防水功能膜復合織物在校服外套上的應用

楊允出, 李潔, 鄭浩棟

(1. 浙江理工大學 國際教育學院 浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學 絲綢文化傳承與產品設計數字化技術文化部重點實驗室,浙江 杭州 310018;3.浙江理工大學 服裝學院,浙江 杭州 310018;4. 浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),浙江 杭州 310018)

校服,是學生在受教育階段不可或缺的教育用品之一,對學生的身體健康、心理發展有著重要的影響。隨著經濟快速的發展以及生活水平的提高,校服的品質受到家長的關注。若運用科技手段提高校服面料的功能性,并在校服設計上滿足學生戶外運動的需求[1],將校服的功能性與美觀性相結合[2],則對校服品質提升具有積極的推動作用。

國內在校服功能性設計的研究中,王淳[3]結合小學生體型生長發育規律設計出可調節校服,解決了因學生生長發育快導致的校服不合體問題。申佳惠[4]將反光材料應用于校服設計,提升學生在夜間出行時的安全性。趙錦[5]考慮到學生活動量大,提出校服應具有良好的吸濕散熱、防風透氣性能。在國外,澳大利亞以及歐洲的一些國家規定中小學生校服必須由防紫外線布料制成,以增加校服對學生身體的安全防護功能。韓國有校服品牌研制出中空保暖纖維面料[6],滿足了學生對校服的保暖性需求。

目前,國內外關于校服的研究大多集中在校服的款式設計及面料的開發,且在校服面料方面側重于透氣、防水、速干等新功能方向。由于GB/T 31888—2015《中小學生校服》[7]中并未提及對校服防水性能的具體要求,而在生活中,廣大老師及家長群體對學生戶外運動的重視程度日漸加深,故文中結合實際需求,在面料的選擇以及校服設計時側重于校服防水性能的提升。

1 面料性能測試

1.1 材料與儀器

1.1.1材料 防水功能織物(PTFE膜復合面料、PU膜復合面料、TPU膜復合面料),黃山攬勝天下戶外用品有限公司提供;高密度防水織物(塔絲隆面料),吳江銘志紡織有限公司提供;常用校服織物(滌棉面料),紹興坤牧紡織品有限公司提供。

1.1.2儀器 XY系列精密電子天平,常州幸運電子設備有限公司制造;YG(B)141D型數字式織物厚度儀,溫州大榮紡織儀器有限公司制造;YG813型沾水試驗儀,寧波紡織儀器廠制造;YG461E型織物透氣量測試儀,寧波紡織儀器廠制造;YG601型織物透濕儀,南通三思機電科技有限公司制造。

1.2 測試方法

1.2.1試樣參數測試 根據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》[8]方法測試織物的厚度,采用電子天平測量試樣質量,計算得到織物的面密度。

1.2.2防水性能測試 在5種平整面料的不同部位分別取3塊180 mm×180 mm試樣,按照GB/T 4745—2012《紡織品 防水性能的檢測和評價 沾水法》[9]測試其防水性能。每種面料測試3次,并與標準圖卡進行比對,判定等級。沾水等級分為1～5級,等級越高,表示織物防水性越好。

1.2.3透氣性能測試 根據GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》[10]方法,采用織物透氣量測試儀測定5種不同面料的透氣率。同一面料不同部位重復測定10次,取其平均值。

1.2.4透濕性能測試 按照GB/T 12704.2—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第2部分:蒸發法》[11]測試方法,采用織物透濕儀測試5種不同面料的透濕量,每種面料選3個試樣,取其平均值。

