姚文麗 高姝一 馬 磊 薛慶龍 張瑞云

（1.東華大學(xué)，上海，201600；2.中國紡織信息中心，北京，100020；3.江蘇聯(lián)發(fā)紡織股份有限公司，江蘇南通，226600）

具有調(diào)溫功能的材料可以在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生一定響應(yīng)，對于冬季保暖織物而言，調(diào)溫功能可以在不增加織物厚度的情況下給人體帶來更多熱量，使人體獲得暖感。其中，吸濕發(fā)熱纖維是一類通過吸濕將人體-服裝微氣候中運(yùn)動(dòng)的水分子吸附獲得部分熱能的調(diào)溫材料，在紡織領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景［1］。市場中常見的吸濕發(fā)熱纖維有亞丙烯酸鹽系纖維、改性聚丙烯酸類纖維、超細(xì)特腈綸以及改性腈綸等［2］。改性腈綸是通過增加親水基團(tuán)使纖維吸濕性大大提高。除了親水基團(tuán)吸濕轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能給人體帶來暖感外，高吸濕性還能使人皮膚表面保持干爽，避免了人體出汗產(chǎn)生的濕冷感［3］。目前針對吸濕發(fā)熱纖維的產(chǎn)品研發(fā)，利用紗線和織物不同結(jié)構(gòu)的配合是發(fā)揮纖維功能性的一個(gè)重要途徑［4］。方國平采用賽絡(luò)集聚紡設(shè)計(jì)了不同配比的改性腈綸混紡紗線，當(dāng)與其他化纖混紡時(shí)，改性腈綸占比達(dá)20%時(shí)，才能達(dá)到FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；而與棉纖維混紡時(shí)，含量為15%即可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的吸濕發(fā)熱功能［5］。

有關(guān)吸濕發(fā)熱織物結(jié)構(gòu)的研究主要涉及針織面料，設(shè)計(jì)時(shí)往往采用多層結(jié)構(gòu)，通過不同層間的結(jié)構(gòu)配置形成吸濕發(fā)熱的單向?qū)裥Ч?］?；诖?，本研究開發(fā)了改性腈綸吸濕發(fā)熱機(jī)織物，通過織物層間配置設(shè)計(jì)，測試分析不同組織結(jié)構(gòu)對織物熱濕舒適性能及調(diào)溫功能的影響，并進(jìn)一步探究織物速干性能與其吸濕發(fā)熱功能性間的關(guān)系，為開發(fā)兼具吸濕發(fā)熱和速干功能的保暖舒適機(jī)織物提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

試驗(yàn)材料：改性腈綸、棉纖維、粘膠纖維、異形滌綸。

儀器：傅里葉紅外分析儀（Perkin Elmer公司）、DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡（上海電子光學(xué)技術(shù)研究所）、YG747型通風(fēng)式快速八籃烘箱（常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司）、LLY-06 EDC型電子單纖維強(qiáng)力儀（萊州市電子儀器有限公司）、XD-1型振動(dòng)式纖維細(xì)度儀（上海新纖儀器有限公司）、FA2004A型電子天平（上海恒平科學(xué)儀器有限公司）、YG606E型織物熱阻測試儀（溫州方圓儀器有限公司）、YG461E型全自動(dòng)透氣儀（寧波紡織儀器廠）、FFZ191型水分蒸發(fā)速率檢測儀（溫州方圓儀器有限公司）。

1.2 測試方法

織物透氣性測試參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測試面積20 cm2，測試壓力100 Pa，每塊試樣測試10次，結(jié)果取平均值。

導(dǎo)熱性能的測試參照GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》，測得織物的熱阻。

吸濕發(fā)熱性能測試參照GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》，將組合試樣置于105℃烘箱中烘燥至恒重，冷卻后快速轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱中進(jìn)行測試。測試條件為溫度20℃，相對濕度90%，測試過程中用溫度傳感器記錄30 min內(nèi)每隔10 s試樣的溫度以及空白對照溫度。根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制織物的溫升值-時(shí)間曲線并記錄最高溫升值和平均溫升值。

