基于仿生学的冬季针织运动面料开发与性能评价

王 莉， 张冰洁， 王建萍,3， 刘 莉， 杨雅岚， 姚晓凤， 李倩文， 卢 悠

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部 重点实验室， 上海 200051； 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092； 4. 北京服装学院 服装艺术与工程学院， 北京 100029)

冬季针织运动服的保暖性是其重要的性能之一，保暖针织面料一般设计成比较厚实的衬垫结构或毛圈结构，但这些结构会出现闷热或易勾丝起球等问题，不符合冬季运动服装使用要求，而通过设计成衍缝或双面空气层结构的方法来提高织物保暖性，又需要更多工序或较高织造要求。

仿生学的应用涉及诸多技术和应用领域，近几十年来，随着仿生技术的发展，结合仿生学与纺织技术开发新型仿生纺织品一直备受关注[1]。自然界中许多生物的体表都呈一定特征的非光滑表面形态，这些非光滑表面形态是生物在复杂激烈的生存环境中经过自然选择的结果，具有某些特殊的性能。蝴蝶翅膀的鳞片表面布满了精细的三维微纳结构[2]，属于典型的非光滑表面。1975年Lutz发现蝴蝶翅膀可以帮助蝴蝶调节体温，蝶翼底部积聚的温暖空气会增加蝴蝶身体热量[3]。而后学者进一步探究了蝴蝶鳞片的功能特性，如房岩等研究发现蝴蝶翅膀表面非光滑鳞片能使蝴蝶表面的润湿性增强[4]；Igor通过研究蝴蝶鳞片结构模型内中空区的作用，发现中空区会增加蝴蝶鳞片中静止空气含量，从而提高蝴蝶飞行的升力及降低飞行阻力[5]；韩志武等从仿生结构制备方面对蝴蝶鱗片进行了研究[6-7]；张沙沙等基于生色理论在纤维上的应用，对蝴蝶鳞片的几何结构特征进行了研究[8-9]。

总结以往学者研究发现蝴蝶鳞片非光滑三维结构的立体中空区可增加静止空气含量，内外部气流发生流通时，鳞片结构可加快气流交换为身体调温同时减小空气阻力。基于此，本文尝试将蝴蝶鳞片特殊立体结构用于针织物组织结构设计中，从结构仿生在针织物开发应用方面对蝴蝶鳞片的非光滑表面结构形貌进行研究，构建蝴蝶鳞片典型几何结构三维模型，根据模型特征设计开发出工序简洁的新型仿生结构针织物，并对其热湿性能进行研究与评价。

1 蝴蝶鳞片几何结构建模

蝴蝶翅膀鳞片的非光滑表面形态是由壳层、脊脉、翅脉、微翅脉等构成的三维结构。本文选择以绿带翠凤蝶、多眼灰蝴蝶、碧凤蝶为代表的3种典型蝴蝶鳞片进行研究，其表面形貌扫描电镜照片[10]如图1所示。

图1 蝴蝶鳞片表面形貌SEM照片Fig.1 SEM images of surface configutation in butterfly wing scales.

本文选择的3类典型蝴蝶鳞片结构，Ⅰ类鳞片的翅脉中有凹凸状微翅脉结构，如图1(a)所示部分绿带翠凤蝶鳞片。这类鳞片壳层上有纵向线形脊脉将鳞片等距分开，线性脊脉顶端相互平齐，脊脉与脊脉之间为翅脉结构，翅脉结构中的微翅脉形态似连续褶皱构成的凹凸起伏波浪状结构，且波浪的“波峰”间几乎平行，本文称Ⅰ类结构为波浪结构。

Ⅱ类鳞片的翅脉中有一排凹陷孔洞状微翅脉结构，如图1(b)所示多眼灰蝶鳞片。这类鳞片壳层上也有纵向线形脊脉将鳞片等距分开，且线性脊脉顶端相互平齐，但脊脉与脊脉之间的翅脉结构是由形态似单排间隔排列的凹陷孔洞状微翅脉构成，本文称Ⅱ类结构为蝶翅结构。

