Что сильнее влияет на комфорт трикотажа: структура, GSM или свойства пряжи

Аннотация

Комфорт — важный критерий качества, особенно для спортивной одежды: он влияет на самочувствие, работоспособность и эффективность. Необходимый отвод тепла и движение воздуха при высокой метаболической нагрузке следует закладывать заранее. Мы учитывали структуру, плотность петель, поверхностную плотность и толщину полотна, а также состав, линейную плотность, ровноту и ворсистость пряжи и рассчитали их влияние на тепловые свойства и воздухопроницаемость. Корреляционный анализ показал, что на тепловое сопротивление сильнее всего влияют линейная плотность пряжи, количество коротких выступающих волокон и поверхностная плотность трикотажа. На воздухопроницаемость сильнее всего влияют линейная плотность пряжи, длинные выступающие волокна и толщина полотна. Для прогноза теплового комфорта предложена статистически значимая модель множественной линейной регрессии.

Ключевые слова: спортивная одежда, трикотаж, тепловые свойства, воздухопроницаемость, комфорт

1. Введение

Трикотаж всегда ассоциировался с непринуждённой одеждой и модой. Спортивная одежда, ставшая синонимом американской концепции простого и свободного повседневного костюма, превратилась в важную часть трикотажной индустрии XX века. Простой джемпер стал символом некоторых видов спорта — крикета и гольфа [1]. Cambridge Dictionary определяет sportswear как «неформальную одежду, созданную для комфорта» [2], Merriam-Webster — шире, как «одежду для повседневного или неформального ношения» [3]. Недавно появилось слово athleisure, объединяющее athlete и leisure: «повседневная одежда для упражнений и обычного использования» [4] и «удобный, пригодный для спорта, но достаточно модный и привлекательный стиль для других занятий» [5]. Граница спорта и досуга размыта, поскольку оба связаны с удовольствием и благополучием [6]; это видно в терминологии, дизайне и маркетинге многофункциональной спортивной одежды.

Сегодня размывание границ между спортивной и городской одеждой и спортивные линейки множества люксовых брендов задают новые направления дизайна функциональной одежды. Вдохновлённые спортом изделия стали обычной повседневной одеждой, особенно у молодёжи, и определяют будущий гардероб потребителей. Взаимодействие спорта и моды служит важным источником тенденций для обеих отраслей. Значительная часть бизнеса спортивных компаний — одежда после тренировок для основной аудитории; одновременно они привлекают более широкий круг покупателей, которым нужен спортивный силуэт без занятий конкретным видом спорта [6].

Слияние спортивной и городской моды может быть следствием резкого роста участия в спорте и интереса к здоровью и фитнесу в последние три десятилетия XX века, расширившего рынок специализированной одежды. Ожидаемый среднегодовой рост мирового рынка спортивной одежды в ближайшие пять лет — 5,8%; при этом около 85% спортивной одежды приходится на любительский спорт. Функциональная спортивная одежда стала сложнее по стилю и деталям благодаря быстрому развитию волокон, полотен и конструирования изделий. Эти решения перешли от экстремального спорта в туризм, корпоративную одежду и здравоохранение. Спортивная одежда стала популярным стилевым высказыванием и модной тенденцией [6,7].

В известном смысле круг замкнулся: сначала спортивная одежда влияла на высокую и уличную моду, теперь уличная мода влияет на дизайн и маркетинг спортивных коллекций. Например, многие крупные марки лыжной одежды выпустили городские коллекции, добавив к техническому outdoor-дизайну североевропейскую высокую моду [8]. Люди любят спортивную одежду, то есть хотят чувствовать себя в ней комфортно.

Комфорт — важный критерий качества: он влияет не только на самочувствие, но и на работоспособность и эффективность, а также важен для продаж [6]. При этом он сложен и трудно определим. По Fourt и Hollies [9], комфорт включает тепловые и нетепловые компоненты и зависит от ситуации ношения: работы, некритичных или критичных условий. Физиологические реакции организма на сочетание одежды и среды предсказуемы при установившемся состоянии. По Slater [10], комфорт — приятное состояние физиологической, психологической, нейрофизиологической и физической гармонии человека со средой.

Современный трикотаж охватывает широкий спектр: от функциональной защитной рабочей одежды и активной одежды для спорта и другой физической активности, по свойствам граничащих с техническим текстилем, до повседневного и высокого модного трикотажа с выраженной эстетикой и множества промежуточных вариантов. Для всех них тепловой комфорт необходимо проектировать заранее. Его достигают материальной, механической и химической функционализацией структуры и фасона.

2. Тепловой комфорт спортивного трикотажа

Тепловой комфорт — это состояние сознания, выражающее удовлетворённость тепловой средой; иными словами, человек не ощущает ни чрезмерного холода, ни чрезмерной жары [11]. Текстильные материалы, являясь границей между человеческим телом и окружающей средой, играют важную роль в теплообмене между телом и этой средой [12]. Вклад одежды в тепловой комфорт состоит в том, чтобы помогать человеческому телу сохранять комфортные теплофизиологические условия в широком диапазоне внешних сред. Поэтому теплофизиологический комфорт одежды определяется как её способность помогать человеческому телу поддерживать тепловой комфорт [13]. С функциональной точки зрения комфорт включает подходящую форму и посадку, обеспечивающие свободу движений, терморегуляцию со свойствами отвода влаги и быстрого высыхания, а также лёгкую защиту и долговечность. Подходящее сочетание всех этих аспектов формирует у пользователя общее ощущение благополучия и комфорта [14].

Полотна для активной и спортивной одежды специально проектируют для отвода тепла и влаги при высокой метаболической нагрузке — через геометрию, плотность упаковки и строение волокон в пряже, а также структуру полотна [6].

