文胸罩杯透湿率测定新方法

王兆芳, 张 辉,2, 丁 波, 张 淼

(1.北京服装学院 服装艺术与工程学院, 北京 100020; 2.北服·爱慕内衣研究院, 北京 100102;3.爱慕股份有限公司, 北京 100102)

文胸的热湿舒适性是指文胸所具备的在外部环境条件和自身活动条件的相互作用下,发挥适当的辅助温湿度调节功能,使胸部处于一个合理热湿状态,从而使人体保持舒适的能力[1-3]。良好的热湿舒适性不仅可以满足人的生理需求,还可以提供愉悦的心理感受[4]。评价织物热湿舒适性包括2个部分:热舒适性和湿舒适性。湿舒适性的测试指标包括透湿率、透湿度、湿阻和芯吸高度等[5]。国内外常用的透湿性能测试标准有吸湿法(干燥剂法),依据标准为GB/T 12704. 1—2009《纺织品 织物透湿性实验方法 第1部分:吸湿法》、ASTM E96—2014方法《测定材料水蒸气渗透性的标准实验方法》和JIS L1099A—2012《纺织品透湿性实验方法》;蒸发法,分为正杯法和倒杯法,依据标准为: GB/T 12704. 2—2009《纺织品 织物透湿性实验方法 第2部分:蒸发法》、ASTM E96—2014方法B《测定材料水蒸气渗透性的标准实验方法》和JIS L1099 A-2012《纺织品透湿性实验方法》;热阻湿阻法(蒸发热板法),依据标准为ISO 11092-2012《纺织品 生理效应 稳态条件下耐热和耐水蒸汽性能的测量》、ASTM-F1868—2017《使用蒸发热板的服装材料热阻和湿阻标准测试法》和GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法)》。除以上标准外,蒋培清等[6]提出织物动态热湿传递性能测试仪,黄建华[7]提出用防水透湿的PTFE(膨体聚四氟乙烯)薄膜包裹透湿圆柱底部的织物透湿性测试新方法,张君[8]提出圆筒式织物热湿阻测试仪新方法。

以上测试方法均仅适用于厚度一致且平整的片状织物[9-10],而文胸产品大多数为由多层材料组成的具有一定服装款式和结构、厚度不一的立体服装产品,不适用以上方法,并且将所测得的单层面料透湿值简单相加并不能准确表征文胸产品的整体透湿性能。暖体出汗假人[11-12]也可用来测量服装的透湿性能,在消防服[13]、航天服[14]、防寒服等功能性服装领域使用较广,但由于其多为全身出汗,适用于测试覆盖面积较大的整体服装及多件服装,对于仅小面积覆盖人体的特殊服装如文胸,其准确性欠佳。

综上,针对测定文胸类服装的透湿性能,目前缺乏无合适的、标准的、成体系的测量方法。本文针对此现状,提出一种新型测试方法胸部模型法,用于测定文胸罩杯透湿性。

1 理论基础

1.1 正杯法原理

胸部模型法基本原理源于透湿杯正杯法,并在其基础上创新改进,如图1所示。正杯法要求精确量取规定温度的蒸馏水,注入清洁干燥的透湿杯内,使水面距试样下表面10 mm左右。将试样测试面朝下放置在透湿杯上,装上杯垫和压环密封。然后将组合体放入规定温湿度条件的实验箱,经过1 h平衡后称量质量。经过规定时间后,再次称量质量,精确到0.001 g。取2次质量之差再根据透湿率公示计算得出织物透湿率。在环境条件相同的情况下,测得的差值越大,织物透湿性能越好。

图1 正杯法示意图Fig.1 Diagram of upright cup method

1.2 胸部模型法的创新点

1.2.1 蒸发液面上方空气湿阻的消除

在正杯法测织物透湿率实验中,通常认为Rt=Ra+Rm+Rc[15]。Rt为试样总湿阻,Ra为试样边缘空气层湿阻,Rm为试样湿阻,Rc为液面上方存在空气层湿阻,示意图如图2所示。由于面料上方存在空气层湿阻Ra和水面上方存在空气层湿阻Rc,最终测得的面料湿阻较其真实值偏大。理论上,Ra较小且无法消除,Rc可在一定程度上消除。本文采用一定浓度的聚丙烯酸钠酸钠水溶液代替纯水,利用聚丙烯酸钠水溶液的凝胶特性,可近似注满透湿柱且不发生流动,从而减小水面上方空气层湿阻Rc,最终提高了面料透湿性能测试结果的准确性。

