緯編成形護(hù)膝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其熱濕舒適性

王予濤, 叢洪蓮, 顧洪陽

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

近年來,人們健康意識(shí)的提高和全民健身運(yùn)動(dòng)浪潮的高漲推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)類紡織品的發(fā)展。目前市場(chǎng)上輕運(yùn)動(dòng)類針織護(hù)膝較為普及,其原料主要有滌綸低彈絲(DTY)、錦綸等,且組織結(jié)構(gòu)大都為羅紋組織,熱濕功能分區(qū)較為簡單,或是分區(qū)區(qū)域較為模糊,這類護(hù)膝不能較好地滿足消費(fèi)者在日常運(yùn)動(dòng)中的熱濕舒適性需求。為提高護(hù)膝的穿著舒適度與防護(hù)性能,熊燕[1]制備了無捻紗/空芯紗用于編織護(hù)膝;龐欣[2]選用氨綸彈性包覆紗為原料提高護(hù)膝壓力,研發(fā)了高彈運(yùn)動(dòng)針織護(hù)膝,并通過對(duì)護(hù)膝的壓力梯度進(jìn)行研究得出其自下而上遞增的規(guī)律;匡麗贅等[3]在橫機(jī)上設(shè)計(jì)開發(fā)了袋狀空氣層護(hù)膝,利用空氣層結(jié)構(gòu)的特殊性通過對(duì)護(hù)膝填充物質(zhì)來提高護(hù)膝的防護(hù)性能。目前護(hù)膝產(chǎn)品的開發(fā)大都是通過研究原材料來提升其防護(hù)性和舒適性,但是對(duì)護(hù)膝的功能分區(qū)研究較少。無縫圓緯機(jī)可編織不同組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)護(hù)膝功能區(qū)域的劃分,以提高人體在運(yùn)動(dòng)中的舒適性,如王偉榮等[4]從圍度尺寸和縱向結(jié)構(gòu)方面對(duì)緯編無縫瑜伽褲進(jìn)行分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),針對(duì)不同拉伸度對(duì)瑜伽褲劃分,調(diào)節(jié)不同區(qū)域壓力來提高瑜伽運(yùn)動(dòng)的舒適性;馮杏清等[5]基于女性特征結(jié)合熱濕及形態(tài)特征,有針對(duì)性地對(duì)緯編無縫運(yùn)動(dòng)服進(jìn)行區(qū)域性分區(qū)設(shè)計(jì);吳志明等[6]基于舒適性的運(yùn)動(dòng)胸衣分區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行劃分,使得穿著胸衣運(yùn)動(dòng)時(shí)更好地貼合人體。目前對(duì)護(hù)膝進(jìn)行的研究方向主要集中在穿戴舒適性、防護(hù)性、壓力等方面,而對(duì)熱濕舒適性、功能分區(qū)設(shè)計(jì)等研究鮮有報(bào)道,因此對(duì)緯編成形護(hù)膝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其熱濕性能研究具有重要意義。

本文通過分析下肢結(jié)構(gòu)特征和熱濕分布特征,結(jié)合熱濕需求對(duì)護(hù)膝進(jìn)行熱濕分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選用150 dtex(96 f)滌綸DTY、75 dtex(288 f)×2滌綸DTY和1 120 dtex橡筋紗原料,制備了14種具有單向?qū)裥阅艿慕M織樣品,并進(jìn)行水分管理測(cè)試和透氣性測(cè)試。然后結(jié)合腿部特征對(duì)護(hù)膝進(jìn)行分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并選用匹配熱濕分區(qū)的組織結(jié)構(gòu)編織出緯編成形護(hù)膝,以期為緯編成形護(hù)膝的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考,使其滿足穿戴者在日常運(yùn)動(dòng)中的穿著需求。

1 人體腿部特征

1.1 腿部形態(tài)特征

腿部作為肌肉較發(fā)達(dá)的部位,主要由大腿、膝蓋、小腿構(gòu)成,圍度變化與肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān),可分為大腿中圍區(qū)、膝蓋區(qū)、膝下區(qū)3個(gè)部分。圖1為腿部形態(tài)特征網(wǎng)格線劃分示意圖,將大腿圍8等分,按膝上圍線和膝下圍線作為2條劃分線,將大腿中圍至小腿中圍的區(qū)域劃分多個(gè)區(qū)域。

圖1 腿部形態(tài)特征網(wǎng)格線劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid line division of leg morphological features

