Какие свойства эластичного трикотажа определяют комфорт велосипедной формы

Аннотация

В работе исследованы теплофизиологические свойства четырёх трикотажных полотен с разным соотношением волокон, пригодных для велосипедной одежды. Мы определили и сравнили воздухопроницаемость, управление влагой, время высыхания, теплопроводность и паропроницаемость. Чтобы сопоставить эти показатели, учитывали структуру, плотность, поверхностную плотность и толщину полотна. Подходящий материал должен хорошо пропускать воздух и проводить тепло, управлять влагой и быстро сохнуть. По результатам измерений полотно полиамид/эластан (58/42 PA6.6/EL) с хорошими воздухопроницаемостью, теплопроводностью и управлением влагой и коротким временем высыхания лучше подходило для летней велосипедной одежды. Работа также уточняет, какие характеристики учитывать для применений с разными уровнями активности.

Ключевые слова: трикотаж, теплопроводность, управление влагой, воздухопроницаемость, паропроницаемость, время высыхания

1. Введение

В последние годы продажи повседневной и спортивной одежды росли во всём мире, поэтому производители и исследователи уделяют этой области всё больше внимания [1–5]. Если при выборе повседневной одежды ключевую роль играет мода, для спортивной одежды критичным стал комфорт [6,7], влияющий также на работоспособность и эффективность. Комфорт при носке сложен, а теплофизиологический комфорт особенно важен для спортивной и прилегающей к коже одежды, поскольку она непосредственно воздействует на кожу [8–11]. Он включает перенос тепла и влаги через одежду; основные понятия — теплоизоляция, вентиляция и управление влагой [12].

При интенсивном спорте метаболическое тепловыделение достигает 800–1300 Вт, поэтому тепловой стресс вызывает серьёзную озабоченность [13–15]. Влага широко признана главным фактором дискомфорта [16–18]. Поэтому для одежды высокой активности ключевы впитывание пота, быстрое высыхание и охлаждение [19]. Также нужны высокая растяжимость и восстановление для правильной посадки и свободы движений [12].

Велоспорт является одним из самых популярных видов спорта во всём мире [20,21]. Это продолжительная физическая активность, которой можно заниматься в разных климатических условиях; поэтому в каждый сезон велосипедисты могут использовать соответствующий набор предметов одежды. Кроме того, велоспорт заметно отличается от других видов спорта и имеет множество особенностей, включая высокий расход энергии, интенсивное потоотделение, а также более выраженную работу конечностей и больший диапазон движений нижней части тела по сравнению с верхней [20,21,22]. Следовательно, с учётом характерных особенностей велоспорта используемые для велосипедной одежды полотна должны быть функциональными и специально спроектированными с учётом требований спортсмена.

Велосипедная майка должна приспосабливаться к движениям тела, растягиваться и делать движения человека визуально привлекательными, одновременно выполняя эстетическую функцию одежды. Прежде всего она должна обладать целым рядом свойств: эффективно отводить пот, иметь высокую влагопроницаемость, сохранять тепло, защищать от ветра и солнечного излучения и демонстрировать превосходную стойкость при стирке [23].

Проведено множество исследований комфорта при ношении в зависимости от типа пряжи, параметров структуры полотна, его отделки и других факторов. Например, Bhattacharya и Ajmeri сравнили пористость трикотажных структур из вискозной пряжи и пряжи Excel и оценили воздухопроницаемость спортивной одежды. Они заключили, что благодаря более высокой воздухопроницаемости кулирные полотна Excel являются идеальными кандидатами для спортивной одежды, используемой в жаркую погоду [24]. Öner и Okur рассмотрели два состояния микроклимата: первое, при котором тело не ощущает влаги, а потоотделение компенсируется испарением, и второе, при котором температура тела быстро повышается и во время спортивной активности возникает намокание. Они показали, что параметры комфорта полотна во влажном и сухом состояниях различаются [25]. Baker и соавт. разработали и оценили однослойный предмет одежды, объединяющий разные текстильные материалы для повышения физиологического комфорта туристов с рюкзаком в холодную погоду. В разных областях тела были стратегически размещены три материала: теплоизоляционный, влагоотводящий и контрольный. Пользователи были удовлетворены тем, как специализированные материалы в целевых областях тела удерживали и рассеивали тепло [26].

