Development and performance evaluation of transversely woven thermal fabrics based on bionics

摘要： 為了研發(fā)具有出色熱濕性能的針織保暖面料，本文對三類蝴蝶鱗片進行分析，并利用SolidWorks軟件建立了幾何結(jié)構(gòu)的三維模型。根據(jù)模型特征，采用雙股13 tex×2羊絨紗線混錦綸熱熔絲開發(fā)出了三種仿蝴蝶鱗片表面陷光結(jié)構(gòu)針織面料。在此基礎(chǔ)上，對仿生結(jié)構(gòu)針織物的保暖性、透濕性和透氣性進行了測試，以全面評估其熱濕舒適性。其結(jié)果表明：以羊絨紗線為原料織造的蝶翅結(jié)構(gòu)仿生織物不僅熱濕舒適性能良好，且織造工藝簡潔高效，拓寬了從織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計方面開發(fā)功能紡織品的思路。

關(guān)鍵詞： 仿生設(shè)計;三維建模;陷光結(jié)構(gòu);編織工藝;間隔結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TS184.4

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1001-7003（2025）02期數(shù)-0029起始頁碼-07篇頁數(shù)

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2025.02期數(shù).004（篇序）

隨著科技水平的提升及仿生學(xué)研究的不斷深化，生物仿生領(lǐng)域日益引起廣泛關(guān)注。蝴蝶翅膀具有獨特的形狀和優(yōu)良的特性，是仿生學(xué)領(lǐng)域的重要研究對象，其所具有的3D微納米結(jié)構(gòu)形成了一種典型的非光滑表面^［1-2］，在材料、防偽、紡織、軍工、動力電池等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。1975年，Wasserthal^［3］發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀具備調(diào)節(jié)體溫的功能，蝶翼底部能夠積聚溫暖空氣，從而增加了其身體的熱量。這一原理是由于蝶翅表面存在微觀陷光結(jié)構(gòu)，也稱為光響應(yīng)結(jié)構(gòu)，能夠促進光熱轉(zhuǎn)換^［4-5］。隨后，陳永續(xù)等^［6］在對蝶翼進行了深度解析后，將蝶翼的表面結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能運用于各行各業(yè)，利用蝶翅的陷光結(jié)構(gòu)增加了對光線的吸收，降低了熱損失，增強了隔熱效果。

保暖針織服裝以其柔軟的觸感、良好的彈性、多樣的風(fēng)格、豐富的編織和色彩質(zhì)地，在服裝領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?？椢锏谋Ｅδ苁峭ㄟ^使織物獲得最大靜止空氣含量，阻止熱量散失，從而起到保溫作用，因此應(yīng)盡可能增加面料的空氣儲存量，提高其熱阻值^［7］。根據(jù)研究，蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)模型中的空心區(qū)域可以增加靜止空氣含量，因此可將這種特殊立體結(jié)構(gòu)用于單層針織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如王莉等^［8］成功設(shè)計出了3款具有優(yōu)良保暖效果的織物。

綜上所述，本文擬將這種中空區(qū)與針織三維間隔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過對保溫面料進行一系列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量舒適的設(shè)計，開發(fā)出兼具保溫、速干、吸濕等功能的雙層保暖紡織品，以滿足保暖需求。將蝶翅的陷光結(jié)構(gòu)融入針織編織過程，在設(shè)計中運用仿生元素的特性，從而對編織結(jié)構(gòu)進行革新，以提升織物的功能。

1"蝴蝶鱗片幾何結(jié)構(gòu)模型

本文選擇以碧鳳蝶、綠帶翠鳳蝶、琉璃蛺蝶為代表的蝴蝶蝶翅鱗片進行研究，對3種蝶翅表面形貌掃描，電鏡照片^［9-11］如圖1所示。

本文選擇3類典型的蝴蝶鱗片，Ⅰ鱗片的翅脈中有多行凹陷孔洞狀微翅脈結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示碧鳳蝶鱗片。這類鱗片殼層上脊脈與脊脈間的翅脈結(jié)構(gòu)，是由形似多個緊密排列蜂窩狀不均勻孔洞的微翅脈構(gòu)成^［10］，本文稱Ⅰ類結(jié)構(gòu)為蜂窩凹陷型結(jié)構(gòu)。