1.2 腿部熱濕特征

根據(jù)人體下肢出汗情況分布特點(diǎn)[7],對(duì)腿部熱濕特征分區(qū),如圖2所示。人體內(nèi)的脂肪被消耗時(shí),會(huì)釋放熱量,同時(shí)肌肉的活動(dòng)也會(huì)刺激汗腺產(chǎn)生熱量。在下肢中,膝蓋上部和下部被肌肉包裹,在運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)這些肌肉做功,同時(shí)消耗部分存儲(chǔ)脂肪而釋放出較多熱量[8-10]。腘窩處脂肪多且摩擦頻繁更易產(chǎn)生熱量,而膝蓋處肌肉較少,在運(yùn)動(dòng)時(shí)不易發(fā)熱出汗,因此可根據(jù)腿部的熱濕特征來對(duì)護(hù)膝的熱濕功能進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。

圖2 腿部熱濕特征分區(qū)圖Fig.2 Partition map of leg heat and moisture characteristics

2 護(hù)膝面料性能研究

2.1 樣品制備

滌綸DTY是護(hù)膝常用原料之一,不僅可制備單向?qū)竦目椢?還能滿足護(hù)膝的拉伸要求。本文在針數(shù)為288的ZY550HS全自動(dòng)高速電腦圓緯機(jī)(三功位進(jìn)行組織編織)上,使用線密度分別為 75 dtex(288 f)×2、150 dtex(96 f)的滌綸DTY,根據(jù)潤濕梯原理[11-13]制備樣本。另外選用 1 120 dtex 橡筋紗增加護(hù)膝的厚度和彈力,其中橡筋紗以襯緯組織編織到織物中(見圖3),使織物的橫列方向周期襯入不成圈的緯紗,使其具有良好的橫向彈性。

圖3 橡筋紗編織示意圖Fig.3 Schematic diagram of rubber yarn weaving

針織護(hù)膝的組織主要有集圈組織、羅紋組織、仿羅紋組織、網(wǎng)眼組織等,不同組織結(jié)構(gòu)的織物其外觀特點(diǎn)、性能也不同,選擇常用的14種組織結(jié)構(gòu):羅紋組織(1#、2#、3#)、網(wǎng)眼組織(4#、5#、6#)、仿羅紋組織(7#、 8#、9#)、集圈組織(10#、11#、12#)、復(fù)合組織(13#、 14#)。使用無縫圓緯機(jī),通過自帶軟件選取上下針出針方式,形成集圈、浮線和成圈,通過組合搭配形成不同的組織。并在雙面電腦提花機(jī)上編織樣布,而后對(duì)這些樣品進(jìn)行整理熨燙后測(cè)試其基本參數(shù),表1示出織物樣品規(guī)格參數(shù)。

表1 織物樣品規(guī)格參數(shù)Tab.1 Parameters of fabric samples

2.2 織物性能測(cè)試與分析

2.2.1 透氣性

參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,通過YG461E-Ⅲ型電腦式透氣儀測(cè)試織物的透氣性能,壓降為100 Pa,樣品面積為 20 cm2, 對(duì)14種織物分別進(jìn)行3次測(cè)試,取其平均值。

織物透氣性與吸濕排汗性有關(guān),透氣性越好,越有利于汗液排出皮膚表面,從而保持皮膚表面干爽,減少織物與皮膚間的黏滯阻力。圖4示出14種織物樣品的透氣率測(cè)試結(jié)果?？芍?網(wǎng)眼組織和集圈組織的透氣性相差約80 mm/s,比羅紋組織的透氣性高出26.7%。網(wǎng)眼組織織物表面的小孔洞有利于空氣流通,而有集圈和浮線結(jié)合的復(fù)合組織由于集圈與成圈的相互拉扯,導(dǎo)致浮線無法形成規(guī)則的孔洞,所以按透氣性能強(qiáng)弱依次為:網(wǎng)眼組織、集圈組織、仿羅紋組織、羅紋組織、復(fù)合組織。

圖4 織物透氣率對(duì)比圖Fig.4 Contrast diagram of fabric permeability

2.2.2 水分管理性能

使用液態(tài)水分管理系統(tǒng)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試,首先使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的氯化鈉溶液來模擬人體分泌的汗液,通過輸液管將玻璃瓶蓋與測(cè)試儀器的接觸頭連接,然后將織物放置于具有多個(gè)探頭的圓臺(tái)之中,上部的探頭接觸織物內(nèi)層,下部的探頭接觸織物外層。在開始實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間后,0.2 g液體均勻滴在織物的內(nèi)層,模擬汗水會(huì)被織物吸收后擴(kuò)散,探針會(huì)測(cè)試不同環(huán)之間的電阻。電阻的變化表示液體在織物中的吸收和擴(kuò)散,從而進(jìn)一步判斷織物吸收和擴(kuò)散汗水的能力。圖5示出14種織物液態(tài)水分管理性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 不同組織織物的液態(tài)水分管理性能對(duì)比Fig.5 Comparison of liquid water content management performance of different weave fabrics.(a) Rib weave; (b) Mesh weave; (c) Ribbed weave; (d) Tuck stitch; (e) Composite weave