图2 正杯法中湿阻示意图Fig.2 Schematic diagram of water resistance in upright cup method

1.2.2 蒸发表面曲面的设计

通常文胸罩杯为有一定曲度的、厚度连续变化的立体材料,目前存在的测试标准只适用于厚度在10 mm以内、厚度一致且平整的片状织物。本文装置采用微分法的思想,由多个倾斜角连续变化的细长透湿柱组合成胸部模型,形成具有一定弧度的曲面,如图3所示。单个“透湿杯”底面净尺寸为1 cm×1 cm,侧面间隔壁厚1 mm。由于形状细长,以下简称为透湿柱。默认胸部模型尺寸为标准75B,如需测量其它尺寸罩杯的透湿性能,可定制相应尺寸胸部模型。

图3 胸部模型示意图Fig.3 Chest model diagram. (a) Front view;(b)1/2 Side view; (c) 3/4 Side view;(d) Rear view

2 测试原理

2.1 单个透湿杯的水蒸发率

2.1.1 空气层厚度与蒸发率

为消除空气层厚度对织物透湿性能测试结果的影响[16],本文探究了空气层厚度与蒸发率的关系。本文实验在环境温度为25 ℃、湿度为30%,风速0.4 m/s的恒温恒湿室中进行。选用底面积为5 cm×5 cm、高度为6 cm的方形透湿杯,倾斜角为0°。蒸发溶液为与环境温度相同的蒸馏水,分别设定页面上方空气层厚度为0.2、0.3、0.6、1.0、2.0、3.0、4.0、4.3、4.6、5.0、5.3、5.6 cm,蒸发时间为6 h。重复实验5次,蒸发率结果见表1。

表1 空气层厚度与蒸发率Tab.1 Air layer thickness and evaporation rate

由表1可知,蒸发率与空气层厚度呈负相关。当空气层厚度增加时,蒸发率随之减小。当空气层厚度小于1 cm时,蒸发率函数导数较大,当空气层厚度大于1 cm时,蒸发率函数导数相对较小。可见空气层在0.2～1.0 cm之间的蒸发率差异显著,空气层厚度对蒸发的影响不可忽略。

建立空气厚度与蒸发率的回归方程,得到函数:y(x)=112.53-79.17x+73.715x2-33.262x3+7.703x4-0.889x5+0.041x6。式中x为空气层厚度(cm),其残差平方和为4.921,R2(COD)为0.995,调整后为0.989。得到的残差图如图4所示。

图4 空气层厚度对应蒸发率的常规残差图Fig.4 Conventional residual plot of evaporation rate

2.1.2 倾斜角度与蒸发率

胸部模型具有一定曲度,由倾斜角连续变化的底面积为1 cm×1 cm的小透湿柱排列组成,如图5 所示。为探究倾斜角度与对蒸发率的影响,实验在环境温度为25 ℃、相对湿度为30%,风速 0.4 m/s的恒温恒湿室中进行。选用底面积为5 cm×5 cm、高度为6 cm的透湿杯,蒸发溶液为与环境温度相同的蒸馏水,分别设定上切面倾斜角度为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°。考虑到实验的可操作性设定空气层厚度为0.2 cm,蒸发时间为6 h。重复实验5次,取平均值。绘制出倾斜角度与蒸发率的箱线图,如图6所示。

图5 不同倾斜角透湿杯示意图Fig.5 Schematic diagram of water vapor permeable cups with different inclination angles

图6 倾斜角度对蒸发率的影响Fig.6 Influence of tilt angle on evaporation

建立倾斜角度与蒸发率的回归方程,得到函数:y(α)=104.813-1.372α+0.024α2-1.345α3×104。式中α为倾斜角度(°),其残差平方和为22.032,R2(COD)为0.965,调整后为0.944。得到的残差图如图7所示。

