無縫針織運動服織物組織拉伸性能評價與應用

趙欲曉，李秀青，宋彥杰，李 月

(北京服裝學院，北京 100029)

無縫針織服裝是一種一體成型類產品，其采用固定的筒徑和針數，通過組織和原料變化得到具有三維曲面形態的針織服裝，其結構有別于普通針織或機織面料裁剪縫制的服裝[1]。無縫針織服裝通過材料的選擇和組織結構的配合，實現產品的舒適感和塑形效果。

目前，主要對從編織工藝和染整工藝方面，無縫針織技術進行研究，探討分析針織物的變形機制和尺寸穩定性的影響因素[1-3]。無縫針織主要用于襪子和針織內衣的工業化生產，研究者多從壓力舒適性和熱濕舒適性方面對多項服用性能指標進行測試[4-5]。針對運動服，應用關聯分析理論對織物的透濕性、速干性、透氣性、彈性等服用性能進行評價優選[6]。

通過織物拉伸實驗，結合不同運動姿態下體表皮膚的變化規律，可以有效地將面料拉伸度與體表皮膚變化相匹配。基于此，本文研究對織物組織結構和拉伸性能之間的關系，進行分析研究，以期為該類針織運動服裝的開發提供一定的技術依據和參考價值。

1 織物試樣設計

1.1 編織設備

選擇單針筒SM8-TOP2無縫針織圓機(意大利圣東尼公司)進行編織。該機型結合了襪機和提花圓機的技術特點，采用多級電子選針技術，利用多次選針來實現復合花型的編織。通過電動機控制成圈三角和針盤的升降運動來控制編織的速度和線圈的大小。

SM8-TOP2針織圓機主要由給紗機構、送紗機構、牽拉卷取機構、傳動機構和電子控制機構組成。給紗機構由8個IRO SFE儲紗器、8個BTSR KTF/25HP包覆氨綸傳輸器、8個LGL SMART長絲輸送器和8個ELAN裸氨紗輸送器共同構成[7]。

1.2 組織結構及編織方案

考慮透氣性和液態水分管理能力在后續產品研發中的要求，通過前期比對，優選出聚酯纖維71.2%、丙綸22.7%、氨綸6.1%作為原料紗線的配比方案。

使用GRIPHIC6軟件進行無縫針織織物組織結構的編寫，組織結構的程序語言只可識別GRIPHIC6軟件色板界面左側的前4種顏色，且與面紗和底紗選針器的工作狀態相對應，代表面紗、底紗的選定和編織控制程序：黑色代表底紗和面紗均不編織；綠色代表面紗不編織、底紗編織；紅色代表面紗編織、底紗不編織；黃色代表面紗和底紗都編織?；窘M織結構單元編寫方法如圖1所示，圖中■、▲、●和□分別對應GRIPHIC6軟件色板中的黑、綠、紅、黃4種顏色。

圖1 基本組織結構單元編寫方法

選擇最具代表性的平紋組織、羅紋組織、網眼組織、間隔抽條組織、交錯抽條組織等組織結構，部分對應織物外觀效果見圖2，根據針數和針法的不同，設計了多種組織結構并進行分析。

圖2 代表性組織結構的織物外觀

1.3 各種組織的基本性能

14種面料試樣組織結構與規格見表1。從組織結構的基本測試可以看出，常見的平紋和羅紋組織結構在厚度和面密度上比較適中；因為外觀的需求，立體提花和抽條結構的厚度較一般組織結構更厚，適用于身體需要保暖且可以突出設計的部位。點狀交錯結構可有效減少織物與身體的接觸點，有效提高穿著舒適性。

表1 面料組織結構與規格

2 面料拉伸性能實驗

針織物在穿著過程中，因彈性良好，經向和緯向會互相牽扯影響。因此，實驗階段分別對試樣做經向和緯向的拉伸測試，對拉伸結果進行比對和分析。

實驗儀器：INSTRON強力拉伸機(美國英斯特朗和香港理工大學聯合研發)。

實驗標準：按照FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》進行。標準中的實驗方法分為定伸長(率)拉伸彈性回復率測試和定力拉伸彈性回復率測試2部分。按照需求，實驗選擇定伸長測試。