芯吸高度測試參照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，測量30 min時(shí)織物的芯吸高度，試樣280 mm×30 mm，每塊織物分別測試沿經(jīng)向和緯向的試樣各3塊，結(jié)果取平均值。并根據(jù)GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》，測試織物浸水面和滲透面的液態(tài)水?dāng)U散速度、吸水速率以及最大浸濕半徑等參數(shù)［7］。

2 改性腈綸性能特點(diǎn)

2.1 纖維表觀形態(tài)

圖1為改性腈綸的掃描電鏡。

圖1 改性腈綸掃描電鏡

由圖1可以看出，改性腈綸橫截面形狀為近似圓形或橢圓形，界面輪廓呈不規(guī)則鋸齒或波浪狀。由于濕法紡絲凝固浴的作用，改性腈綸有明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，改性腈綸皮層與芯層形貌有一定差異性，表現(xiàn)為部分纖維芯層存在孔洞和輕微的皮、芯層分離現(xiàn)象。改性腈綸表面結(jié)構(gòu)粗糙呈樹皮狀，表面沿縱向布滿了高低起伏的狹長溝槽。這種表面結(jié)構(gòu)一方面增加了纖維比表面積，為水分的吸附提供了更多結(jié)合位點(diǎn)；另一方面，溝槽有利于形成纖維的導(dǎo)濕通道，從而提高纖維的芯吸性能。

2.2 纖維分子結(jié)構(gòu)

圖2為改性腈綸和棉纖維的紅外光譜。

圖2 改性腈綸和棉纖維的紅外光譜

圖2中，棉纖維在2 899 cm-1的位置為亞甲基C—H的不對稱伸縮振動(dòng)峰，1 026 cm-1處表現(xiàn)為多糖類纖維素的C—O伸縮振動(dòng)峰，558 cm-1處為C—H面外彎曲振動(dòng)峰。在存在親水基團(tuán)的位置中，兩種纖維的紅外光譜在3 332 cm-1處和2 899 cm-1有著相似的形狀，3 332 cm-1處峰形較寬，屬于羥基—OH或—NH的伸縮振動(dòng)吸收峰。改性腈綸在1 546 cm-1和1 399 cm-1的位置分別對應(yīng)了—COO—的非對稱和對稱伸縮振動(dòng)峰，證實(shí)了羧酸基團(tuán)的存在。從紅外光譜可以看出，改性腈綸中含有比棉纖維更多的親水官能團(tuán)。

2.3 纖維基本性能測試

改性腈綸與棉纖維的基本性能測試結(jié)果如下。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，改性腈綸較棉纖維粗，強(qiáng)度也較小，結(jié)合纖維的掃描電鏡分析，強(qiáng)度較小可能是由于皮芯結(jié)構(gòu)中纖維的缺陷造成的。較低的強(qiáng)力導(dǎo)致改性腈綸的可紡性較棉纖維差。所以，改性腈綸往往與其他纖維混紡使用。改性腈綸的斷裂伸長率比棉纖維大，纖維具有柔韌的特點(diǎn)。其最大的特點(diǎn)是回潮率高達(dá)33.2%，是棉纖維的近3倍。因此將改性腈綸與棉纖維混紡使用，可以提高纖維可紡性和織物的回潮率。

3 改性腈綸吸濕發(fā)熱保暖面料設(shè)計(jì)

考慮到織物的保暖性，各層的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)最大限度防止熱量的散失。蜂巢組織利用長短浮長線的間隔配置使織物表面產(chǎn)生凹凸不平、形似蜂巢的外觀效果，凸起部分能形成容納大量靜止空氣的通道。設(shè)計(jì)以蜂巢組織為基礎(chǔ)組織的多層織物結(jié)構(gòu)，相較于單層蜂巢組織，可減少織物內(nèi)部空氣的流動(dòng)，提高織物的保溫性能。本研究設(shè)計(jì)了6種保暖機(jī)織物，其中織物1和織物2為雙層組織，表層采用蜂巢組織，里層采用一上三下右斜紋；織物3為雙層組織，表里層均采用蜂巢組織；織物4為緯三重組織，表層八枚三飛經(jīng)面緞紋，中間層二上二下左斜紋，里層八枚三飛經(jīng)面緞紋；織物5為三層組織，表層采用蜂巢組織，中間層采用二上二下右斜紋，里層采用蜂巢組織；織物6為三層組織，表層采用蜂巢組織，中間層采用平紋，里層采用蜂巢組織。具體規(guī)格見表1和圖3。

