仿生鸟羽结构针织面料开发与性能评价

王建萍， 苗明珠， 沈德垚， 姚晓凤

(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. 上海市纺织智能制造与工程一带一路国际联合实验室， 上海 200051； 4. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

随着2022年北京冬季奥运会热潮兴起，我国很多城市滑雪人数激增，这对滑雪服的保暖舒适性提出了更高要求，国内功能性滑雪服市场还需进一步发展。有关研究表明滑雪运动中人体下肢关节部、腰腹部、小腿易受寒冷侵袭[1]，因此，设计专业紧身滑雪保暖裤特别是防护寒冷寒冻侵肌[2]具有重要意义。专业滑雪服装市场主要由国外高端滑雪品牌占据，如瑞士X-BIONIC品牌滑雪内衣采用局部织造稳定三维针织结构，通过全新热虹吸温控技术将汗水转化成能量，使热透射效率(95%)和湿度传输速度(66%)提升明显；意大利UYN运动品牌为奥地利、德国、意大利、法国等国家队提供雪上运动专业滑雪内衣，其通过局部编织立体恒温组织实现运动时透气降温、休息时储存热量的功能[3]。与国外品牌相比，国内滑雪服面料织造技术还存在一定差距，国内近年来发展较好的滑雪内衣品牌如悠途UTO、极速雪(Gsou SNOW)，仍存在面料组织结构单一、分割线设置不合理、纱线性能待提高等短板。

针织面料结构开发通常运用提花组织设计肌理效果，调节织针成圈状态牵引连接纱，使织物表面呈现凹凸质感和纹理效应[4]，从而改变织物吸湿转移性质及空气贮存能力。通过仿造生物体非光滑表面形貌与功能特性的关系，构造功能性立体中空通道，也可开发具有优异自然性和灵活性的结构仿生面料，用于调节人体皮肤与织物微空间热湿传递，例如研究滴虫、蜘蛛丝等单向液体传输原理及北极熊毛、羊毛等天然中空保暖结构，从而改善面料热湿效应和人体舒适感[5-6]。虽然根据人体运动时各部位出汗、温度分布差异等特点，在针织服装不同区域织造功能性组织结构，调节服装局部热湿性能近年来受到广泛关注，但多集中于单一评价指标[7-9]。为进一步分析面料综合热湿舒适性和不同性能指标的显著性，采用灰色近优法建立灰色近优评价矩阵，从而全面评价面料热湿性能优劣，可以更科学地指导功能性针织面料结构开发。

综合上述研究，本文首先结合鸟羽微观结构和提花设计手法，开发了8款不同组织结构的仿生鸟羽结构针织面料；其次测试面料热湿性能指标如热阻、保温率、透湿率、透气率和经纬向芯吸高度，采用灰色近优法计算各面料近优度，并运用灰色关联法探讨各性能指标和近优度之间的关系，综合评价并比较针织面料热湿性能；最后基于男性下肢热湿需求对各面料组织进行功能性分区设计，为紧身滑雪保暖裤提供理论参考与建议。

1 面料开发

1.1 结构仿生的启发

羽毛作为鸟类天然保温屏障覆盖在体表，具有保暖、防水等功能，在仿生学领域有着广泛的应用。结构仿生通过研究自然界生物体的非光滑表面或肌体构造，构建相似结构实现功能性。Zhang等[10]观察到飞鸟在高强度降水下能改变飞行方向，其羽毛作为一种移动式各向异性超疏水表面，可使液滴定向翻滚。João等[11]讨论了羽毛纤维生物材料的显微结构特性，可作为抗冲击保温材料。

羽毛形态特征复杂，呈现多级分支结构，主要包括羽轴及其两侧的羽片，如图1所示[12]。羽枝在羽轴上相互平行整齐排列，按一定角度斜生相互勾连，形成羽片紧密凹槽形态；羽小枝平行整齐分布在羽枝两侧，末端杂乱交错；羽枝轴横截面与羽轴相似，均由空泡状结构组成，腔室相互紧密相连，有助于保暖和水分输送。

图1 羽毛微观结构照片Fig.1 Microstructure images of feather. (a) Full plume(×200); (b) Plade (×582);(c) Pllets (×2 640); (d) Plume axis(×50);(e) Cross section of plume branch axis(×100);(f) Cross section of plume branch axis (×500)

