張文娟, 紀(jì) 峰, 張瑞云, 趙曉杰,, 王 妮, 王俊麗, 張建祥
(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620; 2. 魯泰紡織股份有限公司, 山東 淄博 255100;3. 上海嘉麟杰紡織品股份有限公司, 上海 201504)
羊毛是一種天然的紡織纖維,具有許多優(yōu)良特性,隨著人們生活水平提高,對(duì)毛織物的濕舒適性需求也在提高。織物對(duì)隱式汗的通透能力影響其著裝舒適性,而織物對(duì)隱式汗的傳輸取決于其孔隙結(jié)構(gòu)[1]。
透氣性、透濕性、導(dǎo)液性分別用于表示織物對(duì)空氣、水蒸氣和液態(tài)水的通過(guò)能力,其作用機(jī)制、表征指標(biāo)和測(cè)試方法各不相同。對(duì)于透氣性能:徐廣標(biāo)等[2]在23種精紡毛型織物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,探討了織物孔隙分布的特征及孔隙與織物結(jié)構(gòu)和透氣性能的關(guān)系;吳海軍等[3]探討了毛織物孔隙分布的特征,測(cè)試并定量分析了毛織物的孔隙與織物結(jié)構(gòu)對(duì)透氣性的影響??椢锟紫督Y(jié)構(gòu)的差動(dòng)效應(yīng)往往用于分析其導(dǎo)液現(xiàn)象。范菲等[4-5]認(rèn)為孔徑尺寸和孔徑分布都對(duì)織物的芯吸速率起決定性作用,并根據(jù)毛細(xì)差動(dòng)原理分析了毛細(xì)孔分布與雙層組合織物的芯吸性能的關(guān)系;姚穆等[6]提出了織物濕傳導(dǎo)通道的3種形式,指出了織物中透濕孔洞有多種多層次結(jié)構(gòu),在濕傳導(dǎo)過(guò)程中的表現(xiàn)和作用各不相同。YANILMAZ M等[7-8]研究了孔隙率、孔徑分布和孔徑大小對(duì)其芯吸性能的影響。對(duì)透氣性和導(dǎo)液性的研究都涉及織物內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣、液態(tài)流體的作用機(jī)制,這對(duì)研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)織物透濕性的作用機(jī)制有參考作用。
早在1985年李毅等[9]探討了5種毛呢織物的厚度、填充率與其熱濕舒適性表征指標(biāo)的關(guān)系;姚穆等[10]研究了織物的透濕過(guò)程,涉及了水蒸氣在濕空氣中的擴(kuò)散及毛細(xì)管中水蒸氣的蒸發(fā)的過(guò)程及理論方程;FANGUEIRO R等[11]研究了羊毛與聚酯型纖維混合紗線(xiàn)的導(dǎo)液性與干燥蒸發(fā)性能。LI Yi等[12-13]建立了關(guān)于羊毛織物熱濕擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測(cè)羊毛織物熱、濕擴(kuò)散性能。可以看到,用于分析和預(yù)測(cè)透濕性的2類(lèi)模型,純理論模型因做了較多理想化假設(shè)其分析結(jié)果往往與實(shí)際情形有差距,而經(jīng)驗(yàn)?zāi)P椭荒茉谟邢薹秶鷥?nèi)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
織物內(nèi)部孔隙情況(尺寸、分布等),對(duì)濕汽傳輸有相當(dāng)?shù)臎Q定作用,直接影響了濕舒適性。本文擬建立孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與濕阻的關(guān)系模型。采用體積孔隙率、表面孔隙率和平均孔徑3個(gè)指標(biāo)各從不同角度描述織物中孔隙情況,使用回歸分析方法分別建立了3個(gè)孔隙指標(biāo)與濕阻的多項(xiàng)式回歸關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀?/p>
本文選用由嘉麟杰紡織品股份有限公司、江蘇陽(yáng)光集團(tuán)提供的24塊羊毛織物試樣,包括14塊機(jī)織面料,10塊針織面料??椢锘窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of fabric samples