В работе Bedek и соавт. шесть видов трикотажного нижнего белья анализировали с точки зрения текстильных характеристик и теплового комфорта. Были выявлены корреляции сопротивления переносу водяного пара с толщиной полотна, удержанием влаги и продолжительностью высыхания [27]. В сравнительном исследовании Frydrych установил, что полотна из хлопковой пряжи имеют лучшие тепловые свойства, чем полотна из Tencel [28]. Yanılmaz и Kalaoglu изучили взаимосвязь разных трикотажных структур с несколькими параметрами теплофизиологического комфорта. Авторы указали, что структура оказывает значительное влияние на коэффициенты сквозного капиллярного переноса, высоту подъёма влаги, значения контактного угла и скорость испарения воды [29]. Raja и его коллеги исследовали тепловые свойства кулирного трикотажа из кольцевой, компактной и сложенной кольцевой/компактной пряжи. Они установили, что на тепловые свойства кулирного полотна из сложенной пряжи влияют крутка пряжи и масса бегунка [30]. Vasile и соавт. исследовали прогнозируемые прибором Fabric Touch Tester основные индексы комфорта полиэфирно-хлопкового трикотажа — гладкость, мягкость и теплоту — и сравнили их с показателями отделанных полотен, то есть окрашенных и окрашенных с обработкой смягчителем. Независимо от типа пряжи между индексами комфорта необработанных и отделанных полотен существовали значимые различия [31].

Характеристика и анализ текстильных полотен для оценки их комфортности в велосипедной одежде являются первым шагом к практическому применению. Чтобы определить комфортность материалов для таких задач, важно понимать их тепловые и сенсорные свойства. Исследования в этой области уже проводились, однако они были сосредоточены на отдельных применениях: разработке материалов, точно адаптированных к конкретной активности [27,32]; изучении влияния крутки пряжи, трикотажной структуры и типа сырья на изменение тепловых свойств готовых изделий [33,34,35]; разработке одежды для туристов с рюкзаком в холодную погоду и определении общей комфортности материалов для нижнего белья [28,29].

Цель настоящего исследования состояла в сравнении характеристик теплофизиологического комфорта полиамидных основовязаных полотен трёх типов: двойного трико, одинарного трико и трико с цепочечным столбиком. Авторы считают эти типы перспективными для будущих исследований и для проектирования разных видов спортивной велосипедной одежды. Помимо изучения различий в тепловом комфорте эластичного трикотажа, мы предложили набор испытаний, который компании могут применять для контроля качества и выбора полотен с тем же назначением. Это должно создать информированную основу для проектирования и разработки будущей функциональной велосипедной одежды.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Четыре типа трикотажных полотен, обозначенные A, B, C и D, выбрали среди материалов, наиболее часто применяемых для велосипедной одежды, и испытали лабораторными текстильными методами. Состав, поверхностная плотность, толщина, объёмная плотность, пористость, удлинение и плотность петель полотен A–D приведены в таблице 1. Сведения о составе и удлинении были получены от изготовителя, а все остальные данные получили авторы настоящей работы. Масса единицы площади существенно варьирует: от 146 г/м² для полотна A до 265 г/м² для полотна D. Материалы представляют собой смеси PA6.6 с разным содержанием эластана — от 25% в полотне C до 43% в полотне D. Полотна B и C имеют сходную основовязаную структуру двойного трико; полотно A представляет собой одинарное трико, а полотно D — трико с цепочечным столбиком. Полотно D демонстрирует наименьшую пористость 45,5%, тогда как полотна B и C имеют наибольшую пористость около 62%. Хотя все материалы предназначены для велосипедной одежды, между их свойствами наблюдаются значительные различия. Можно использовать более тонкое полотно, но тогда для достижения более высокой объёмной плотности применяют меньшую пористость; более тяжёлое полотно той же толщины можно получить с помощью другой техники вязания.

2.2. Методы

2.2.1. Подготовка образцов

Образцы кондиционировали не менее 24 ч в контролируемой климатической камере при относительной влажности 65% ± 4% и температуре 21 °C ± 2 °C в соответствии с EN ISO 137:2005 [36]. После этого образцы характеризовали по свойствам теплофизиологического комфорта, включая воздухопроницаемость, управление влагой, паропроницаемость, продолжительность высыхания и тепловые свойства.

