蝴蝶鳞片结构仿生在针织物开发中的应用

蝴蝶鳞片结构仿生在针织物开发中的应用

冬季纺织运动服的耐寒性是其重要的性能之一。一般来说，保暖针织布通常设计为相对坚固的缓冲结构和毛圈结构，但这些结构存在于炎热和易结汗运动中，不符合冬季织物的使用要求。然而，必须设计一个带有翅膀和两个空气层结构的方法来改善织物的耐寒性，需要更多的工艺和要求来满足纺织的要求。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异形结构模型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2纺织机械的开发与性能试验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Dryarn2.2织物设计与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SANTONIMF8-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0.907mm(28E)，针数为1248针，筒径为356mm。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。2.3织物透气性测试参照GB/T3820—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2000mm参照GB/T11048—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35cm×35cm大小的试样3块进行测试，设置热板温度为35℃。参照GB/T5453—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/T12704.2—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88mm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24h。参照GB/T21655.2—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80mm×80mm规格样品，放置至少24h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水生织物的性能分析3.1织物表面形貌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。3.2民用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保暖性能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此外，A组13.4水生织物的通风分析仿生织物的透气率测试结果如图6所示。由图6可知，仿生织物的透气性能由大到小排序为23.5水生织物的渗透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。由图7仿生织物的透湿性能排序为33.6相关指标测试结果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。由表3可知，在织物上层滴水后测试的120s内，织物累计单向传输指数R由大到小排序为:23.7大众对冬季运动面料的热湿性能调查与分析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1)建立因素集合U。式中，U2)建立评论集V。式中，V3)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14)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X5)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。6)通过加权平均型评判函数，得到综合评判集B=A·R=(0.4241,0.9622,0.5317,0.0573,0.4514,0.2075)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:24仿充针织织物的开发本文研究了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