1.2.1孔隙率及平均孔徑測(cè)試
本文采用體積孔隙率[14-15]、表面孔隙率和平均孔徑3個(gè)指標(biāo)表征織物內(nèi)部孔隙特征。
體積孔隙率是指織物中的孔隙體積對(duì)其總體積的比值,是衡量織物內(nèi)部孔隙量的指標(biāo)。體積孔隙率計(jì)算公式如式(1)~(3)所示。
(1)
(2)
(3)
式中:εv為織物的體積孔隙率,%;Vf為織物的外觀體積,包括織物外輪廓全部體積,cm3;Vy為紗線(xiàn)體積,cm3;δy為紗線(xiàn)的體積密度,g/cm3;Kd為毛紗線(xiàn)直徑系數(shù),這里取1.13;Tt為紗線(xiàn)的線(xiàn)密度,tex;d為紗線(xiàn)的直徑,mm;G為調(diào)濕后的質(zhì)量,一般指公定回潮條件下的數(shù)值,g。
表面孔隙率是指織物朝大氣一側(cè)孔隙的面積占總面積的百分比,采用計(jì)算機(jī)圖形處理法計(jì)算得到表面孔隙率。本文用MatLab軟件對(duì)織物表面圖像進(jìn)行二值化處理,如圖1所示。在二值化圖像中白色像素區(qū)表示織物中被紗線(xiàn)占據(jù)的區(qū)域,黑色像素區(qū)則表示孔隙區(qū)域。表面孔隙率計(jì)算公式見(jiàn)式(4),表面孔隙率值越大,表示織物大氣一側(cè)孔面積所占比值越大。
(4)
式中:εs為織物的表面積孔隙率,%;Φu為織物表面黑色像素點(diǎn)個(gè)數(shù);Φa為織物表面像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。
圖1 Matlab圖像處理Fig.1 MatLab image processing. (a) Original image; (b) Grayscale image; (c) Enhanced image; (d) Binarized image
織物表面孔隙率側(cè)重反映織物外表面的孔隙量。體積孔隙率則表征了織物結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的孔隙體積百分含量。表面孔隙率提取時(shí)剔除了表面封閉假孔隙區(qū)域,而體積孔隙率計(jì)算中包含了由于紗線(xiàn)滑移等原因造成的封閉孔隙,因此采用的2種孔隙率分別反映了織物外側(cè)和內(nèi)部孔隙的含量。
平均孔徑指織物內(nèi)部所有孔隙當(dāng)量直徑的平均值,表示孔徑的平均尺寸。采用CFP-1100AI型多功能孔徑儀測(cè)量織物孔徑。通過(guò)測(cè)量樣品受到的瞬時(shí)壓力和流經(jīng)樣品孔隙的氣體或液體流量,可獲得壓力—流量的變化曲線(xiàn)。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出平均孔徑指標(biāo),主要依據(jù)公式見(jiàn)式(5)[3]。
D=4γcosθ/P
(5)
式中:D為孔隙的當(dāng)量直徑,μm;γ為液體的表面張力,mN/m;θ為接觸角,(°);P為壓差,Pa。
1.2.2透濕性測(cè)試
濕阻是紡織品處于穩(wěn)定的水蒸氣壓力梯度的條件下通過(guò)一定面積的蒸發(fā)熱流量,反映隱式汗透過(guò)織物的能力。濕阻值越小,表示濕汽透過(guò)能力越強(qiáng),合適的濕阻值使人體感覺(jué)舒適。
實(shí)驗(yàn)選用YG606型熱阻濕阻測(cè)試儀模擬人體皮膚散發(fā)出隱式汗從而測(cè)試服裝面料對(duì)汽態(tài)(隱式汗)通過(guò)的阻力(濕阻)。實(shí)驗(yàn)按照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定 (蒸發(fā)熱板法)》進(jìn)行。采用式(6)計(jì)算濕阻。
(6)
式中:Ret為織物的濕阻,m2·Pa/W;Pm為飽和水蒸氣壓力,Pa;Pa為指水蒸汽壓力,Pa;A為試驗(yàn)板的面積,m2;H為提供給測(cè)試面板的加熱功率,W;ΔHe為濕阻Ret測(cè)定中加熱功率的修正量;Reto為測(cè)定濕阻而確定的儀器常數(shù),m2·Pa/W。
24份純毛織物試樣的孔隙率、平均孔徑及濕阻結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 織物試樣測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of fabric samples
