王建萍， 苗明珠， 沈德垚， 姚曉鳳

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部 重點實驗室， 上海 200051； 3. 上海市紡織智能制造與工程一帶一路國際聯(lián)合實驗室， 上海 200051； 4. 同濟(jì)大學(xué) 上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

隨著2022年北京冬季奧運(yùn)會熱潮興起，我國很多城市滑雪人數(shù)激增，這對滑雪服的保暖舒適性提出了更高要求，國內(nèi)功能性滑雪服市場還需進(jìn)一步發(fā)展。有關(guān)研究表明滑雪運(yùn)動中人體下肢關(guān)節(jié)部、腰腹部、小腿易受寒冷侵襲[1]，因此，設(shè)計專業(yè)緊身滑雪保暖褲特別是防護(hù)寒冷寒凍侵肌[2]具有重要意義。專業(yè)滑雪服裝市場主要由國外高端滑雪品牌占據(jù)，如瑞士X-BIONIC品牌滑雪內(nèi)衣采用局部織造穩(wěn)定三維針織結(jié)構(gòu)，通過全新熱虹吸溫控技術(shù)將汗水轉(zhuǎn)化成能量，使熱透射效率(95%)和濕度傳輸速度(66%)提升明顯；意大利UYN運(yùn)動品牌為奧地利、德國、意大利、法國等國家隊提供雪上運(yùn)動專業(yè)滑雪內(nèi)衣，其通過局部編織立體恒溫組織實現(xiàn)運(yùn)動時透氣降溫、休息時儲存熱量的功能[3]。與國外品牌相比，國內(nèi)滑雪服面料織造技術(shù)還存在一定差距，國內(nèi)近年來發(fā)展較好的滑雪內(nèi)衣品牌如悠途UTO、極速雪(Gsou SNOW)，仍存在面料組織結(jié)構(gòu)單一、分割線設(shè)置不合理、紗線性能待提高等短板。

針織面料結(jié)構(gòu)開發(fā)通常運(yùn)用提花組織設(shè)計肌理效果，調(diào)節(jié)織針成圈狀態(tài)牽引連接紗，使織物表面呈現(xiàn)凹凸質(zhì)感和紋理效應(yīng)[4]，從而改變織物吸濕轉(zhuǎn)移性質(zhì)及空氣貯存能力。通過仿造生物體非光滑表面形貌與功能特性的關(guān)系，構(gòu)造功能性立體中空通道，也可開發(fā)具有優(yōu)異自然性和靈活性的結(jié)構(gòu)仿生面料，用于調(diào)節(jié)人體皮膚與織物微空間熱濕傳遞，例如研究滴蟲、蜘蛛絲等單向液體傳輸原理及北極熊毛、羊毛等天然中空保暖結(jié)構(gòu)，從而改善面料熱濕效應(yīng)和人體舒適感[5-6]。雖然根據(jù)人體運(yùn)動時各部位出汗、溫度分布差異等特點，在針織服裝不同區(qū)域織造功能性組織結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)服裝局部熱濕性能近年來受到廣泛關(guān)注，但多集中于單一評價指標(biāo)[7-9]。為進(jìn)一步分析面料綜合熱濕舒適性和不同性能指標(biāo)的顯著性，采用灰色近優(yōu)法建立灰色近優(yōu)評價矩陣，從而全面評價面料熱濕性能優(yōu)劣，可以更科學(xué)地指導(dǎo)功能性針織面料結(jié)構(gòu)開發(fā)。

綜合上述研究，本文首先結(jié)合鳥羽微觀結(jié)構(gòu)和提花設(shè)計手法，開發(fā)了8款不同組織結(jié)構(gòu)的仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料；其次測試面料熱濕性能指標(biāo)如熱阻、保溫率、透濕率、透氣率和經(jīng)緯向芯吸高度，采用灰色近優(yōu)法計算各面料近優(yōu)度，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法探討各性能指標(biāo)和近優(yōu)度之間的關(guān)系，綜合評價并比較針織面料熱濕性能；最后基于男性下肢熱濕需求對各面料組織進(jìn)行功能性分區(qū)設(shè)計，為緊身滑雪保暖褲提供理論參考與建議。

1 面料開發(fā)

1.1 結(jié)構(gòu)仿生的啟發(fā)