滲透面浸潤時(shí)間、滲透面吸水速率以及單向傳遞指數(shù)是表征織物吸濕排汗性能的3個(gè)指標(biāo),通過對(duì)液態(tài)水傳遞綜合指數(shù)中的權(quán)重比例分配對(duì)織物樣品進(jìn)行綜合評(píng)級(jí),其中滲透面浸潤時(shí)間評(píng)級(jí)權(quán)重占25%,滲透面吸水速率評(píng)級(jí)權(quán)重占25%,單向傳遞指數(shù)評(píng)級(jí)權(quán)重占50%。若3個(gè)指標(biāo)中有1個(gè)小于3級(jí)則為不合格,綜合評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?羅紋組織樣品和復(fù)合組織樣品的評(píng)級(jí)較低,其中羅紋比網(wǎng)眼組織樣品評(píng)級(jí)低了0.75級(jí),比仿羅紋組織樣品低了0.33級(jí),網(wǎng)眼組織樣品與集圈組織樣品評(píng)級(jí)較為接近,二者都具有較好的水分管理性能。網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)織物的吸濕排汗性能大于其它結(jié)構(gòu)織物,網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)中的小孔更有利于水分的排出,并且與相隔的成圈在表面形成凹凸形狀,有利于汗液在表面蒸發(fā)。仿羅紋組織和集圈組織織物的吸濕排汗性能接近,但是集圈組織織物中表面線圈更易將水分傳遞出外界,而且不易松散,更適合護(hù)膝的功能。復(fù)合組織織物的吸濕排汗性相對(duì)于其它織物較差,多種線圈的組合會(huì)使線圈拉扯變形而孔隙變小,從而導(dǎo)致水分不易通過;而羅紋織物正反均勻,有利于水分流暢通過,具有良好的熱濕性能。綜上分析,網(wǎng)眼組織和集圈組織的水分管理性能較為優(yōu)異,仿羅紋組織、羅紋組織、復(fù)合組織次之。

表2 綜合評(píng)級(jí)Tab.2 Comprehensive rating 級(jí)

3 緯編成形護(hù)膝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使護(hù)膝具有良好的熱濕舒適性,對(duì)緯編成形護(hù)膝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。參考表3護(hù)膝尺碼,以L號(hào)為例進(jìn)行護(hù)膝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 常見市售護(hù)膝尺碼Tab.3 Market common knee pad size cm

緯編成形護(hù)膝原型如圖6所示。上腿圍在膝蓋向上17 cm,下腿圍則在膝蓋向下15 cm處,膝蓋橫向位置定于其中間,結(jié)合腿部形態(tài)[14],使腘窩長度低于膝蓋使護(hù)膝能有彎曲角度。通過橫密和編織針數(shù)的關(guān)系可控制護(hù)膝圍度,反之也可推算組織的編織針數(shù)。

單位:cm。圖6 緯編成形護(hù)膝原型Fig.6 Prototype knee pad woven with weft

3.2 分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1中的腿部結(jié)構(gòu)特征,將緯編成形護(hù)膝原型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分,再結(jié)合腿部熱濕特征對(duì)原型進(jìn)行分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖7緯編成形護(hù)膝分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所示,將護(hù)膝結(jié)構(gòu)分為高、中、低密度熱濕區(qū)域(顏色由深至淺分別表示高、中、低密度)。

圖7 緯編成形護(hù)膝分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Partition structure design of weft woven knee pad

根據(jù)熱濕性能測(cè)試結(jié)果,對(duì)各類組織結(jié)構(gòu)按適用的熱濕區(qū)域進(jìn)行分類,結(jié)果如表4所示。

表4 組織結(jié)構(gòu)的熱濕區(qū)域分類Tab.4 List of organizational structure categories

從羅紋、網(wǎng)眼、集圈組織中分別選取1#、4#、10#性能相對(duì)優(yōu)異的組織進(jìn)行組合搭配來編織緯編成形護(hù)膝。對(duì)設(shè)計(jì)的緯編成形護(hù)膝進(jìn)行虛擬仿真,圖8示出緯編成形護(hù)膝仿真結(jié)果。

圖8 緯編成形護(hù)膝仿真圖Fig.8 Simulation diagram knee pad woven with weft

3.3 上機(jī)編織與性能對(duì)比

下機(jī)后不同組織結(jié)構(gòu)面料的橫縱密和橫向長度影響護(hù)膝的圍度,假設(shè)M1處有A組織和B組織,編織長度分別為L和K,橫密分別為Q縱行/cm和P縱行/cm,1個(gè)線圈長度即為機(jī)器1針編織橫向長度(橫密會(huì)影響線圈寬度),M1處橫向編織長度為L+K, 總針數(shù)為QL+PK。通過在M1處逐漸增加或減少A組織和B組織的編織針數(shù),控制尺寸差異。其中工藝設(shè)計(jì)時(shí)在M2與M3的區(qū)域控制增大編織密度,增加膝蓋部位彎曲角度,更符合人體工學(xué)。編織完成后將筒套裁剪下來,經(jīng)過熨燙、包邊、裁剪等工藝,得到如圖9所示的緯編成形護(hù)膝。