Ⅲ类鳞片的翅脉中有多排凹陷孔洞状微翅脉结构，如图1(c)所示碧凤蝶鳞片。这类鳞片壳层上脊脉与脊脉间的翅脉结构，是由形似多个紧密排列蜂窝状不均匀孔洞的微翅脉构成，本文称Ⅲ类结构为蜂窝结构。

为简化织物开发，使用SolidWorks软件对3类蝴蝶鳞片的几何结构进行三维建模，图2为其模型俯视图。

图2(a)为I类波浪结构三维模型，其中条状矩形柱为蝴蝶鳞片的线形脊脉，三棱柱为沿着脊脉方向横贯的间隔凸起，三棱柱凸起顶端与条状矩柱顶端平齐。为简化模型，假设三棱柱凸起部位均匀排列且均全部横贯间隔区。图2(b)为Ⅱ类蝶翅结构三维模型，其中条状矩形柱为纵向线形脊脉，沿着脊脉方向的横贯间隔凹陷孔洞用矩形凹坑表示。为简化模型，假设矩形凹坑大小及排列间距相等。图2(c)为简化后的Ⅲ类蜂窝结构三维模型，只提取紧密排列的蜂窝状几何结构进行建模[11]，用六棱柱表示，假设蜂窝的大小相等且间隔均匀。

图2 3类蝴蝶鳞片结构三维模型Fig.2 3-D models of three types of butterfly scales. (a) Wavy structure I; (b) Butterfly wing structure Ⅱ; (c) Honeycomb structure Ⅲ

2 仿生织物开发与性能测试

2.1 材料的选择

本文选用的丙纶是意大利制造商Aquafil公司使用安德巴塞尔工业生产的茂金属基聚丙烯Metocene树脂开发的名为Dryarn®的聚丙烯纱线，是具有独特保温性和超高排汗率的环保纤维。本文选择材料规格为双股70 dtex(72 f)聚丙烯纱线作面纱，50 dtex聚丙烯纱线包覆17 dtex氨纶作地纱，记A组。为防止纱线种类对仿生织物性能的实验结果造成干扰，使用普通市售涤纶纱线织造仿生织物作为对照B组。为减少织物参数对性能的影响，2组纱线尽量选择总规格相近的配比，B组规格为150 dtex涤纶作面纱，30 dtex涤纶包覆20 dtex氨纶作地纱。

2.2 仿生织物设计与上机织造

设计不均匀单面提花织物的线圈大小不一致，有的较小而有些拉的很长，同时设计每个线圈背后的浮线数量也不相同，这样在织物下机后，拉长的大线圈会收缩，而平针线圈不收缩，使平针部分产生褶皱，在织物反面浮线形成附加层，会使织物产生凹凸不平的外观。

本文通过设计不同的浮线数量、长短与区域性规律排列的方法，试织3类仿蝴蝶鳞片结构纹理的立体感织物，其编织意匠图如图3所示。所设计的仿生织物在意大利SANTONI MF8-CHN单面电子提花针织圆机上进行试织，机器采用8F成圈系统，针距为0.907 mm(28E)，针数为1 248针，筒径为356 mm。

此外由于仿生织物组织浮线较长，且连续浮线区域的成圈系统数较多，为增加面料强度，编织时应增加面料密度，适当调宽织机撑布架宽度，需保持卷取牵拉张力均匀且不宜过大。织机转速不宜过快，以防止织物出现破洞、漏针的疵点。

图3 仿生织物编织意匠图Fig.3 Knitting artisan of bionic fabrics.