2.2.2. Толщина

Толщину исследуемых полотен измеряли в соответствии со стандартом ASTM D1777:2007 [37] с помощью цифрового прибора для измерения толщины текстильного полотна.

2.2.3. Объёмная плотность

Объёмную плотность (кг·м⁻³) рассчитывали как отношение поверхностной плотности (г·м⁻²) к толщине (мм).

2.2.4. Пористость

Относительную пористость P (%) рассчитывали по уравнению (1):

где m — поверхностная плотность (г·м⁻²), ρ — плотность волокна (г·м⁻³), d — толщина полотна (м).

2.2.5. Воздухопроницаемость

Воздухопроницаемость полотен, выраженную в мм/с, измеряли на приборе EMI Development (Бревианд, Франция) в соответствии с ISO 9237:1995 [38] при давлении воздуха 100 Па и площади испытания 20 см². Результаты представляют собой средние значения десяти измерений, выполненных в случайно выбранных разных областях полотна.

2.2.6. Управление влагой

Свойства управления влагой оценивали на приборе Moisture Management Tester (MMT, SDL Atlas, Рок-Хилл, Южная Каролина, США) по AATCC 195:2011 [39]. MMT даёт полную характеристику поведения полотна, в особенности материала, который носят непосредственно у кожи: он измеряет время смачивания (WT), максимальный радиус смоченной области (MWR), скорость распространения (SS) и скорость поглощения (AR) на верхней (T) и нижней (B) поверхностях. Кроме того, прибор рассчитывает суммарную способность к одностороннему переносу (R) и общую способность управления влагой (OMMC), принимающую значения от 0 до 1. На основе этих параметров MMT различает семь категорий полотен: водонепроницаемые; быстро впитывающие и быстро сохнущие; медленно впитывающие и медленно сохнущие; водоотталкивающие; быстро впитывающие и медленно сохнущие; пропускающие воду; наконец, полотна, управляющие влагой. Для всех показателей применяется шкала от 1 до 5, то есть от низкого до высокого значения. Испытывали десять образцов размером 8 × 8 см и рассчитывали среднее значение.

2.2.7. Паропроницаемость

Паропроницаемость WVP, выраженная в г/м²·Па·ч и также называемая способностью материала дышать, описывает количество водяного пара, диффундирующего через квадратный метр текстиля за один час на единицу разности давления водяного пара по разные стороны материала. Для испытания паропроницаемости образцов применяли метод перевёрнутой чашки, после чего WVP рассчитывали в соответствии с ISO 15496:2015 [40]. Для каждого вида полотна испытывали три круглых образца диаметром 110 мм и рассчитывали среднее значение WVP.

2.2.8. Время высыхания

Время высыхания определяли по вертикальному методу A2 стандарта ISO 17617:2014 [41]: полотно размещали на весах с верхней чашей, а обе стороны образца подвергались воздействию испытательной среды. В середину образца наносили заданное количество влаги и через определённый промежуток времени измеряли массу оставшейся на нём влаги. Скорость высыхания DR (%/мин) определяется как время, необходимое для удаления известной массы влаги из текстильного полотна. Время высыхания представляет собой время в минутах, за которое происходит 100%-ная потеря воды. По ISO 105-E04:2013 [42] приготовили два раствора искусственного пота: щелочной с pH 5,5 и кислый с pH 8,03. Для каждого вида полотна подготовили три квадратных образца размером 100 × 100 мм и кондиционировали их, как описано в разделе 2.2.1. Микропипеткой в центр открытой верхней поверхности, то есть внутренней стороны полотна, соприкасающейся с кожей, наносили 0,08 ± 0,01 мл искусственного пота, предварительно кондиционированного в течение 24 ч при 20 ± 2 °C. Регистрировали исходную массу образца (M0), затем измеряли массу с интервалом 5 мин; общая продолжительность испытания составляла 60 мин. Применялись некоторые отступления от испытательного стандарта: подвесную рамку с образцом держали в климатической камере при относительной влажности 65% и температуре 21 °C, а её массу измеряли каждые 5 мин на весах с точностью 0,001 мг. Весы размещались внутри закрытой камеры, чтобы, согласно требованиям, скорость воздуха оставалась ниже 0,1 м/с.