表1 織物基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 織物組織

為了使改性腈綸較大程度吸收水分而不直接與皮膚接觸造成濕冷感，根據(jù)差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)理論，使用不同組分和線密度的紗線設(shè)計(jì)出多層織物結(jié)構(gòu)，以形成內(nèi)外毛細(xì)壓力差。由此，面料里層采用導(dǎo)濕性能優(yōu)良的紗線形成導(dǎo)濕層，可以快速將水分導(dǎo)出。采用表面帶溝槽的異形截面滌綸長絲為織物里層和經(jīng)向用紗，充分發(fā)揮其導(dǎo)濕透氣的功能。對于雙層織物而言，織物表層為吸濕發(fā)熱功能層。三層織物的結(jié)構(gòu)功能示意見圖4，由于增加了吸濕儲(chǔ)濕中間層，可以延長表層吸濕發(fā)熱的過程。粘膠纖維的回潮率一般為13%，在常見纖維中吸濕性較強(qiáng)。本研究在三層織物中以粘膠9.8 tex紗作為中間層，其吸濕性能處于里層和表層之間，中間層采用較表層和里層紗更細(xì)的紗，在里層水分向外傳遞時(shí)，其較強(qiáng)的毛細(xì)壓力作用使水分不會(huì)迅速擴(kuò)散到表層，即起到儲(chǔ)水的作用。在具體紗線配置上，雙層織物經(jīng)紗為滌綸14.8 tex長絲，緯紗表層為棉/改性腈綸85/15 14.8 tex紗，里層為滌綸14.8 tex長絲；三層織物經(jīng)紗為滌綸14.8 tex長絲，緯紗表層為棉/改性腈綸85/15 14.8 tex紗，中間層為粘膠9.8 tex紗，里層為滌綸14.8 tex長絲。

圖4 三層織物結(jié)構(gòu)功能示意圖

4 織物性能測試與分析

4.1 織物保暖性能

由于不同結(jié)構(gòu)織物的靜止空氣狀態(tài)不同，以及不同織物材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異，所以影響保暖性的因素較多，保暖性的評價(jià)主要測試織物的透氣性以及導(dǎo)熱性能。織物1～織物6的透氣率依次為991.26 mm/s、376.94 mm/s、632.46 mm/s、141.74 mm/s、1 125.12 mm/s、1 039.65 mm/s。由此可知，織物4的透氣性最差，這是因?yàn)榫暼亟M織1個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)紗同時(shí)與3個(gè)系統(tǒng)的緯紗交織，不同系統(tǒng)的緯紗交疊形成緊密的結(jié)構(gòu)，氣流通過的阻力較大。其余5塊織物中均包含了蜂巢組織結(jié)構(gòu)。雙層織物中，織物1的透氣率最優(yōu)，織物3其次，織物2最差，織物1的緊度最小，結(jié)構(gòu)較為松散，透氣性能良好。同樣，織物3里層為蜂巢組織，其結(jié)構(gòu)較織物2里層為一上三下右斜紋的織物更加松散，因而織物透氣性較好。織物5和織物6三層織物結(jié)構(gòu)決定了在相同密度下，其紗線分布于不同平面，導(dǎo)致同一平面所含紗線量不及雙層織物。另外，三層立體結(jié)構(gòu)能形成更多的孔隙通道，有利于氣流通過，所以織物5和織物6透氣性均較好。而且與織物6中間層為平紋相比，織物5中間層采用二上二下右斜紋時(shí)的織物透氣性更優(yōu)。