2.3 仿生织物性能测试

参照GB/T 3820—1997《纺织品与纺织制品厚度的测定》，采用YG(B)141D数字式织物厚度仪选取同一块试样5个不同部位对厚度进行测试。测试的压脚面积为2 000 mm2，加压压力为2 kPa，进行5次厚度测量取平均值。

参照GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和温阻的测定》，采用YG606E型纺织品热阻测量仪测试织物的保暖性能。分别剪取6种织物规格为35 cm×35 cm大小的试样3块进行测试，设置热板温度为35 ℃。

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG4616G型全自动透气量仪测试织物的透气率。选取同一试样10个不同部位测量。

参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》，使用M261型透湿性能测试仪对织物透湿性能进行测试。裁取每种织物直径为88 mm的试样3块，确保选取试样表面无折痕，测试之前试样与水在恒温恒湿室平衡24 h。

参照GB/T 21655.2—2009《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》，使用液态水分管理测试仪(MMT)测试面料单向导湿性能。从待测织物上与经、纬纱平行方向裁剪80 mm×80 mm规格样品，放置至少24 h后，对每块样品选取不同部位进行5次测试，将得到的数据进行汇总，剔除异常值后计算各数据的平均值。其中织物的内层即为测试时的上层，外层为测试时的底层。

以上实验均在温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±2)%环境下进行。

3 仿生织物性能分析

3.1 仿生织物形貌分析

3类蝴蝶鳞片结构仿生织物的表面和里面形貌如图4所示。I类波浪结构织物表面有均匀纵向间隔线形凸起与波浪状起伏，其仿照绿带翠凤蝶基层的线形脊脉，翅脉和波浪微翅脉结构。凸起高度平齐，织物表面呈现为纬平针组织，纵向线形在织物里面呈现为由浮线组织紧密排列构成的纵向通道。Ⅱ类蝶翅结构织物仿照多眼灰蝴蝶鳞片的线形脊脉及凹孔微翅脉结构，使织物表面有均匀间隔凹陷孔洞及纵向线形凸起，凹陷孔洞在织物里面相互连通形成一排排横向的中空通道，中空通道由纬平针组织和浮线组织交替构成。Ⅲ类蜂窝结构织物仿照碧凤蝶鳞片的蜂窝微翅脉结构，表面呈现为浮线组织组成的蜂窝状凸起与凹陷，里面总体表现为纬平针组织。

图4 仿生织物形貌图Fig.4 Morphology of biomimetic fabric.

3.2 仿生织物规格参数

织物样品的面密度、厚度、横密、纵密等规格参数见表1。

3.3 仿生织物保暖性分析

织物的保暖性用热阻、克罗值、传热系数和保温率4 个指标来衡量，其测试结果见表2。考虑织物厚度对保暖性能的影响，探究了织物厚度与保温率关系，如图5所示。

由表2可知，6种仿生织物的保暖性排序为2#、5#、3#、6#、1#、4#，其保温率均超过冬季保暖内衣要求的30%，保暖性能均较好。其中A组、B组织物保暖性能分别排序为2#、3#、1#，5#、6#、4#,可见在A、B 2组中，2#与5#蝶翅结构仿生织物的保暖性能均最好，优于3#与6#蜂窝结构仿生织物，1#与4#的波浪结构仿生织物的保暖性相较最低。

表1 织物规格参数Tab.1 Fabric specification parameters

表2 织物保暖性测试结果Tab.2 Test results of fabric warmth

图5 织物厚度和保温率关系Fig.5 Relationship between fabric thickness and warmth retention rate

由图5可得，仿生织物的保暖性能与织物厚度有一定关系，其厚度越大保暖性越好。2#与5#蝶翅结构仿生织物由于表面有凹陷孔洞，在背面形成中空通道可承载更多的静止空气，同时立体中空通道间隔区可与皮肤之间形成独立空间层，独立空间层存储皮肤周围热气流从而进一步提高了织物的保暖性能。3#与6#蜂窝结构仿生织物的浮线区域较波浪结构仿生织物大，浮线组织较蓬松使织物变厚，因而3#与6#蜂窝结构仿生织物保暖性优于1#与4#波浪结构仿生织物，但2种结构保暖性差别较小，是由于波浪结构织物的凹凸波浪层可增加空气含量，一定程度上提高了面料的保暖性能。