2.2.9. Тепловые свойства

Для оценки тепловых свойств полотен использовали прибор Fabric Touch Tester (FTT, SDL Atlas, Рок-Хилл, Южная Каролина, США) [43]. Всего FTT измеряет 13 показателей полотна [44], связанных со сжатием, изгибом, поверхностным трением и шероховатостью, а также с тепловыми свойствами. В настоящем исследовании рассматривали измеренные тепловые показатели Qmax, TCC и TCR. Qmax (Вт·мм⁻²) представляет собой максимальную тепловую энергию, передаваемую через образец при сжатии. Теплопроводность (10⁻³ Вт·м⁻¹·°C⁻¹) характеризует энергию, передаваемую на градус, на метр и на секунду, когда образец находится в состоянии сжатия (TCC) и восстановления (TCR) [45]. FTT рассчитывает активное и пассивное ощущение тепла: первое соответствует теплу, которое человек воспринимал бы при сжатии полотна пальцами, второе при его пассивном ношении на коже. В настоящее время стандарта такого испытания не существует, поэтому полотна испытывали по протоколу производителя оборудования. Для каждого вида полотна испытали несколько десятков L-образных образцов размером 28 см. Представленные результаты являются средними по десяти измерениям: пять образцов испытывали с наружной стороны и пять с внутренней.

3. Результаты и обсуждение

Ниже представлены результаты измерения воздухопроницаемости, характеристик управления влагой, продолжительности высыхания, теплопроводности и паропроницаемости трикотажных полотен. Результаты дисперсионного анализа наблюдаемых показателей и различия между каждой группой оценивали с помощью t-критерия при α = 0,05 и корреляции Пирсона.

3.1. Воздухопроницаемость

Данные на рисунке 1 показывают среднюю воздухопроницаемость испытанных образцов. У полотен B и C отмечена сопоставимая, самая низкая воздухопроницаемость, а у полотна A самое высокое значение, 485 мм/с. Воздухопроницаемость отрицательно коррелировала с толщиной полотна: коэффициент Пирсона −0,86, значимый на уровне 0,01. Среди исследованных полотен A имело одну из самых низких пористостей, 55,3%, при этом наименьшую толщину и наибольшую объёмную плотность, 511 кг/см³. Образцы B и C со сходной структурой и сопоставимыми свойствами, приведёнными в таблице 1, имели также сопоставимую воздухопроницаемость. У образцов трикотажа со столбиками цепочек (D) воздухопроницаемость ниже, чем у A. Это может объясняться компактной поверхностью с большим содержанием волокна, наибольшей объёмной плотностью, 623 кг/см³, и наименьшей пористостью, 45,5%. Следовательно, из полученных результатов можно заключить, что рыхлые структуры трикотажа с большим количеством заключённого воздуха обладают лучшей воздухопроницаемостью благодаря более высокой пористости. Это согласуется с работой Nazir и соавторов: они установили, что интерлок, связанный на машине более низкого класса и с большей длиной петли, образует рыхлую структуру с более крупными воздушными промежутками по сравнению с плотной структурой полотна [46].

3.2. Управление влагой

Структурные свойства полотна, включая его плотность, толщину, пористость и массу, а также тип материала имеют решающее значение для характеристик управления влагой. Конечная цель управления влагой в текстиле состоит в обеспечении её переноса к наружной поверхности за минимально возможное время [47]. Параметры вязания, такие как структура и плотность петель, преимущественно определяют физические характеристики трикотажа — толщину, массу и пористость, — которые, в свою очередь, влияют на комфортность полотна [48].