1.2 设计方法

运用SANTONITM28针SM8-TOP2无缝针织大圆机Photon设计软件，一个方格颜色表示单个线圈状态，具体组织结构设计思路如下：按一定效果将纱线有选择地在织针上垫纱编织成圈，为平针组织，即黑色方格；而不垫纱成圈的织针上纱线以背面浮线形式存在，连续几个吊针路数不垫纱线编织形成拉长线圈，为提花组织，即非黑色方格，其会抽紧相连平针线圈，使针织物产生凹凸效应，如图2所示。在机器上编织完成的针织面料下机整理后，所编织的提花线圈将收缩拉紧平针线圈，造成织物表面凹凸肌理效果，形成交错的立体空气通道结构。本文以羽毛微观结构为设计灵感，采用提花组织设计手法构建仿羽轴、仿羽片、凹槽Ⅰ类、凹槽Ⅱ类、仿羽枝、仿羽小枝、空泡状Ⅰ类、空泡状Ⅱ类8种仿生鸟羽结构针织面料，服务于冬季运动服开发。

图2 仿生鸟羽结构面料编织工艺图Fig.2 Organization diagram of bionic bird feather fabric.(a) Bionic feather axis; (b) Bionic feather sheet;(c)Groove-like type I;(d) Groove-like type Ⅱ;(e)Bionic plade; (f)Bionic pllets;(g) Hollow bubble-like I; (h) Hollow bubble-like Ⅱ

基于天然鸟羽微观结构特征，开发了8种仿生鸟羽结构针织面料，织物表面形态效果如图3所示。其中1#仿羽轴面料提花组织斜向排列呈现轴状，拉伸平针组织形成羽片凹凸肌理；2#仿羽片面料横向平行间隔排列路数不同的提花组织，构造弯曲空气传输通道；3#凹槽Ⅰ类和4#凹槽Ⅱ类面料横向排列相同路数的提花组织，形似羽枝勾连；5#仿羽枝和6#仿羽小枝集中分布提花组织，两侧延伸出整齐条干；7#空泡状Ⅰ类和8#空泡状Ⅱ类面料排列横向和纵向提花单元，拉长线圈牵引相连线圈，表面呈现类似羽轴横截面凹陷孔洞。

图3 仿生鸟羽结构面料Fig.3 Bionic bird feather fabric. (a)Bionic feather axis;(b) Bionic feather sheet; (c)Groove-like type Ⅰ;(d) Groove-like type Ⅱ; (e)Bionic plade;(f)Bionic pllets; (g) Hollow bubble-like type Ⅰ;(h) Hollow bubble-like typeⅡ

1.3 开发面料规格

8种仿生鸟羽结构针织面料具有相同的上机参数和纱线成分，在SM8-TOP2单面电子提花针织圆机上进行织造，地纱为锦纶(30 dtex)包覆氨纶(20 dtex) 纱，面纱为双股石墨烯锦纶(75 dtex)。开发面料基本规格和结构参数如表1所示。

表1 面料规格和结构参数Tab.1 Fabric specifications and structural parameters

2 面料性能测试

2.1 测试方法

2.1.1 织物保暖性测定

参考GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》，采用宁波纺织仪器厂YG606E型纺织品热阻测试仪测定织物的热阻值和保暖性。试样面积为35 cm×35 cm。热阻值反映织物隔热特性，保温率表示织物对热量利用率，取3次测试结果的平均值。

2.1.2 织物透湿性能测定

参考GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》，采用深圳锡莱亚太拉斯有限公司M261型透湿性能测试仪测定织物透湿率。滑雪运动时身体体能消耗产生大量汗液，汗水若在皮肤表面蒸发，易造成衣下微小气候区处于高温高湿状态，如果织物透湿性不佳会降低穿着舒适感。

2.1.3 织物透气性能测定

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用宁波纺织仪器厂YG461G型全自动透气量仪测定织物的透气率。滑雪保暖裤透气性应适当大一些，能够迅速将皮肤表面湿气及汗水传递到外界环境，促进衣下微气候热湿排出，以防人体感到闷热不适。

2.1.4 织物吸湿性能测定

根据FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》，采用山东纺织研究院测控设备开发中心YG871型毛细管效应测定仪测试织物的芯吸高度。沿横纵向各剪取3块面积为250 mm×30 mm的试样，于27 ℃水温条件下测量记录30 min后液体上升高度，芯吸高度反映织物对液态水的吸收能力。