Теплоизоляция полотна определяется его барьерной функцией, то есть сопротивлением переносу тепла. Следовательно, с физической точки зрения изоляцию определяют как тепловое сопротивление полотна. В установившемся состоянии между двумя сторонами полотна существует разность температур, а через полотно проходит определённый тепловой поток. Поэтому тепловое сопротивление, обычно обозначаемое как Rct и выражаемое в м²·К·Вт⁻¹, можно определить с помощью следующего уравнения:

где Ts — температура поверхности кожи, К; Ta — температура среды, К; Q — тепловой поток через полотно, Вт; A — площадь полотна, м².

Тепловые свойства одежды, особенно высокофункциональной, спортивной и бельевой, критичны для комфорта. Многие исследователи изучали связь теплового сопротивления со структурой и фактурой, толщиной, поверхностной плотностью, плотностью нитей или петель, длиной петли и другими параметрами тканей и трикотажа, связывая тепловые свойства с конкретными структурами, пряжей и волокнами.

Oglakcioglu и Marmarali исследовали влияние разных трикотажных структур, а именно кулирной глади, ластика 1 × 1 и интерлока. Результаты показали, что двойные структуры благодаря высоким значениям теплоизоляции могут быть предпочтительны для зимней одежды, защищающей от холода. Ластик 1 × 1 всё же применяется чаще из-за более тёплого ощущения при первом контакте с кожей. Напротив, кулирную гладь следует выбирать для активного спорта или летней одежды благодаря лучшим свойствам управления влагой [15]. Amber и соавт. исследовали тепловые свойства и перенос влаги в носках, связанных кулирной гладью, полумахровой и махровой структурами, которые различались типом волокна и строением пряжи. Результаты указывают, что, помимо влияния на равновесное влагосодержание, эффекты типа волокна в целом невелики и, вероятно, маскируются влиянием структуры полотна [16]. Uçar и Yilmaz проанализировали естественный и принудительный конвективный теплообмен в ластичных полотнах 1 × 1, 2 × 2 и 3 × 3 из акриловой пряжи. Установлено, что уменьшение числа рубчиков снижает теплопотери вследствие увеличения количества воздуха, заключённого между лицевыми и изнаночными петлями. Результаты также показали, что с увеличением плотности полотна теплопотери снижаются из-за уменьшения воздухопроницаемости [17]. Erdumlu и Saricam исследовали свойства теплофизиологического комфорта плосковязаных полотен из акриловых волокон, специально предназначенных для зимней одежды и различавшихся структурой, плотностью, толщиной и пористостью. Они изучили терморегулирующие свойства, воздухопроницаемость и теплофизиологические характеристики, а также их связь со структурными параметрами полотна. Результаты показали, что ластик 2 × 2 обеспечивает оптимальные условия с точки зрения терморегуляции, воздухопроницаемости и теплофизиологического комфорта. Толщину и пористость полотна следует регулировать соответствующим образом, поскольку толщина повышает теплоизоляцию, а пористость улучшает воздухопроницаемость [18]. Senthilkumar и Suganthi изучили влияние положения и числа прессовых петель на тепловой комфорт трикотажа. Установлено, что чем больше расстояние между последовательными точками расположения прессовых петель, тем лучше перенос воздуха, тепла и влаги. Двухслойные полотна рыхлой структуры имели меньшую толщину и массу единицы площади и демонстрировали лучшие свойства теплового комфорта [19]. Yang и соавт. исследовали двухслойные структуры из филаментной пряжи, изготовленные на кругловязальной машине. Было установлено, что двухслойные полотна с ячейками на одной стороне превосходили двухслойные полотна с отделкой и симметричной структурой без ячеек по воздухопроницаемости, управлению влагой, скорости высыхания и теплофизиологическим свойствам. Полотна из пряжи с более тонкими волокнами демонстрировали лучшие свойства теплового комфорта [20].

Помимо самой структуры исследователи уделяли внимание и другим свойствам трикотажа, которые могут быть связаны с его тепловыми характеристиками. Ozdil и соавт. оценили влияние номера и коэффициента крутки пряжи, процесса гребенного прядения и плотности на тепловые свойства хлопкового ластика 1 × 1. Установлено, что с увеличением крутки пряжи возрастали тепловая активность и паропроницаемость полотна. Более высокая тепловая активность придаёт полотну более прохладное ощущение. С увеличением коэффициента крутки пряжи тепловое сопротивление снижается. Влияние крутки пряжи на теплопроводность полотна является незначительным. У полотен из гребенной пряжи тепловое сопротивление ниже, а теплопроводность, тепловая активность и паропроницаемость выше по сравнению с полотнами из кардной пряжи [21]. Prakash и соавт. изучили влияние длины петли на характеристики теплового комфорта бамбукового трикотажа и наблюдали увеличение воздухо- и паропроницаемости при снижении линейной плотности пряжи и увеличении длины петли [22]. Mishra и соавт. исследовали свойства теплофизиологического комфорта одинарного трикотажа и его производных, изготовленных из 100%-ной хлопковой пряжи трёх разных линейных плотностей и прошедших разные стадии релаксации. Было установлено, что физические свойства полотна зависели от изменения линейной плотности пряжи и от стадии сухой или мокрой релаксации. Доля или число прессовых петель, их расположение и отношение числа прессовых петель к числу обычных петель оказывают сильное влияние на физические и теплофизиологические свойства одинарного трикотажа даже при неизменности остальных параметров вязания [23].

