纬编成形护膝结构设计及其热湿舒适性

王予涛, 丛洪莲, 顾洪阳

(江南大学 针织技术教育部工程研究中心, 江苏 无锡 214122)

近年来,人们健康意识的提高和全民健身运动浪潮的高涨推动了运动类纺织品的发展。目前市场上轻运动类针织护膝较为普及,其原料主要有涤纶低弹丝(DTY)、锦纶等,且组织结构大都为罗纹组织,热湿功能分区较为简单,或是分区区域较为模糊,这类护膝不能较好地满足消费者在日常运动中的热湿舒适性需求。为提高护膝的穿着舒适度与防护性能,熊燕[1]制备了无捻纱/空芯纱用于编织护膝;庞欣[2]选用氨纶弹性包覆纱为原料提高护膝压力,研发了高弹运动针织护膝,并通过对护膝的压力梯度进行研究得出其自下而上递增的规律;匡丽赘等[3]在横机上设计开发了袋状空气层护膝,利用空气层结构的特殊性通过对护膝填充物质来提高护膝的防护性能。目前护膝产品的开发大都是通过研究原材料来提升其防护性和舒适性,但是对护膝的功能分区研究较少。无缝圆纬机可编织不同组织结构实现护膝功能区域的划分,以提高人体在运动中的舒适性,如王伟荣等[4]从围度尺寸和纵向结构方面对纬编无缝瑜伽裤进行分区结构设计,针对不同拉伸度对瑜伽裤划分,调节不同区域压力来提高瑜伽运动的舒适性;冯杏清等[5]基于女性特征结合热湿及形态特征,有针对性地对纬编无缝运动服进行区域性分区设计;吴志明等[6]基于舒适性的运动胸衣分区设计对其进行划分,使得穿着胸衣运动时更好地贴合人体。目前对护膝进行的研究方向主要集中在穿戴舒适性、防护性、压力等方面,而对热湿舒适性、功能分区设计等研究鲜有报道,因此对纬编成形护膝的结构设计及其热湿性能研究具有重要意义。

本文通过分析下肢结构特征和热湿分布特征,结合热湿需求对护膝进行热湿分区结构设计。选用150 dtex(96 f)涤纶DTY、75 dtex(288 f)×2涤纶DTY和1 120 dtex橡筋纱原料,制备了14种具有单向导湿性能的组织样品,并进行水分管理测试和透气性测试。然后结合腿部特征对护膝进行分区结构设计,并选用匹配热湿分区的组织结构编织出纬编成形护膝,以期为纬编成形护膝的设计和开发提供参考,使其满足穿戴者在日常运动中的穿着需求。

1 人体腿部特征

1.1 腿部形态特征

腿部作为肌肉较发达的部位,主要由大腿、膝盖、小腿构成,围度变化与肌肉的运动状态密切相关,可分为大腿中围区、膝盖区、膝下区3个部分。图1为腿部形态特征网格线划分示意图,将大腿围8等分,按膝上围线和膝下围线作为2条划分线,将大腿中围至小腿中围的区域划分多个区域。

图1 腿部形态特征网格线划分示意图Fig.1 Schematic diagram of grid line division of leg morphological features

1.2 腿部热湿特征

根据人体下肢出汗情况分布特点[7],对腿部热湿特征分区,如图2所示。人体内的脂肪被消耗时,会释放热量,同时肌肉的活动也会刺激汗腺产生热量。在下肢中,膝盖上部和下部被肌肉包裹,在运动时带动这些肌肉做功,同时消耗部分存储脂肪而释放出较多热量[8-10]。腘窝处脂肪多且摩擦频繁更易产生热量,而膝盖处肌肉较少,在运动时不易发热出汗,因此可根据腿部的热湿特征来对护膝的热湿功能进行分区设计。

图2 腿部热湿特征分区图Fig.2 Partition map of leg heat and moisture characteristics

2 护膝面料性能研究

2.1 样品制备

涤纶DTY是护膝常用原料之一,不仅可制备单向导湿的织物,还能满足护膝的拉伸要求。本文在针数为288的ZY550HS全自动高速电脑圆纬机(三功位进行组织编织)上,使用线密度分别为 75 dtex(288 f)×2、150 dtex(96 f)的涤纶DTY,根据润湿梯原理[11-13]制备样本。另外选用 1 120 dtex 橡筋纱增加护膝的厚度和弹力,其中橡筋纱以衬纬组织编织到织物中(见图3),使织物的横列方向周期衬入不成圈的纬纱,使其具有良好的横向弹性。