織物的熱阻測試結(jié)果見表2。

表2 織物熱阻

由表2可知，除了織物4，三層織物的熱阻均大于雙層織物?？椢?盡管具有與其他兩種組織結(jié)構(gòu)相近的單位面積質(zhì)量，但由于織造時(shí)要使三組緯紗相互重疊，織物結(jié)構(gòu)緊密，厚度較小，所以熱阻小。對比織物1、織物2可知，織物2經(jīng)密和緯密較大，單位面積質(zhì)量和厚度也較大，使織物中空氣通過的阻力增大，從而擁有較大的織物熱阻。對比織物2、織物3可知，雙層織物中表里層均為蜂巢組織的織物保暖性更優(yōu)，這是因?yàn)殡p層蜂巢組織在組織點(diǎn)凸起處能形成更多空氣層?？椢?、織物5和織物6的單位面積質(zhì)量相差不大，但三層織物的厚度更大，且增加中間層接結(jié)組織后，織物受剪切力作用時(shí)不易產(chǎn)生變形，即空氣層的穩(wěn)定性更好，所以熱阻表現(xiàn)為織物5和織物6更大。同理，中間層為平紋組織的織物6結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，所以熱阻最大。

4.2 吸濕發(fā)熱性能

織物的溫升值隨時(shí)間的變化曲線以及平均溫升值和最高溫升值分別見圖5和表3。

由圖5和表3可知，織物1的平均溫升值和最高溫升值都是最低的，究其原因，織物吸濕發(fā)熱的效果主要是由所包含的吸濕發(fā)熱材料的含量決定的?？椢?的經(jīng)密和緯密小，織物所含改性腈綸少，其吸濕發(fā)熱性能最差。而對比其余5塊織物可知，織物結(jié)構(gòu)是影響吸濕發(fā)熱性能的另一個(gè)因素。其中，三層織物的最高溫升值普遍大于雙層織物。分析可得，三層織物中擁有更多儲(chǔ)存靜止空氣的空隙，使得放出的熱量不易散失?？椢?的最高溫升值較高，平均溫升值是6種織物中最大的，可以認(rèn)為其吸濕發(fā)熱量較大，發(fā)熱功能較持久，具有較優(yōu)的吸濕發(fā)熱性能。

圖5 織物的溫升值-時(shí)間曲線

表3 織物的平均溫升值和最高溫升值

以上研究表明，通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在一定程度上改善吸濕發(fā)熱面料的發(fā)熱性能。但參考FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》中對針織物平均溫升值不小于3℃的要求，6塊織物的平均溫升值均未達(dá)到，僅織物4和織物5滿足其中對最高溫升值不小于4℃的要求。綜上，三層織物更有利于最高溫升值和平均溫升值的提高，但在相同織物密度的情況下，三層織物功能層所含改性腈綸含量較雙層織物有所下降，此時(shí)可以通過增加織物密度或混紡紗中改性腈綸的配比來進(jìn)一步增強(qiáng)吸濕發(fā)熱效果。

4.3 織物芯吸和液態(tài)水分管理性能

經(jīng)測試，織物1～織物6的經(jīng)向芯吸高度分別為12.15 cm、13.00 cm、11.85 cm、13.85 cm、12.20 cm、12.20 cm，緯向芯吸高度分別為12.40 cm、13.05 cm、12.95 cm、13.85 cm、11.15 cm、11.85 cm。由此可知，三層織物中除了緯三重組織，緯向芯吸高度均較雙層織物小，是因?yàn)殡p層織物緯紗中的改性腈綸相對更多，而改性腈綸含有更多的親水基團(tuán)。6種織物中，緯三重織物芯吸性能最好，這是因?yàn)槠浼喚€間排列更緊密，從而纖維間形成的毛細(xì)管間隙較小，芯吸壓力較大，芯吸作用較強(qiáng)，而且緯三重織物經(jīng)緯向芯吸高度基本一致?？椢?和織物6的經(jīng)向芯吸高度高于緯向芯吸高度，是因?yàn)榭椢锏慕?jīng)密均大于緯密，即單位長度里所含經(jīng)紗根數(shù)比緯紗多，能夠形成更多的毛細(xì)管，所以經(jīng)向芯吸高度更大。同理，織物2相對于織物1增加了經(jīng)緯紗根數(shù)，因而芯吸高度優(yōu)于織物1。織物1中經(jīng)向芯吸效應(yīng)不及緯向，這是因?yàn)槔飳硬捎昧艘簧先掠倚奔y組織，造成經(jīng)緯向?qū)?yīng)的組織點(diǎn)分布不同，當(dāng)經(jīng)緯密增加后，這種差異會(huì)減小。