Другие исследователи изучали влияние разных типов волокон и пряжи на тепловой комфорт. Oglakcioglu и соавт. исследовали свойства кулирных структур из канальных и полых полиэфирных волокон. Результаты показали, что полотна из канального PES подходят для жаркого климата и высокой физической активности благодаря высокой воздухопроницаемости, интенсивному переносу влаги и быстрому высыханию. Сочетание лиоцелловой пряжи с технической полиэфирной пряжей улучшает воздухопроницаемость и тепловые свойства. В то же время сочетание лиоцелла или хлопка с технической пряжей ухудшает свойства управления влагой и увеличивает продолжительность высыхания [24]. Sampath и соавт. исследовали характеристики теплового комфорта микроденье-полиэфирной филаментной пряжи, обычного филаментного и штапельного полиэстера, смесей полиэстера с хлопком и 100%-ного хлопка. Испытания показали, что влагоуправляющая отделка для всех исследованных полотен приводила к более высокой теплопроводности и тепловой активности, более низкому тепловому сопротивлению во влажном состоянии и улучшенной паропроницаемости. Было отмечено, что полотна из микроденье-полиэстера обеспечивали более быстрый перенос тепла, более быстрое испарение пота с кожи через полотно и более прохладное ощущение при первом прикосновении [25]. Gericke и Pol исследовали отдельные характеристики комфорта хлопка, регенерированного бамбука и вискозного волокна. Они не нашли эмпирических доказательств превосходства регенерированных бамбуковых волокон над хлопковыми и вискозными по тепловым свойствам и управлению влагой [26]. Gun исследовал характеристики теплового комфорта кулирного трикотажа из модальной вискозной пряжи с микроволокнами и обычными волокнами. Установлено, что полотна из микроволокон имеют меньшую воздухопроницаемость, более высокие значения теплопроводности, тепловой активности и максимального теплового потока, а также более низкие значения теплового сопротивления и температуропроводности по сравнению с обычными волокнами. Они также обеспечивают более прохладное ощущение, чем полотна из обычных волокон [27]. Lizák и соавт. сосредоточились на свойствах переноса тепла в полипропиленовом трикотаже. Установлено, что ластик наиболее подходит для теплоизоляции благодаря числу пор между волокнами и низкой массе единицы площади. Было показано, что в кардиганной структуре с прессовыми петлями теплопотери выше [28]. В одной из работ о тепловых свойствах полотен из натуральных и регенерированных бамбуковых целлюлозных волокон Majumdar и соавт. обнаружили, что с увеличением доли бамбукового волокна воздухо- и паропроницаемость возрастают, а теплопроводность снижается [29]. В другом исследовании Biviainyte и соавт. изучили двухслойные полотна из хлопка, бамбука и четырёх типов синтетической пряжи. Полотна из сочетания хлопковой и синтетической пряжи имели более высокий коэффициент теплопроводности, чем полотна из сочетания бамбуковой и синтетической пряжи. Наибольшее влияние на тепловые свойства оказывала трикотажная структура. Комбинированные структуры имели более высокий коэффициент теплопроводности, чем гладкие платированные структуры [30]. Jhanji и соавт. установили, что тепловое сопротивление и теплопроводность платированных полотен с полиэфирной пряжей разной линейной плотности во внутреннем слое снижались по мере утонения полиэфирной пряжи. Сходные тенденции наблюдались у полотен с вискозной пряжей разной линейной плотности во внутреннем слое и хлопковой пряжей постоянной линейной плотности во внешнем слое. Также было установлено, что с увеличением длины петли тепловое сопротивление и теплопроводность снижаются независимо от типа волокна внутреннего слоя — полиэстера, вискозы или полиамида [31]. Kaplan и Yilmaz исследовали теплопроводность и воздухопроницаемость двухлицевых полотен ложноластичной структуры, сочетавших функциональные виды пряжи Thermosoft®, Nilit Heat®, Vi-loft® и шерсть со стандартным полиэстером PET и полипропиленом PP. Результаты показали, что филаментная пряжа обеспечивает меньшую массу единицы площади и толщину, тогда как штапельная пряжа — более высокую воздухопроницаемость. Несмотря на общую тенденцию применять гидрофобные волокна во внутренних слоях трикотажа, шерсть и функциональные искусственные волокна Thermosoft®, Heat® и Viloft® также можно использовать на внутренних поверхностях, контактирующих с кожей, для улучшения сенсорных характеристик [32]. Kumar и соавт. исследовали девять типов трикотажа из пряжи машинного прядения на основе эри-шёлка, камвольной шерсти и бамбуковых волокон в трёх структурах: кулирной глади, одинарном пике и сотах. Были изучены теплофизиологические свойства, включая теплопроводность, тепловое сопротивление, тепловую активность, воздухо- и паропроницаемость. Установлено, что структура сот на основе эри-шёлка превосходила остальные образцы [33].

Обзор литературы показывает, что главным образом исследовались трикотажные полотна из хлопка [15,21,24,25,26,29,30,31], полиэстера [15,19,24,25,30,31,32] и регенерированной целлюлозы [19,22,24,26,27,29,30,31]. Несколько исследований было посвящено полиакрилонитрилу [16,17,18], шерсти [16,32] и полипропилену [26,32], тогда как шёлк рассматривался лишь в отдельных работах [33]. Среди параметров пряжи чаще всего варьировали её линейную плотность. В некоторых случаях также изучалось влияние крутки пряжи [16,21] и сложения разных видов пряжи [22]. Наиболее часто исследовались кулирная гладь, ластик и интерлок, выработанные на кругловязальных машинах [15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,31]. В некоторых работах для каждой трикотажной структуры задавали разную длину петли [17,18,22,27]. Тепловые свойства чаще всего испытывали на приборах Alambeta и Permatest. Отдельные испытания проводились на специально разработанных устройствах [17,30].

3. Эксперимент

Для разработки универсальной трикотажной структуры, пригодной для работы и отдыха в помещении и на открытом воздухе, а также для занятий спортом, целью исследования было изучить тепловые свойства и воздухопроницаемость разных одинарных и двойных трикотажных структур из разных видов пряжи, изготовленных на вязальной машине 12-го класса. Это должно было обеспечить оптимальную функционализацию трикотажа как за счёт материала, так и за счёт структуры. Для настоящего исследования были выбраны соответствующие виды пряжи и материалов, а также трикотажные структуры с обычными, непровязанными и прессовыми петлями, которые, согласно проведённому обзору литературы, другие исследователи ранее подробно не изучали с точки зрения теплофизиологического комфорта. Кроме того, для изготовления образцов выбрали технологию плоского вязания. Она подходит для производства универсальной спортивно-повседневной одежды для помещений и открытого воздуха и предоставляет более широкие возможности формирования рисунка и регулирования структурных параметров трикотажа по сравнению с технологией кругового вязания, которую преимущественно применяют для более тонкой облегающей спортивно-повседневной одежды.