此外，A组1#、2#、3#织物的保暖性分别较B组同一结构的4#、5#、6#织物的保暖性要好，可见Dryarn®聚丙烯织物较涤纶织物有更好的保暖性。

3.4 仿生织物透气性分析

仿生织物的透气率测试结果如图6所示。

图6 仿生织物透气性测试结果Fig.6 Test results of biomimetic fabric air permeability

由图6可知，仿生织物的透气性能由大到小排序为2#、4#、3#、1#、6#、5#。通常情况下，针织物的厚度越小，透气性越好，织物厚度增加，则透气性下降。根据表1中织物结构参数和透气率测试结果可知，A组2#织物的厚度最大，但透气性却最好，B组的5#织物厚度最大，透气性能最好，说明2#与5#蝶翅结构仿生织物由于表面有孔洞，织物内部空气流动性增强，因而表现出良好的透气性能；3#与6#蜂窝结构仿生织物厚度较波浪结构仿生织物大，但由于其浮线更多，浮线组织纱线间孔隙率较纬平针组织大，因而3#与6#蜂窝结构仿生织物透气性能分别优于1#与4#波浪结构仿生织物。分别对比A、B组同一组织结构透气率可看出，Dryarn®聚丙烯织物较涤纶织物有更好的透气性。

3.5 仿生织物透湿性分析

织物透湿性指人体散热发汗时维持人体与织物微环境适宜的能力。仿生织物透湿性能结果见图7。

图7 仿生织物透湿率测试结果Fig.7 Test results of biomimetic fabric moisture permeability

由图7仿生织物的透湿性能排序为3#、6#、1#、4#、2#、5#，分别对比A组1#、2#、3#织物与B组4#、5#、6#织物，在织物材料及纱线规格相同情况下，织物的组织结构会影响织物的透湿性能。3#与6#的蜂窝结构仿生织物的透湿性优于1#与4#的波浪结构仿生织物，是由于蜂窝结构仿生织物中浮线组织区域较多，为织物提供更大的吸湿面积,也有利于提高织物的透湿性能。而2#与5#的蝶翅仿生织物的浮线区域虽多于波浪结构仿生织物，但由于蝶翅结构仿生织物凹陷孔洞形成的中空通道在织物里层有褶皱，阻碍了湿气传导，因此其透湿性能相对较差。此外，同一种组织结构下的仿生织物，Dryarn®聚丙烯织物透湿性能优于涤纶织物，是由于纤维的高表面张力，有利于织物表面的湿气传导和汗液蒸发。

3.6 仿生织物导湿排汗性能分析

利用液态水分管理仪可有效测量织物的动态水分传递性能，可获得上层浸湿时间(WTT)、底层浸湿时间(WTB)、上层吸收速率(ART，单位为%/s)、底层吸收速率(ARB)、上层最大浸湿半(MWRT)、底层最大浸湿半径 (MWRB)、上层扩散速度(SST)、底层扩散速度(SSB)、单向传递指数(R)、液态水动态传递综合指数(OMMC)等相关指标。测试结果如表3所示。

表3 织物液态水分管理测试结果Tab.3 Test results of fabric moisture management

由表3可知，在织物上层滴水后测试的120 s内，织物累计单向传输指数R由大到小排序为：2#、1#、3#、4#、5#、6#。其中B组的4#、5#、6#涤纶仿生织物的底层吸水速率和底层最大浸润半径为0，织物的单向传输指数小，证明在测试的120 s内，液态水不能从面料的传导层(上层接触皮肤面)有效传递到吸收层(底层接触空气面),涤纶仿生织物的导湿排汗性能较差。A组的1#、2#、3#Dryarn®聚丙烯织物的导湿排汗性能整体优于涤纶织物，2#织物的单向传递指数R最大，导湿排汗性能最好，说明2#蝶翅结构仿生织物表层间隔排列的有开口的凹陷孔洞，与其在里层相互串通形成的由中空通道可形成导湿排汗系统。中空通道由浮线组织和纬平针组织交替构成，与人体皮肤间接触，可加快汗液的传导与蒸发。