測試方法：每塊試樣通過平行裁樣法得到經向和緯向各3個測試樣，測試樣大小為100 mm×50 mm，預加張力0.1 N，拉伸速度50 mm/min，反復拉伸1次和10次。根據運動服延展性能要求，設置最大拉伸形變為50%。每次拉伸到預設最大形變時，停置1 min，以回程速度回到起點，停置3 min，周而復始，反復拉伸。

3 實驗結果與分析

3.1 一次拉伸結果分析

各試樣經向和緯向一次拉伸實驗結果見表2。經向拉伸中，達到預設最大形變時，2#試樣載荷最大，7#試樣載荷最??；緯向拉伸中，達到預設最大形變時，8#試樣載荷最大，7#試樣載荷最小。

表2 一次拉伸實驗結果 N

在一次拉伸過程中，試樣達到最大形變時的載荷量并不能完全表示織物在受到外力作用時產生彈性形變的難易，可以通過擬合函數來求取對應的彈性模量，從而判斷不同組織結構的形變特性。初始彈性模量，即拉伸開始階段載荷—位移曲線起始段直線部分的斜率，可以通過擬合函數來求取得到，視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，即在一定應力作用下，發生彈性變形越小。2#和7#試樣載荷—位移及擬合函數曲線圖如圖3所示，在經向拉伸實驗中，達到預設最大形變時載荷最大和最小的2#和7#試樣，載荷—位移曲線起始段直線部分的斜率即為對應的初始彈性模量。各組織結構經、緯向一次拉伸擬合函數見表3，表中Adj.R-Square為調整后相關系數R的平方，用于評估回歸模型的擬合度和效果，越接近1，表明擬合度越好。

圖3 2#和7#試樣載荷—位移及擬合函數曲線圖

如表3所示，由經向拉伸的初始彈性模量可知，羅紋組織經向抗拉伸性最好，不易發生塑性變形。8#菱形立體提花、14#縱向三針點狀交錯、1#平紋和12#橫向2針線性循環組織拉伸性能良好。10#間隔抽條、7#菱形提花和6#大網眼組織經向拉伸性能偏弱，易發生拉伸形變。

表3 各組織結構經向、緯向一次拉伸擬合函數

各組織試樣在緯向上表現出了較大的差異性，8#菱形立體提花的緯向延伸性較差，緊實、不易變形，可以提供足夠的壓力，并且起到保護作用。7#菱形提花組織和14#縱向三針點狀交錯組織緯向延伸性最強，適合用于運動中橫向皮膚拉伸明顯的區域。其余組織結構緯向拉伸性能相近，可以結合透氣、透濕等性能進行綜合評估。

綜合分析經緯向，7#組織結構在經向和緯向上都具有良好的延伸性，可以滿足70%的皮膚拉伸變化需求。5#、6#試樣經向的延伸性遠好于緯向。2#、3#、4#組織結構經向的延伸性略差于緯向，這是由于羅紋組織緯向易伸展的特性造成的。其余組織結構經、緯向的拉伸性能沒有較大差異，產品使用中可以弱化雙向拉伸性能差異的影響。

3.2 10次拉伸結果分析

針織織物具有良好的回復性，但是在回復過程中表現出一定的塑性變形?？椢锢飚a生形變，卸載后產生殘余形變，即載荷為零而形變不回到零，稱之為“滯后”現象。

服用性能中，“滯后”現象重要的考量指標就是服裝拉伸多次后的回復性，本文研究參考FZ/T 70006—2004，測試反復拉伸了10次。針織織物在反復拉伸過程中，表現出良好的回復性，2#試樣經向反復拉伸10次實驗結果如圖4所示。在第1次拉伸中，滯后性明顯，在之后的拉伸過程中，滯后性逐漸被弱化。

圖4 2#試樣經向10次反復拉伸實驗結果

滯后性因滯后效應產生，參考量為滯后變量。一般情況下，被解釋變量與解釋變量的因果關系不一定就在瞬時發生，可能存在時間上的滯后，或者說解釋變量的變化可能需要經過一段時間才能完全對被解釋變量產生影響。同樣地，被解釋變量當前的變化也可能受其自身過去水平的影響，這種解釋變量受到自身或另一解釋變量過去值影響的現象稱為滯后效應，表示過去值的變量稱為滯后變量[8-9]。

