纤维和运动服

刘辅庭

(原上海市纺织科学研究院 200092)



纤维和运动服

刘辅庭

(原上海市纺织科学研究院 200092)

摘要：综合介绍利用模拟技术设计运动服、竞赛泳衣用尖端纤维材料、开发健康舒适的运动服纤维材料及开发纳米纤维的运动服。

关键词：模拟技术；运动服；泳衣；纳米纤维

1利用模拟技术的运动服设计[1]

运动服的特性如易动的运动功能性、冷热的生理舒适性、激烈运动下的耐久性，比通常的衣服要求更高的功能性。

1.1压缩服的设计系统

1.1.1设计系统概要

设计系统是以动作时运动力学的信息及身体/衣服形状数据、使用的织物的力学特性、压缩服对身体运动的影响，作为设计的依据，包含：⑴由于运动皮肤伸长时，运动服的织物也伸长(由于运动服密合皮肤)；⑵织物发生对应伸长状态的张力(由于有伸缩性)；⑶织物发生的张力影响关节的转矩及肌肉力。

假定织物的力学特性改变、织物配置改变时，最后身体发挥的关节转矩及肌肉力也变化，就可作为设计大小的依据。按模拟如能预测上述3现象，不仅从产品的计划到开发完成的研究时间减少，而且压缩服的设计更佳。

设计系统根据皮肤应变模拟、各向异性超弹性体模拟及肌肉骨骼模拟，可预测上述3现象。

1.1.2皮肤应变模拟

压缩服的织物密合皮肤表面，因此随运动织物伸缩的应变，皮肤受到影响，应变量及方向两者近似。如了解皮肤的应变，就可推定织物的应变以及织物发生的力。为此开发利用立体计算机图示的皮肤应变模拟。

1.1.2.1模拟人体的立体计算机图示模型

使用的人体计算机图示模型是由商用立体计算机图示软件Autodesk制成。模型内部有假想的骨骼，可模拟肩上腕节活动及随关节运动的肌肉压缩以及皮肤应变。

为作成人体立体计算机图示模型的动画，必须运动学数据是利用动作捕集系统而取得。取得的标记的立体坐标数据是利用Autodesk, 变换成人体各关节的运动而作成动画。

1.1.2.2皮肤应变的计算

立体计算机图示是集合许多三角形而构成形状。三角形叫多边形。多边形由立体坐标的许多节点构成。动画由节点的立体坐标的变化而作成，这时多边形的现状也变化。模拟是利用多边形的形状变化，即模拟皮肤应变，因此多边形应变可作为皮肤应变。从构成多边形的节点的立体坐标求应变前的多边形坐标变换为应变后(动作时)的坐标，取出应变成分后求出应变量及应变向量。经计算求出全身的皮肤应变。

1.1.3各向异性超弹性体模拟

皮肤应变由来的织物应变用各向异性超弹性体可求发生的力。制作模拟衣服的形状的网格模型，可用于各向异性超弹性体。压缩服穿时伸长，有初期应变，初期应变也应用网格模型。各向异性超弹性体模型利用Tanabe模型可视化。

1.1.4肌肉骨格模拟

肌肉骨格模拟可利用SIMM软件。压缩服由来的力进行输入，力是作用于衣服网格模型各节点的负荷。由负荷和关节到关节中心距离之积求出关节转矩，用于肌肉骨格模拟。

压缩的运动服用模拟技术可更快开发商品。

2泳衣用尖端纤维材料[2]

泳衣要战胜阻力。作用于泳者的阻力与流体密度及速度平方成正比。水的密度为空气的800-1000倍，水中比陆上，作用于泳者的阻力也为1000倍。因此要减少游泳中的阻力。改进泳衣可减少阻力。

2.1高功能泳衣的效果

穿激光泳衣(LZR Raser)时阻力减少10%以上，提高游泳速度。贴附聚氨酯激光带时可减少摩擦阻力，体表面积减小也有效果，但布显著。阻力减少主要是由于伸缩性低的激光带的整形效果(流线型)和抑制振动效果。用立体体型扫描器观察，可知胸部及臀部的突出部分由于泳衣成为扁平，身体的凹凸减少。

从奥林匹克的泳衣开发来看，由双向经编织物改用织物。例如2008年的织物是用极细尼龙纤维、拒水性优、用超轻、采用激光脉冲、由3部分构成、非缝合而融合、紧压以抑制身体表面的振动并减少表面摩擦阻力(LZR Racer)。2012年的织物根据2010年的泳衣规定，设计及纤维材料的自由度减小，前后部分为伸缩性不同的纤维材料，利用织物的反作用支持踢的功能(Aquaforce)。