3.7 仿生织物热湿舒适性能综合评价

单一指标对织物热湿舒适性的评价不够全面，因此采用能对多个相关因素作全面评判的模糊数学综合评价法，分析织物的综合热湿舒适性能[12]。

1)建立因素集合U。

(1)

式中,U1～U6因子分别代表织物的热阻、传热系数、克罗值、透气率、透湿率、单向传递指数。

2)建立评论集V。

(2)

式中,V1～V6分别代表织物热湿舒适性能优良等级，分别为：优、较优、良好、良、较差、差。

3)输入原本数据得出矩阵X，见式(3)，矩阵元素从上到下依次为织物热阻、传热系数、克罗值、透气率、透湿率、单向传递指数，从左到右依次为编号1#～6#的织物。

(3)

4)传热系数越小织物保暖性越好，其他因素值越大表征其对应性能越好，对原本数据作极差标准化处理后得到评判矩阵R，见式(4)。其中越大越优型指标见式(5)，越小越优型见式(6)，式中Xij指矩阵X的元素，Ximax、Ximin指某行元素中的最大值与最小值。

(4)

(5)

(6)

5)针对冬季运动特征，根据测试的几项基本性能进行问卷调查。调查结果显示：大众对冬季运动面料的热湿性能看重程度表现为：保暖性>液态水分传递性能>透气性>透湿性。本文通过主观附权法进一步确定织物的热阻、传热系数、克罗值、透气率、透湿率、单向传递指数的权重，通过查阅文献和综合专家意见，得出权重系数集A。

(7)

6)通过加权平均型评判函数，得到综合评判集B=A·R=(0.424 1, 0.962 2, 0.531 7, 0.057 3,

0.451 4, 0.207 5)

根据综合评判结果，织物热湿舒适性能的综合评价结果排序为: 2#、3#、5#、1#、6#、4#。6种仿生针织物中，A组以Dryarn®纱线为面纱的2#蝶翅结构仿生织物热湿舒适性能最好，B组以涤纶纱线为面纱的5#蝶翅结构仿生织物的热湿舒适性能不仅优于同组的4#和6#仿生织物，还优于A组的1#仿生织物地，表明蝶翅结构能较大程度地提高织物的热湿舒适性。原因是：其织物表面的若干凹陷孔洞与孔洞在织物里层形成的中空通道构成了保暖排汗系统，中空通道由纬平针组织和浮线组织交替构成，且与人体皮肤接触后能形成一定的间隔性空间层，从而可以储存较多静止空气以增加织物保暖性能的同时又可以在人体出汗时加快汗液排出与蒸发，帮助人体皮肤表面保持良好的舒适性。该组织结构结合具有特殊保暖性和排汗性能的Dryarn®聚丙烯纱线，能更大程度地发挥纱线与结构的功能优越性。

4 结 论

本文研究了3类蝴蝶鳞片的非光滑表面结构，基于SolidWorks软件构建其几何结构三维模型，根据模型特征设计开发了6种仿生结构针织物，并研究和评价其热湿舒适性能,得出以下结论。

1)本文开发的6种仿蝴蝶鳞片结构针织物保温率均超过45%，同时透气性能良好，可在普通单面电子针织提花圆机上织造，织造工艺简洁高效，有效克服了传统保暖织物厚重闷热及织造复杂的问题，适宜用于冬季保暖针织内衣。

2)织物组织结构会影响织物热湿性能。本文结合自然界蝴蝶鳞片结构特征开发的新型仿生针织物，为功能纺织品开发提供了新的思路与参考。其中以双股70 dtex (72 f)Dryarn®聚丙烯纱线作面纱，50 dtex Dryarn®聚丙烯纱线包覆17 dtex氨纶作地纱开发的蝶翅结构仿生织物在冬季运动条件下热湿舒适性能最好，适宜用于冬季针织运动服。

3)使用不同纱线组合织造蝴蝶鳞片仿生织物，其热湿性能呈现一定差异，本文开发的3类蝴蝶鳞片仿生织物组织与功能纱线组合后，能进一步发挥其结构优越性，提高织物整体舒适性能。