針織無縫運動內衣的散熱導濕仿生結構設計

俞旭良, 叢洪蓮, 董智佳, 沈穎樂

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122)

隨著社會經濟的發展,人們對于品質生活的需求越來越高,尤其在服裝穿著方面體現得更為突出。在劇烈運動時,人們渴望穿著高質量、多功能、時尚、舒適的運動服裝,而無縫針織技術極大程度上滿足了消費者的這些需求。

目前,無縫技術在運動內衣產品中應用廣泛,同時結合特殊紗線使用、后整理工藝處理、組織結構變化,較多功能性無縫運動內衣應運而生,如水分管理、吸濕快干、單向導濕等功能的產品。為了更好地實現功能性,眾多研究人員嘗試將仿生學科與紡織工程結合起來。周艷衛[1]根據葉脈“分支結構”的流體仿生原理,設計出導濕樹形仿生結構針織面料;李娜[2]依據熱帶綠色植物滴水觀音為仿生模型,設計以散熱為水分傳遞驅動力,表面快速散熱、內層快速導濕的雙層織物結構。科研人員從大自然許多生物上得到啟示,研發出可滿足各種復雜場景的仿生結構,同時市場對仿生結構在運動內衣上的呈現有著迫切需求,故對于針織無縫運動內衣仿生結構的研究也越發重視。本文先對人體汗腺分泌、體脂消耗等現象進行了研究,劃分無縫內衣的不同熱濕分布特征,以此建立無縫內衣的熱濕結構分區,同時在不同結構分區中設計了散熱、導濕功能的仿生結構,為針織無縫運動內衣仿生結構的設計與開發提供一定的參考意義。

1 無縫運動內衣熱濕要求

由于人體肌肉顫抖、汗腺分泌等現象會產生大量熱量和汗水,無縫運動內衣出現明顯的熱濕分布特征[3-4],影響其穿著舒適性能。

1.1 無縫內衣熱分布特征

目前,有研究基于人體結構原理和體脂帶的分布特點,設計運動服裝的熱濕分區,以此提高運動產品的性能[5-6]。在饑餓或劇烈運動時,體脂的消耗會釋放大量熱量,同時人體肌肉的顫動也會產生熱量,這是人體產熱的兩種主要方式[7]。成年人的體脂率正常范圍在20%左右,體脂帶主要分布在胸腔及腹腔內的器官處;人體肌肉群主要集中在胸部、腹部、四肢等部位,而后背肌肉群在人體中占比較少[8],因此在運動時前身會是產熱密集區域。如圖1所示,人體在前胸、腹部、腋下部位由于存在大量脂肪帶和肌肉群進行產熱,這些部位在運動時會具有較高的體溫,因此在無縫內衣上的相應部位設立為高溫熱分布特征區域,而腰部及后背存在的肌肉群較少,主要依靠脂肪帶產熱,故設立為無縫內衣中溫熱分布特征區域。只有胸間少數部位產熱較少,為無縫內衣的常溫熱分布特征區域。

圖1 無縫內衣熱分布特征Fig.1 Heat distribution characteristics of seamless underwear

1.2 無縫內衣濕分布特征

人體汗腺具有分泌汗液與排泄物的作用,是人體排汗的主要器官。汗腺分為兩種類型,一種為小汗腺,另一種為大汗腺。小汗腺主要對人體體溫進行調節,小汗腺遍布全身皮膚,在掌跖、腋下、前胸、背脊等部位的分布較為密集。大汗腺主要分布在多毛的部位,如腋窩、乳暈等處,其分泌的汗液容易在細菌分解下散發臭味。如圖2所示,在運動或者高溫高濕的條件下,人體的腋下、胸間、背脊部位會分泌大量汗液,汗液困于服裝內部,影響穿著舒適,因此在無縫內衣的這些部位設立為高濕濕分布特征區域。汗腺在人體后背的分布較前身更為密集,運動時后背大面積區域發生汗液滲透衣物的現象,故后背大面積區域為無縫運動內衣的中濕濕分布特征區域,前身大面積區域出汗適中,為常濕濕分布特征區域。

圖2 無縫內衣濕分布特征Fig.2 Moisture distribution characteristics of seamless underwear

1.3 結構分區

通過對無縫內衣高、中、常三種狀態的熱濕分布進行性能需求研究,結合圖1和圖2相應部位的熱濕分布特征,組合成高溫高濕、高溫常濕、中溫高濕、常溫高濕、中溫中濕、中溫常濕、常溫常濕的七種熱濕狀態。

1) 高密度熱濕區域A:無縫內衣高溫高濕的腋下部位及中溫高濕的背脊部位汗腺分布密集,在運動中出汗巨多,產熱頻繁,是無縫內衣結構中特殊熱濕需求區域,在設計結構分區時屬于無縫內衣的高密度熱濕區域。

