楊恩惠， 沈海生， 邱華*

(1. 江南大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122；2. 南通賽暉科技發(fā)展股份有限公司,江蘇 南通 226000)

織物的透氣性影響著服裝的穿著舒適度和相關紡織產品的性能[1]。舒適度是消費者在購買服裝過程中需要考慮的首要條件，炎熱天氣下，服裝面料良好的透氣性有助于人體散熱[2]。此外，服用織物一般需要洗滌以便再次使用，洗滌后需使用干洗機對織物進行烘干，而織物的透氣性也影響其烘干效果，因此研究織物透氣性對改善干洗機性能也具有指導意義。特殊用途的織物(如宇航服、汽車安全氣囊、降落傘和船帆等)則更需要保證其透氣性，確保安全使用[3]。

機織服裝作為日常穿著的衣物，具有固形性好、外形挺括等優(yōu)點[4]，對其進行透氣性研究有助于提高機織服裝的舒適性。文中主要從織物透氣性的影響因素、研究方法及三維建模3方面進行文獻綜述，并對研究前景進行展望。

1 織物透氣性研究

1.1 影響織物透氣性的因素

1.1.1纖維和紗線層面 目前，國內外對織物透氣性的研究大多重點討論影響織物透氣性的因素[5-7]，分析這些因素如何影響織物透氣性，并進行量化建立相關關系。就纖維種類而言，張建祥等[6]通過選用組織結構和厚度相似的棉、麻、羊毛、尼龍、滌綸5類織物進行透氣性實驗，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維和蛋白質纖維形成的織物透氣性普遍優(yōu)于化學纖維，其中麻纖維織物透氣性最好，尼龍纖維織物透氣性最差，相同條件下麻織物的透氣率是尼龍織物的2倍。總結得出：由于天然纖維的內部結構比化學纖維蓬松，因此天然纖維的透氣性普遍優(yōu)于合成纖維。就紗線捻度而言，在一定范圍內，紗線捻度增加，織物的透氣性增強。這是因為隨著紗線捻度的增加，紗線結構更緊密，且表面的毛羽也會相對減少，有利于氣體分子的通過；但如果捻度持續(xù)增加，紗線會扭曲卷繞，從而減小織物孔隙率，導致透氣性降低。捻度會直接影響紗線紗支，所以經緯紗的紗支也影響織物的透氣性。OGULATA T[7]在控制經緯密及其他條件相同的情況下，比較經緯紗紗支對面料透氣性的影響。實驗結果顯示，面料透氣性會隨著紗支的增加而增強，因為紗支越大意味著紗線越細，從而增大了織物的孔隙率。

1.1.2織物層面 就織物緊密程度而言，織物越緊密，透氣性越差。織物緊密程度可以從以下兩點進行分析：①織物經緯密。陳妍等[8]研究顯示，在紗支不變的條件下，隨著織物經緯密的增加，織物透氣性呈下降趨勢；OGULATA T[7]的相關實驗研究證明了該觀點。②織物的交織狀態(tài)(即織物組織)。陳妍等[8]通過對蜂巢織物、緞紋織物、經重平織物、斜紋織物、平紋織物進行比較，發(fā)現(xiàn)在緯向密度一定時，其透氣性依次遞減，但當緯向密度處在中間水平(即180根/dm、210根/dm)時，經重平織物與斜紋織物的透氣量相近。由此表明，不同組織形成的織物緊密度不同，因此不同機織物的透氣性也不相同。張建祥等[6]、陳麗麗等[9]同樣進行了不同組織織物透氣性的比較，得出相同結論。就織物厚度而言，學者們一般以不同層數的同種織物進行研究[10]。陳曉東等[11]根據流體力學中多孔介質理論，將織物層數不斷疊加并測試其透氣性，使用Fluent軟件進行分析，發(fā)現(xiàn)織物的透氣性隨織物厚度的增加而減小，并且呈冪律函數關系，且R2=0.998?？椢锖穸炔粌H影響織物孔隙率，在一定壓力下還導致織物變形。XIAO X L等[12]通過使用織物低氣壓壓縮厚度測試儀、織物低氣壓徠卡顯微鏡觀察儀和FX-3300透氣性測試儀進行實驗，建立厚度變形與外加氣壓的關系。結果表明，織物在氣壓<200 Pa時厚度變化較明顯，氣壓>200 Pa時厚度變化不大。