2.2 测试结果

8种面料的热湿性能测试结果如表2所示。

表2 面料性能测试结果Tab.2 Fabric performance test results

3 性能评价分析

3.1 灰色近优模型的建立

因针织面料各测试性能指标单位和意义不统一，单一指标难以评价面料整体性能，需采用灰色近优法对多个性能指标进行综合评价。灰色近优法依托灰色系统理论，是一种研究少数据、贫信息等不确定问题的综合评价方法，因计算量小且不考虑指标的权重，在纺织服装热湿性能测试领域有着较为广泛的应用。运用灰色近优模型进行综合评价一般分4个步骤。

步骤1：根据试样及测试指标建立灰矩阵Rn×m，见式(1)。

(1)

式中：Ci为第i个热湿性能测试指标名称；灰元值Rij为第i个指标第j种试样的测试结果。

步骤2：需要录入实际数据建立白化灰矩阵Xn×m,使矩阵中每个灰元值Rij转换为白化灰元值Xij，见式(2)。

(2)

式中，Xij为第i个指标第j种试样的白化灰矩阵白化灰元值。

步骤3：由于各性能指标单位和意义不同，多个性能评价指标需统一化处理，才能更直观地对比不同面料热湿性能评价指标的差异，因而将每个白化灰元值Xij映射到[0,1]，得到每个效果测度Fij，建立近优白化灰矩阵Fn×m。若Xij属于越大越优、适中、越小越优评价指标，分别进行上限、中限、下限效果测度，计算得到Fij，见式(3)～(5)。

越大越优型指标：

(3)

适中型指标：

(4)

越小越优型指标:

(5)

式中:umax为Xij所在i行中最大值；u0为Xij所在i行中最优值；umin为Xij所在i行中最小值。

步骤4：代入近优白化灰矩阵Fn×m中白化灰元值效果测度Fij，建立近优度白化灰元行矩阵FS，得到各面料灰色近优度，计算步骤如式(6)所示。

(6)

式中，Sj为第j块面料的灰色近优度，值越大代表面料测试性能综合评价越优。

3.2 灰色综合评价

按照上述步骤建立灰色近优模型，将8种仿生鸟羽面料的热阻、保温率、透气率、透湿率、经向芯吸高度、纬向芯吸高度热湿性能测试数据代入式(3)～(5)，得到白化灰元值效果测度Fij，建立近优白化灰矩阵F6×8。其中C1为热阻，C2为保温率，C3为透气率，C4为透湿率，C5为纵向芯吸高度，C6为横向芯吸高度。

将每个白化灰元值效果测度Fij代入式(6)计算得到各面料的综合近优度FS：

式中，Sj为第j块面料的灰色近优度。通过分析灰色近优模型中的近优度白化灰元矩阵，得到8种仿生鸟羽结构面料的灰色近优度，值越大代表面料性能综合评价越好。总结不同仿生鸟羽结构针织面料灰色近优度由大到小排序为：6#、7#、8#、3#、5#、4#、1#、2#，其中6#仿羽小枝灰色近优度最高，说明6#仿羽小枝面料测试性能综合评价最好。根据8种仿生鸟羽结构面料灰色近优度计算结果可知：面料保暖性由优到劣排序为6#仿羽小枝、5#仿羽枝、4#凹槽Ⅱ类、8#空泡状Ⅱ类；面料透气性由优到劣排序为7#空泡状Ⅰ类、8#空泡状Ⅱ类、6#仿羽枝、1#仿羽轴；面料透湿性由优到劣排序为2#仿羽片、7#空泡状Ⅰ类、8#空泡状Ⅱ类、5#仿羽枝；面料吸湿性由优到劣排序为3#凹槽Ⅰ类、2#仿羽片、6#仿羽小枝、7#空泡状Ⅰ类。

3.3 灰色关联分析

采用灰色关联法计算各性能指标与灰色近优度之间的关联度，进一步分析得出面料测试指标对灰色近优度的影响程度。将1#～8#近优度0.781、0.746、0.838、0.806、0.830、0.905、0.866、0.863作为母序列L0，子序列Li为第i个测试指标m种面料性能测试结果。测试指标分别为热阻、保温率、透气率、透湿率、纵向芯吸高度、横向芯吸高度，计算各性能指标对于面料灰色近优度的关联度ri，求解过程如下：