Ⅱ類鱗片脈中有凹凸?fàn)钗⒊崦}結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示部分綠帶翠鳳蝶鱗片前翅亮色^［12］。其結(jié)構(gòu)中部較寬，尖、根部較尖銳，單個鱗片長150～200 μm，中部最大寬度35 μm左右。鱗片分布不均勻，形狀規(guī)則鱗片游離緣多，呈2齒結(jié)構(gòu)鱗片分布彼此平行的縱隆脊。脊寬度為0.5 μm，兩條脊脈間的間距為1.78 μm，肋間距為1.54 μm。本文稱Ⅱ類結(jié)構(gòu)為條紋凹槽型^［13］。

Ⅲ類鱗片分布彼此平行的縱隆脊和橫向的肋條，如圖1（c）所示。琉璃蛺蝶的脊脈的布局相對密集^［14］，測得脊脈間的距離約為1.2 μm。琉璃蛺蝶單個的脊脈之間也存在凹槽的結(jié)構(gòu)，但琉璃蛺蝶只有一個凹槽垂直連接兩條脊脈。每一個凹槽寬約為0.6 μm，壁厚約為0.2 μm。本文稱Ⅲ類結(jié)構(gòu)為格柵凹坑型結(jié)構(gòu)^［15］。

為簡化織物開發(fā)，本文使用SolidWorks軟件對3類蝴蝶鱗片的幾何結(jié)構(gòu)進行三維建模^［16］，如圖2所示。圖2（a）為I類結(jié)構(gòu)三維模型，假設(shè)蜂窩的大小相等且間隔均勻，只提取緊密排列的矩形幾何結(jié)構(gòu)進行建模。圖2（b）為Ⅱ類蝶翅結(jié)構(gòu)三維模型，表面呈凹陷條狀矩形柱，中間層三棱柱為沿著脊脈方向橫貫的間隔凸起，三棱柱凸起頂端與條狀矩柱頂端平齊。為簡化模型，假設(shè)三棱柱凸起部位均勻排列且均全部橫貫間隔區(qū)。圖2（c）為Ⅲ類蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)三維模型，其中條狀矩形柱為縱向線形脊脈，沿著脊脈方向的橫貫間隔凹陷，且條狀矩形柱具有一定的寬度，與凹陷孔洞具有高低差，故模型簡化為梯形部位均勻排列，均橫貫間隔區(qū)。

2"仿生織物的設(shè)計與開發(fā)

2.1"織物原料

13 tex×2的織物表層采用羊絨紗線（恒源祥毛線有限公司）并襯入3股150 D熱熔線，使織物具有一定保暖性的同時增加表層支撐性;織物間隔層采用表層相同的16.7 tex羊絨紗線混抗菌錦綸高彈絲（恒科新材料有限公司），使織物具有良好的彈性、抗菌、導(dǎo)濕功能^［17］。

2.2"實驗設(shè)備

本文通過設(shè)計不同的織物結(jié)構(gòu)與連接方法^［18］，試織3類

仿蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)紋理的立體感織物。所設(shè)計的仿生織物式樣大小15 cm×20 cm，厚度約1.2 cm，采用GE-52C全電腦橫編織機（寧波慈星股份有限公司）進行試織，織物采用7號針，將織物主體分為表（3號紗嘴）、中（2號紗嘴）、底（4號紗嘴）層進行編織，預(yù)編織部分為1號紗嘴與7號。Ⅰ類蝶翅結(jié)構(gòu)為49支39轉(zhuǎn)，設(shè)置Ⅱ、Ⅲ類蝶翅結(jié)構(gòu)為50支66轉(zhuǎn)，并使用同種紗線編織緯平針單層織物Ⅳ作為對照組。

