针织物的透湿性除A21劣于B1、A31劣于B1和A23劣于B3 外,其余仿生针织物透湿性均优于1+2假罗纹组织针织物,仿生针织物的透湿性能由高到低的排序依次为A13、A33、A12、A43、A11、A42、A41、A32、A23、A31、A22、A21。

表4 针织物透湿性测试结果Tab. 4 Test results of moisture permeability of knitted fabrics

通常情况下,针织物的密度越小,纱线内部纤维结构越蓬松,纱线间的空隙变多,使得水分子容易逸散,透湿性越好。由表4还可知,在同一结构下,随着密度的减小,仿生针织物的透湿性越好;当密度设置为P10和0时,六边形结构针织物的透湿性最优,然后依次是褶皱波浪结构、乳突结构、四边形结构针织物;在密度设置为N10时,六边形结构针织物的透湿性最优,然后依次是乳突结构、褶皱波浪结构、四边形结构针织物。六边形结构针织物外表面的线条通过面纱不成圈而地纱成圈实现,面纱不成圈导致织物较薄,且面纱在织物内表面形成浮线,可以提供更大的吸湿面积,从而透湿性较好。

3.6 针织物液态水分管理能力分析

液态水分传递性能通过液态水分管理仪测量,可获得底层浸湿时间(WTB)、底层吸收速率(ARB)、单向传递指数(R)等相关指标。其中单向传递指数反映的是液态水从织物上层传递到下层的能力,数值越大,表明液态水传递性能越好[18]。

针织物液态水分管理测试结果如表5所示,可知,针织物的单向传递指数随着针织物密度的减小而增大,各仿生针织物的R由大到小排序为A13、A23、A12、A22、A33、A21、A43、A11、A32、A42、A31、A41。

表5 针织物液态水分管理测试结果Tab. 5 Test results of knitted fabrics liquid water management ability

根据GB/T 21655.2—2009中的性能指标分级和性能评定技术要求进行评定,若织物的WTB、ARB、R等性能指标均高于3级,则说明织物具有良好的吸湿排汗性,评定结果如表6所示。可知,所有针织物的WTB、ARB和R的评定等级均高于3级,最高为5级,说明仿生针织物和1+2假罗纹组织针织物均具有良好的吸湿排汗性。

表6 针织物液态水分管理能力评定结果Tab. 6 Evaluation results of liquid water management capability of knitted fabric

3.7 仿生针织物热湿舒适性综合评价

单一指标对针织物热湿舒适性的评价不够全面,因此联合浓缩映射法和功能评价值对多个因素作全面评判,综合分析针织物的热湿舒适性[19]。

3.7.1 功能映射值的计算

浓缩映射法是利用式(1)、(2)将指标映射成1～2之间的映射矩阵。指标中最差的值用数字1表示,指标中最好的值用数字2表示,其它指标通过公式算出。数值越大性能越好的指标用式(1)计算,数值越小性能越好的指标用式(2)计算。各项指标中,传热系数越小织物的保暖性越好,其它指标值越大对应的性能越好。

(1)

(2)

式中:pij为第i项指标中的第j个方案的功能映射值;aij为第i项指标中的第j个方案的实验值;xi为第i项指标的各方案中的最小值;di为第i项指标的各方案中的最大值。各热湿指标的功能映射值所构成的映射矩阵如式(3)所示,映射矩阵中的指标由上到下依次是热阻、传热系数、克罗值、透气率、透湿率、单项传递指数,由左到右依次为编号A11～B3的针织物。

(3)

3.7.2 功能评价值的建立

功能评价值法是根据指标之间相对重要性的不同建立权重,再根据式(4)计算出功能评价值Sj。

(4)

式中:Ki为第i项指标的权重,通过查阅文献得出权重系数集Ki[2],见式(5),由左到右依次是热阻、传热系数、克罗值、透气率、透湿率、单项传递指数。

(5)

联合式(3)～(5)计算功能评价值Sj,结果见式(6),由左到右依次是编号A11～B3针织物的功能评价值,其中Sj数值越大,表示针织物拥有越优越的综合性能。

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)

根据综合评判结果可知,在同一针织物密度下,仿生针织物的综合性能优于1+2假罗纹组织针织物,且在任意密度下,除A11劣于B3外,其余仿生针织物的综合性能均优于任意密度的1+2假罗纹组织针织物,仿生针织物综合性能由高到低排序为A33、A32、A23、A13、A43、A22、A21、A42、A12、A31、A41、A11。在同一结构形貌下,仿生针织物的密度越小,综合性能越好,这是因为:针织物密度减小,纱线内部纤维结构越蓬松,针织物中通道和孔隙增加,含有的静止空气就越多,且气体分子和水分子也有更多的活动空间;当密度设置为P10时,四边形结构针织物综合性能最优,然后是乳突结构针织物;在密度设置为0和N10时,乳突结构针织物综合性能最优,然后是四边形结构针织物,表明乳突结构和四边形结构能较大程度地提高针织物的热湿舒适性,且以密度设置为N10时的乳突结构最优。这是因为:该密度下的乳突结构针织物的厚度最厚,提高了其保暖性,且外表面由1+1假罗纹组织、1+2假罗纹组织和平针添纱组织交替构成的柱形凸起在织物内表面表现为凹陷洞坑,在接触人体皮肤时,该洞坑可以贮存较多的静止空气,能进一步提高织物的保暖性,同时该密度下针织物中的通道和孔隙增加,气体分子和水分子容易活动,人体出汗时汗液可以快速排出,从而保证人体着装时有着良好的热湿舒适性。

4 结 论

本文通过研究蜻蜓翅膀的宏微观结构,设计开发了4种仿生结构针织物,并编织1+2假罗纹组织针织物作为对照组,每种针织物设计由大到小的3种上机密度。对其热湿性能进行研究与评价,得出以下结论。

1)所研发的仿蜻蜓翅膀结构针织物的保温率超过30%,具有良好的保暖性,同时具有良好的透气、透湿和吸湿排汗性,性能总体上优于1+2假罗纹组织针织物。仿生针织物在保证轻薄的同时具有良好的热湿舒适性,适用于冬季针织运动内衣。

2)针织物的表面结构和密度都会影响针织物的热湿舒适性,本文设计开发的4种仿蜻蜓翅膀结构针织物的热湿舒适性都随着密度的减少而提高,其中当上机密度设置为N10时,即横密为104纵行/(5 cm)、纵密为159横列/(5 cm)的乳突结构针织物的热湿舒适性最好,适用于冬季针织运动内衣。

本文设计开发的仿蜻蜓翅膀结构针织物克服了众多针织物在保证保暖性的基础上难以同时保证汗液有效导出的问题,为冬季运动针织内衣设计与开发提供了新思路。