1.3 結果與分析

面料性能測試結果見表1。

表1 面料性能測試結果

1.3.1防水性 由表1可以看出,普通的滌棉面料沾水等級最低,為1級,故其防水性較差;功能性防水面料的沾水等級在2～5范圍內,說明功能性防水面料的抗濕性能明顯提升,其中PTFE膜復合面料和PU膜復合面料的防水性能最優,塔絲隆面料和TPU膜復合面料次之。究其原因,不同織物表面對水的潤濕效果有較大的差異。滌棉面料表面紗線間的空隙大、孔隙多,使得液態水在其表面形成較小的接觸角,試樣易被沾濕,液態水沿孔隙進入紗線內部,填滿空隙,從而使得試樣被浸濕,防水性差;防水功能膜復合面料表面孔隙少,液態水在其表面易形成大于90°的接觸角,其表面不易被沾濕,故防水性能較好。另外,功能性防水面料的防水性能差異主要取決于膜的質量和孔徑大小[12]。膜的微觀形態可分為微孔結構與無孔結構,PTFE膜是微孔結構,PTFE膜及其復合面料的防水性能由其表面微孔的數量及孔徑大小決定,通常PTFE膜表面微孔的孔徑小于液態水滴的,因此可以有效防止液態水滴浸潤通過;PU與TPU膜表面則是致密無孔結構,其大分子鏈中的硬鏈段存在大量疏水基團,故可以有效疏離液態水滴,硬鏈段中疏水基團的數量可以影響PU與TPU膜及其復合面料的防水性能。

1.3.2透氣性 影響透氣性的主要因素是織物中空隙大小的分布特征。由表1可以看出,前4種功能性面料的透氣率遠小于滌棉面料,故功能性面料相較滌棉面料有更好的防風性能,且以PU膜復合面料表現最優,PTFE膜復合面料次之。究其原因,功能性面料中膜的微孔直徑只有微米級[13],遠遠小于普通滌棉織物紗線間的空隙。

1.3.3透濕性 織物透濕性是指織物對水蒸氣的吸附和擴散能力,是衡量人體散熱發汗時維持身體產熱和散熱的熱平衡能力指標之一[14]?？椢锿笣裥猿伺c織物中的空隙大小有關,還與纖維自身的吸濕性能有關,防水透濕膜織物則與膜的透濕性能密切相關。

微孔型膜的水蒸氣透濕量(water vapour transmission,WVT)遵守Hagen-Poiseuille方程[15],即

式中:C為常數;N為單位面積孔數,孔數/cm2;R為孔的平均半徑,μm;Δp為膜兩側的壓差,Pa[16];K為通道的曲折系數;L為薄膜厚度,cm。

親水性無孔膜水蒸氣的透濕量(WVT)遵守由Fick第一擴散定律和Henry定律所確定的方程,即

式中:D為擴散常數;S為溶解度參數。

國標規定不同種類服裝有著各自的透濕率要求:GB/T 21980—2017《專業運動服裝和防護用品通用技術規范》[17]中,透濕率≥2 500 g/(m2·d); GB/T 32614—2016《戶外運動服裝 沖鋒衣》[18]中,Ⅰ級洗前透濕率≥5 000 g/(m2·d),洗后透濕率≥4 000 g/(m2·d),Ⅱ級洗前透濕率≥3 000 g/(m2·d),洗后透濕率≥2 200 g/(m2·d)等。由表1可以看出,在環境溫度為38 ℃,相對濕度為50%的實驗條件下,滌棉面料的透濕率顯著高于功能性面料,而功能性面料中以PTFE膜復合面料的透濕率最高,PU膜復合面料次之,但均能達到戶外運動服裝的標準要求,故具備較好的透濕性能。

綜合分析5種不同面料的防水、防風和透濕性能,其中PTFE膜復合面料和PU膜復合面料皆有優良的防水性能,適用于戶外運動服裝;且PTFE膜具有優良的透濕性,PU膜具有優良的防風性,將PTFE膜和PU膜與織物復合用于服裝成衣制作,可賦予服裝一定的防護性、舒適性和美感。

2 校服成衣設計

2.1 設計原則

GOLDMAN R F[19]對于服裝設計提出4F原則:Fashion(時尚性)、Function(功能性)、Feel(舒適性)和Fit(適合性)。文中依據4F原則,同時遵循合理、適應、創新的設計理念,選取小學生體型150/72A號型尺寸,充分考慮冬季校服外套應具備的防風、防水、保暖和透濕性,同時兼顧服裝穿著舒適性,結合流行趨勢設計款式造型與色彩,開發出一款校服產品。

2.2 設計實現

2.2.1款式設計 冬季校服外套的廓形是H型,整體呈直筒狀,以寬松為主,不貼身不顯身形,既有利于中小學生的生長發育,又便于校園日?；顒?滿足穿著的舒適性。在戶外運動時人體上肢部位易受衣袖的束縛,袖山松量會影響手臂的活動范圍,腋下余量產生的摩擦也會給手臂帶來不適。文中校服采用插肩袖設計,可以增加手臂擺動時的活動空間,提高舒適性。