羽毛作為鳥類天然保溫屏障覆蓋在體表，具有保暖、防水等功能，在仿生學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)仿生通過研究自然界生物體的非光滑表面或肌體構(gòu)造，構(gòu)建相似結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能性。Zhang等[10]觀察到飛鳥在高強(qiáng)度降水下能改變飛行方向，其羽毛作為一種移動式各向異性超疏水表面，可使液滴定向翻滾。Jo?o等[11]討論了羽毛纖維生物材料的顯微結(jié)構(gòu)特性，可作為抗沖擊保溫材料。

羽毛形態(tài)特征復(fù)雜，呈現(xiàn)多級分支結(jié)構(gòu)，主要包括羽軸及其兩側(cè)的羽片，如圖1所示[12]。羽枝在羽軸上相互平行整齊排列，按一定角度斜生相互勾連，形成羽片緊密凹槽形態(tài)；羽小枝平行整齊分布在羽枝兩側(cè)，末端雜亂交錯；羽枝軸橫截面與羽軸相似，均由空泡狀結(jié)構(gòu)組成，腔室相互緊密相連，有助于保暖和水分輸送。

圖1 羽毛微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.1 Microstructure images of feather. (a) Full plume(×200); (b) Plade (×582);(c) Pllets (×2 640); (d) Plume axis(×50);(e) Cross section of plume branch axis(×100);(f) Cross section of plume branch axis (×500)

1.2 設(shè)計方法

運(yùn)用SANTONITM28針SM8-TOP2無縫針織大圓機(jī)Photon設(shè)計軟件，一個方格顏色表示單個線圈狀態(tài)，具體組織結(jié)構(gòu)設(shè)計思路如下：按一定效果將紗線有選擇地在織針上墊紗編織成圈，為平針組織，即黑色方格；而不墊紗成圈的織針上紗線以背面浮線形式存在，連續(xù)幾個吊針路數(shù)不墊紗線編織形成拉長線圈，為提花組織，即非黑色方格，其會抽緊相連平針線圈，使針織物產(chǎn)生凹凸效應(yīng)，如圖2所示。在機(jī)器上編織完成的針織面料下機(jī)整理后，所編織的提花線圈將收縮拉緊平針線圈，造成織物表面凹凸肌理效果，形成交錯的立體空氣通道結(jié)構(gòu)。本文以羽毛微觀結(jié)構(gòu)為設(shè)計靈感，采用提花組織設(shè)計手法構(gòu)建仿羽軸、仿羽片、凹槽Ⅰ類、凹槽Ⅱ類、仿羽枝、仿羽小枝、空泡狀Ⅰ類、空泡狀Ⅱ類8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料，服務(wù)于冬季運(yùn)動服開發(fā)。

圖2 仿生鳥羽結(jié)構(gòu)面料編織工藝圖Fig.2 Organization diagram of bionic bird feather fabric.(a) Bionic feather axis; (b) Bionic feather sheet;(c)Groove-like type I;(d) Groove-like type Ⅱ;(e)Bionic plade; (f)Bionic pllets;(g) Hollow bubble-like I; (h) Hollow bubble-like Ⅱ

基于天然鳥羽微觀結(jié)構(gòu)特征，開發(fā)了8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料，織物表面形態(tài)效果如圖3所示。其中1#仿羽軸面料提花組織斜向排列呈現(xiàn)軸狀，拉伸平針組織形成羽片凹凸肌理；2#仿羽片面料橫向平行間隔排列路數(shù)不同的提花組織，構(gòu)造彎曲空氣傳輸通道；3#凹槽Ⅰ類和4#凹槽Ⅱ類面料橫向排列相同路數(shù)的提花組織，形似羽枝勾連；5#仿羽枝和6#仿羽小枝集中分布提花組織，兩側(cè)延伸出整齊條干；7#空泡狀Ⅰ類和8#空泡狀Ⅱ類面料排列橫向和縱向提花單元，拉長線圈牽引相連線圈，表面呈現(xiàn)類似羽軸橫截面凹陷孔洞。

圖3 仿生鳥羽結(jié)構(gòu)面料Fig.3 Bionic bird feather fabric. (a)Bionic feather axis;(b) Bionic feather sheet; (c)Groove-like type Ⅰ;(d) Groove-like type Ⅱ; (e)Bionic plade;(f)Bionic pllets; (g) Hollow bubble-like type Ⅰ;(h) Hollow bubble-like typeⅡ