2.3"織物設(shè)計與開發(fā)

織物樣品的平方米質(zhì)量、厚度、橫密、縱密等規(guī)格參數(shù)，如表1所示。

在已有的研究中^［19-21］，以集圈形成交叉紗線為連接方式的緯編間隔織物上下層織物為單獨編織的組織，上下層的織物間距是由前、后針床的距離決定，存在一定限制，但以織物層連接的間隔織物擺脫了針床距離的限制，應(yīng)用更廣泛^［22］。

據(jù)現(xiàn)有編織雙羅紋間隔層的編織工藝^［23-25］，整理出Ⅰ類蝶翅結(jié)構(gòu)制版圖與編織工藝圖，如圖3所示。

由圖3（a）可見，前、后針床分別編織平紋表面層，機頭從左至右?guī)?號紗嘴于機床1隔1選針編織，編織時前后針板為針對針的針位。下一行進行空轉(zhuǎn)編織時不存在連續(xù)的集圈，直接編織。交錯編織6行后前、后針床進行四平編織完成預(yù)編織部分。

步驟1：如圖3（b）所示，第（1）～（5）行，后床編織前床空起2轉(zhuǎn)，前、后針床床編織1轉(zhuǎn)，后床脫梭編織。前、后針床1×1羅紋編織。通過調(diào)節(jié)行數(shù)來調(diào)節(jié)上表面層的寬度，前床帶動3號紗嘴編織織物表層、后床帶動4號紗嘴編織底層各1轉(zhuǎn)，往復(fù)3次后前床編織、后床空起編織5轉(zhuǎn)。

步驟2：第（6）行，偶數(shù)針前床集圈，奇數(shù)針后針床編織羅紋組織連接表層，此時機頭帶動2號紗嘴編織中間層。第（7）～（8）行，1隔3選針交錯編織5轉(zhuǎn);第（9）～（10）行，前床偶數(shù)針翻針至后針床，右移1針后翻針至前，編織2轉(zhuǎn)，完成表、底層編織。

以上為一個基本循環(huán)。

本文以Ⅰ類蝶翅結(jié)構(gòu)為例，對Ⅱ類蝶翅結(jié)構(gòu)編織工藝進行模擬，編織工藝圖如圖4所示。

步驟1：完成預(yù)編織與織物起針，與織物Ⅰ中的步驟1一樣。

步驟2：第（6）行，偶數(shù)針前床集圈，奇數(shù)針后針床編織羅紋組織連接表層，此時機頭帶動2號紗嘴編織中間層。第（7）～（8）行，由前針床2號針、后針床4號針位，1隔3選針交錯編織5轉(zhuǎn);第（9）～（10）行，由2號針位起，1隔3選針將后床線圈翻針至前針床，再前床編織;第（11）～（12）行，由3號針位起始1隔3選針將前床線圈翻針至后針床，再后床編織，至此中間層編織完成。

步驟3：第（13）～（14）行，前針床偶數(shù)針1隔1選針編織2轉(zhuǎn);第（15）～（18）行，將奇數(shù)針由后床翻針至前床，后床偶數(shù)針1隔1選針編織2轉(zhuǎn)，將奇數(shù)針翻至后床后重復(fù)編織3次步驟;第（19）～（20）行，將前床偶數(shù)針翻針至后并左移1針，前、后針床編織兩轉(zhuǎn)后完成表層與底層的編織。

步驟4：完成第（6）～（20）行若干基本循環(huán)后，如第（21）行，前床偶數(shù)針翻針至后針床，右移1針后翻針至前，編織2轉(zhuǎn)，完成表、底層編織。