2) 中密度熱濕區域B:在高溫常濕的腹部、胸部,常溫高濕的胸間部位及中溫中濕的后背主體部位分布較多的體脂帶或汗腺,同時連接著較大的肌肉群,也是人體感到汗濕、悶熱的重災區,故設定為無縫內衣的中密度熱濕區域。

3) 低密度熱濕區域C:人體前腰、前肩等中溫常濕區域及極少常溫常濕區域可依靠人體自身能量消耗來保持運動時的體溫恒定,對于服裝舒適性能的依賴較小,這些部位為無縫運動內衣結構的低密度熱濕區域。

如圖3所示,對無縫運動內衣進行高密度、中密度、低密度三種熱濕結構分區設計,揭示運動場景中無縫運動內衣不同區域的熱濕狀態。同時針對不同熱濕結構分區,提出散熱、導濕型仿生結構面料設計,以達到更佳的熱濕舒適性。

圖3 運動內衣結構分區Fig.3 Structure division of sports underwear

2 散熱型仿生結構設計與實現

鯊魚V型鋸齒狀皮膚表面可引導水流流動,減少水流阻力[9]。同時鯊魚還具有獨特的呼吸系統,使得該物種可不費力地長時間潛伏在海底。

2.1 鯊魚呼吸系統

鯊魚頭部兩側擁有5～7對魚鰓[10],如圖4(a)所示,魚鰓由鰓囊、鰓絲、鰓弓、鰓間隔、鰓裂道、鰓蓋等組成,是鯊魚呼吸系統的主要器官。富氧水進入鯊魚口咽腔,鰓囊開始擴大,口咽腔內的水被吸入鰓囊,在鰓囊內進行呼吸作用,鰓絲內部含有豐富的毛細血管,可攝取水中的溶解氧,同時把二氧化碳排到水中,且呼吸時血流方向與水流方向相反,進一步促進氣體交換效率。水在鰓囊內完成氣體交換后,鰓囊收縮,貧氧水經外鰓裂流出,完成整個呼吸過程[11]。鯊魚的呼吸主要通過鰓囊的擴大與收縮動作輔助完成,若在服裝上設立類似鰓囊的結構,讓服裝具備空氣交換、呼吸的功能,可大大改善肌膚與衣物之間的微環境。

2.2 散熱型仿生結構設計

鯊魚的呼吸仿生結構被廣泛應用于汽車出風口、電腦主機散熱孔等領域,同時應用在運動服領域中,可提供氣體交換的代謝場所,實現服裝散熱排汗的效果[12-13]。

選用運動內衣常用的83.33 dtex錦綸、22.2 dtex/55.5 dtex錦綸/氨綸包覆紗為原料,參照無縫內衣結構模型,在圣東尼無縫內衣機上設計織造一款仿生無縫運動內衣。其中散熱仿生結構區域采用吊針數為16的吊針組織有序間隔并排編織,如圖4(b)所示,黃色為成圈,黑色為浮線,單針16列紗線不成圈,以浮線方式浮在一個線圈后面,線圈圈柱被拉長,因此編織后線圈嚴重收縮,拉縮織物,使得同一縱行上的面料下凹形成橫條通道,呈現特殊的凹凸通道結構。試樣效果與鯊魚鰓部形似,形成類似鰓裂道、鰓囊的通道及內部空間結構。仿生結構設計中,下陷部位與皮膚接觸,隨著人體肌肉運動顫抖發生擠壓收縮、回復的變化,以此模擬鰓囊結構擴張、收縮來控制海水進出的作用,即實現內衣內部空氣與外界空氣快速交換的過程,保證新鮮空氣迅速流入,以及熱量與濕氣的快速排出。同時試樣輕薄,以及針織線圈結構具備良好的透氣性能,可較好地進行氣體交換,實現鰓絲血管壁仿生結構的原理效果。

如圖4(c)所示,在無縫仿生運動內衣成品展示中,以產熱為主的腹部區域、腋下,以及同為高密度熱濕區域的后背,設立密集密集排布的散熱仿生結構,前后身均設有該仿生結構區域,加速內衣整體蒸發散熱效率,從而改善運動內衣的熱濕情況。

圖4 凹凸仿生結構設計Fig.4 Concave-convex bionic structure design

3 導濕型仿生結構設計與實現

目前,土地逐漸沙漠化,一些沙漠蛇、蟾蜍、蜘蛛、節肢動物甚至哺乳動物利用它們的體表結構收集水分來克服生存問題[14],形成自身獨特的水分傳輸系統。

3.1 棘蜥水分傳輸系統

棘蜥主要生活在極度缺乏水資源的澳大利亞沙漠,背上布滿棘手,形成了一套水分收集傳輸系統。該系統利用毛細作用將水分和霧氣收集起來,并輸送到口腔,保證生存的水分所需[15],如圖5(a)所示。棘蜥皮膚表面存在鱗片及高低不一的大刺,鱗片呈六邊形蜂窩狀結構,增強了皮膚表面的親水性,而且六邊形鱗片重疊部分形成促進水分吸附、運輸的皮膚通道,并延伸至棘蜥的整個體表[16-17],形成棘蜥物種的水分收集輸送系統。棘蜥的水分收集輸送系統具有寶貴的仿生學意義,其六邊形通道結構應用于紡織領域,可進行導濕型仿生結構設計,實現服裝上的導濕、水分傳輸、汗水管控等功能[18]。

