织物结构主成分及其透气透湿研究

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　　摘要： 为了深入探讨织物结构对其透气、透湿性的影响，文章采集19块涤纶织物的6个基本结构参数进行主成分分析，提取到2个对原始结构特征贡献率达87.423%的结构主成分，即尺寸结构因子（Z1）和材料聚集因子（Z2），分别反映织物结构中大孔隙情况和材料聚集程度，并与织物透气、透湿性进行相关性研究。结果表明：两个主成分密切但差异地影响织物的透气、透湿性;尺寸结构因子Z1正相关影响透气性，材料聚集因子Z2与之呈现负相关，关系方程为Y1=239.444Z1-288.746Z2+412.799;材料聚集因子Z2对透湿性有显著影响，表现为密切负相关，关系方程为Y2=80.783Z1-159.941Z2+2 636.147;透湿与透气存在一些传输机理的区别。
　　关键词： 主成分分析;尺寸结构因子;材料聚集因子;透气性;透湿性
　　中图分类号： TS101.923.4   文献标志码： A   文章编号： 1001
　　Abstract： In order to investigate the influence of fabric structure on air/moisture permeability， the data of 6 basic structural parameters from different 19 polyester fabrics were collected for principal component analysis， and two structural principal components， which contributed 87.423% to the original structural characteristics of fabrics， were extracted and defined as dimensional structure factor （Z1） and material aggregation factor（Z2）， respectively. The former reflects the large size pore structure， and the latter describes the degree of material aggregation in fabrics. The relation between air/moisture permeability and structural principal components of fabrics were studied also. The results show that the two principal components closely and differently influence the air/moisture permeability of fabrics. The dimensional structure factor Z1 is positively related to the air permeability， while material aggregation factor Z2 is negatively correlated to the air permeability. The relation equation is Y1=239444Z1-288.746Z2+412.799. The material aggregation factor Z2 has a significant effect on moisture permeability， performing a close negative correlation， and the relation equation between moisture permeability and aggregation factor is Y2=80.783Z1-159941Z2+2636.147. There are some differences between air permeability and moisture permeability in transfer mechanism.
　　Key words： principal component analysis; dimensional structure factor; material aggregation factor; air permeability; moisture permeability
　　作为服装穿着考虑的基本要求，热湿舒適性越来越引起研究者的重视。面料的透气/透湿性直接影响人体与外界的气体交换与人体出汗时水汽的传输[1]，研究表明，透气/透湿性不但与织物的结构参数关系密切[2]，而且与面料的孔隙特征相关[3]。姜金玉等[4]对薄型精纺毛织物进行透气性、透湿性等进行测试，研究不同织物成分、织物组织等对毛织物面料热湿性能的影响。陈丽丽等[5]为充分发挥木棉纤维的优良特性，设计织造了13种不同组织的木棉纤维/棉混纺织物，分析了不同结构参数对织物保暖性、透气性的影响。张文娟等[6]建立了毛织物孔隙特征与其透湿性的经验关系模型，测试了24种毛织物试样的孔隙指标和湿阻，建立了各孔隙特征指标与湿阻的多项式回归模型。YANILMAZ M等[7-8]研究了孔隙率、孔径分布和孔径大小对其芯吸性能的影响。姜为青等[9]经研究发现薄型精纺毛织物的透气性与织物的各种结构参数有很大的关系，但薄型毛织物的厚度对透气性影响较小。以往所做的研究主要集中于毛织物及棉织物面料的各单一因素对透气、透湿性之间的关系分析[10-11]，由于织物面料结构参数之间在反映结构信息方面存在交叉，显然这种分析会造成一些片面认知[12]。本文采用主成分分析方法[13-14]，将涤纶织物结构的多个参数转换成两个彼此独立的主成分因子，利用组合后的因子再进行回归分析，建立其与织物面料的透气性、透湿性的回归方程，为透气、透湿性产品的开发提供理论依据。1 实 验 　　1.1 材 料
　　试样：19种涤纶织物（江苏东昉纺织科技有限公司），其基本结构参数如表1所示，其中7#与8#织物为针织物，其横密、纵密在表中做了批注。
　　1.2 仪器与方法