以上為一個基本循環(huán)。

Ⅲ類蝶翅結(jié)構(gòu)編織工藝即在Ⅱ類編織基礎(chǔ)上進行改進，表面形成格柵凹坑型結(jié)構(gòu)，編織圖如圖5所示。

編織步驟：第（1）～（8）行與Ⅱ類蝶翅結(jié)構(gòu)編織基本循環(huán)結(jié)構(gòu)相似，編織完成第一個三維間隔結(jié)構(gòu)。為區(qū)別梯形上、底邊特征，將Ⅱ類蝶翅結(jié)構(gòu)第（10）行編織工藝調(diào)整為奇數(shù)針參與編織，由3號針位起，1隔3選針將前床線圈翻到后床，再后床編織，5號針位起，1隔3選針將后床線圈翻到前床后前床編織，完成第一個中間層與表、底層的連接;后循環(huán)3次編織第（12）～（19）行，即第二個間隔結(jié)構(gòu)表、底層的編織;以上為一個基本循環(huán)，通過調(diào)整循環(huán)次數(shù)控制織物長度。

至第（20）行，后床編織1行，將后床線圈翻針至前，再編織，前床單面編織若干行后脫梭編織，將前床線圈脫落，完成Ⅲ類蝶翅結(jié)構(gòu)織物。

經(jīng)過試織后發(fā)現(xiàn)，由于間隔層為雙層，而單層羅紋易折彎沒有支撐性，無法支撐原本的間隔結(jié)構(gòu)，不能滿足結(jié)構(gòu)要求^［26］。因此，在織物的表、底層面料上襯入熱熔絲來加強支撐性，整燙效果非常好，整體的間隔層厚度均勻且牢固。在表層襯入紗線的編織方法如圖6所示。

首先，在前后針床輪流編織平針組織。其次，在前后針床織入熱熔線，為了避免熱熔絲過長，選擇一定間隔在織針上做集圈處理。最后步驟一、步驟二交替進行編織，達到要求高度。

由圖7可見，Ⅰ類蝶翅結(jié)構(gòu)織物仿碧鳳蝶的直棱紋和凹孔微翅脈構(gòu)造，使得織物表面平整，間隔層具有均勻的矩形組織;Ⅱ類條紋凹槽型結(jié)構(gòu)仿綠帶翠鳳蝶翅所具有的線性棱紋，具有等間距的矩形面狀突起和凹陷條紋，間隔層為交錯三角形的空間結(jié)構(gòu);Ⅲ類格柵凹坑型織物仿照琉璃蛺蝶鱗片的微翅脈結(jié)構(gòu)，表面凹陷條紋寬度更寬，使間隔層形成梯形結(jié)構(gòu)交錯排列。

3"仿生織物保暖導(dǎo)濕性能分析

3.1"針織物保暖性分析

織物的保暖性用熱阻、克羅值、傳熱系數(shù)和保溫率4個指標(biāo)來衡量^［27］，參照GB/T 11048—2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和溫阻的測定》，采用YG606D型紡織品平板式織物保溫儀（寧波紡織儀器廠）測試織物的保暖性能。設(shè)置熱板溫度為36 ℃，取3種織物規(guī)格15 cm×15 cm大小的試樣進行測試，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，3種仿生織物的保暖性由高至低排序為Ⅲgt;Ⅱgt;Ⅰ。Ⅲ類格柵凹坑型蝶翅結(jié)構(gòu)仿生織物的保暖性能最好，Ⅰ類蜂窩結(jié)構(gòu)仿生織物的保暖性相較最低。3類織物與同材質(zhì)單層面料Ⅳ相比，保溫率均較高、保暖性能均有明顯提高?？椢锏谋Ｅ阅芘c織物厚度有一定關(guān)系，但基于蝶翅陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿生織物Ⅱ、Ⅲ表面有凹陷結(jié)構(gòu)能夠進行熱量轉(zhuǎn)化，且背面形成間隔空間可承載更多的靜止空氣，所以即便厚度較小，但其保暖性卻更好。同時表面凹陷結(jié)構(gòu)與皮膚之間亦形成了細微空間層，能夠存儲通過皮膚向外流失的部分暖氣，從而進一步提高了織物的保暖性能^［8］。