3.1. Подготовка образцов

3.1.1. Выбор пряжи

Выбраны коммерчески доступные материалы, наиболее распространённые в спортивном трикотаже и повседневной верхней одежде: хлопок, шерсть, PAN и смесь шерсть/PAN. Дополнительно использовали филаментный PA как возможный материал более пористого полотна для активного спорта.

Обозначения: Y1 — 100% хлопок; Y2 — 100% шерсть; Y3 — 100% PAN; Y4 — 50% шерсть/50% PAN; Y5 — 100% PA.

3.1.2. Изготовление трикотажных образцов

Полотна изготовили при одинаковых настройках клиньев на плосковязальной машине Shima Seiki SES 122 RT класса 12E в пяти структурах: одинарная гладь, одинарная с протяжками, одинарная прессовая/одинарное пике, двойная гладь со всеми работающими иглами и миланский ластик.

Трикотажные структуры обозначали следующим образом: SP — одинарная гладь; SM — одинарная структура с непровязанными петлями; ST — одинарная структура с прессовыми петлями; DP — двойная гладь; DM — двойная миланская структура. Для обозначения вязаных образцов использовали сочетания кодов пряжи и структуры: например, хлопковая кулирная гладь обозначалась как Y1 SP. Образцы из 100%-ного хлопка (Y1) и 100%-ной полиамидной филаментной пряжи (Y5) вязали в две нити, а образцы из 100%-ной шерсти (Y2), 100%-ного PAN (Y3) и смесовой пряжи шерсть/PAN (Y4) — в одну нить (таблицы 1 и 2).

Таблица 1. Выбранные одинарные и двойные структуры образцов.

	Single Структураs	Single Структураs	Single Структураs	DOUBLE Структураs	DOUBLE Структураs
Appearance front
Appearance back
Пряжа path
Структура	Одинарная гладь	Одинарная с протяжками	Одинарное пике	Двойная гладь	Миланский ластик
Designation	SP	SM	ST	DP	DM

После вязания образцы релаксировали 48 ч в стандартных условиях. Схемы прокладывания нити и фотографии структур приведены в таблице 1.

3.2. Методы испытаний

3.2.1. Испытания пряжи

В рамках экспериментов, представленных в настоящей статье, был испытан ряд свойств пряжи: линейная плотность пряжи, её крутка, ровнота, ворсистость и характеристики при растяжении.

Линейную плотность пряжи определяли пасмовым методом в соответствии с процедурой стандарта ISO 2060 [34]. Число кручений определяли на круткомере Twist Tester (Mesdan Lab). Определение проводили методом раскручивания и повторного скручивания [35]. Коэффициент вариации массы, характеризующий неровноту пряжи, измеряли прибором Keisokki Evenness Tester 80, тип B. При измерении уровни чувствительности задавали как +50/+50/+200 для тонких мест, утолщений и непсов соответственно. Число выступающих волосков измеряли на приборе Zweigl G 565 для оценки ворсистости. Для измерения задавали следующие длины выступающих волосков: 2, 4, 6 и 8 мм. Скорость испытания составляла 50 м/мин. Наконец, характеристики пряжи при растяжении, включая разрывное удлинение и удельную прочность, измеряли на динамометре Statimat M (Textechno). Измерения выполняли по ISO 2062 автоматическим методом B. Образцы пряжи отбирали непосредственно с кондиционированных паковок [36].

Характеристики пряжи приведены в таблице 2: состав материала, линейная плотность и крутка, удельная прочность и разрывное удлинение, а также число нитей, использованных при вязании образцов на машине 12-го класса для достижения надлежащей плотности полотна и требуемого грифа.

3.2.2. Испытания трикотажа

В качестве основных структурных параметров трикотажа, влияющих на тепловые свойства, определяли толщину полотна, горизонтальную и вертикальную плотность и массу единицы площади. Толщину полотна измеряли по стандарту ISO 5084 при давлении 20 г/см² с точностью 0,01 мм [37]. Горизонтальную и вертикальную плотности Dh и Dv определяли путём подсчёта петель на отрезке длиной 50 мм. Затем полученные плотности пересчитывали в число петель на сантиметр. Массу единицы площади измеряли на образцах размером 100 × 100 мм, взвешивая их на аналитических весах Kern ALJ 220-4.

Для измерения теплового сопротивления полотна и сопротивления текстильных материалов переносу водяного пара использовали защищённую потеющую нагретую пластину MTNW (Сиэтл, США). Сам прибор состоит из металлической пластины, соединённой с теплопроводным блоком, нагревательного устройства, датчиков, регулятора температуры и соответствующего программного обеспечения. Конструкция прибора позволяет моделировать процессы, происходящие у поверхности человеческой кожи и связанные с переносом тепла и пота [38,39,40]. При измерении переноса пота на нагретую пластину помещают полупроницаемую мембрану, а образец размещают поверх неё. Таким способом моделируется перенос пота от человеческой кожи через исследуемый материал. В настоящем эксперименте испытания проводили в соответствии со стандартом ISO 11092 [41]. При измерении теплового сопротивления материала температуру воздуха задавали равной 20 °C, относительную влажность — 65%, а скорость воздуха — 1 м/с. При измерении сопротивления переносу водяного пара температура воздуха составляла 35 °C, а относительная влажность — 40%. Скорость воздуха и в этом случае составляла 1 м/с.

Воздухопроницаемость образцов измеряли с помощью прибора Air-Tronic B. Измерения выполняли в соответствии со стандартом SIST EN ISO 9237 [42] при постоянном перепаде давления 50 Па. Для образцов, связанных из пряжи Y1 (100% хлопок), Y2 (100% шерсть), Y3 (100% PAN) и Y4 (смесь шерсти и PAN), площадь испытания составляла 20 см². Для образца, связанного из филаментной пряжи Y5 (100% PA), из-за его пористости площадь испытания составляла 5 см².