1.1.3織物后整理層面 織物后整理也對織物透氣性影響較大[13]，因為后整理會作用在織物表面及內部，直接影響織物的孔隙率，若整理后孔隙率減小，則織物透氣性降低，反之織物透氣性增強。黃時健[14]研究發(fā)現(xiàn)，對純棉織物而言，阻燃整理、樹脂整理、拒水拒油整理、生物整理、涂層整理等均會使其透氣性下降，其中涂層整理可使透氣性降為零。這是因為整理劑可以與織物纖維締合或附著在織物表面形成高分子膜，從而大大減小織物孔隙率，導致透氣性下降。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，經液氨整理后的棉纖維會變細，因此液氨整理可以增大織物的透氣率。張建祥等[6]通過分析液氨柔軟、液氨免燙、液氨潮交聯(lián)等幾種不同液氨整理方法，發(fā)現(xiàn)液氨潮交聯(lián)整理的織物透氣性最強，且液氨柔軟和液氨免燙織物的透氣率比普通柔軟和免燙織物高20%。

1.2 研究織物透氣性的方法

影響織物透氣性的因素較復雜，需將眾多因素與透氣性之間建立有效關系。纖維種類和結構對透氣性有一定影響，但難以建立宏觀關系，只能將纖維織物分類進行研究，因此織物組織結構是透氣性實驗的主要研究對象[15]。

邱茂偉等[16]利用哈根-泊肅葉定律推導出機織物紗線間孔隙透氣量與織物結構參教的關系：

(1)

式中：Q為紗線間孔隙透氣量(m3/s)；μ為空氣動力黏度(Pa·s)；L為空隙長度(m)；Δp為兩表面壓力差(Pa)；dJ為經紗表觀直徑(mm)；dW為緯紗表觀直徑(mm)；pJ為經紗密度(根/dm)；pW為緯紗密度(根/dm)。但預測值與真實測量值有很大誤差，因此再利用逐步回歸分析法進行擬合，得到織物透氣性與理論值和織物緊度之間的線性方程：

Y=495.84+0.416X1-3.744X2

(2)

式中：Y為透氣量回歸計算值(L/(m2·s))；X1為透氣量理論值(L/(m2·s))；X2為織物總緊度(%)。通過式(2)間接分析無法從理論上闡明的影響因素。驗證結果表明，式(2)能較精確地預測普通機織物的透氣性。

對織物透氣性的研究通常采用線性回歸分析法[17-19]，而佐同林等[20]嘗試采用因子分析和聚類分析法。因子分析通過對多個自變量的提取，將原自變量綜合成較少個數的互相獨立且對因變量起支配作用的因子變量。采用因子分析法既不會丟失原有自變量信息，也可避免多重共線性現(xiàn)象的發(fā)生。聚類分析是將性質相近的研究對象進行分類，如研究不同規(guī)格精紡毛織物的透氣性。通過聚類分析法對20種精紡毛織物結構參數中12 個與透氣性密切相關的參數進行優(yōu)化提取，綜合出4個因子變量，分別是織物緊密程度、厚度、經緯交織結構相及紗線規(guī)格。佐同林等[21]、趙玲[22]曾利用主成分分析與回歸分析相結合的方法，建立棉織物透氣性預測模型。孫浪濤[23]對純棉機織物進行透氣性預測，選取32種樣本，采用2種流體力學的孔徑計算方法計算織物理論透氣率，建立理論透氣率與實測透氣率的相關性，回歸方程相關系數可達0.9884。

2 建立三維織物模型

通過實驗和數據分析處理，可以初步了解織物主要參數對透氣性的影響，建立三維模型可更直觀理清相關參數與透氣性之間的關系。建立織物三維模型有幾種方法，其中最著名的是20世紀30年代的Peirce模型法[24-25]。該模型假定織物中紗線既無伸長也無壓縮變形，且經緯紗的橫截面假定為圓形，紗線在經緯紗交織附近相互包覆屈曲呈現(xiàn)圓弧狀，其余部分為直線狀。在此基礎上，建立了一系列關于紗線屈曲長度、波高、幾何密度、直徑、縮率與交織角的關系式。但該模型計算精度不高，因此后期逐步進行了修正完善。谷大鵬等[26]在Peirce模型和坐標變換原理基礎上，建立了平紋機織物紗線空間曲面模型、紗線空間曲面捻轉模型和紗線纖維化曲面模型；又通過布爾矩陣和MATLAB語言對三維機織物進行快速建模[27]，將經緯紗分成8個組元，利用織物三維交織規(guī)律建立對應的布爾矩陣，并利用MATLAB和MATLAB GUI中的編程仿真程序將紗線組元矩陣轉化為織物三維模型。組元曲面模型如圖1[27]所示。圖1中，W0～W7為紗線拆分的8個組元。該方法適用于單層機織物各種組織的三維描述和模塊化快速構建。