3.2"針織物透濕性分析

織物透濕性指紡織面料轉(zhuǎn)移身體自然排出水汽到外部環(huán)境的能力^［28］。

參照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》，使用YG601H電腦型織物透濕儀（寧波紡織儀器廠）測試織物的透濕性能。取每塊織物3塊直徑為80 mm的試樣，測試前試樣與水在恒溫恒濕室平衡12 h。仿生織物透濕性測試平均值如表3所示，可見仿生織物的透濕性能排序為Ⅳgt;Ⅰgt;Ⅲgt;Ⅱ。因間隔織物為雙層立體織物，其透濕性與單層織物相比較差，故單層織物Ⅳ的透濕性最佳，但與3類仿生織物測試結(jié)果差距并不顯著。而Ⅰ類織物的蜂窩結(jié)構(gòu)仿生織物的透濕性之所以優(yōu)于Ⅱ、Ⅲ的條紋凹槽型、柵凹坑型蝶翅結(jié)構(gòu)仿生織物，是因為Ⅰ類的蜂窩凹槽型織物重疊率低，更易透過水蒸氣。Ⅲ類織物相較于Ⅱ類織物，增加凹槽寬度，增加保暖性的同時提高了透濕性能。

3.3"針織物吸濕性分析

參照GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕速干性的評定第2部分：動態(tài)水分傳遞法》，使用液態(tài)水分管理測試儀（MMT）測試面料導(dǎo)濕性能。裁剪10 cm×10 cm規(guī)格織物樣品，放置至少24 h后，于環(huán)境溫度21.6 ℃、環(huán)境相對濕度622%的條件下利用液態(tài)水分管理儀加壓時間20 s、加液量0.22 g、導(dǎo)電率16 ms測量三類織物的動態(tài)水分傳遞性能，剔除異常值后計算各數(shù)據(jù)的平均值，如表4所示。

由表4可知，織物累計單向傳輸指數(shù)R由大到小排序為Ⅲgt;Ⅰgt;Ⅱgt;Ⅳ，三類織物吸濕性能差距較小，但皆優(yōu)于單層織物Ⅳ?？椢铫虮?、底層浸濕時間最短，吸水速率低，單向傳遞指數(shù)R最小，吸濕性較差。織物Ⅲ雖浸濕時間相對較長，但吸水速率最快，單向傳遞指數(shù)R最大。說明Ⅲ類柵凹坑型蝶

翅結(jié)構(gòu)仿生織物表層間隔排列的凹坑型結(jié)構(gòu)，其梯形間隔層形成的導(dǎo)濕排汗系統(tǒng)效能最優(yōu)，這種雙層織物能使水分有效通過^［29］，可加快汗液的傳導(dǎo)與蒸發(fā)。

4"結(jié)"論

本文選取了3種不同類型的蝶翼作為研究對象，通過SolidWorks建立其幾何構(gòu)型的3D模型，并在此基礎(chǔ)上進行了3種不同類型的仿生間隔結(jié)構(gòu)的設(shè)計。同時，對這些結(jié)構(gòu)進行了熱濕舒適性方面的研究與評估。最終得出以下結(jié)論：

1） 3種仿生織物的保暖性能從高到低依次為Ⅲ（格柵凹坑型蝶翅結(jié)構(gòu)）、Ⅱ（蝶翅陷光結(jié)構(gòu)）和Ⅰ（蜂窩結(jié)構(gòu)）?？椢铫?、Ⅲ厚度小于織物Ⅰ，但表面凹坑結(jié)構(gòu)和間隔空間的設(shè)計，具備更優(yōu)的保暖性能。總的來看，這三類仿生織物的保暖性能均優(yōu)于單層面料，其保溫率都在45%以上。

2） 3種仿生織物的透濕性能從高到低依次為Ⅰ、Ⅲ和Ⅱ。織物Ⅰ透濕性最優(yōu)，但保溫率僅48.89%，織物Ⅲ相較于織物Ⅱ，增加了凹槽寬度，在提高保暖性的同時也提升了透濕性能，其測試結(jié)果與Ⅰ類透濕性相差較小，但保溫率卻達62.27%。因此，Ⅲ類織物保暖效果，透濕性能優(yōu)良。