4. Результаты

4.1. Результаты испытаний пряжи

Результаты измерений линейной плотности и крутки пряжи представлены в таблице 2. Видно, что полиамидная филаментная пряжа Y5 существенно отличается от остальных, камвольных видов пряжи не только гладкой поверхностью, но и значительно меньшей линейной плотностью. В результате из неё формируются гораздо более пористые трикотажные структуры.

Результаты измерения характеристик пряжи при растяжении, включающих разрывное удлинение и удельную прочность, приведены в таблице 2. Среди камвольных видов пряжи смесовая пряжа шерсть/PAN демонстрирует наибольшее разрывное удлинение; далее следуют PAN и хлопковая пряжа. Шерстяная пряжа имеет наименьшее удлинение. Полиамидная филаментная пряжа явно отличается от всех камвольных видов пряжи экстремально высоким разрывным удлинением, превышающим 300%. Полиамидная филаментная пряжа также показывает наибольшую удельную прочность; за ней с большим отрывом следуют пряжа из 100%-ного хлопка и смесовая пряжа шерсть/PAN. Пряжа из 100%-ной шерсти и 100%-ного PAN характеризуется наименьшей удельной прочностью.

Результаты измерений ровноты и ворсистости пряжи приведены в таблице 3. Измерения выполняли только для камвольных видов пряжи, то есть образцов Y1–Y4. Результаты показывают, что наибольшую ворсистость имеет смесовая пряжа шерсть/PAN, за которой следуют пряжа из 100%-ной шерсти и 100%-ного PAN. Хлопковая пряжа значительно более гладкая. Пряжа из 100%-ной шерсти является наиболее неровной, за ней следуют пряжа из PAN и хлопка. Смесовая пряжа шерсть/PAN характеризуется наибольшей ровнотой среди всех исследованных видов пряжи.

Хлопковая пряжа имеет значительно более высокую крутку — 661 м⁻¹ — по сравнению с другими камвольными видами пряжи, у которых она составляет 10–114 м⁻¹. Это приводит к сильному перекосу одинарных структур и потому может влиять на пригодность хлопковой пряжи для производства трикотажных изделий.

4.2. Структурные параметры трикотажа

В таблице 4 представлены результаты измерений структурных параметров трикотажных образцов: горизонтальной плотности, вертикальной плотности, массы единицы площади и толщины полотна. Как и ожидалось, у всех образцов значения вертикальной плотности выше значений горизонтальной плотности. Одинарная структура с прессовыми петлями, то есть одинарное пике из каждого исследованного вида пряжи, имеет наименьшие горизонтальную и вертикальную плотности среди всех испытанных структур. Это означает, что одинарное пике является самой пористой из всех структур благодаря прессовым петлям, расположенным через один петельный столбик и ряд.

Как и ожидалось, масса единицы площади изменяется от 92,68 г/м² для одинарной глади из полиамидной пряжи до 471,54 г/м² для двойной глади из смесовой пряжи шерсть/PAN. Для всех типов трикотажа одинарные структуры имеют меньшую массу, чем двойные, что соответствует ожиданиям. Во всех исследованных материалах наибольшая толщина была измерена у двойной глади, за которой следовала структура миланского ластика. Среди одинарных структур наиболее толстой была структура с прессовыми петлями, то есть одинарное пике, тогда как самой тонкой для всех материалов была одинарная гладь (таблица 4).

Толщина полотна оказывает большое влияние на тепловое сопротивление: чем толще полотно, тем выше его сопротивление теплопередаче. Здесь следует отметить, что толщину трикотажа измеряли по стандарту ISO 5084 при давлении 20 г/см². Это означает, что фактическая толщина ненагруженного трикотажа, вероятно, выше вследствие объёмности и сжимаемости исследованных полотен. С другой стороны, общей тенденцией в производстве одежды является снижение массы готовых изделий [43]. Поэтому при проектировании спортивного или повседневного трикотажа выбор одинарной либо двойной структуры необходимо согласовывать с предполагаемым назначением одежды, сезоном и условиями окружающей среды.

4.3. Тепловые свойства, воздухопроницаемость и сопротивление пару

В таблице 5 и на рисунке 1 представлены результаты измерения теплового сопротивления трикотажных образцов, полученные с помощью нагретой пластины.

Все трикотажные образцы из полиамидной филаментной пряжи демонстрируют наименьшее тепловое сопротивление, тогда как образцы из 100%-ной шерсти, 100%-ного PAN и смесовой пряжи шерсть/PAN имеют наибольшее тепловое сопротивление. Между разными структурами, связанными из этих видов пряжи, также наблюдаются более значительные различия теплового сопротивления (рисунок 1). Значения теплового сопротивления структур из 100%-ного хлопка и 100%-ной полиамидной филаментной пряжи, которые одновременно имеют меньшую линейную плотность и вязались в две нити, различаются слабее. Для шерстяной пряжи, PAN и смеси шерсть/PAN наибольшим тепловым сопротивлением обладают одинарная структура с прессовыми петлями, то есть одинарное пике, и двойная гладь.

В таблице 6 и на рисунке 2 представлены результаты измерений воздухопроницаемости исследованных трикотажных образцов.

Как видно из рисунка 2, одинарные трикотажные структуры характеризуются значительно более высокой воздухопроницаемостью по сравнению с двойными структурами, что объясняется их меньшей толщиной. Среди одинарных структур выделяется структура с прессовыми петлями: несмотря на наибольшую толщину, она имеет наименьшие горизонтальную и вертикальную плотности и наибольшую пористость благодаря замкнутым прессовым петлям.

Результаты воздухопроницаемости трикотажа из камвольной пряжи нельзя непосредственно сопоставлять с результатами для филаментной пряжи на рисунке 2 из-за разных условий измерения. Однако для всех видов пряжи наблюдается сходное соотношение воздухопроницаемости разных структур. Исключение состоит в том, что одинарная структура с прессовыми петлями из полиамидной пряжи менее заметно отличается от остальных структур. Предположительно, причиной является высокая пористость всех структур, связанных из полиамидной филаментной пряжи.