通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察到,機(jī)織物的表面孔隙率一般低于針織物。在機(jī)織物中,以試樣9、23為代表的斜紋組織,其經(jīng)緯組織密度較高,即使在紗線(xiàn)線(xiàn)密度較小的情況下,其外表面組織結(jié)構(gòu)相對(duì)致密,使表面孔隙率顯著較小。在針織物中,以試樣14為代表的緯平針組織,因縱、橫向組織結(jié)構(gòu)疏松,使其表面孔隙率、體積孔隙率和平均孔徑都顯著較大。
表2中數(shù)據(jù)同時(shí)表明,表面孔隙率、體積孔隙率和平均孔徑之間的相關(guān)性不明顯,在上述試樣中,表面孔隙率相對(duì)最小的試樣,如試樣4、5、9,其體積孔隙率和平均孔徑并不是顯著小的。
本文采用一元多項(xiàng)式回歸分析建立織物孔隙特征與其透濕性的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型,該方法是研究1個(gè)因變量與1個(gè)或多個(gè)自變量間多項(xiàng)式的回歸分析方法,其顯著特點(diǎn)是可通過(guò)增加自變量的高次項(xiàng)對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行盡可能地逼近。
具體地,首先采用表2中的體積孔隙率與濕阻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行毛織物體積孔隙率與濕阻的一元高次函數(shù)的回歸分析見(jiàn)式(7),并擬合出二者的關(guān)系曲線(xiàn)圖,如圖2所示。
(7)
圖2 織物體積孔隙率與濕阻的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship between fabric volume porosity and wet resistance
該方程的判定系數(shù)R2=0.87,R2越接近1表示模型的擬合效果越好。
表3示出方差分析,對(duì)回歸關(guān)系進(jìn)行F檢驗(yàn)。
表3 方差分析表Tab.3 Variance analysis
由自由度為2和21,查F值表得F=82.88>F0.05(2,21)=3.47,表明該回歸關(guān)系顯著。
根據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)大致劃分2個(gè)階段:第1階段,體積孔隙率增大濕阻隨之明顯增大;第2階段,濕阻達(dá)到一定峰值區(qū)域,此后體積孔隙率增大濕阻不再隨之明顯增加。
第1階段:體積孔隙率范圍在30%~60%之間時(shí),隨著體積孔隙率上升,濕阻呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。說(shuō)明此范圍織物內(nèi)部的孔隙含量對(duì)濕氣傳輸?shù)挠绊懽饔貌徽贾鲗?dǎo),織物兩側(cè)濕氣的傳導(dǎo)在更高程度上受孔隙的形狀和分布狀態(tài)的影響。
第2階段:當(dāng)體積孔隙率超過(guò)60%左右時(shí),織物兩側(cè)的空氣更容易通過(guò)顯著增大的孔隙進(jìn)出孔隙,兩側(cè)濕氣能夠在微孔區(qū)域內(nèi)以對(duì)流的形式參與交換,令濕阻不再繼續(xù)增大。
從體積孔隙率與濕阻的關(guān)系曲線(xiàn)中可以看出,在符合其他服用條件的情況下,可根據(jù)服用舒適性需求設(shè)計(jì)合適的體積孔隙率。若用于戶(hù)外的運(yùn)動(dòng)服裝則選擇體積孔隙率為(40±10)%且厚度值在0.30~0.48 mm范圍,此范圍內(nèi)濕阻在4.0以下且體積孔隙率對(duì)濕阻的影響較顯著,在可設(shè)計(jì)的范圍。
由MatLab圖像處理測(cè)得的表面孔隙率為自變量,濕阻為因變量,采用SPSS軟件分析得到圖3所示的關(guān)系曲線(xiàn)??椢锉砻婵紫堵逝c濕阻之間的回歸方程為式(8),方程擬合度判定系數(shù)R2=0.75,模型擬合效果較好。
圖3 織物表面孔隙率與濕阻的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relation between fabric surface porosity and wet resistance