3） 織物Ⅲ的R值最大，表明其凹坑型結(jié)構(gòu)的梯形間隔層形成了最有效的導(dǎo)濕排汗系統(tǒng)，能夠加速吸水速率、織物內(nèi)水分傳導(dǎo)與蒸發(fā)，提高排汗效能。既有良好的保溫隔熱效果，又具備吸濕、透氣、吸能、緩沖等特性，能夠滿足各種應(yīng)用場合對功能性紡織品的要求。

4） 利用電腦橫機一次成形的特性，成功研制出3種新型的3D間隔織物。這些織物內(nèi)部包含了大量靜態(tài)氣體，有效解決了傳統(tǒng)保暖織物厚重、悶熱及編織過程煩瑣等問題。因此，它們非常適合于保暖針織制品。

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Development and performance evaluation of transversely woven thermal fabrics based on bionics

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

LIU Mengjie^a， LU Lisha^b， JIANG Xuewei^a，c， SHA Sha^b

（a.School of Fashion; b.Institute of Design Innovation and Fiber Science; c.Garment Digital Engineering Technology Research Center，Wuhan Textile University， Wuhan 430070， China）

Abstract：

With the in-depth research of bionics， the unique structure and function of butterfly wings have been extensively studied and applied across various fields. This study aims to develop a bionic thermal knitted fabric with excellent thermal and moisture performance. By analyzing the structure of butterfly scales and establishing a three-dimensional model， a new thermal fabric is designed to enhance its thermal comfort and moisture management.

The scales of the Papilio polytes， Papilio memnon， and Morphos are selected to create three-dimensional geometric models using the software of SolidWorks. Based on existing interval fabric weaving processes， three fabric structure formation diagrams and corresponding weaving techniques are developed. The straight ridge and groove structures of the butterfly create a smooth fabric surface， while the spacer features a uniform rectangular organization. The surface of the stripe groove structure exhibits equidistant straight bulges and ripples， and the base of the green butterfly showcases linear ridges， wing veins， and wave-like microtextures. The rising height remains consistent， with needle-like textures on the fabric surface and triangular spacing between the fabrics. The glass butterfly scale structure consists of trapezoidal elevations and depressions， contributing to the overall performance of the knitted fabric. Three types of knitted fabrics mimicking butterfly scale structures are developed using double cashmere yarn blended with nylon hot fuse. The thermal comfort and moisture management of the fabric are comprehensively evaluated through tests for warmth， moisture permeability， and air permeability.

The innovation of this study lies in integrating the trapping structure of butterfly wings into the knitting process， thereby transforming the weaving structure of interval fabrics and enhancing their functionality. Additionally， the incorporation of hot fuse into the surface layer of the fabric improves support， ensuring that the spacer thickness remains uniform and firm， addressing the issues of heaviness and stuffiness commonly associated with traditional thermal fabrics.

Results indicate that the thermal performance of the bionic fabric ranks from high to low as follows： Ⅲ （grille pit type）gt;Ⅱ （stripe groove type）gt;Ⅰ （honeycomb depression type）. The moisture permeability performance is ranked Ⅰgt;Ⅲgt;Ⅱ， while hygroscopic performance is the optimal in type III fabrics. The thermal performance of these bionic fabrics surpasses that of single-layer fabrics， demonstrating good moisture transmission and absorption， thus meeting the requirements for functional textiles.

Future research may further optimize the fabric structure and enhance its adaptability under various environmental conditions. Moreover， the potential applications of these bionic fabrics could be explored in more fields， such as outdoor sports equipment and healthcare products， to fully leverage their excellent thermal and moisture properties. Additionally， sustainability in material usage could be a focal point. For example， environmentally friendly materials could be utilized to achieve green production. Through these efforts， bionic thermal fabrics are expected to play a more significant role in the textile industry.

Key words：

bionic design; 3D modeling; light trapping structure; weaving process; interval structure