2.2.2材料選擇 傳統的冬季校服外套以針織面料為主,舒適柔軟,透氣保暖,但不具備一定的防風、防雨性能,如逢雨季或驟然降溫等情況,無法為學生外出提供必要的防護。文中選取兩款功能性面料——PTFE膜復合面料和PU膜復合面料,局部應用于校服外套上,以提升校服外套的防風、防雨及保暖透濕性能。

2.2.3結構設計 分割線是校服外套結構設計的重要組成部分,一般可分為功能性分割線、裝飾性分割線和綜合性分割線[20]。

功能性分割線可巧妙地將省道轉移到分割線上,突顯人體的曲線美,用簡單的分割代替復雜的歸拔工藝塑型,同時達到功能性的要求;裝飾性分割線以修飾體型、美化服裝線條為主,滿足大眾的視覺審美需求;綜合性分割線依據人體結構特征確定出分割線運用的位置和形態,從而達到裝飾與結構設計的雙重效果。

文中根據雨天及學生運動情況,對校服外套采用綜合性分割線和開口設計。雨天學生在戶外活動,最先被雨淋濕的部位是頭頂、肩膀、手臂外側;人體運動出汗時,最易產熱的部位是頸部、腋下、后背中間部分。面料設計時,在主要淋雨部位采用PU膜復合面料,而在頸部、腋下等極易產熱部位,拼接上透氣性能良好的PTFE膜復合面料;結構設計時,在頸部、腋下等關鍵位置設弧形分割線,同時在后背中間處設一開口,確保體內大量產熱可以及時排出,防止汗水在衣下冷凝。

服裝款式結構設計如圖1所示。

圖1 校服款式設計Fig.1 School uniform style design

3 成衣防水性能測試

3.1 實驗裝置設計

根據生成雨滴原理不同,目前我國人工模擬降雨的裝置可分為4種形式:噴嘴式、針頭式、管網式和懸線式[21]。文中采用噴嘴式設計模擬降雨裝置,輔助用于檢測成衣的防水性能,裝置簡化示意如圖2所示。

注:1—水箱;2—水泵;3—開關;4—水管;5—堵頭;6—人臺;7—噴頭;8—支架;9—滑動軌道。圖2 淋雨實驗裝置Fig.2 Rain test device

降雨強度可用單位時間內的降雨深度或單位面積上的降雨體積表示,根據GB/T 28592—2012參考文獻《降水量等級》[22]規定,降水按雨量可分為7個等級,文中模擬大雨、大暴雨兩種雨強,測試成衣的防水性能。

3.2 實驗方案

1)實驗樣衣。一件杭州市某小學學生校服外套(面料聚酯纖維, 去內膽), 一件自制樣衣,型號均為150/72A,具體如圖3所示。

2)測試部位。將人體大致分為4個基本物理區域:頭,軀干(胸部、腹部、背部、腰部),上肢(肘部、手部), 下肢(膝蓋、腿部、腳部)。 按人體軀干結構拆分為頭部、胸部、腹部、背部、手肘5個部位,按成衣衣片結構劃分為帽子、前片上下部分、后片上下部分、袖片中間與兩側7個部位,記為1#～7#,以女上衣原型為例進行區域劃分,具體如圖4所示。

圖3 兩種校服實驗樣衣Fig.3 Two kinds of school uniform samples

圖4 衣片區域分割Fig.4 Clothing area segmentation

3)測試指標:吸水量。為檢測校服成衣外套的防水性能,用大頭針將吸水無紡布按部位固定在衣片內側,記錄實驗過程中各部位吸水無紡布的質量差,同時觀測服裝內外層水分潤濕滲透情況,如水珠、淌水、滲透、潤濕等現象。

4)實驗過程。先用電子天平稱取樣衣外套的總質量,以及7個分割區域吸水無紡布的干重;將吸水無紡布分別固定在對應衣片內側后,穿套樣衣至人臺。設定噴頭出水量為0.5 L/h,啟動開關,調試5 min,待裝置出水流量穩定且均勻即可開始實驗。啟動開關,送入人臺,同時開始計時,每隔60 s記錄一次小區域吸水無紡布的質量數據,并觀測服裝內外層的滲透潤濕情況,測試時長共計1 h。實驗結束時,最后一次稱取小區域吸水無紡布和外套的質量。