圖9 緯編成形護(hù)膝實(shí)物圖Fig.9 Physical picture of knee pad woven with weft

圖10示出市售針織護(hù)膝樣品,結(jié)構(gòu)為羅紋組織,原料為150 dtex(50 f)錦綸和150 dtex(50 f)滌綸DTY,乳膠橡筋紗以襯緯組織的形式編入其中。選取體育專業(yè)學(xué)生分別穿戴緯編成形護(hù)膝和市售針織護(hù)膝慢跑20 min。

圖10 市售針織護(hù)膝Fig.10 Commercial knit knee pad

使用FLUKE熱像儀記錄運(yùn)動(dòng) 20 min 和休息 20 min 后的腿部熱成像,另外使用熱濕傳感器記錄腿部熱濕變化,分別對(duì)其進(jìn)行3次測(cè)試后取均值。圖11(a) 示出穿戴緯編成形護(hù)膝運(yùn)動(dòng)與休息后的熱成像圖片。在運(yùn)動(dòng)完后腿部熱量大,體表排出大量汗液,此時(shí)腿部溫度較高,休息20 min后汗液通過線圈結(jié)構(gòu)排出到外界,再由空氣帶走水分達(dá)到冷卻效果,從而使整體溫度較快下降。圖11(b)為穿戴市售針織護(hù)膝運(yùn)動(dòng)前后熱成像圖片,同樣運(yùn)動(dòng)完后腿部溫度較高,但由于線圈緊密,材質(zhì)較為厚實(shí)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中汗液不能及時(shí)排出,所以對(duì)比緯編成形護(hù)膝溫度略高,休息20 min后溫度有所降低,但是相比緯編成形護(hù)膝降溫速度較慢,散熱能力較差。

圖11 穿戴不同護(hù)膝運(yùn)動(dòng)前后的熱成像圖片F(xiàn)ig.11 Thermal imaging pictures before and after wearing different knee pads.(a) Knee pads woven with weft; (b) Commercial knit knee pads

圖12示出穿戴緯編成形護(hù)膝和市售針織護(hù)膝后腿部表面溫濕度變化曲線。可以看出:在25 min附近時(shí),緯編成形護(hù)膝達(dá)到最大濕度,5 min后濕度迅速下降;市售護(hù)膝在21 min附近接近最大濕度,10 min后濕度才呈下降趨勢(shì)。二者的溫濕度都處在最大值,但由于分區(qū)設(shè)計(jì)以及面料良好的熱濕功能使得前者在運(yùn)動(dòng)過程中能排出更多汗液,所以濕度變化率和溫度變化率要優(yōu)于后者,緯編成形護(hù)膝的熱濕性能要比市售針織護(hù)膝好。

圖12 穿戴不同護(hù)膝腿部表面溫濕度隨時(shí)間的變化Fig.12 Surface temperature and humidity changes of different knee pads over time.(a) Knee pad woven with weft; (b) Commercial knit kneepad

4 結(jié) 論

本文通過分析腿部的圍度特征和熱濕特征,根據(jù)人體腿部在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱濕舒適度要求,對(duì)護(hù)膝進(jìn)行熱濕分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選用紗線結(jié)合單向?qū)裨?制備了14種不同組織的織物,通過實(shí)驗(yàn)分析其熱濕性能,結(jié)合熱濕分區(qū)設(shè)計(jì)選擇合適組織編織護(hù)膝,得到如下結(jié)論。

1)通過緯編成形原理及單向?qū)裨?制備了多種具有熱濕功能的織物,其中網(wǎng)眼組織的熱濕性能優(yōu)于仿羅紋組織、集圈組織、羅紋組織和復(fù)合組織。

2)通過分析人體腿部的形態(tài)特征和熱濕特征,結(jié)合人體工學(xué),將平面圖縱向8等分,橫向分為3個(gè)區(qū)域,在滿足腿部曲面的基礎(chǔ)上建立了匹配腿部熱濕需求的緯編成形護(hù)膝分區(qū),這種分區(qū)設(shè)計(jì)的護(hù)膝在熱濕功能方面比傳統(tǒng)針織護(hù)膝更加有效果。

3)在滿足熱濕功能的基礎(chǔ)上,緯編成形護(hù)膝應(yīng)滿足基本的防護(hù)性能,新型功能紗線和其它組織結(jié)構(gòu)的結(jié)合,可開發(fā)出功能更全面的護(hù)膝,兼具防護(hù)性和舒適性。