y=1.3×10-2x3-0.21x2+1.03x+2.77
(8)
由自由度為3和20,查F值表得F=19.52>F0.05(3,20)=3.10,表明該回歸關(guān)系顯著。
從圖3可知,當(dāng)表面孔隙率在0%~3%范圍內(nèi)時(shí),8塊機(jī)織物和3塊針織物的濕阻隨著表面孔隙率增加而增大。表面孔隙率在0%~1.5%范圍內(nèi)時(shí),濕阻值比較離散,一定程度上表明在這個(gè)范圍內(nèi)表面孔隙率對(duì)濕阻的預(yù)測(cè)失效,說(shuō)明應(yīng)是其他因素起主要作用,如毛織物緊密程度、織物表面或內(nèi)部毛羽;而當(dāng)表面孔隙率大于1.5%時(shí),表面孔隙率對(duì)濕阻的預(yù)測(cè)能力顯現(xiàn),當(dāng)同樣濃度的隱式汗接觸織物表面時(shí),孔隙率相對(duì)小的織物在其表面液化會(huì)相對(duì)多一些,傳輸?shù)娇椢锪硪幻娴妮^少。
當(dāng)表面孔隙率大于3%時(shí),隨著表面孔隙率增加,氣體對(duì)流效應(yīng)起主導(dǎo)作用,濕氣流通能力增大,濕阻隨表面孔隙率的增大呈緩慢下降趨勢(shì)。
以CFP-1100AI 型多功能孔徑儀測(cè)量織物平均孔徑值為自變量,濕阻值為因變量建立的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示??椢锲骄讖脚c濕阻的回歸方程見(jiàn)式(9),方程的判定系數(shù)R2=0.74,模型的擬合效果較好。
圖4 平均孔徑與濕阻的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation between average pore size and wet resistance
(9)
由自由度為3和20,查F值表得F=18.99>F0.05(3,20)=3.10,表明該回歸關(guān)系顯著。
從圖4可知,當(dāng)平均孔徑在10~45 μm之間時(shí),隨著平均孔徑增大,濕阻呈現(xiàn)上升趨勢(shì),這與隱式汗在織物內(nèi)部可能發(fā)生液化有關(guān),液體傳導(dǎo)依靠毛細(xì)孔徑,而織物孔徑增大會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)管減小。除此之外,孔徑較大的織物其內(nèi)部發(fā)生液化的程度也大,透過(guò)織物的濕氣量減少。當(dāng)平均孔徑大于45 μm時(shí),這時(shí)對(duì)流現(xiàn)象開(kāi)始變得明顯,接觸阻礙等相對(duì)變?nèi)?,表現(xiàn)為隨著平均孔徑增大,濕阻降低。
1)分別對(duì)體積孔隙率、表面孔隙率、平均孔徑與濕阻的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析建立經(jīng)驗(yàn)回歸模型,3個(gè)多項(xiàng)式模型總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。
2)對(duì)于本文選用的試樣,在體積孔隙率與濕阻的回歸模型中,體積孔隙率在達(dá)到60%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn);表面孔隙率與濕阻的回歸模型中,表面孔隙率在3%左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn);平均孔徑與濕阻的回歸模型中,平均孔徑在45 μm左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。
3)當(dāng)表面孔隙率在0%~1.5%范圍內(nèi)時(shí),濕阻值比較離散,一定程度上表明在這個(gè)范圍內(nèi)表面孔隙率對(duì)濕阻的預(yù)測(cè)失效,說(shuō)明在該范圍內(nèi)表面孔隙狀態(tài)對(duì)濕阻的影響不是主導(dǎo)因素;當(dāng)表面孔隙率大于1.5%時(shí),通過(guò)表面孔隙率對(duì)濕阻的預(yù)測(cè)效果開(kāi)始顯現(xiàn)。
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