通過設置不同的小區域,觀察不同時刻校服外套的吸水情況,探究校服外套主要的吸水部位,同時測試改進后校服外套的防水效果。

3.3 結果與分析

兩款校服產品在不同降雨強度條件下,服裝各部位小區域的吸水情況如圖5所示。

由圖5(a)可以看出,出水量為0.5 L/h時,普通校服在模擬淋雨的環境下僅淋了10 min,校服本身及內層吸水無紡布已被完全潤濕,此時的降水量約為32 mm,符合大雨的降水等級。因此,普通校服難以抵擋持續大雨的環境,給學生戶外活動造成一定的影響。

由圖5(b)可以看出,出水量為0.5 L/h時,自制校服在模擬淋雨環境中淋了60 min后達到濕潤狀態,此時降水量約為250 mm,降雨等級符合大暴雨甚至接近于特大暴雨,即自制校服可以在短時間內抵御暴雨及以下的降水量,自制校服的防水效果較普通校服有所提升。

(a)杭州市某小學學生校服

(b)自制校服圖5 樣衣淋雨實驗測試結果Fig.5 Rain test results of samples

從環境-服裝-人體的角度觀察,在淋雨實驗過程中,普通校服外立面在接觸雨水的瞬間即發生“毛細管效應”[23],因校服面料本身有一定厚度,能吸收儲存一定量的水分,且紗線之間的孔隙大,織物自發進行潤濕過程,故前4 min以校服面料本身的吸濕為主,內附的吸水無紡布質量無明顯變化;隨著降雨時長的增加,雨量持續增大以及校服面料不斷潤濕、吸水、擴散,內附吸水無紡布的質量也隨之增加。在局部應用功能性防水面料后的校服外立面,前45 min保持“荷葉效應”[24],雨水落在面料外立面時以水珠形式滾落,沒有滲入織物,內附吸水無紡布無質量增加;隨著降雨的持續,面料兩側氣壓差加大,迫使雨滴滲入衣內。

從不同小區域觀察,自然降雨過程中,最先接觸雨水的部位是頭部、肩膀,其次是前胸、手臂外側,然后是腰腹、后背。肩膀部位由衣片前片上端和后片上端共同組成,因此前片上部分和后片上部分(2#和4#)先被潤濕;隨著降雨的持續,內附吸水無紡布不斷吸水,在重力作用下,部分水分向前片下部分和后片下部分(3#和5#)轉移擴散,致使成衣完全被潤濕時,頭部、腰腹、后背累積的水量達到最大(1#、3#和5#)。自制校服在前片和后片局部應用功能性防水面料,在雨淋45 min左右時,內附吸水無紡布質量變化不大,無明顯被水潤濕的現象,故有效提升了服裝前后衣片的防水性能。頭部和手臂外側亦是長時間被雨淋的主要部位,由于帽子和袖片增加了半圓弧形分割線,加之局部應用功能性防水面料,雨水順應弧形分割線落到后片和袖中,隨即在重力作用下流向底擺和袖口,在淋雨情況下45 min內,內附吸水無紡布質量變化不明顯,即雨水未滲入服裝內里,因此服裝帽子和袖片部分的防水性能可以滿足日常防護所需。

4 結語

為解決學生群體在刮風雨雪環境下無法正常進行戶外活動的困擾,引入校服的防水功能性設計,從面料選用、結構設計、成衣實驗3個階段驗證提升校服產品防水性能的可行性;在確保良好服用性的前提下,為學生群體在復雜環境下進行戶外活動提供有效防護,從而自如地應對持續陰雨刮風或短時強降雨的天氣。面料性能測試結果表明,PTFE膜復合面料具有優良的透濕性,PU膜復合面料具有優良的防風性,是適合作戶外運動服裝的紡織面料;將兩款面料局部應用在校服外套上,結合淋雨裝置實驗,證明校服成衣可以在暴雨情形下持續45 min不被淋濕。該時長足夠學生在未攜帶雨具時找到庇護場所,也能在其他小雨、中雨、大雨等常見天氣下,滿足學生戶外活動的防護需求。該校服產品采用局部大面積拼接功能性防水面料以提升服裝防水性能;若能縮小局部使用范圍,更精準地使用功能性面料,同時滿足日常防護所需,平衡用戶穿著的舒適性與功能性,其戶外服裝的輕體驗預期可進一步提升。