В таблице 7 и на рисунке 3 представлены результаты измерений сопротивления трикотажных образцов переносу водяного пара. Измеренные значения существенно различаются и находятся в диапазоне от 0,5570 до 5,7542 м²·Па·Вт⁻¹. Как видно из рисунка 3, наименьшее сопротивление переносу водяного пара демонстрируют образцы из полиамидной филаментной пряжи. Между разными структурами также существуют различия. Как и ожидалось, двойные структуры имеют более высокое сопротивление переносу водяного пара, чем одинарные, поскольку их компактное строение задерживает часть водяного пара, который должен пройти через материал. С учётом полученных результатов одинарные структуры из 100%-ного PA, особенно одинарная гладь и структуры с непровязанными или прессовыми петлями, представляются предпочтительными для ношения при интенсивной физической активности, когда человеческое тело выделяет значительно больше пота. Такие структуры способствуют оптимальному теплофизиологическому комфорту, поскольку образующийся пот легче отводится от тела. Этот результат важен для понимания поведения структур и должен учитываться при разработке материала для конкретного применения.

5. Обсуждение

Для исследования из разных коммерчески применяемых видов пряжи для спортивной и повседневной одежды были изготовлены три основные одинарные и две двойные структуры. Выбранные структуры подходят для занятий в помещении и на открытом воздухе, активного спорта, восстановления после спорта и отдыха. Одинарная гладь представляет собой наиболее простую и экономичную в производстве уточную структуру и обладает максимальной укрывистостью. После растяжения она обычно восстанавливает ширину примерно на 40% [44]. Благодаря низкой стоимости производства кулирная гладь и её варианты составляют значительную долю промышленного выпуска. Все образцы одинарной глади из всех выбранных видов пряжи имели наименьшую толщину. По сравнению с другими структурами их тепловое сопротивление было самым низким при вязании из шерстяной, PAN- и PA-пряжи и средним при вязании из хлопка и смеси шерсть/PAN. Все образцы одинарной глади имеют высокую воздухопроницаемость благодаря малой толщине и сравнительно открытой структуре по сравнению с одинарными структурами с непровязанными петлями и двойными структурами. Последние более компактны соответственно из-за протяжек внутри одинарной структуры и сложенных петельных столбиков двойной структуры. Воздухопроницаемость одинарных структур из хлопка и смеси шерсть/PAN выше, чем структур из 100%-ной шерсти и 100%-ного PAN.

Структуры с непровязанными петлями обладают выраженной фактурой. Удержанные петли создают впечатление отверстий, а протяжки в зависимости от их расположения формируют разнообразные фактурные эффекты [45]. Структуры с протяжками обычно демонстрируют матовые горизонтальные линии. Трикотаж с непровязанными петлями уже эквивалентного полотна, состоящего только из провязанных петель, поскольку протяжки сближают петельные столбики; это уменьшает растяжимость по ширине и повышает стабильность трикотажа [44]. Использованная в настоящем исследовании структура с непровязанными петлями, также называемая уточным locknit [44,46], имеет на изнаночной стороне только короткие протяжки, но, как видно из таблицы 1, производит впечатление инкрустированной либо тканой структуры. Все образцы одинарной структуры с непровязанными петлями из всех выбранных видов пряжи имели вторую по малости толщину. По сравнению с другими структурами их тепловое сопротивление было средним при вязании из шерсти, PAN, смеси шерсть/PAN и полиамида и наибольшим при вязании из хлопковой пряжи. Все такие образцы имели меньшую воздухопроницаемость, чем одинарная гладь и одинарная структура с прессовыми петлями, но большую, чем двойные структуры. Это может объясняться их сравнительно плотным строением относительно двух других исследованных одинарных структур и малой толщиной относительно двойных структур.

Структуры с прессовыми петлями увеличивают ширину полотна, поскольку прессовые петли оттягивают удержанные петли вниз, раздвигают их наружу и предоставляют дополнительную длину нити для растяжения по ширине. Искажение полотна и трёхмерный рельеф обусловлены накоплением прессовых петель, смещением петельных столбиков и разным числом прессовых и обычных петель в каждом столбике [44]. Наиболее распространённые фактурные структуры с прессовыми петлями имеют ячеистый вид на изнаночной стороне и небольшой эффект пике на лицевой. Такие структуры обычно эластичны и обладают пузырчатой поверхностью [45]. В настоящем исследовании использовали одинарное пике, также называемое Lacoste или Fred Perry [44]. В трикотаже пике выступающие нити формируют разнообразные ромбовидные элементы. Обычно это придаёт полотну больший объём, благодаря чему оно хорошо подходит для рубашек поло, платьев-рубашек и более структурированных модных трикотажных изделий [47]. Исследованная одинарная структура с прессовыми петлями имела наибольшую толщину среди всех одинарных структур из-за выпуклости дуг петель. Она также обладала наибольшим тепловым сопротивлением среди всех структур, за исключением образцов из хлопка. Это может объясняться воздухом, заключённым между петлями трикотажной структуры. Исследованная структура с прессовыми петлями одновременно показала наибольшую воздухопроницаемость благодаря обусловленной этими петлями пористости и низкой плотности полотна.

Двойная гладь, также называемая ластиком 1 × 1, имеет вид вертикальных рубчиков, поскольку столбики лицевых петель стремятся располагаться над столбиками изнаночных петель и перед ними. Теоретически расслабленный ластик 1 × 1 вдвое толще и вдвое уже эквивалентной глади, но обладает вдвое большим восстанавливаемым растяжением по ширине и более тяжёлой структурой. Эта структура эластична, хорошо облегает форму и лучше удерживает тепло, чем гладь [44]. В настоящем исследовании двойная гладь, или ластик 1 × 1, имела наибольшую толщину среди всех структур вследствие перекрытия лицевых и изнаночных петельных столбиков. Её тепловое сопротивление было наибольшим в образцах из шерсти, PA и смеси шерсть/PAN, средним в образцах из хлопковой пряжи и наименьшим в образцах из полиамидной филаментной пряжи. По сравнению с тремя исследованными одинарными структурами двойная гладь менее воздухопроницаема из-за большей толщины.