1.3 開發(fā)面料規(guī)格

8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料具有相同的上機(jī)參數(shù)和紗線成分，在SM8-TOP2單面電子提花針織圓機(jī)上進(jìn)行織造，地紗為錦綸(30 dtex)包覆氨綸(20 dtex) 紗，面紗為雙股石墨烯錦綸(75 dtex)。開發(fā)面料基本規(guī)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 面料規(guī)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Fabric specifications and structural parameters

2 面料性能測試

2.1 測試方法

2.1.1 織物保暖性測定

參考GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，采用寧波紡織儀器廠YG606E型紡織品熱阻測試儀測定織物的熱阻值和保暖性。試樣面積為35 cm×35 cm。熱阻值反映織物隔熱特性，保溫率表示織物對熱量利用率，取3次測試結(jié)果的平均值。

2.1.2 織物透濕性能測定

參考GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發(fā)法》，采用深圳錫萊亞太拉斯有限公司M261型透濕性能測試儀測定織物透濕率。滑雪運(yùn)動時身體體能消耗產(chǎn)生大量汗液，汗水若在皮膚表面蒸發(fā)，易造成衣下微小氣候區(qū)處于高溫高濕狀態(tài)，如果織物透濕性不佳會降低穿著舒適感。

2.1.3 織物透氣性能測定

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用寧波紡織儀器廠YG461G型全自動透氣量儀測定織物的透氣率?；┍Ｅ澩笟庑詰?yīng)適當(dāng)大一些，能夠迅速將皮膚表面濕氣及汗水傳遞到外界環(huán)境，促進(jìn)衣下微氣候熱濕排出，以防人體感到悶熱不適。

2.1.4 織物吸濕性能測定

根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》，采用山東紡織研究院測控設(shè)備開發(fā)中心YG871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀測試織物的芯吸高度。沿橫縱向各剪取3塊面積為250 mm×30 mm的試樣，于27 ℃水溫條件下測量記錄30 min后液體上升高度，芯吸高度反映織物對液態(tài)水的吸收能力。

2.2 測試結(jié)果

8種面料的熱濕性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 面料性能測試結(jié)果Tab.2 Fabric performance test results

3 性能評價分析

3.1 灰色近優(yōu)模型的建立

因針織面料各測試性能指標(biāo)單位和意義不統(tǒng)一，單一指標(biāo)難以評價面料整體性能，需采用灰色近優(yōu)法對多個性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評價?；疑鼉?yōu)法依托灰色系統(tǒng)理論，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息等不確定問題的綜合評價方法，因計算量小且不考慮指標(biāo)的權(quán)重，在紡織服裝熱濕性能測試領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用灰色近優(yōu)模型進(jìn)行綜合評價一般分4個步驟。

步驟1：根據(jù)試樣及測試指標(biāo)建立灰矩陣Rn×m，見式(1)。

(1)

式中：Ci為第i個熱濕性能測試指標(biāo)名稱；灰元值Rij為第i個指標(biāo)第j種試樣的測試結(jié)果。

步驟2：需要錄入實際數(shù)據(jù)建立白化灰矩陣Xn×m,使矩陣中每個灰元值Rij轉(zhuǎn)換為白化灰元值Xij，見式(2)。

(2)

式中，Xij為第i個指標(biāo)第j種試樣的白化灰矩陣白化灰元值。

步驟3：由于各性能指標(biāo)單位和意義不同，多個性能評價指標(biāo)需統(tǒng)一化處理，才能更直觀地對比不同面料熱濕性能評價指標(biāo)的差異，因而將每個白化灰元值Xij映射到[0,1]，得到每個效果測度Fij，建立近優(yōu)白化灰矩陣Fn×m。若Xij屬于越大越優(yōu)、適中、越小越優(yōu)評價指標(biāo)，分別進(jìn)行上限、中限、下限效果測度，計算得到Fij，見式(3)～(5)。

越大越優(yōu)型指標(biāo)：

(3)

適中型指標(biāo)：

(4)

越小越優(yōu)型指標(biāo):

(5)

式中:umax為Xij所在i行中最大值；u0為Xij所在i行中最優(yōu)值；umin為Xij所在i行中最小值。

步驟4：代入近優(yōu)白化灰矩陣Fn×m中白化灰元值效果測度Fij，建立近優(yōu)度白化灰元行矩陣FS，得到各面料灰色近優(yōu)度，計算步驟如式(6)所示。

