劉輔庭

(原上海市紡織科學(xué)研究院 200092)

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纖維和運(yùn)動(dòng)服

劉輔庭

(原上海市紡織科學(xué)研究院 200092)

摘要：綜合介紹利用模擬技術(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服、競(jìng)賽泳衣用尖端纖維材料、開(kāi)發(fā)健康舒適的運(yùn)動(dòng)服纖維材料及開(kāi)發(fā)納米纖維的運(yùn)動(dòng)服。

關(guān)鍵詞：模擬技術(shù)；運(yùn)動(dòng)服；泳衣；納米纖維

1利用模擬技術(shù)的運(yùn)動(dòng)服設(shè)計(jì)[1]

運(yùn)動(dòng)服的特性如易動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能性、冷熱的生理舒適性、激烈運(yùn)動(dòng)下的耐久性，比通常的衣服要求更高的功能性。

1.1壓縮服的設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)概要

設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以動(dòng)作時(shí)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的信息及身體/衣服形狀數(shù)據(jù)、使用的織物的力學(xué)特性、壓縮服對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的影響，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，包含：⑴由于運(yùn)動(dòng)皮膚伸長(zhǎng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)服的織物也伸長(zhǎng)(由于運(yùn)動(dòng)服密合皮膚)；⑵織物發(fā)生對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)狀態(tài)的張力(由于有伸縮性)；⑶織物發(fā)生的張力影響關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩及肌肉力。

假定織物的力學(xué)特性改變、織物配置改變時(shí)，最后身體發(fā)揮的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩及肌肉力也變化，就可作為設(shè)計(jì)大小的依據(jù)。按模擬如能預(yù)測(cè)上述3現(xiàn)象，不僅從產(chǎn)品的計(jì)劃到開(kāi)發(fā)完成的研究時(shí)間減少，而且壓縮服的設(shè)計(jì)更佳。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)皮膚應(yīng)變模擬、各向異性超彈性體模擬及肌肉骨骼模擬，可預(yù)測(cè)上述3現(xiàn)象。

1.1.2皮膚應(yīng)變模擬

壓縮服的織物密合皮膚表面，因此隨運(yùn)動(dòng)織物伸縮的應(yīng)變，皮膚受到影響，應(yīng)變量及方向兩者近似。如了解皮膚的應(yīng)變，就可推定織物的應(yīng)變以及織物發(fā)生的力。為此開(kāi)發(fā)利用立體計(jì)算機(jī)圖示的皮膚應(yīng)變模擬。

1.1.2.1模擬人體的立體計(jì)算機(jī)圖示模型

使用的人體計(jì)算機(jī)圖示模型是由商用立體計(jì)算機(jī)圖示軟件Autodesk制成。模型內(nèi)部有假想的骨骼，可模擬肩上腕節(jié)活動(dòng)及隨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的肌肉壓縮以及皮膚應(yīng)變。

為作成人體立體計(jì)算機(jī)圖示模型的動(dòng)畫(huà)，必須運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)是利用動(dòng)作捕集系統(tǒng)而取得。取得的標(biāo)記的立體坐標(biāo)數(shù)據(jù)是利用Autodesk, 變換成人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)而作成動(dòng)畫(huà)。

1.1.2.2皮膚應(yīng)變的計(jì)算

立體計(jì)算機(jī)圖示是集合許多三角形而構(gòu)成形狀。三角形叫多邊形。多邊形由立體坐標(biāo)的許多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。動(dòng)畫(huà)由節(jié)點(diǎn)的立體坐標(biāo)的變化而作成，這時(shí)多邊形的現(xiàn)狀也變化。模擬是利用多邊形的形狀變化，即模擬皮膚應(yīng)變，因此多邊形應(yīng)變可作為皮膚應(yīng)變。從構(gòu)成多邊形的節(jié)點(diǎn)的立體坐標(biāo)求應(yīng)變前的多邊形坐標(biāo)變換為應(yīng)變后(動(dòng)作時(shí))的坐標(biāo)，取出應(yīng)變成分后求出應(yīng)變量及應(yīng)變向量。經(jīng)計(jì)算求出全身的皮膚應(yīng)變。

1.1.3各向異性超彈性體模擬

皮膚應(yīng)變由來(lái)的織物應(yīng)變用各向異性超彈性體可求發(fā)生的力。制作模擬衣服的形狀的網(wǎng)格模型，可用于各向異性超彈性體。壓縮服穿時(shí)伸長(zhǎng)，有初期應(yīng)變，初期應(yīng)變也應(yīng)用網(wǎng)格模型。各向異性超彈性體模型利用Tanabe模型可視化。