朱建華等[28]針對多層織物的三維模型提出另一種方法，利用函數矩陣確定紗線中心軌跡并進行紗線截面擬合，使用VC++編程語言調用OpenGL繪制出每根紗線，進行單紗的建模與仿真，針對三維織物的密度、厚度等信息繪制出三維織物模型，具體如圖2所示。該方法適用于各種復雜組織的多層機織物建模與仿真，且建立的模型更接近實際情況。劉讓同等[29]針對傳統(tǒng)機織物結構的不足，提出相對屈曲波高的概念來表征不同的紗線彎曲程度。英國諾丁漢大學設計開發(fā)的TexGen軟件[30-31]可以更簡便地建立織物三維模型，具體如圖3所示。

圖1 8個組元曲面模型Fig.1 The 8 component surface models

圖2 織物模型示意Fig.2 Fabric model diagram

圖3 TexGen建模示意Fig.3 TexGen modeling diagram

通過編織向導在界面中設置yarn width，yarn space，fabric thick等織物參數，直接構建織物三維模型，并設置紗線性能、紗線截面及表面卷曲度，經微調后使之更接近真實情況。TexGen軟件不僅能仿真單層織物，還能仿真多層復雜織物，最重要的是其構建的織物模型可以輸出不同的文件格式，包括CAD格式、IGS格式、STEP格式、Surface Mesh 和Volume Mesh格式等，方便織物模型的后期分析處理。

3 存在問題與發(fā)展方向

根據國內外對織物透氣性仿真研究的分析，發(fā)現(xiàn)影響織物透氣性的因素多且復雜，很難把眾多因素全部考慮在內，甚至有些因素不能進行量化，如纖維結構、纖維間空隙等，所以需要根據不同種類進行區(qū)分。雖然目前多數研究均表明纖維空隙也能一定程度上影響透氣性[32-33]，但如何把纖維層面的影響量化仍是一大難題。在建立三維織物模型時，大多以紗線為結構單元，難以把紗線內部的纖維空隙表達出來，所以未來在機織物透氣性三維仿真研究中，如何進一步考慮纖維間的空隙將是重點研究方向。

另外，在不考慮纖維間空隙的前提下，如何模擬紗線間的空隙是主要研究內容。ANGELOVA R A等[34]把存在壓力差的織物兩面紗線空隙看作噴氣管道，分別模擬為圓形管道和矩形管道，比較兩者間的差異。結果顯示，兩者差別不大，但就透氣性而言，圓形管道略優(yōu)于矩形管道。因此后續(xù)研究多以圓形管道模擬織物空隙。XIAO X L等[35-36]根據被壓扁紗線的橢圓形截面模擬匯聚發(fā)散型通道，列出拋物線方程并積分求得空氣流量，相比而言用此種方法得出的結果更接近真實情況。但如何更真實地模擬紗線間隙、紗線走勢等細節(jié)，還需不斷探索。

除了纖維孔隙和紗線間孔隙，在研究織物透氣性過程中，織物表面毛羽也是一個重要影響因素。毛羽的濃密和長度一定程度上會影響織物的孔隙率和空氣阻力，由此影響織物透氣率。一般的數學模擬分析法基本沒有考慮毛羽效果，在幾何建模領域，由于技術問題也很難模擬出表面毛羽，所以未來在精確預測織物透氣率時需重點研究織物毛羽。

4 結語

在機織物透氣性相關研究中，學者們已取得一定成果，探討了纖維種類、紗線捻度、紗線紗支、織物密度、織物交織狀態(tài)、織物厚度以及織物后整理技術對織物透氣性的影響，并且得出了一般規(guī)律。量化透氣性影響因素的方法包括：①逐步線性回歸分析法；②因子分析與聚類分析相結合法，通過找出主要影響因子，列出與透過織物氣體流量相關的關系式。這些方法可以在理論上把織物組織結構參數與透氣量聯(lián)系起來，預測織物的透氣性。建立織物三維模型時可以參考經典的Peirce模型，在此基礎上用布爾矩陣和MATLAB語言進行三維模型的建立；也可以利用VC++編程語言調用OpenGL繪制每根紗線，再繪制出三維織物模型；另外TexGen軟件可快速構建織物模型，且能輸出不同的文件格式方便分析。但如何建立與實際織物接近的模型，仍需不斷學習探索。學者們對織物透氣性三維仿真模擬的研究為后續(xù)探索織物透氣性與織物結構參數之間的關系打下基礎，以便精確預測織物透氣性。