運動服用針織面料熱濕舒適性能評價

姚芳芹， 方麗英

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州，310018；2. 浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院，浙江 杭州 310018)

人體出汗后，汗液會以汽態(tài)(潛汗)和液態(tài)(顯汗)兩種形式排出[1]。當人體在靜止或是少量運動的情形下，汗液僅以汽態(tài)形式排出體外。當運動量較大或處于炎熱環(huán)境下，皮膚表面出現(xiàn)液態(tài)汗水，為避免人體出現(xiàn)不舒適的黏體感和濕冷感，服裝面料應(yīng)具備良好的吸附、轉(zhuǎn)移和散發(fā)汗液的能力[2]。隨著生活水平的不斷提高，消費者對運動服用面料的吸濕、透氣、排汗等功能性需求也在提升。

為了提高運動面料的熱濕舒適性能，鮑正壯等[3]測試了13種緯平彈力針織物的性能指標，運用改進灰色關(guān)聯(lián)度法分析織物吸濕速干性能，并對吸濕性、速干性較差的織物提出改進方法；汪世奎等[4]根據(jù)人體運動時各部位對熱濕舒適性能的不同需求，在不同部位配置適合人體熱濕和拉伸需求的新型面料，取得一定的效果。目前對面料的熱濕舒適性能研究主要側(cè)重于纖維材料的改性[5]、織物加工工藝優(yōu)化[6-7]以及對其吸濕性、導(dǎo)濕性等單項指標的研究[8]，而根據(jù)各項指標在熱濕舒適性能中的權(quán)重對面料進行綜合評價的較少，尤其是針對運動服用面料的研究相對空缺；另外不同季節(jié)環(huán)境下，影響面料熱濕舒適性能因素權(quán)重的大小會有差異[9]。因此，有必要在特定環(huán)境下(如高溫)對運動針織面料進行綜合分析。

目前，關(guān)于織物性能的綜合評價方法主要有模糊綜合評價、灰色近優(yōu)模型和灰色關(guān)聯(lián)度分析，但這3種方法在運用中有一定的局限性。模糊綜合評判適合評價因素多的對象系統(tǒng)，但評價過程中隸屬度、權(quán)重的確定都帶有較強的主觀性[10]；灰色近優(yōu)模型適用于影響因子多且難以確定權(quán)重的情形，但無法深入探究各指標對綜合性能的影響程度；灰色關(guān)聯(lián)度分析計算過程簡便，結(jié)果直觀，但計算關(guān)聯(lián)度時客觀性不足[11]；而灰色聚類和主成分分析法將定性分析和定量分析相結(jié)合，既可以排除主觀因素的影響，對已有的聚類結(jié)果進行交叉驗證，又可以探討各因素對面料熱濕舒適性能的影響程度。

基于此，文中選取20種運動服用針織面料為研究對象，測試其熱濕舒適性能指標，并通過灰色聚類和主成分分析法探討影響面料熱濕舒適性能的因素，獲得性能優(yōu)劣的比較排序,以期為開發(fā)和設(shè)計運動服用產(chǎn)品提供理論依據(jù)，并為消費者選購產(chǎn)品提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 選取10種寧波申洲針織有限公司研發(fā)的新型運動面料(1#，4#，6#，7#，9#，11#，13#，14#，18#，19#)和10種市場上常見的運動服用針織面料(2#，3#，5#，8#，10#，12#，15#，16#，17#，20#)，具體規(guī)格見表1。

表1 面料規(guī)格參數(shù)

1.1.2儀器 YG606D型平板式保溫儀，寧波紡織儀器廠制造；KES-F7接觸冷暖感測試儀，日本加多技術(shù)有限公司制造；FX3300型透氣性測試儀， 瑞士Textest公司制造；YG747型通風(fēng)式烘箱， 常州中纖檢測儀器設(shè)備有限公司制造；PW-5P-AT2自動吸水速度試驗機，日本株式會所大榮科學(xué)精器制作所制造；YG(B)216-II型織物透濕量儀，溫州大榮紡織儀器有限公司制造。