1.1.4肌肉骨格模擬

肌肉骨格模擬可利用SIMM軟件。壓縮服由來(lái)的力進(jìn)行輸入，力是作用于衣服網(wǎng)格模型各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷。由負(fù)荷和關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)中心距離之積求出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，用于肌肉骨格模擬。

壓縮的運(yùn)動(dòng)服用模擬技術(shù)可更快開(kāi)發(fā)商品。

2泳衣用尖端纖維材料[2]

泳衣要戰(zhàn)勝阻力。作用于泳者的阻力與流體密度及速度平方成正比。水的密度為空氣的800-1000倍，水中比陸上，作用于泳者的阻力也為1000倍。因此要減少游泳中的阻力。改進(jìn)泳衣可減少阻力。

2.1高功能泳衣的效果

穿激光泳衣(LZR Raser)時(shí)阻力減少10%以上，提高游泳速度。貼附聚氨酯激光帶時(shí)可減少摩擦阻力，體表面積減小也有效果，但布顯著。阻力減少主要是由于伸縮性低的激光帶的整形效果(流線(xiàn)型)和抑制振動(dòng)效果。用立體體型掃描器觀(guān)察，可知胸部及臀部的突出部分由于泳衣成為扁平，身體的凹凸減少。

從奧林匹克的泳衣開(kāi)發(fā)來(lái)看，由雙向經(jīng)編織物改用織物。例如2008年的織物是用極細(xì)尼龍纖維、拒水性?xún)?yōu)、用超輕、采用激光脈沖、由3部分構(gòu)成、非縫合而融合、緊壓以抑制身體表面的振動(dòng)并減少表面摩擦阻力(LZR Racer)。2012年的織物根據(jù)2010年的泳衣規(guī)定，設(shè)計(jì)及纖維材料的自由度減小，前后部分為伸縮性不同的纖維材料，利用織物的反作用支持踢的功能(Aquaforce)。

泳衣的理想的纖維材料是輕薄而有彈力、不透明；穿時(shí)舒適，開(kāi)始及反回時(shí)的伸長(zhǎng)大，反張力大；耐用；接觸水的外側(cè)超拒水性，阻力少，接觸肌肉的內(nèi)側(cè)要密合。

3健康舒適的運(yùn)動(dòng)服的纖維材料[3]

對(duì)運(yùn)動(dòng)服的纖維材料有各種功能性要求。例如接觸肌肉部分要求清涼性、保溫性、汗處理性及肌觸，壓縮服的緊壓要適當(dāng)且易動(dòng)，對(duì)外側(cè)要求防紫外線(xiàn)性、耐磨性及拒水性。

健康舒適的衣服的作用因素是舒適性(溫濕度控制)、運(yùn)動(dòng)功能性(控制動(dòng)作)、合體性(觸感、肌肉控制)。衣服對(duì)人的生理反應(yīng)及感性的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基礎(chǔ)技術(shù)是紡紗、復(fù)合化、針織技術(shù)，人體和衣服間的熱及水分狀態(tài)的評(píng)價(jià)、運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉及疲勞的評(píng)價(jià)，衣服和皮膚接觸時(shí)的作用的評(píng)價(jià)技術(shù)，由模擬衣服最適化的商品設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.1伸縮能針織物

伸縮能針織物是伸長(zhǎng)時(shí)織物發(fā)熱。反復(fù)收縮時(shí)針織物發(fā)熱1℃以上，在動(dòng)作時(shí)感溫暖。由彈性纖維紗針織制成。通常伸長(zhǎng)時(shí)熵減少，排放分子的運(yùn)動(dòng)能而發(fā)熱。紗及針織物的設(shè)計(jì)使伸長(zhǎng)時(shí)的發(fā)熱>收縮時(shí)的吸熱，達(dá)到伸縮的發(fā)熱最大化。針織物伸長(zhǎng)時(shí)的發(fā)熱狀態(tài)由熱圖顯示。

3.2肌干材料

出汗時(shí)衣服內(nèi)感到悶熱，為抑制悶熱，所用纖維要能吸濕。吸濕性由纖維的親水基決定?？捎脙?yōu)吸濕性的棉、絲，用合纖時(shí)可導(dǎo)入親水基，也可用銅氨纖維。銅氨纖維的吸濕性為棉的1.5倍。水的導(dǎo)熱率比空氣的大，易放熱。有冷感，適于夏服。