拉伸載荷—位移曲線中，點A和B分別為加載載荷的起點和終點，點M為AB線段的中點，過最大應變值作應力軸的平行線，過最大應力值作應變軸的平行線，2平行線相交于點N，連接NM。NM的中心記為點O，過點O作NM的垂線，交弧線的2點分別記為點C和點D，如圖5所示。

圖5 滯后性分析示意圖

滯后性能的大小，可以通過特定的數學計算量來表示，其中比較方便快捷的辦法是，設CD的長度為a，NM的長度為b，那么比值k=a/b即是表征的物理量，k值越大表示滯后性越強。對14個試樣組織結構的k值進行計算，得到結果見表4。

表4 各組織結構經向、緯向滯后性k值

10次拉伸后，各組織結構在經向、緯向上的滯后性有所差異。滯后性最弱的是11#橫向三針線性循環組織的經向拉伸，k1為0.102。滯后性最強的是9#交錯抽條組織的緯向拉伸，k2為0.154。滯后性太強的組織不適用于頻繁運動或者長期拉伸、彎曲的部位，織物的堆積會帶來不舒適感，同時阻礙導濕散熱。1#、2#、4#、6#、7#、8#、12#、14#組織結構經緯向的拉伸滯后性相接近，均處于同一個數量級。3#和9#試樣經向、緯向滯后性差異明顯，k值約相差0.02。3#和9#組織結構在運用中，可依據實際應用確定組織結構的橫向、縱向排列。

4 基于組織性能的運動服應用設計

無縫針織運動服產品開發時，應充分考慮運動特性、人體體表和生理變化規律，結合組織性能測試結果進行更科學的產品設計。同時，無縫針織機的編織過程，需要多方面考慮相鄰區域組織結構的牽扯力，編織樣板需要反復調節。特殊區域因為機械性能的影響，無法配置最佳組織結構時，需要退而求其次，更換最為合適的組織以優化結構性能。如在騎行上衣設計中，針對現有產品壓力值和運動中人體表面伸展關系模糊、散熱區域分布不科學等問題，結合織物組織拉伸、散熱、透濕等性能，在前胸、前腹，體側、后背肩胛骨區、后背脊柱區、后腰、腋下、上臂、肘部等部位進行針對性設計，以滿足體表變化、穩定肌肉、減輕疲勞、減小風阻、增加散熱等功能需求[10-11]。騎行運動中體表尺寸特征、騎行上衣功能需求及對應組織結構見表5。

表5 騎行上衣的功能需求及設計要點

成衣編織筒徑的確定主要參考人體運動所需要的壓力舒適值和短期有效提高競技水平的壓力值[12]，見表6。編織多種筒徑的樣片，對樣片的服裝壓力值進行測試，依據評估結果確定編織為30.9 cm，以滿足運動中各部位的壓力和舒適度。

表6 服裝壓舒適感參考值 Pa

騎行上衣款式圖見圖6，騎行上衣工藝程序圖見圖7。

圖6 騎行上衣款式圖

圖7 騎行上衣的工藝程序圖

5 結 論

本文通過拉伸實驗，對無縫針織織物的拉伸性能進行分析研究，旨在有效地將無縫針織面料拉伸度與運動中體表皮膚變化、運動功能需求相匹配，為無縫針織運動服裝的開發提供一定的技術依據和參考價值。通過研究，得到如下結論：

①在一次拉伸實驗中，達到最大位移時的載荷與拉伸初始彈性模量較為一致地反映出各試樣經向、緯向產生彈性變形的難易程度。羅紋組織經向抗拉伸性最好，菱形立體提花的緯向不易發生塑性變形，菱形提花組織在經向和緯向上都具有良好的延伸性。

②通過10次反復拉伸實驗測定各試樣的拉伸滯后性，滯后性最弱和最強的分別是橫向三針線性循環組織的經向拉伸和交錯抽條組織的緯向拉伸，同一組織結構經向、緯向滯后性差異最大的是2×2羅紋和交錯抽條組織。滯后性根據產品的設計，可加以有效利用，更好地滿足人體機能的功能和舒適性需求。

③無縫針織運動服裝的結構設計，需要考慮人體運動特征、運動功能需求和相鄰區域組織結構的牽扯作用，特殊區域因為力學性能的影響，無法配置最佳的組織結構時，需更換為相對合適的組織結構，以達到符合人體工學的效果。