(6)

式中，Sj為第j塊面料的灰色近優(yōu)度，值越大代表面料測試性能綜合評價越優(yōu)。

3.2 灰色綜合評價

按照上述步驟建立灰色近優(yōu)模型，將8種仿生鳥羽面料的熱阻、保溫率、透氣率、透濕率、經(jīng)向芯吸高度、緯向芯吸高度熱濕性能測試數(shù)據(jù)代入式(3)～(5)，得到白化灰元值效果測度Fij，建立近優(yōu)白化灰矩陣F6×8。其中C1為熱阻，C2為保溫率，C3為透氣率，C4為透濕率，C5為縱向芯吸高度，C6為橫向芯吸高度。

將每個白化灰元值效果測度Fij代入式(6)計算得到各面料的綜合近優(yōu)度FS：

式中，Sj為第j塊面料的灰色近優(yōu)度。通過分析灰色近優(yōu)模型中的近優(yōu)度白化灰元矩陣，得到8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)面料的灰色近優(yōu)度，值越大代表面料性能綜合評價越好。總結(jié)不同仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料灰色近優(yōu)度由大到小排序為：6#、7#、8#、3#、5#、4#、1#、2#，其中6#仿羽小枝灰色近優(yōu)度最高，說明6#仿羽小枝面料測試性能綜合評價最好。根據(jù)8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)面料灰色近優(yōu)度計算結(jié)果可知：面料保暖性由優(yōu)到劣排序為6#仿羽小枝、5#仿羽枝、4#凹槽Ⅱ類、8#空泡狀Ⅱ類；面料透氣性由優(yōu)到劣排序為7#空泡狀Ⅰ類、8#空泡狀Ⅱ類、6#仿羽枝、1#仿羽軸；面料透濕性由優(yōu)到劣排序為2#仿羽片、7#空泡狀Ⅰ類、8#空泡狀Ⅱ類、5#仿羽枝；面料吸濕性由優(yōu)到劣排序為3#凹槽Ⅰ類、2#仿羽片、6#仿羽小枝、7#空泡狀Ⅰ類。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

采用灰色關(guān)聯(lián)法計算各性能指標(biāo)與灰色近優(yōu)度之間的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)一步分析得出面料測試指標(biāo)對灰色近優(yōu)度的影響程度。將1#～8#近優(yōu)度0.781、0.746、0.838、0.806、0.830、0.905、0.866、0.863作為母序列L0，子序列Li為第i個測試指標(biāo)m種面料性能測試結(jié)果。測試指標(biāo)分別為熱阻、保溫率、透氣率、透濕率、縱向芯吸高度、橫向芯吸高度，計算各性能指標(biāo)對于面料灰色近優(yōu)度的關(guān)聯(lián)度ri，求解過程如下：

1)無量綱均值化：

2)求差序列：

Vij=|lij-lj|

式中：Vij為第i個測試指標(biāo)第j種面料母子序列絕對差值；li為母序列L0中第j種面料灰色近優(yōu)度均值化數(shù)值。

3)求母子序列關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：Hij為i行子序列與母序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)；Wmin為Vij求差序列最小值；Wmax為Vij求差序列最大值；p為分辨系數(shù)，取值為0.5。

4)求母子序列關(guān)聯(lián)度ri：

式中，ri反映子序列Li與母序列L0的相關(guān)程度，值越大表示關(guān)系越密切。

通過灰色關(guān)聯(lián)法計算分析得到各性能指標(biāo)對近優(yōu)度L0的關(guān)聯(lián)度，從大到小排列為透濕率、保溫率、縱向芯吸高度、熱阻、橫向芯吸高度、透氣率，關(guān)聯(lián)度分別為0.800、0.755、0.619、0.618、0.576、0.545。其中透濕率、保溫率對整體性能評價影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.800、0.755；透氣率影響最小，關(guān)聯(lián)度為0.545。