聚酯纖維經(jīng)吸水基處理后，提高纖維表面與水的親合性，而纖維內(nèi)部難吸水，因此水的移動(dòng)性?xún)?yōu)。多層針織物中，吸水處理的聚酯纖維為表里面，中層為銅氨纖維，肌側(cè)的聚酯吸汗后，由親水性?xún)?yōu)的銅氨吸收而擴(kuò)散，結(jié)果吸汗快，肌干性?xún)?yōu)。

肌干性由測(cè)定織物的濕Qmax進(jìn)行評(píng)價(jià)。濕Qmax是在賦予織物水分的狀態(tài)，比室溫高10℃的肌箱接觸織物時(shí)的瞬時(shí)熱移動(dòng)的最大值?？椢锉砻娴乃鄷r(shí)，熱移動(dòng)大，可評(píng)價(jià)汗粘程度。值大表明汗粘性大。

3.3運(yùn)動(dòng)追隨性材料

壓縮服可追隨體動(dòng)而有支持性。這是聚酯或尼龍和彈性纖維的經(jīng)編針織物，經(jīng)緯的伸縮性平衡，滯后損失小，回復(fù)性?xún)?yōu)。人進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉吸收血液中送來(lái)的氧，用來(lái)分解脂肪及糖，取得肌肉運(yùn)動(dòng)能。用肌肉氧測(cè)定裝置可評(píng)價(jià)膝的運(yùn)動(dòng)。用肌肉功能運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)裝置可檢測(cè)疲勞程度。

3.4防振胸罩

用有限因素法模擬以評(píng)價(jià)胸罩的防振性。由模擬取得的物性材料，經(jīng)設(shè)計(jì)制成防振胸罩，防振性提高42%。

4用納米纖維開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)服[4]

4.1納米纖維量產(chǎn)系統(tǒng)

2010年信州大學(xué)和Toptec公司開(kāi)發(fā)靜電紡絲法寬1.8m、生產(chǎn)速度80m/min的量產(chǎn)系統(tǒng)。2014年新量產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能提高4倍以上。新生產(chǎn)系統(tǒng)的納米纖維寬為4m，裝置長(zhǎng)80m，采用噴嘴。

4.2用納米纖維膜的夾克衫

納米纖維膜具有優(yōu)良的透氣性、防水性、透濕性、防風(fēng)性而且輕。又可與織物貼合，加工性?xún)?yōu)。開(kāi)發(fā)的納米纖維膜可把汗排出。但對(duì)外部的水有高耐水壓性。比聚四氟乙烯膜，透氣性高，舒適性?xún)?yōu)。

聚氨酯納米纖維膜的性能是高空隙率的透濕性(穿著舒適性)、均勻的微孔的防水性、防風(fēng)性?xún)?yōu)、厚度為現(xiàn)有功能纖維的1/10輕而易動(dòng)、織物柔軟減少摩擦、可與織物貼合。可用作登山夾克等，已有市售。

4.3納米纖維膜的性質(zhì)

納米纖維膜的機(jī)械性質(zhì)如表1所示。

表1　納米纖維膜的機(jī)械性質(zhì)

聚氨酯纖維的平均直徑為200nm，向基材的噴絲量為6g(貼合3層)。聚氨酯納米纖維膜耐水壓0.12mPa以上、透濕度31 000(g/m2·24h)、透氣度0.3(mL/cm2/s)以上。經(jīng)10次洗滌性質(zhì)無(wú)變化。

根據(jù)熱圖示圖像可知納米纖維的夾克衫的內(nèi)部溫度低(由于透氣度及透濕度優(yōu))，有穿著舒適性。

參考文獻(xiàn)：

[1]島名孝次. 利用模擬技術(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服[J].纖維學(xué)會(huì)志(日)，2015，71(8)：390-393.

[2]高木英樹(shù). 泳衣用尖端纖維材料[J].纖維學(xué)會(huì)志(日)，2015，71(8)：398-402.

[3]出口潤(rùn)子. 開(kāi)發(fā)健康舒適的運(yùn)動(dòng)服材料[J].纖維學(xué)會(huì)志(日)，2015，71(8)：438-442.

[4]金翼水. 開(kāi)發(fā)納米纖維運(yùn)動(dòng)服[J].纖維學(xué)會(huì)志(日)，2015，71(8)：443-445.

收稿日期：2015-12-05