不同織物的液態(tài)水分管理性能根據(jù)GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》進(jìn)行評級，見圖6。具體的液態(tài)水分管理測試結(jié)果見表4，浸水面測試的是織物組織結(jié)構(gòu)的里層，滲透面測試的是織物組織結(jié)構(gòu)的表層。

圖6 織物液態(tài)水分管理性能評級

由表4和圖6可知，除織物4外，其他5種織物的液態(tài)水單向傳遞能力達(dá)到了5級，表明這5種織物均具有優(yōu)良的單向?qū)裥浴？椢?的單向?qū)衲芰ψ畈?，浸水面浸濕時(shí)間最短，浸水面吸水速率、最大浸濕半徑和液態(tài)水?dāng)U散速度均最高?？椢?液態(tài)水分管理性能指標(biāo)均達(dá)到3級及以上，表明其同時(shí)具有吸濕速干性和吸濕排汗性，也進(jìn)一步說明在吸濕發(fā)熱性能測試結(jié)果中，該織物最高溫升值較高，但持續(xù)升溫的時(shí)間較短的內(nèi)在原因。

表4 織物液態(tài)水分管理性能測試結(jié)果

從表4可知，織物2與織物1的主要差異體現(xiàn)在浸濕時(shí)間上，因?yàn)榭椢?的密度較小，紗線排列疏松，織物最薄，導(dǎo)致其浸水面浸濕過程較快。織物3表層和里層均采用蜂巢組織，織物中間形成的空隙有利于水分存儲(chǔ)而不利于水分通過，因而出現(xiàn)較大的浸水面浸濕時(shí)間和較小的液態(tài)水?dāng)U散速度，其浸水面最大浸濕半徑也較小?？椢?和織物6的最大浸濕半徑呈現(xiàn)出與織物3相同的規(guī)律，但相較而言，采用了三層組織，增加了垂直于織物平面的連接紗，織物導(dǎo)濕性能有所提高。尤其是織物5，在3種織物中浸濕時(shí)間最短，浸水面浸濕半徑、吸水速率和液態(tài)水?dāng)U散速度最大。綜上，在所設(shè)計(jì)的吸濕發(fā)熱機(jī)織物中，織物5最高升溫值最優(yōu)的原因在于其優(yōu)異的吸濕性能，吸濕發(fā)熱持續(xù)時(shí)間更長的原因在于較大的浸水面浸濕半徑以及較大的液態(tài)水?dāng)U散速度。

5 結(jié)論

本研究基于改性腈綸吸濕發(fā)熱纖維的特性，開發(fā)不同織物結(jié)構(gòu)的吸濕發(fā)熱機(jī)織物，通過熱濕舒適性相關(guān)性能測試與分析，發(fā)現(xiàn)提高織物功能不僅要從纖維功能性的角度考慮，利用科學(xué)的層間紗線配置，形成導(dǎo)濕-儲(chǔ)濕-吸濕發(fā)熱的梯度搭配，還要從織物自身的保暖性能設(shè)計(jì)出發(fā)。選擇的三層蜂巢組織一定程度上提升了織物的保暖性，且具有透氣性好、單向?qū)裥阅軆?yōu)異的特點(diǎn)，其中，中間層為二上二下右斜紋的吸濕發(fā)熱機(jī)織物綜合性能更優(yōu)。參照現(xiàn)有關(guān)吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣的吸濕發(fā)熱標(biāo)準(zhǔn)來看，所得織物的平均吸濕發(fā)熱性能低于規(guī)定值。一方面，應(yīng)根據(jù)機(jī)織物的使用需求制定適用于吸濕發(fā)熱機(jī)織物的測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，在織物設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增加功能層紗線密度或混紡紗中改性腈綸的含量來進(jìn)一步提升其功能性。