Испытаны все образцы полотен; в таблице 2 приведены средние значения и стандартные отклонения (±SD) всех соответствующих показателей. Полотно A имело наибольшую способность к одностороннему переносу R, 385%, что указывает на лёгкий и быстрый перенос жидкого пота от кожи на наружную поверхность. У этого полотна также были высокая скорость распространения и небольшой радиус смоченной области на внутренней и наружной поверхностях, 8,33 мм: жидкость сразу проходила через полотно, не смачивая его. В целом полотно D со структурой трикотажа со столбиками цепочек отличалось от остальных поведением и большой вариабельностью OMMC, выраженной стандартным отклонением. Это означает, что его реакция существенно зависит от места смачивания. В отличие от полотен A–C, средний суммарный показатель одностороннего переноса был отрицательным, а влага медленно переносилась наружу, на сторону B. Это было самое толстое полотно, структура которого также отличалась от A–C. Такое поведение может объясняться именно структурным отличием: на трикотаже со столбиками цепочек капля воды ведёт себя иначе, чем на гладкой поверхности. Суммарный показатель одностороннего переноса был то положительным, то отрицательным даже при одинаковом направлении столбика. Причиной может быть расположение столбика во время испытания: капля двигалась по другой траектории, иногда вдоль каналов, и оставалась на стороне, на которую подали воду. Чтобы объяснить эти особенности, нужны дальнейшие исследования. Поведение полотна B было сходно с D, но отличалось меньшей вариабельностью и лучшим показателем одностороннего переноса. В отличие от гладких полотен A–C, структура D со столбиками цепочек потенциально может приводить к неравномерному распространению жидкой влаги. На это указывают радиусы смоченной области верхней и нижней поверхностей от 5 до 20 мм, а также большой разброс времени смачивания, скорости поглощения и скорости распространения. Соответственно, возникает и большая вариабельность OMMC: стандартное отклонение 0,17 при среднем значении 0,20. OMMC рассчитывается как сумма способности к одностороннему переносу, скорости распространения и времени поглощения, причём наибольший весовой коэффициент, 0,5, имеет способность к одностороннему переносу.

На рисунке 2 показана общая способность управления влагой OMMC испытанных полотен. У трёх полотен средние значения OMMC находились между 0,2 и 0,3, а у полотна A показатель был самым высоким, 0,61. Как уже отмечалось, OMMC учитывает скорость поглощения влаги, скорость её распространения и суммарный односторонний перенос жидкой влаги с наружной поверхности полотна на внутреннюю. Полотна A и C классифицированы как пропускающие воду, B и D как быстро впитывающие, а B также как быстро сохнущее. Это означает, что полотна A и C имеют небольшую площадь растекания пота и обеспечивают отличный односторонний перенос. Для B и D характерны смачивание и поглощение со средней или высокой скоростью, небольшая площадь растекания, быстрое распространение и слабый односторонний перенос. В системе одежды может быть полезно чередовать быстро впитывающие полотна B/D с полотнами A/C, которые быстро переносят пот наружу, в зависимости от количества выделяемого пота [49].

3.3. Паропроницаемость

Перенос водяного пара от тела особенно важен, поскольку эффективно помогает управлять его тепловым состоянием [50]. На рисунке 3 показана WVP испытанных полотен. B имело максимальную воздухопроницаемость для пара, 0,29 г/м²·Па·ч, а D было наименее дышащим — 0,097 г/м²·Па·ч. Комфорт текстиля для велосипедиста повышается с WVP, поэтому по рисунку 3 B лучше всего переносит пар от кожи наружу. Кроме того, B классифицировано как быстро впитывающее и быстро сохнущее по сравнению с остальными и потому потенциально обеспечивает хороший комфорт велосипедисту.

3.4. Время высыхания

На рисунке 4 представлено среднее время высыхания полотен в зависимости от использованного типа искусственного пота. Время высыхания всех полотен находилось между 16 и 18,7 мин: быстрее всех высыхало B, за 13,6 мин, а медленнее всех D, за 18,7 мин при использовании щелочного пота. В целом для большинства полотен наблюдали небольшую вариабельность времени высыхания, что видно по отрезкам стандартных отклонений; исключением были B и D при использовании кислого пота. Между двумя типами пота можно заметить различия: кислый пот, по-видимому, во всех случаях приводит к более длительному высыханию, однако эти различия статистически незначимы: t-тест, α = 0,05, p > 0,05. Это различие может объясняться различиями пористости, конструкции, массы полотна и влияния химических веществ на свойства волокна, поскольку эти факторы определяют количество воды, удерживаемой внутри волокна.

3.5. Тепловые свойства

Тепловые характеристики образцов показаны на рисунке 5. Измеренные значения Qmax — максимального теплового потока, прошедшего через полотно, — и теплопроводности при восстановлении TCR приведены на рисунках 5a и 5b соответственно для внутренней и наружной сторон. У B и D максимальный тепловой поток несколько различался в зависимости от того, какой стороной — внутренней или наружной — образец располагали при испытании. Это может объясняться разной структурой лица и изнанки и, следовательно, их разными свойствами. Как и ожидалось, теплопроводность TCR не зависела от положения внутренней или наружной стороны.