Миланский ластик представляет собой двойную нежаккардовую структуру [44]. На обеих сторонах полотна видны ряды малых петель, чередующиеся с рядами несколько более крупных петель, причём верхние дуги соседних петель идеально выровнены, как в ластике 1 × 1. По сравнению с другой исследованной двойной структурой — двойной гладью, или ластиком 1 × 1, — миланский ластик имеет более высокую горизонтальную и более низкую вертикальную плотность. Его толщина также меньше толщины двойной глади. Для всех исследованных материалов тепловое сопротивление миланского ластика ниже, чем двойной глади. Структуры миланского ластика из шерсти, PAN и смеси шерсть/PAN имеют наибольшее тепловое сопротивление, а структура из PA — наименьшее. Одновременно миланский ластик обладает самой низкой воздухопроницаемостью среди всех исследованных структур. Исключением является образец из смеси шерсть/PAN, у которого двойная гладь немного менее воздухопроницаема, чем миланский ластик.

Как следует из приведённого выше обсуждения, структура трикотажа — одинарная гладь, одинарная структура с непровязанными петлями, одинарная структура с прессовыми петлями, двойная гладь либо двойной миланский ластик — несомненно влияет на комфорт, тепловое сопротивление и воздухопроницаемость. Однако саму структуру невозможно выразить количественно и подвергнуть статистической обработке.

Некоторые элементы структуры трикотажа — горизонтальную плотность, вертикальную плотность, массу единицы площади и толщину — можно выразить количественно (таблица 4). При статистическом анализе результатов горизонтальной и вертикальной плотности корреляция этих двух переменных с тепловым сопротивлением оказывается статистически незначимой. Аналогичные результаты получены при корреляционном анализе горизонтальной и вертикальной плотности с воздухопроницаемостью.

В то же время влияние толщины на тепловое сопротивление характеризуется умеренной или сильной прямой корреляцией. С увеличением толщины трикотажа его тепловое сопротивление возрастает. Масса единицы площади ещё сильнее связана с тепловым сопротивлением, чем толщина (таблица 8). Уже из рисунка 1 видно, что свойства пряжи заметно влияют на тепловое сопротивление. Корреляционный анализ подтверждает, что для каждой трикотажной структуры коэффициент корреляции между линейной плотностью пряжи из таблицы 2 и тепловым сопротивлением разных полотен из таблицы 5 является высоким (таблица 8).

Мало изученный в предыдущих исследованиях фактор ворсистости пряжи, приведённый в таблице 3, демонстрирует значительное влияние на тепловое сопротивление. Примечательно, что статистически определяющее влияние оказывает не только число выступающих волокон, но и их длина (таблица 8). Число наиболее коротких выступающих волокон показывает самую сильную корреляцию с тепловым сопротивлением. Следовательно, для повышения теплового сопротивления важно увеличивать число выступающих волокон.

Влияние толщины на воздухопроницаемость трикотажа характеризуется средней или высокой обратной зависимостью. По мере увеличения толщины трикотажа его воздухопроницаемость снижается, особенно у двойных структур. Исключение составляет одинарное полотно с прессовыми петлями, где наибольшая пористость в большей степени определяется формой прессовых петель, чем толщиной (таблица 9).

Аналогичная картина наблюдается при анализе корреляции воздухопроницаемости с массой единицы площади. Масса единицы площади также оказывает среднее влияние на воздухопроницаемость, причём это влияние сильнее выражено у двойных трикотажных структур (таблица 9).

Для каждой структуры коэффициент корреляции между линейной плотностью пряжи из таблицы 2 и воздухопроницаемостью разных трикотажных полотен является высоким и имеет обратный знак. Исключением служит одинарная структура с прессовыми петлями, где сама структура и форма петли вновь оказываются более значимыми (таблица 9).

Ворсистость пряжи, приведённая в таблице 3, также демонстрирует значительное влияние на воздухопроницаемость. Помимо числа выступающих волокон статистически определяющее влияние оказывает и их длина (таблица 9), хотя зависимость является обратной. Для повышения воздухопроницаемости важно уменьшить число выступающих волокон. Ворсистость пряжи снова наименее значима для одинарного полотна с прессовыми петлями, где более сильное влияние оказывает форма такой петли.

Коэффициент корреляции между линейной плотностью пряжи из таблицы 2 и сопротивлением переносу водяного пара сравнительно невысок и варьируется от слабого до умеренного. Сходные коэффициенты корреляции получены для ворсистости пряжи. Для обоих свойств пряжи наблюдается положительная корреляция: чем тоньше пряжа, тем ниже сопротивление переносу водяного пара. Меньшая ворсистость пряжи, особенно по наиболее коротким и многочисленным выступающим волокнам длиной 2 мм, также приводит к снижению сопротивления переносу водяного пара. Для всех трикотажных структур получены умеренные или высокие положительные коэффициенты корреляции толщины и массы единицы площади с сопротивлением переносу водяного пара. Более высокая толщина или масса единицы площади приводит к более высокому сопротивлению переносу водяного пара. И снова форма прессовой петли оказывается важнее параметров пряжи или толщины трикотажа (таблица 10).

Одновременно воздухопроницаемость и тепловое сопротивление обратно пропорциональны и характеризуются умеренно сильной корреляцией. Исключением является одинарное полотно с прессовыми петлями, где более важны структура и форма прессовой петли (таблица 11).

Корреляционный анализ позволяет заключить, что наибольшее влияние на тепловое сопротивление оказывают линейная плотность пряжи, ворсистость пряжи по коротким выступающим волокнам и масса единицы площади трикотажа (таблица 8). Зависимость теплового сопротивления от ворсистости пряжи и массы единицы площади можно выразить уравнением множественной линейной регрессии (таблица 12). Для всех трикотажных структур доля дисперсии зависимой переменной, то есть теплового сопротивления, объясняемая моделью, очень высока по показателю R². Следовательно, модель является репрезентативной. Статистическая значимость модели подтверждается p-значением: для всех регрессионных моделей значимость F составляет менее 0,05.