1.2 熱濕舒適性能測試

被測試樣均在標準環(huán)境[溫度(25±2) ℃，相對濕度(65±3) %]的恒溫恒濕室內(nèi)靜置24 h。

1.2.1面料保溫性能測試 參照GB 1048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》[12]，采用平板式保溫儀測試，每種面料取3個試樣，計算其保溫率、傳熱系數(shù)，取平均值。

1.2.2面料接觸涼感性能測試 根據(jù)GB/T 35263—2017《紡織品接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》[13]方法，采用接觸冷暖感測試儀測試試樣熱流量，在試樣的反面任選5個位置測試，取其平均值，計算接觸涼感系數(shù)。

1.2.3面料透氣性測試 參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》[14]，采用透氣性測試儀測試試樣的透氣率。同一試樣不同部位重復(fù)測定10次，取平均值。

1.2.4面料回潮率測試 根據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》[15]，采用通風(fēng)式烘箱烘干試樣，測試試樣的回潮率。

1.2.5面料導(dǎo)濕性測試 參照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應(yīng)試驗方法》[16]，采用自動吸水速度試驗機測試試樣的液體芯吸高度。每種面料取3個試樣，經(jīng)(緯) 向液體芯吸高度取其平均值。

1.2.6面料透濕性測試 參照GB/T 12704—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法》[17]，采用織物透濕量儀測試試樣的透濕量，每種面料取3個試樣，取其平均值。

2 熱濕舒適性能綜合評價

面料熱濕舒適性能測試結(jié)果見表2。

表2 面料熱濕舒適性能測試結(jié)果

2.1 灰色聚類分析

灰色聚類分析是一種以“少數(shù)據(jù)”“貧信息”的不確定系統(tǒng)為研究對象,適合小樣本分析且計算簡便的分析方法，可將熱濕舒適性能從好到差分為3個或3個以上的灰類[18-19]。文中采用灰色聚類分析法對20種面料進行熱濕舒適性能分類，將1#～20#面料記為聚類對象，保溫率N1、傳熱系數(shù)N2、接觸涼感系數(shù)N3、透氣率N4、回潮率N5、經(jīng)向芯吸高度N6、緯向芯吸高度N7、透濕量N8記為聚類指標，將面料的熱濕舒適性能分為好、中、差3檔，記為k1，k2，k3，即聚類灰數(shù)為s=3。

1)在灰色聚類分析中，所有因素都應(yīng)以正比關(guān)系計入，因此熱濕舒適性能指標保溫率以倒數(shù)的形式計入。

所有數(shù)據(jù)進行均值化無量綱處理，具體公式為

(1)

式中：i為聚類對象編號;j為聚類指標編號；dij為面料所測指標值；xij為均值化處理后的值。

2)定義聚類指標j對s個灰類(s=k1,k2,k3)的區(qū)間[11]，具體灰數(shù)白化區(qū)間見表3。

表3 灰數(shù)白化區(qū)間

3)定義聚類指標j不同灰類的白化權(quán)函數(shù)。

(2)

5)根據(jù)白化權(quán)數(shù)和權(quán)值，計算i對象屬于k灰類的灰色聚類系數(shù)

(3)

由計算得出的灰色聚類權(quán)系數(shù)構(gòu)造聚類系數(shù)矩陣

(4)

矩陣中每一列的最大值決定面料熱濕舒適性能評價所屬的灰類。

由式(4)可以看出，熱濕舒適性能評價處于“好”檔的面料有14#，15#，17#，18#，19#，20#；處于“中”檔的面料有1#，5#，6#，7#，8#，10#，11#，12#，13#，16#；處于“差”檔的面料有2#，3#，4#，9#。分析聚類結(jié)果可知，熱濕舒適性能處于“好”檔的面料主體是吸濕排汗纖維面料，在16#～20#吸濕排汗纖維面料中，17#，18#，19#，20#的熱濕舒適性能好，而16#熱濕舒適性能相對較差，這是由于16#面料的總密度最大(210圈/cm2)，厚度也較大(0.54 mm)，這些因素影響了面料的熱傳遞性能，從而導(dǎo)致熱濕舒適性能的下降。熱濕舒適性能處于“差”檔的面料主體是棉混紡面料，其中2#，3#，4#面料的厚度、面密度都很大。由此可以看出，厚度、面密度、總密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，對面料的熱濕舒適性能影響較大。