图7 倾斜角度对应蒸发率的常规残差图Fig.7 Conventional residual plot of evaporation rate

2.1.3 介质种类与蒸发率

为模拟皮肤表面蒸发,减少纯水的流动性便于实验操作,实验探究在蒸馏水中加入不同介质对蒸发的影响。实验在环境温度为25 ℃、湿度为30%,风速0.4 m/s的恒温恒湿室中进行。选用底面积为5 cm×5 cm、高度为6 cm、倾斜角度为0°～80°的透湿杯,选取相同质量(1 g)的聚氨酯海绵、天然乳胶海绵、纯棉棉絮和聚丙烯酸钠4种材质,均匀加至125 mL蒸馏水中。得出加入不同介质得到的蒸发率与纯水蒸发率随倾斜角度变化的对比点线图,如图8所示。可知,加入聚丙烯酸钠组的蒸发率与纯水最为接近,比率接近1,因此初步选用加入聚丙烯酸钠作为蒸发介质。并且聚丙烯酸钠溶液具有凝胶特性,状态介于液态与固态之间,更方便实验操作。

图8 介质种类对纯水蒸发的影响Fig.8 Influence of medium type on evaporation of water. (a) Polyurethane sponge;(b)Natural latex sponge;(c) Pure cotton wadding;(d)Sodium polyacrylate

2.1.4 聚丙烯酸钠溶液浓度与蒸发率

聚丙烯酸钠(PNNNa)是一种具有很强吸水性的白色粉末,吸水后迅速膨胀成具有弹性的半固体物质。该现象为溶胀,属于物理反应。常用于尿不湿、食品增稠剂等。为探究不同浓度聚丙烯酸钠溶液对于蒸发的影响,实验设定9组质量比(mPNNNa∶mH2O分别为1∶100、1∶200、1∶300、1∶400、1∶500、1∶600、1∶700、1∶800、1∶900)和蒸馏水对照组,并设定水的质量为100 g不变,测定其12 h的蒸发率,结果见表2。结果表明,蒸发率和聚丙烯酸钠溶液浓度呈负相关。综合考虑其流动性和蒸发性能,本文实验选用质量比mPNNNa∶mH2O=1∶500的浓度,使得聚丙烯酸钠水凝胶既能尽可能倾斜注满透视柱且不发生明显流动,同时其蒸发速率接近纯水。根据对应浓度聚丙烯酸钠溶液的蒸发率得出KPNNNa=74.52/67.32=1.107。

表2 聚丙烯酸钠溶液浓度与蒸发率关系Tab.2 Relationship between concentration of PNNNa and evaporation rate

2.2 整组透湿杯的纯水蒸发率规律

为便于罩杯透湿率的测定,从整体胸部模型中选取罩杯区域,按照横坐标A～K,纵坐标1～13的编号顺序,逐个测出该区域内单个透湿柱的倾斜角列于表3。

表3 罩杯区域透湿柱角度Tab.3 Angle of water vapor permeable column in cup area

3 算法与程序设计

3.1 结果计算

3.1.1 算法Ⅰ

算法Ⅰ将单个透湿柱蒸发液面视为水平,设定蒸发面积为罩杯覆盖的单个透湿柱底面积之和,利用倾斜角度和蒸发率关系式消除透湿柱倾斜角的存在带来的误差,并乘以空气层厚度系数和溶质系数,最终得到的计算结果可视为纯水在蒸发面为水平的状态下、空气层厚度为0.2 cm的透湿率数值。

根据织物的透湿率计算公式,得到文胸罩杯的透湿率计算公式:

(1)

式中:W为透湿率,g/(h·m2);ΔG为蒸发前后质量之差,g;t为蒸发时间,h;A为蒸发面积,m2;K为透湿率系数。

ΔG=G1-G0

(2)

式中:G1为蒸发后的质量,g;G0为初始质量,g。

(3)

式中:Si为单个透湿柱的底面面积,m2;n为被罩杯所覆盖的透湿柱的个数。

(4)