3.4 仿生鳥羽組織滑雪褲分區(qū)設(shè)計

基于青年男性下肢不同區(qū)域熱濕生理需求，設(shè)計滑雪保暖褲功能性分區(qū)并局部織造8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)。運(yùn)動后男性體表局部溫度具有差異性[13]，下肢腹部、腳踝、后腰、膝蓋體表溫度較低，膝關(guān)節(jié)后側(cè)、小腿、襠部體表溫度較高。男性不同身體部位出汗分布也具有差異性，下肢后腰、小腿外側(cè)出汗率最高，其中：正面小腿內(nèi)側(cè)、腹部、大腿出汗率較高，背面后腰、大腿外側(cè)、臀部、小腿出汗率較高[14]。綜上，基于男性下肢熱濕生理需求，將緊身滑雪保暖褲劃分為3個功能區(qū)如圖4所示。其中：A區(qū)為防寒保暖區(qū)，B區(qū)為透氣對流區(qū)，C區(qū)為吸濕透濕區(qū)。

圖4 款式結(jié)構(gòu)分區(qū)Fig.4 Pattern Structure division. (a) Front side;(b) Back side

基于滑雪運(yùn)動項目特征，充分考慮仿生鳥羽結(jié)構(gòu)面料性能、人體熱濕需求、服裝舒適度等因素，在褲裝不同區(qū)域織造功能性組織結(jié)構(gòu)。A區(qū)腰腹部、膝蓋、腳踝等有防寒需求區(qū)域，可選熱阻、克羅值、保溫率最高的6#仿羽小枝、5#仿羽枝、4#凹槽Ⅱ類、8#空泡狀Ⅱ類面料，降低熱量傳遞速度，儲存織物微空間靜止空氣；B區(qū)腰側(cè)、臀部、大腿等有透氣需求區(qū)域，可選7#空泡狀Ⅰ類、8#空泡狀Ⅱ類、6#仿羽小枝、1#仿羽軸面料；C區(qū)后腰、小腿、襠部等有吸濕透濕需求區(qū)域，可選3#凹槽Ⅰ類、2#仿羽片、7#空泡狀Ⅰ類、 6#仿羽小枝面料，促進(jìn)空氣對流，幫助排汗散濕。

最后，通過分析仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料熱濕性能，綜合以往研究中男性下肢局部出汗率、體溫差異，針對功能性分區(qū)生理需求局部編織不同仿生鳥羽組織結(jié)構(gòu)，如圖5所示。本文設(shè)計的男性滑雪保暖褲功能性分區(qū)，充分考慮了滑雪運(yùn)動時人體局部出汗、溫度分布等特點，合理選取不同性能仿生鳥羽針織面料組織織造服裝的不同區(qū)域：A區(qū)防寒保暖區(qū)織造6#仿羽小枝組織，B區(qū)透氣對流區(qū)織造7#空泡狀Ⅰ類組織，C區(qū)吸濕透濕區(qū)織造3#凹槽Ⅰ類組織，為下肢局部身體部位提供更好的熱濕舒適性。

圖5 褲裝編織工藝圖Fig.5 Weaving process diagram of trouser suit

4 結(jié) 論

通過建立灰色近優(yōu)模型綜合評價8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料的熱濕性能，其中仿羽小枝面料灰色近優(yōu)度最大，說明面料性能綜合評價最好。進(jìn)一步運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法探究各性能指標(biāo)對灰色近優(yōu)度的影響，關(guān)聯(lián)度從大到小排序為透濕率、保溫率、縱向芯吸高度、熱阻、橫向芯吸高度、透氣率，其中透濕率、保溫率對面料灰色近優(yōu)度影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.800、0.755；透氣率對面料灰色近優(yōu)度影響程度最小，關(guān)聯(lián)度為0.545。

綜合分析并比較8種仿生鳥羽結(jié)構(gòu)針織面料熱濕性能，結(jié)合人體出汗圖譜和局部生理需求研究，為青年男性滑雪保暖褲不同區(qū)域組織織造提出科學(xué)指導(dǎo)與建議。仿羽小枝、仿羽枝、凹槽Ⅱ類面料保暖性優(yōu)異，適合腰腹部、膝蓋、腳踝等區(qū)域；空泡狀Ⅰ類、空泡狀Ⅱ類、仿羽小枝、仿羽軸面料透氣性優(yōu)異，適合腰側(cè)、臀部、大腿等區(qū)域；凹槽Ⅰ類、仿羽片、空泡狀Ⅰ類面料吸濕透濕性佳，適合后腰、小腿、襠部等區(qū)域。本文對高性能滑雪保暖褲的開發(fā)具有重要意義。