2.2 主成分分析

灰色聚類分析只是簡單的聚類，不能定量分析，且織物的性能在各指標下的表征各不相同，很難根據(jù)織物的某一項指標作出整體熱濕舒適性能綜合評價，因此需要通過主成分分析法對織物進行綜合評價，獲得影響因素的因子權(quán)重和各面料熱濕舒適性能的優(yōu)劣排序[18]。

2.2.1主要影響因素分析 由灰色聚類分析得知，面料的結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱濕舒適性能的影響較大，因此文中將面料厚度、面密度、總密度與傳熱系數(shù)、接觸涼感系數(shù)、透氣率等熱濕舒適性能參數(shù)共同作為指標進行主成分分析。經(jīng)KMO樣本測度檢驗，得到KMO值為0.730，大于0.5，說明樣本數(shù)據(jù)適合作因子分析。在SPSS軟件中利用主成分分析法提取因子，可得方差貢獻率、累計方差貢獻率、特征值和旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣，并通過計算得到特征向量，結(jié)果見表4～表6。

表4 總方差解釋

表5 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

表6 特征向量

由表4總方差解釋表可知，主成分Z1，Z2，Z3的方差貢獻率分別為46.708%，29.965%，7.724%，其累積方差貢獻率達到84.397%，故提取3個主成分。由表5可以看出，10個物理指標可以歸納為3個主成分：主成分1為濕傳遞因子，包括緯向芯吸高度、經(jīng)向芯吸高度、回潮率；主成分2為熱傳遞因子，包括厚度、傳熱系數(shù)、總密度、面密度、接觸涼感系數(shù)；主成分3為通透性因子，包括透氣率、透濕量。其中，濕傳遞因子對熱濕舒適性能影響最大，其次是熱傳遞因子和通透性因子。根據(jù)表6特征向量寫出主成分表達式：

Z1=0.426X1+0.407X2-0.364X3+0.361X4+
0.349X5-0.348X6+0.029X7-0.148X8
-0.245X9-0.254X10；
Z2=0.015X1-0.010X2+0.242X3+0.164X4+
0.258X5-0.198X6-0.522X7-0.491X8+
0.452X9+0.336X10；
Z3=0.328X1+0.438X2+0.042X3-0.549X4-
0.224X5-0.212X6-0.003X7+0.034X8-
0.157X9+0.527X10。

由主成分Z1，Z2，Z3按照方差貢獻率的比例可以推得

對指標系數(shù)進行歸一化處理得到指標權(quán)重，具體見表7。

表7 指標權(quán)重

由表7可以看出，影響面料熱濕舒適性能的因子權(quán)重從大到小依次為：經(jīng)向芯吸高度>透濕量=緯向芯吸高度>透氣率>總密度>傳熱系數(shù)>接觸涼感系數(shù)>厚度>面密度>回潮率。

2.2.2面料綜合比較排序 根據(jù)評價公式得到面料熱濕舒適性能分值，綜合分值如圖1所示，面料熱傳遞與濕傳遞分值如圖2所示。

由圖1可以得到面料熱濕舒適性能的得分排序：18#>20#>19#>15#>14#>17#>12#>13#>16#>11#>7#>8#>6#>5#>10#>1#>9#>2#>3#>4#。結(jié)果與灰色聚類分析相一致，由此驗證了該主成分評價模型的有效性。