泳衣的理想的纤维材料是轻薄而有弹力、不透明；穿时舒适，开始及反回时的伸长大，反张力大；耐用；接触水的外侧超拒水性，阻力少，接触肌肉的内侧要密合。

3健康舒适的运动服的纤维材料[3]

对运动服的纤维材料有各种功能性要求。例如接触肌肉部分要求清凉性、保温性、汗处理性及肌触，压缩服的紧压要适当且易动，对外侧要求防紫外线性、耐磨性及拒水性。

健康舒适的衣服的作用因素是舒适性(温湿度控制)、运动功能性(控制动作)、合体性(触感、肌肉控制)。衣服对人的生理反应及感性的影响进行评价。

基础技术是纺纱、复合化、针织技术，人体和衣服间的热及水分状态的评价、运动时的肌肉及疲劳的评价，衣服和皮肤接触时的作用的评价技术，由模拟衣服最适化的商品设计技术。

3.1伸缩能针织物

伸缩能针织物是伸长时织物发热。反复收缩时针织物发热1℃以上，在动作时感温暖。由弹性纤维纱针织制成。通常伸长时熵减少，排放分子的运动能而发热。纱及针织物的设计使伸长时的发热>收缩时的吸热，达到伸缩的发热最大化。针织物伸长时的发热状态由热图显示。

3.2肌干材料

出汗时衣服内感到闷热，为抑制闷热，所用纤维要能吸湿。吸湿性由纤维的亲水基决定。可用优吸湿性的棉、丝，用合纤时可导入亲水基，也可用铜氨纤维。铜氨纤维的吸湿性为棉的1.5倍。水的导热率比空气的大，易放热。有冷感，适于夏服。

聚酯纤维经吸水基处理后，提高纤维表面与水的亲合性，而纤维内部难吸水，因此水的移动性优。多层针织物中，吸水处理的聚酯纤维为表里面，中层为铜氨纤维，肌侧的聚酯吸汗后，由亲水性优的铜氨吸收而扩散，结果吸汗快，肌干性优。

肌干性由测定织物的湿Qmax进行评价。湿Qmax是在赋予织物水分的状态，比室温高10℃的肌箱接触织物时的瞬时热移动的最大值。织物表面的水多时，热移动大，可评价汗粘程度。值大表明汗粘性大。

3.3运动追随性材料

压缩服可追随体动而有支持性。这是聚酯或尼龙和弹性纤维的经编针织物，经纬的伸缩性平衡，滞后损失小，回复性优。人进行有氧运动时，肌肉吸收血液中送来的氧，用来分解脂肪及糖，取得肌肉运动能。用肌肉氧测定装置可评价膝的运动。用肌肉功能运动评价装置可检测疲劳程度。

3.4防振胸罩

用有限因素法模拟以评价胸罩的防振性。由模拟取得的物性材料，经设计制成防振胸罩，防振性提高42%。

4用纳米纤维开发运动服[4]

4.1纳米纤维量产系统

2010年信州大学和Toptec公司开发静电纺丝法宽1.8m、生产速度80m/min的量产系统。2014年新量产系统的产能提高4倍以上。新生产系统的纳米纤维宽为4m，装置长80m，采用喷嘴。

4.2用纳米纤维膜的夹克衫

纳米纤维膜具有优良的透气性、防水性、透湿性、防风性而且轻。又可与织物贴合，加工性优。开发的纳米纤维膜可把汗排出。但对外部的水有高耐水压性。比聚四氟乙烯膜，透气性高，舒适性优。

聚氨酯纳米纤维膜的性能是高空隙率的透湿性(穿着舒适性)、均匀的微孔的防水性、防风性优、厚度为现有功能纤维的1/10轻而易动、织物柔软减少摩擦、可与织物贴合。可用作登山夹克等，已有市售。

4.3纳米纤维膜的性质

纳米纤维膜的机械性质如表1所示。

表1　纳米纤维膜的机械性质

聚氨酯纤维的平均直径为200nm，向基材的喷丝量为6g(贴合3层)。聚氨酯纳米纤维膜耐水压0.12mPa以上、透湿度31 000(g/m2·24h)、透气度0.3(mL/cm2/s)以上。经10次洗涤性质无变化。

根据热图示图像可知纳米纤维的夹克衫的内部温度低(由于透气度及透湿度优)，有穿着舒适性。

参考文献：

[1]岛名孝次. 利用模拟技术设计运动服[J].纤维学会志(日)，2015，71(8)：390-393.

[2]高木英树. 泳衣用尖端纤维材料[J].纤维学会志(日)，2015，71(8)：398-402.

[3]出口润子. 开发健康舒适的运动服材料[J].纤维学会志(日)，2015，71(8)：438-442.

[4]金翼水. 开发纳米纤维运动服[J].纤维学会志(日)，2015，71(8)：443-445.

收稿日期：2015-12-05