1)无量纲均值化：

2)求差序列：

Vij=|lij-lj|

式中：Vij为第i个测试指标第j种面料母子序列绝对差值；li为母序列L0中第j种面料灰色近优度均值化数值。

3)求母子序列关联系数：

式中：Hij为i行子序列与母序列的关联系数；Wmin为Vij求差序列最小值；Wmax为Vij求差序列最大值；p为分辨系数，取值为0.5。

4)求母子序列关联度ri：

式中，ri反映子序列Li与母序列L0的相关程度，值越大表示关系越密切。

通过灰色关联法计算分析得到各性能指标对近优度L0的关联度，从大到小排列为透湿率、保温率、纵向芯吸高度、热阻、横向芯吸高度、透气率，关联度分别为0.800、0.755、0.619、0.618、0.576、0.545。其中透湿率、保温率对整体性能评价影响最大，关联度为0.800、0.755；透气率影响最小，关联度为0.545。

3.4 仿生鸟羽组织滑雪裤分区设计

基于青年男性下肢不同区域热湿生理需求，设计滑雪保暖裤功能性分区并局部织造8种仿生鸟羽结构。运动后男性体表局部温度具有差异性[13]，下肢腹部、脚踝、后腰、膝盖体表温度较低，膝关节后侧、小腿、裆部体表温度较高。男性不同身体部位出汗分布也具有差异性，下肢后腰、小腿外侧出汗率最高，其中：正面小腿内侧、腹部、大腿出汗率较高，背面后腰、大腿外侧、臀部、小腿出汗率较高[14]。综上，基于男性下肢热湿生理需求，将紧身滑雪保暖裤划分为3个功能区如图4所示。其中：A区为防寒保暖区，B区为透气对流区，C区为吸湿透湿区。

图4 款式结构分区Fig.4 Pattern Structure division. (a) Front side;(b) Back side

基于滑雪运动项目特征，充分考虑仿生鸟羽结构面料性能、人体热湿需求、服装舒适度等因素，在裤装不同区域织造功能性组织结构。A区腰腹部、膝盖、脚踝等有防寒需求区域，可选热阻、克罗值、保温率最高的6#仿羽小枝、5#仿羽枝、4#凹槽Ⅱ类、8#空泡状Ⅱ类面料，降低热量传递速度，储存织物微空间静止空气；B区腰侧、臀部、大腿等有透气需求区域，可选7#空泡状Ⅰ类、8#空泡状Ⅱ类、6#仿羽小枝、1#仿羽轴面料；C区后腰、小腿、裆部等有吸湿透湿需求区域，可选3#凹槽Ⅰ类、2#仿羽片、7#空泡状Ⅰ类、 6#仿羽小枝面料，促进空气对流，帮助排汗散湿。

最后，通过分析仿生鸟羽结构针织面料热湿性能，综合以往研究中男性下肢局部出汗率、体温差异，针对功能性分区生理需求局部编织不同仿生鸟羽组织结构，如图5所示。本文设计的男性滑雪保暖裤功能性分区，充分考虑了滑雪运动时人体局部出汗、温度分布等特点，合理选取不同性能仿生鸟羽针织面料组织织造服装的不同区域：A区防寒保暖区织造6#仿羽小枝组织，B区透气对流区织造7#空泡状Ⅰ类组织，C区吸湿透湿区织造3#凹槽Ⅰ类组织，为下肢局部身体部位提供更好的热湿舒适性。

图5 裤装编织工艺图Fig.5 Weaving process diagram of trouser suit

4 结 论

通过建立灰色近优模型综合评价8种仿生鸟羽结构针织面料的热湿性能，其中仿羽小枝面料灰色近优度最大，说明面料性能综合评价最好。进一步运用灰色关联法探究各性能指标对灰色近优度的影响，关联度从大到小排序为透湿率、保温率、纵向芯吸高度、热阻、横向芯吸高度、透气率，其中透湿率、保温率对面料灰色近优度影响最大，关联度为0.800、0.755；透气率对面料灰色近优度影响程度最小，关联度为0.545。

综合分析并比较8种仿生鸟羽结构针织面料热湿性能，结合人体出汗图谱和局部生理需求研究，为青年男性滑雪保暖裤不同区域组织织造提出科学指导与建议。仿羽小枝、仿羽枝、凹槽Ⅱ类面料保暖性优异，适合腰腹部、膝盖、脚踝等区域；空泡状Ⅰ类、空泡状Ⅱ类、仿羽小枝、仿羽轴面料透气性优异，适合腰侧、臀部、大腿等区域；凹槽Ⅰ类、仿羽片、空泡状Ⅰ类面料吸湿透湿性佳，适合后腰、小腿、裆部等区域。本文对高性能滑雪保暖裤的开发具有重要意义。