图3 橡筋纱编织示意图Fig.3 Schematic diagram of rubber yarn weaving

针织护膝的组织主要有集圈组织、罗纹组织、仿罗纹组织、网眼组织等,不同组织结构的织物其外观特点、性能也不同,选择常用的14种组织结构:罗纹组织(1#、2#、3#)、网眼组织(4#、5#、6#)、仿罗纹组织(7#、 8#、9#)、集圈组织(10#、11#、12#)、复合组织(13#、 14#)。使用无缝圆纬机,通过自带软件选取上下针出针方式,形成集圈、浮线和成圈,通过组合搭配形成不同的组织。并在双面电脑提花机上编织样布,而后对这些样品进行整理熨烫后测试其基本参数,表1示出织物样品规格参数。

表1 织物样品规格参数Tab.1 Parameters of fabric samples

2.2 织物性能测试与分析

2.2.1 透气性

参考GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》,通过YG461E-Ⅲ型电脑式透气仪测试织物的透气性能,压降为100 Pa,样品面积为 20 cm2, 对14种织物分别进行3次测试,取其平均值。

织物透气性与吸湿排汗性有关,透气性越好,越有利于汗液排出皮肤表面,从而保持皮肤表面干爽,减少织物与皮肤间的黏滞阻力。图4示出14种织物样品的透气率测试结果。可知,网眼组织和集圈组织的透气性相差约80 mm/s,比罗纹组织的透气性高出26.7%。网眼组织织物表面的小孔洞有利于空气流通,而有集圈和浮线结合的复合组织由于集圈与成圈的相互拉扯,导致浮线无法形成规则的孔洞,所以按透气性能强弱依次为:网眼组织、集圈组织、仿罗纹组织、罗纹组织、复合组织。

图4 织物透气率对比图Fig.4 Contrast diagram of fabric permeability

2.2.2 水分管理性能

使用液态水分管理系统测试仪进行测试,首先使用质量分数为0.9%的氯化钠溶液来模拟人体分泌的汗液,通过输液管将玻璃瓶盖与测试仪器的接触头连接,然后将织物放置于具有多个探头的圆台之中,上部的探头接触织物内层,下部的探头接触织物外层。在开始实验一段时间后,0.2 g液体均匀滴在织物的内层,模拟汗水会被织物吸收后扩散,探针会测试不同环之间的电阻。电阻的变化表示液体在织物中的吸收和扩散,从而进一步判断织物吸收和扩散汗水的能力。图5示出14种织物液态水分管理性能测试结果。

图5 不同组织织物的液态水分管理性能对比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

渗透面浸润时间、渗透面吸水速率以及单向传递指数是表征织物吸湿排汗性能的3个指标,通过对液态水传递综合指数中的权重比例分配对织物样品进行综合评级,其中渗透面浸润时间评级权重占25%,渗透面吸水速率评级权重占25%,单向传递指数评级权重占50%。若3个指标中有1个小于3级则为不合格,综合评级结果如表2所示。可以看出,罗纹组织样品和复合组织样品的评级较低,其中罗纹比网眼组织样品评级低了0.75级,比仿罗纹组织样品低了0.33级,网眼组织样品与集圈组织样品评级较为接近,二者都具有较好的水分管理性能。网眼结构织物的吸湿排汗性能大于其它结构织物,网眼结构中的小孔更有利于水分的排出,并且与相隔的成圈在表面形成凹凸形状,有利于汗液在表面蒸发。仿罗纹组织和集圈组织织物的吸湿排汗性能接近,但是集圈组织织物中表面线圈更易将水分传递出外界,而且不易松散,更适合护膝的功能。复合组织织物的吸湿排汗性相对于其它织物较差,多种线圈的组合会使线圈拉扯变形而孔隙变小,从而导致水分不易通过;而罗纹织物正反均匀,有利于水分流畅通过,具有良好的热湿性能。综上分析,网眼组织和集圈组织的水分管理性能较为优异,仿罗纹组织、罗纹组织、复合组织次之。

表2 综合评级Tab.2 Comprehensive rating 级

3 纬编成形护膝结构设计

3.1 结构设计

为使护膝具有良好的热湿舒适性,对纬编成形护膝进行结构设计。参考表3护膝尺码,以L号为例进行护膝结构设计。

表3 常见市售护膝尺码Tab.3 Market common knee pad size cm

纬编成形护膝原型如图6所示。上腿围在膝盖向上17 cm,下腿围则在膝盖向下15 cm处,膝盖横向位置定于其中间,结合腿部形态[14],使腘窝长度低于膝盖使护膝能有弯曲角度。通过横密和编织针数的关系可控制护膝围度,反之也可推算组织的编织针数。

单位:cm。图6 纬编成形护膝原型Fig.6 Prototype knee pad woven with weft

3.2 分区结构设计

根据图1中的腿部结构特征,将纬编成形护膝原型进行结构划分,再结合腿部热湿特征对原型进行分区结构设计,如图7纬编成形护膝分区结构设计所示,将护膝结构分为高、中、低密度热湿区域(颜色由深至浅分别表示高、中、低密度)。