圖1 面料熱濕舒適性能綜合得分 Fig.1 Score of thermal wet comfort of the fabric

圖2 20種面料的主成分得分Fig.2 Principal component score chart of 20 fabrics

由圖1可以看出，吸濕排汗纖維面料(16#～20#)的熱濕舒適性能得分最高，滌綸面料(11#～15#)其次，棉混紡面料(1#～5#)最差，可見原料對熱濕舒適性能影響較大。為了排除厚度、面密度、總密度的影響，選取以下結(jié)構(gòu)參數(shù)相近的面料進行比較分析，其熱濕舒適性能得分排序為：2#<5#<8#<11#<15#<18#,說明纖維原料為吸濕排汗纖維的面料熱濕舒適性能最好。究其原因，這兩類纖維材料為異形截面滌綸纖維，具有高表面積和溝槽，可以利用溝槽的毛細作用有效傳輸水汽，導(dǎo)濕、透濕、透氣能力都非常好。纖維原料為棉混紡的面料熱濕舒適性能較差，這是由于棉混紡面料回潮率較高，具有很好的吸濕能力，但導(dǎo)濕能力較差。

結(jié)合圖2，將20款面料按照濕傳遞、熱傳遞能力的大小進一步分類，分析結(jié)果如下：

1)14#,15#,18#,19#和20#為純滌綸網(wǎng)眼面料和吸濕排汗纖維面料，組織結(jié)構(gòu)均為網(wǎng)眼組織，濕傳遞能力非常強，熱傳遞能力較強，能有效地將人體大量運動后產(chǎn)生的熱量和濕氣傳遞到面料的外表面，保持皮膚表面和面料的干爽，適用于炎熱環(huán)境或是劇烈運動后容易大量出汗的場合，可用來制作吸濕速干服裝。其中，18#,19#,20#吸濕排汗纖維面料表現(xiàn)更為優(yōu)異，是吸濕速干運動服的首選材料。

2)11#,12#,13#,16#和17#為滌綸面料和吸濕排汗纖維面料，熱量和濕度傳遞能力都較強，能保持衣內(nèi)良好的換氣和干爽，適合制作普通運動服。其中，11#,13#,16#,17#的熱傳遞性能較為接近，得分在0左右，而12#的熱傳遞性能得分接近1，明顯優(yōu)于其他滌綸面料，且它的厚度、面密度在該類別中都是最小的。因此，可以通過降低面料厚度、面密度的方式提高其熱舒適性能。

3)1#,5#,6#,7#和10#為棉、棉混紡、丙綸/黏膠混紡和錦綸/氨綸混紡面料，濕傳遞能力一般，熱傳遞能力較好或一般，適用于制作運動休閑服。

4)8#和9#為錦綸/氨綸混紡面料，濕傳遞能力較差，但熱傳遞能力非常強，表面光滑涼爽，傳熱系數(shù)與接觸涼感系數(shù)都較高，且面料彈性較好，適用于夏季室內(nèi)健身且出汗量較小的場合，如用于制作瑜伽服。

5)2#,3#和4#為未經(jīng)過吸濕速干整理的棉混紡面料，熱傳遞和濕傳遞能力都較差。棉混紡面料的親膚性、吸濕性較好，但導(dǎo)濕、透濕性能不佳，容易使人體產(chǎn)生的汗液吸附在衣物上，難以及時排出，從而產(chǎn)生黏體感和濕冷感，影響服裝穿著的舒適性，因此2#和3#面料應(yīng)當避免選用。

3 結(jié)語

1)采用灰色聚類方法對運動服用針織面料的熱濕舒適性能進行分類，結(jié)果表明：厚度、面密度以及總密度對面料熱濕舒適性能有顯著影響。

2)將面料結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱濕舒適性能指標結(jié)合進行主成分分析，10個物理指標可歸納為3個主成分，分別為：濕傳遞、熱傳遞、通透性。其中，經(jīng)向芯吸高度、透濕量、緯向芯吸高度、透氣率對面料熱濕舒適性能影響更大。

3)通過對20種運動針織面料的熱濕舒適性能分析，將面料按照不同場合對熱濕性能的需求進行分類，可為企業(yè)設(shè)計和開發(fā)服裝以及消費者選購產(chǎn)品提供一定參考。