式中:Kair为空气层厚度系数,取值为1.053;KPNNNa为介质系数,1.107;Kangle为角度系数;αi为被罩杯所覆盖的单个透湿柱的倾斜角度,(°)。

(5)

式中:α为被罩杯所覆盖的透湿柱的倾斜角度均值(°)。

最后将式(2)～(5)代入式(1)计算得到算法Ⅰ罩杯透湿率结果。

3.1.2 算法Ⅱ

由于单个透湿柱底面积很小,又因为水表面张力的存在和聚丙烯酸钠的凝胶特性,算法Ⅱ将单个透湿柱的蒸发液面视为与切面平行,此时倾斜角造成的误差已不存在,同时蒸发面积转变为被罩杯覆盖下的单个透湿柱横切面面积之和。最终得到的计算结果可视为纯水在蒸发面为水平的状态下、空气层厚度为0.2 mm的透湿率数值。

根据织物的透湿率计算公式,得到文胸罩杯的透湿率计算公式:

(6)

算法Ⅱ中,A和K的计算方式不同于算法Ⅰ,具体计算方法如下:

(7)

(8)

式中:Kair为空气层厚度系数,取值为1.053;KPNNNa为溶质系数,常数,1.107;Kangle′为角度系数,取值为1。

将式(7)、(8)代入至式(6),得到算法Ⅱ透湿率计算结果。

分别根据算法Ⅰ和算法Ⅱ计算得出由单层纯棉面料制成的文胸罩杯的透湿率,发现算法Ⅰ计算结果显著偏大,算法Ⅱ计算结果相对接近面料真实透湿率,因此最终采用算法Ⅱ。

3.2 程序设计

3.2.1 程序流程设计

根据算法Ⅱ使用visual basic编程语言编写模型法系统程序,程序流程图如图9所示。

图9 程序流程图Fig.9 Program flow chart

3.2.2 用户界面与操作方式

用户界面是人机交互的媒介和对话的窗口[13]。在文胸罩杯透湿性测定系统中,用户界面如图10所示。

图10 文胸透湿率测定系统用户界面Fig.10 User interface of bra vapor permeability measurement system

系统提供了以下功能和操作方式:1)根据实验中使用电脑的Windows系统选择合适的页面显示。2)罩杯(试样)覆盖面积的选择。通过左键单击对应编号的单个透湿柱区域,求和得到试样总面积。并同时显示覆盖面积透湿柱的平均倾斜角度值。3)参数初始质量G0的输入、蒸发后质量G1的输入以及蒸发时间t的输入。4)输出罩杯(试样)透湿率的最终计算结果。5)文件另存为和导入自选文件。

4 实验设计

4.1 设备和材料准备

文胸罩杯透湿率测定模型;标准电子天平 JA5 003 N(精度为0.001 g);量杯(量程1 L);注射器(精度为1 mL);Windows7及以上系统的电脑;气候箱:温度控制精度为±2 ℃,相对湿度控制精度为±2%;工作时气候箱内持有稳定的循环气流速度,大小为0.3～0.5 m/s;工作时气候箱内空间中各处温度和湿度均匀。

弹性透明网纱面料;聚丙烯酸钠颗粒;蒸馏水;橡皮筋;试样可以是文胸内部衬垫材料,也可以是由多层材料组成的罩杯。

4.2 实验环境

实验在温度为(25±2) ℃,湿度为(30±2)%,风速为(0.4±1) m/s条件下进行。

4.3 实验步骤

1)量取与实验条件温度相同的蒸馏水,取干燥的聚丙烯酸钠颗粒若干,配制质量比mPNNNa∶mH2O=1∶500的聚丙烯酸钠水凝胶,注入被试样覆盖部分的透湿柱,包括切面倾斜的部分,控制空气层厚度为2 mm左右。

2)将试样覆在胸部模型上,用弹性透明网纱面料将试样固定在胸部模型合适位置,用橡皮筋固定好网纱。以上组成实验组合体。网纱的湿阻忽略不计。

3)迅速将实验组合体放置在已达到4.2节中规定实验条件的气候箱内,经过1 h平衡后,在箱内逐一称量,如在箱外称量,需迅速完成每个组合体的称量。称量精确至0.001 g。称量结果记为G0。