3.2 導濕型仿生結構設計

在設計導濕型仿生結構時,變化并排排列的吊針數,使其形成不同方向的凹凸通道,如圖5(b)所示,通過調整最下方吊針組織的吊針數為12、16、12,將通道結構向指定方向延伸,同時循環的倒Y形排布緊密,組合形成六邊形結構。下機后,織物形成類似棘蜥的六邊形蜂窩狀仿生結構通道,可將身體大面積的汗液戰略性地輸送到特定區域(如需要大量降溫或是出汗較多的區域),集中進行水分管理、蒸發排汗。根據人體主要的出汗區域,通常只在內衣服飾上設計2～3個吸濕排汗的功能區,但人體出汗區域覆蓋廣泛,因此該通道可達到大面積汗水收集,并傳輸到功能設定區域的目的,實現內衣強大的汗水導濕、管控作用,保證皮膚長時間的干爽。

如圖5(c)所示,在無縫仿生運動內衣中,高溫常濕的胸部區域設立了倒Y形導濕通道仿生結構,組合成規則的六邊形通道,并向外延伸至大片胸部區域。將分散在胸部各區域的少量汗水傳導至常溫高濕的胸間部位,進行集中管控處理,在增強胸間的排汗降溫效果的同時,改善胸部整體區域的熱濕舒適性。

圖5 通道仿生結構設計Fig.5 Channel bionic structure design

4 熱濕性能測試

4.1 測溫熱像實驗

實驗選用TIS 55+紅外熱成像儀(美國FLUKE公司)進行測試,測試結果單位為℃,可測范圍為-45～80 ℃,以后背大面積散熱型仿生結構區域為測試區,測試穿著仿生結構內衣的散熱效果。如圖6所示,測試靜坐30 min與慢跑30 min后相同位置的熱像效果。運動前后的熱像圖對比顯示,運動過后,后肩未設仿生結構區域的溫度從28.0 ℃升至29.5 ℃,變化幅度α上升明顯,而凹凸通道仿生結構區域的溫度從26.0 ℃上升至26.5 ℃,變化幅度β較小。在運動中,人體開始產熱出汗,在皮膚表層匯聚成汗水,仿生結構的設計使得濕氣與新鮮空氣進行交換散失,在空氣流動及蒸發作用下,多余的汗水與熱量被帶走,極大提升了散熱排汗速率,使得人體感受不到潮濕。同時在仿生結構下陷部位,外界空氣與內部空氣形成微小對流,與鰓部的毛細血液同水流對流效果相同,提升了內衣內外氣體交換的效率。因此,內衣的散熱型仿生結構設計能夠有效地起到快速降溫的作用。

圖6 熱像性能測試對比實驗Fig.6 The thermal image performance test contrast experiment

4.2 液態水分管理實驗

選用無縫內衣導濕型仿生結構區域和相同原料、工藝參數制備的平針組織內衣進行液態水分管理測試實驗,測試4組實驗試樣,儀器上感應盤下降,在試樣上滴0.9% NaCl試劑,模擬內衣的汗水管控情況,其擴散速度數據記錄如圖7所示,兩塊試樣的平均值a、b差異明顯。對比平針組織,導濕型仿生結構的設計提升了試劑的導濕傳遞能力,實驗顯示試樣擴散速度提高了約15%,仿生結構試樣上的水分擴散范圍較大,傳輸距離較遠,汗水可通過六邊形的導濕仿生結構進行長距離的導濕,并隨著通道傳輸到設定區域,從而改善無縫運動內衣的熱濕性能,使得內衣貼身舒適。

圖7 液態水分管理測試對比實驗Fig.7 The liquid water management test contrast experiment

5 結 論

本文通過研究人體汗腺分泌、體脂消耗等產熱出汗現象,建立了無縫運動內衣的三種熱濕分布特征,且根據相應部位組合成內衣結構模型的高、中、低密度熱濕區域,得到合理的結構功能分區。根據無縫運動內衣的特殊熱濕需求設計散熱型仿生結構及導濕型仿生結構,通過性能實驗測得凹凸通道仿生結構區域的溫度可有效維持在26 ℃左右,實現內衣的散熱降溫功能,同時六邊形蜂窩狀仿生結構可促進汗水傳遞擴散速率的提升,增強內衣的汗水管控能力。無縫運動內衣仿生結構的設計,使得內衣具有良好的蒸發散熱、導濕快干等性能特征,內衣的熱濕舒適性能得到巨大的提升。

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