Наибольшее влияние на воздухопроницаемость оказывают линейная плотность пряжи, ворсистость пряжи по более длинным выступающим волокнам и толщина трикотажа. Исключение составляют структуры с прессовыми петлями, в которых форма такой петли обеспечивает более высокую воздухопроницаемость, а все остальные параметры становятся менее значимыми (таблица 9). Однако статистически значимую модель можно построить только для двойной глади: Ap = 95,55241537 − 0,280261395 X1 − 0,052690916 X2, R² = 0,96335, значимость F = 0,03664, где воздухопроницаемость Ap является зависимой переменной, X1 — линейная плотность пряжи, а X2 — ворсистость пряжи.

Для сопротивления переносу водяного пара получен иной результат: наиболее сильное влияние на него оказывают масса и толщина трикотажа. Статистически значимую модель можно построить только для одинарной глади: Ret = −0,534779 − 3,13649 X1 + 0,032617 X2, R² = 0,96147, значимость F = 0,03852, где сопротивление переносу водяного пара Ret является зависимой переменной, X1 — толщина, а X2 — масса единицы площади.

6. Выводы

Можно утверждать, что одинарная структура с прессовыми петлями, то есть одинарное пике, изготовленное из шерсти, PAN или смеси шерсть/PAN, обладает наибольшим тепловым сопротивлением, средним сопротивлением переносу водяного пара и одновременно наибольшей воздухопроницаемостью. Это делает её предпочтительной для спортивной одежды, когда необходимо сохранять тепло тела, а также для одежды после занятий спортом и повседневной одежды благодаря обеспечиваемому комфорту. Высокая ворсистость этих видов пряжи позволяет ожидать комфортный гриф, но одновременно может привести к пиллингу. Одинарное пике из 100%-ной хлопковой пряжи имеет более низкое тепловое сопротивление, что делает его подходящим для летней одежды. Недостатком применения этой пряжи могут быть её высокая крутка и обусловленный ею перекос структуры.

Двойная гладь имеет второе по величине тепловое сопротивление для всех материалов и наибольшее сопротивление переносу водяного пара. Одновременно её воздухопроницаемость низка по сравнению с другими исследованными полотнами. В сочетании с наибольшей толщиной среди всех исследованных структур и материалов это может сделать двойную гладь наиболее подходящим трикотажем для использования на открытом воздухе. Двойная гладь также обладает высокой растяжимостью, которая обеспечивает хорошее прилегание к телу.

Одинарная гладь имеет наименьшее тепловое сопротивление и наименьшее сопротивление переносу водяного пара, что делает эту структуру пригодной для быстрого отвода тепла от тела, то есть для одежды для активных тренировок. Такая структура обладает умеренной воздухопроницаемостью. Сочетание одинарной глади с одинарной структурой с прессовыми петлями повысило бы воздухопроницаемость и позволило получить идеальную структуру трикотажа для активных тренировок и быстрого отвода тепла от тела.

Статистический анализ показывает, что при проектировании трикотажных изделий важно учитывать не только саму структуру, но и сырьевой состав пряжи, который сильно коррелирует с тепловым сопротивлением и воздухопроницаемостью. Менее часто учитываемый фактор — ворсистость пряжи — сильно коррелирует с тепловым сопротивлением, сопротивлением переносу водяного пара и воздухопроницаемостью. Для повышения теплового сопротивления важно увеличивать число выступающих волокон. И наоборот, для повышения воздухопроницаемости необходимо уменьшать число выступающих волокон.

Все исследованные трикотажные структуры демонстрировали наименьшую воздухопроницаемость при изготовлении из 100%-ного PAN, что могло влиять на их комфортность. Все структуры из полиамидной филаментной пряжи характеризовались значительно более низким тепловым сопротивлением, наименьшим сопротивлением переносу водяного пара и высокой воздухопроницаемостью. Исследованная полиамидная филаментная пряжа обладает высокой растяжимостью и высокой удельной прочностью. Все исследованные структуры при изготовлении из полиамидной филаментной пряжи имели наименьшую толщину, что способствовало их лёгкости. Можно заключить, что полиамидная филаментная пряжа лучше всего подходит для спортивной одежды, используемой в жарких условиях в помещении или на открытом воздухе.

Благодарности

Работа полностью поддержана Хорватским научным фондом в рамках проекта IP-2020-02-5041 «Текстильные материалы для повышенного комфорта в спорте».

Вклад авторов

Концепция: I.S.Č. и A.P.Č.; методология: I.S.Č., V.M.P.M. и A.P.Č.; валидация: I.S.Č., V.M.P.M. и A.P.Č.; формальный анализ: I.S.Č. и V.M.P.M.; исследование: I.S.Č., V.M.P.M., Ž.P. и A.P.Č.; ресурсы: A.P.Č.; курирование данных: Ž.P.; подготовка первоначального текста: I.S.Č., V.M.P.M. и A.P.Č.; рецензирование и редактирование: I.S.Č., V.M.P.M. и A.P.Č.; управление проектом: I.S.Č.; получение финансирования: I.S.Č. Все авторы прочитали опубликованную версию рукописи и согласились с ней.

Заявление институционального наблюдательного совета

Неприменимо.

Заявление об информированном согласии

Неприменимо.

Заявление о доступности данных

Данные содержатся в статье.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование

Работа полностью поддержана Хорватским научным фондом в рамках проекта IP-2020-02-5041 «Текстильные материалы для повышенного комфорта в спорте» — TEMPO.

Сноски

Примечание издателя: MDPI сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных притязаний на опубликованных картах и в институциональной принадлежности.

Литература

Связанные данные

Заявление о доступности данных

Данные содержатся в статье.