图7 纬编成形护膝分区结构设计Fig.7 Partition structure design of weft woven knee pad

根据热湿性能测试结果,对各类组织结构按适用的热湿区域进行分类,结果如表4所示。

表4 组织结构的热湿区域分类Tab.4 List of organizational structure categories

从罗纹、网眼、集圈组织中分别选取1#、4#、10#性能相对优异的组织进行组合搭配来编织纬编成形护膝。对设计的纬编成形护膝进行虚拟仿真,图8示出纬编成形护膝仿真结果。

图8 纬编成形护膝仿真图Fig.8 Simulation diagram knee pad woven with weft

3.3 上机编织与性能对比

下机后不同组织结构面料的横纵密和横向长度影响护膝的围度,假设M1处有A组织和B组织,编织长度分别为L和K,横密分别为Q纵行/cm和P纵行/cm,1个线圈长度即为机器1针编织横向长度(横密会影响线圈宽度),M1处横向编织长度为L+K, 总针数为QL+PK。通过在M1处逐渐增加或减少A组织和B组织的编织针数,控制尺寸差异。其中工艺设计时在M2与M3的区域控制增大编织密度,增加膝盖部位弯曲角度,更符合人体工学。编织完成后将筒套裁剪下来,经过熨烫、包边、裁剪等工艺,得到如图9所示的纬编成形护膝。

图9 纬编成形护膝实物图Fig.9 Physical picture of knee pad woven with weft

图10示出市售针织护膝样品,结构为罗纹组织,原料为150 dtex(50 f)锦纶和150 dtex(50 f)涤纶DTY,乳胶橡筋纱以衬纬组织的形式编入其中。选取体育专业学生分别穿戴纬编成形护膝和市售针织护膝慢跑20 min。

图10 市售针织护膝Fig.10 Commercial knit knee pad

使用FLUKE热像仪记录运动 20 min 和休息 20 min 后的腿部热成像,另外使用热湿传感器记录腿部热湿变化,分别对其进行3次测试后取均值。图11(a) 示出穿戴纬编成形护膝运动与休息后的热成像图片。在运动完后腿部热量大,体表排出大量汗液,此时腿部温度较高,休息20 min后汗液通过线圈结构排出到外界,再由空气带走水分达到冷却效果,从而使整体温度较快下降。图11(b)为穿戴市售针织护膝运动前后热成像图片,同样运动完后腿部温度较高,但由于线圈紧密,材质较为厚实导致运动过程中汗液不能及时排出,所以对比纬编成形护膝温度略高,休息20 min后温度有所降低,但是相比纬编成形护膝降温速度较慢,散热能力较差。

图11 穿戴不同护膝运动前后的热成像图片Fig.11 Thermal imaging pictures before and after wearing different knee pads.(a) Knee pads woven with weft; (b) Commercial knit knee pads

图12示出穿戴纬编成形护膝和市售针织护膝后腿部表面温湿度变化曲线。可以看出:在25 min附近时,纬编成形护膝达到最大湿度,5 min后湿度迅速下降;市售护膝在21 min附近接近最大湿度,10 min后湿度才呈下降趋势。二者的温湿度都处在最大值,但由于分区设计以及面料良好的热湿功能使得前者在运动过程中能排出更多汗液,所以湿度变化率和温度变化率要优于后者,纬编成形护膝的热湿性能要比市售针织护膝好。

图12 穿戴不同护膝腿部表面温湿度随时间的变化Fig.12 Surface temperature and humidity changes of different knee pads over time.(a) Knee pad woven with weft; (b) Commercial knit kneepad

4 结 论

本文通过分析腿部的围度特征和热湿特征,根据人体腿部在运动状态下的热湿舒适度要求,对护膝进行热湿分区结构设计。选用纱线结合单向导湿原理,制备了14种不同组织的织物,通过实验分析其热湿性能,结合热湿分区设计选择合适组织编织护膝,得到如下结论。

1)通过纬编成形原理及单向导湿原理,制备了多种具有热湿功能的织物,其中网眼组织的热湿性能优于仿罗纹组织、集圈组织、罗纹组织和复合组织。

2)通过分析人体腿部的形态特征和热湿特征,结合人体工学,将平面图纵向8等分,横向分为3个区域,在满足腿部曲面的基础上建立了匹配腿部热湿需求的纬编成形护膝分区,这种分区设计的护膝在热湿功能方面比传统针织护膝更加有效果。

3)在满足热湿功能的基础上,纬编成形护膝应满足基本的防护性能,新型功能纱线和其它组织结构的结合,可开发出功能更全面的护膝,兼具防护性和舒适性。