4)随后经过实验时间6 h后,再次逐一称量组合体重量,为G1。

5)整个实验过程中,尽量保持实验组合体水平,避免聚丙烯酸钠溶液沾到试样内表面。

文胸罩杯透湿率测定示意图如图11所示。

图11 文胸罩杯透湿率测定示意图Fig.11 Diagram of measurement of water vapor permeability of bra cup

5 结果验证分析

5.1 稳定性分析

相同实验条件下,由同一人用同样测试方法对同一试样进行多次测试,检查实验结果差异是否在误差范围内。选取4 种设有不同孔洞面积的罩杯试样,罩杯试样尺寸为75B,试样规格见表4。示意图如图12所示。

表4 罩杯试样规格Tab.4 Cup sample specifications

图12 罩杯试样示意图Fig.12 Schematic diagram of bra cup sample.(a) Cup a;(b) Cup b;(c) Cup c;(d) Cup d

采用本文提出的胸部模型法进行文胸罩杯透湿率测试,对以上4种罩杯试样进行透湿率测试,每个试样测定3次取平均值,结果见表5。

表5 罩杯透湿率测试结果Tab.5 Test results of water vaport moisture permeability of bray cup

由表5看出,用本文提出的文胸罩杯透湿率测定方法测出不同孔洞面积的罩杯透湿率均不相同,孔洞面积越大的透湿率越大。并对测出的透湿率数值与孔洞面积进行皮尔逊相关性检验,得出相关系数R=0.619>0.6,显著性P=0.042<0.05,说明二者强相关,且排除偶性。每种型号的罩杯分别进行3次重复测定,得到的CV值均小于6%,可见由胸部模型法测定出得数据的变异系数较小,设备稳定性高。

5.2 透湿率结果对比

将用本文的文胸罩杯透湿率测定方法与使用实验仪器YM-11织物透湿杯正杯法得出的测试结果进行对比。实验环境条件均采用4.2节中设定的环境,蒸发时间均设定为6 h。面料试样规格见表6。透湿杯法直接测量5种面料试样的透湿率,文胸罩杯透湿率模型测定由对应5种面料制成的单层立体罩杯试样。每块试样进行3次重复测定,结果取平均值。2种方法测定结果对比如图13所示。

表6 面料试样规格Tab.6 Fabric sample specifications

图13 模型法和正杯法透湿率结果对比Fig.13 Comparison of water vapor permeability results between model method and upright cup method

由图13看出,胸部模型法和正杯法得出的织物透湿率差异不大。胸部模型法数值整体偏高,这是因为胸部模型法中基本消除了蒸发液面上方空气层带来的湿阻,而正杯法中蒸发液面距离试样约1 cm。对2种透湿率测定方法测出的透湿率进行皮尔逊相关性检验,得知2种测量方法得出的透湿率相关系数R=0.655>0.6,P值(双尾)=0.003<0.05,可见2种测试方法得出的结果强相关且排除偶然性,存在较高的一致性。

综上分析,本文提出的新型的胸部模型法测出的透湿率可以用来表征文胸罩杯和面料的透湿性能。

6 结束语

本文提出的新型文胸罩杯透湿率测定方法胸部模型法,在正杯法的基础上消除了蒸发液面上方空气层湿阻,并用微分法的思想设计出蒸发曲面。采用聚丙烯酸钠水凝胶代替水,模拟皮肤蒸发,减少液体的流动、方便实验操作。结果表明,由胸部模型法测定得出透湿率数据的变异系数较小,设备稳定性高。并且胸部模型法与正杯法测定出的透湿率存在较高的一致性。综上分析,可以用胸部模型法测出的透湿率表征厚度不一的立体文胸罩杯的透湿性能,新型文胸罩杯透湿率测定方法是一种理想的测定文胸产品透湿性能方法。对企业来说,该测试方法可为文胸产品的透湿性能测评提供方法支持,助力文胸热湿舒适性研究。通过测定可发现研发产品的问题与不足、减少不符合透湿要求的文胸流入市场;对消费者来说,通过在商品详情上标明文胸产品的透湿性能数据,为消费者购买决策时提供具有说服力的客观指导。