　　仪器：Keyence VK—x110激光显微镜（基恩士（中国）有限公司），YG461E-Ⅲ全自动透气量仪（宁波大禾仪器有限公司），W3/031水蒸气透过率测试仪（济南兰光机电技术有限公司），HZK-FA110电子天平（美国康州HZ电子有限公司），恒温烘箱（上海合恒仪器设备有限公司）。
　　透气性能的测试：实验选用YG461E-Ⅲ全自动透气量仪测试涤纶织物的气体通过能力，透气率依据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测定。
　　透湿性能的测试：选用W3/031水蒸气透过率测试仪模拟人体皮肤出汗测试涤纶织物对水汽的透过能力，实验中保持恒定的温度为38 ℃，恒定的相对湿度为87%，有效测试面积为25 cm2，透湿量依据GB/T 12704—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分》测定。
　　主成分分析：利用统计软件（Statistical product and service solutions，SPSS），通过“降维”中“因子分析”方法进行“主成分”分析，把特征值大于1的因子确定为主成分，通过把“得分”设置“保存为变量”的回归及“选择因子得分系数矩阵”进行数据输出。
　　
　　2 结果与分析
　　2.1 测试结果
　　通过测试，19块涤纶织物的透气性和透湿性的数据如表2所示。
　　
　　2.2 主成分分析
　　实际问题中一个因变量的结果经常受到多个自变量的影响，但有些自变量之间会存在一定的相关性，在内容上存在一定程度的重复，为了更好地解决问题，可以选用主成分分析法。主成分分析就是利用降维法，把多个原始指标转化为少数几个综合指标（主成分），使问题简单化，同时得到更加科学有效的数据信息[15-16]。
　　织物的原始结构参数包括平方米质量X1、厚度X2、经纱线密度X3、纬纱线密度X4、经密X5和纬密X6，对这些结构参数进行主成分分析，本文利用统计分析软件中的降维法对织物结构参数进行主成分分析，组合后的主成分数值如表1所示。经过主成分分析，從6个自变量可以得到2个影响值较大的因子，结果如表3所示，成分1和成分2的累积贡献率可到达87.423%，可以解释6个结构参数的大部分信息。
　　
　　 表4列出了各主成分的组成要素，对应的特征值表征各主成分在各变量上的载荷，主成分1可以表达为：Z1=0680X1+0.888X2+0.867X3+0.914X4-0.554X5-0.680X6，主成分Z1在各变量上的载荷排序为：X4>X2>X3>X1>X5>X6。影响Z1大小的参数主要是经纬纱线密度（X3、X4）和厚度（X2），可以看出这三个参数都是用于描述织物结构的尺寸参数，故可将主成分1定义为“尺寸结构因子”，主要反映织物的大孔隙情况，很显然经纬纱线密度越大，织物的大孔隙就越大。主成分2的表达式为：Z2=0.685X1+0.283X2-0.019X3+0.199X4+0782X5+0.661X6，其在各变量上的载荷排序为：X5>X1>X6>X2>X4>X3。影响Z2大小的主要是经纬纱密度（X5、X6）和织物的平方米质量（X1），这三个参数都是用于描述织物结构中材料聚集的参数，故可将主成分2定义为“材料聚集因子”。
　　
　　2.3 透气性与结构主成分关系分析
　　用透气率与织物结构主成分进行多元回归分析，其结果如表5所示。从表5可看出，两个主成分Z1、Z2的Sig.值分别为0.046、0.019，均小于0.05，说明两个主成分对透气性具有显著影响。
　　
　　 透气性与尺寸结构因子Z1（偏回归系数为239.444）之间存在正相关，这是因为尺寸结构因子的主要组成要素是纱线线密度和织物厚度，织物中经纬纱线密度的增大，由于交织使纱线之间靠近阻力增加导致织物内纱线之间的空隙变大，从而增加织物的透气性能。透气性与材料聚积因子Z2（偏回归系数为-288.746）之间存在负相关，回归所得到的负相关说明织物中材料越聚积，会使织物的孔隙缩小，从而导致织物的透气性能变差。最终织物透气性与织物的主成分之间的回归方程为：Y1=239.444Z1-288.746Z2+412.799。
　　2.4 透湿性与结构主成分的关系分析
　　对透湿性与结构主成分进行逐步多元回归分析，结果如表6所示，其回归方程为：Y2=80.783Z1-159.941Z2+2 636.147。从表6可看出，Z2的Sig.值为0.027，小于0.05，说明材料聚集因子Z2对透湿性有显著影响，其偏回归系数为负值-159.941，透湿性与织物结构的材料聚集因子具有较为密切的负相关。事实上，材料聚集会使织物更紧密，造成孔隙更小，从而导致织物的透湿性变差。由于Z1的Sig.值大于0.05，说明对于透湿性来讲Z1的影响不显著，其瓶颈因素是织物中纤维的聚集程度，在SPSS的回归拟合中直接被排除，回归方程变成为：Y2=-159.941Z2+2 636.147。
　　 通过上述分析可以认为，透湿性与透气性的传输机理存在一定程度的区别。织物的透气主要是通过织物中孔洞实现的，在织物两面的压力差作用下空气从织物表面传输到另一面，既与尺寸结构因子有关，也与材料聚集因子有关，其本质都是影响孔隙尺寸与结构;织物的透湿不仅依靠织物的孔隙传输，更主要与织物材料的吸湿能力及织物内部的毛细效应等有关，而且当织物结构相对紧密的情况下，织物孔隙变小，尺寸结构因子影响力下降，材料聚集因子变成为透湿的主要通道。 　　3 结 论
　　1）通过主成分分析方法，从织物6个基本结构参数中提取了2个主成分，即尺寸结构因子和材料聚集因子，尺寸结构因子反映织物的大孔隙情况，材料聚集因子描述织物中材料的聚集程度。两个结构主成分的累积贡献率可达87.423%，说明这2个指标的构成能够比较全面地描述织物结构原始特征。
　　2）织物透气性与两个结构主成分密切相关但有区分，透气性与尺寸结构因子呈正相关而与材料聚积因子负相关，织物透气性与结构主成分关系方程为：Y1=239.444Z1-288.746Z2+412.799。
　　3）材料聚积因子Z2对透湿性有显著影响，具有较为密切的负相关，最终织物透湿性与材料聚因子之间的回归方程为：Y2=80.783Z1-159.941Z2+2 636.147。对于透湿性来讲，其瓶颈影响因素是织物中纤维的聚集程度，这也一定程度说明透湿性与透气性的传输机理存在一些区别。
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