Теплопроводность как при сжатии (TCC внутренней и наружной сторон), так и при восстановлении (TCR внутренней и наружной сторон) коррелировала с массой на единицу площади. Для TCC коэффициенты Пирсона составляли соответственно 0,55 и 0,54 при уровнях значимости 0,05 и 0,01; для TCR коэффициент составлял 0,59 при уровне значимости 0,01. Аналогично толщина коррелировала с TCC внутренней и наружной сторон: все коэффициенты Пирсона были около 0,90 при уровне значимости 0,01. Например, самое толстое и тяжёлое полотно D, 0,44 мм и 265 г·м⁻², имело наибольшую теплопроводность при сжатии (TCC) и восстановлении (TCR). У самого тонкого и лёгкого полотна A, 0,29 мм и 146 г·м⁻², зарегистрированы наименьшие значения TCC и TCR, как показано на рисунках 5b,c. Для рассмотренных полотен результаты позволяют предположить, что B и D будут лучше переносить тепло, потенциально обеспечивая больший комфорт при интенсивной активности, когда для поддержания теплового комфорта необходимо отвести небольшое количество энергии. Это согласуется с предыдущими исследованиями и может объясняться толщиной и пористостью полотна, поскольку они обеспечивают более высокую теплоизоляцию (Tabor, 2020) [49].

4. Выводы

В статье представлен набор методов испытания для количественной оценки эластичных полиамидных трикотажных полотен, обычно используемых для велосипедной одежды. Отмечено различное поведение с точки зрения переноса воздуха, воды, пара и тепла, что предполагает различный теплофизиологический комфорт человека в зависимости от использованного полотна. Среди рассмотренных полотен B и D, по-видимому, лучше подходят для переноса тепла, потенциально обеспечивая больший комфорт при интенсивной активности, когда для поддержания теплового комфорта необходимо отвести небольшое количество энергии. С другой стороны, A было наиболее воздухопроницаемым и лучше всего управляло жидкой влагой. Полотно B, которое высыхало быстрее всех остальных, за 13,6 мин, продемонстрировало время высыхания влаги от 16 до 18,7 мин для щелочного пота. Между двумя типами пота наблюдались некоторые различия: кислый пот в большинстве случаев приводил к более длительному высыханию. В целом, согласно результатам испытаний, полотно 58/42 PA6.6/EL с хорошей воздухопроницаемостью, 485 мм/с, свойствами управления влагой, 0,61, и небольшим временем высыхания, около 16 мин, лучше подходило для летней велосипедной одежды. Эти наборы испытаний можно применять главным образом для контроля качества, помогая компаниям сравнивать и выбирать полотна для одной и той же цели. Испытания проводились в лабораторных условиях на однослойных полотнах и показывали лишь потенциал этих материалов в обеспечении хорошего теплофизиологического комфорта велосипедистов. В реальных условиях такие дополнительные факторы, как посадка одежды, интенсивность езды и условия среды, имеют первостепенное значение и влияют на ощущение комфорта человека. Будущие исследования будут посвящены эффектам этих полотен при использовании в однослойной облегающей одежде. Для измерения их функции как средства повышения результативности или поддержки спортсменов на тренировках и соревнованиях необходимо установить основные механизмы действия.

Благодарности

Авторы благодарят VLAIO за финансовую поддержку через проекты AIO.TET.2016.0004.01 (TETRA HBC.2016.0079).

Вклад авторов

Все авторы рецензировали и редактировали рукопись и одобрили финальную версию. Y.T. — концепция, методология и черновик; Y.T. и S.V. — валидация и формальный анализ; B.M., T.T. и S.V. — руководство, критическое рецензирование и редактирование; L.V.L. — управление проектом и руководство. Все авторы прочитали опубликованную версию и согласились с ней.

Финансирование

Исследование поддержано проектом CoE, финансируемым через KFW № 51235 (PE 479 — Higher Education), грант MBZ/201166305, совместно с правительством Эфиопии.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Литература