Janus織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其單向?qū)裥阅?/h1>
2024-07-08 00:00:00單明景安春耕
天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2024年2期 關(guān)鍵詞：織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 " "要： 針對(duì)傳統(tǒng)單向?qū)馢anus織物制備方法生產(chǎn)效率低、穩(wěn)定性差等問題，利用存在潤(rùn)濕性差異的莫代爾和滌綸2種纖維構(gòu)建Janus織物，探究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量、織物組織等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊懸?guī)律。結(jié)果表明：莫代爾纖維和滌綸纖維通過機(jī)織法可以制備Janus織物；隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物的單向?qū)裥阅芙档停黄郊y組織的單向?qū)裥Ч麅?yōu)于2/2緯重平、2/2斜紋組織；接結(jié)點(diǎn)數(shù)量為1，兩側(cè)均為平紋組織時(shí)Janus織物的單向傳遞指數(shù)可達(dá)382.72，單向?qū)裥阅芟鄬?duì)最優(yōu)。
關(guān)鍵詞： Janus織物；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；單向?qū)瘢唤咏Y(jié)點(diǎn)數(shù)量；織物組織
中圖分類號(hào)： TS105.11 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號(hào)： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０2－００36－07
Structural design of Janus fabric and its unidirectional moisture conductivity
SHAN Mingjing， AN Chungeng
（School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）
Abstract： To solve the problems of low production efficiency and poor stability of preparation methods for traditional unidirectional moisture conductive Janus fabric， Janus fabric was constructed using modal and polyester fibers with differences in wettability. The influences of structural parameters such as number of junction points and fabric weave on the basic and unidirectional moisture conductive properties of Janus fabrics were investigated. The results showed that Janus fabrics could be made of modal and polyester fibers by weaving. Unidirectional moisture conductivity of fabric got worse with the increase of the number of junction points. Unidirectional moisture conductivity of plain fabric was better than those of 2/2 weft-backed plain and 2/2 twills fabric. When the number of junction points is 1 and both sides are plain weave， unidirectional transfer index of Janus fabric has reached 382.72， and unidirectional moisture conductivity is relatively optimal.
Key words： Janus fabrics； structural design； unidirectional moisture conductivity； number of junction points； fabric weave
自然界中存在很多有趣的單向?qū)瘳F(xiàn)象。蜘蛛絲由周期性出現(xiàn)的紡錘節(jié)和關(guān)節(jié)構(gòu)成，紡錘節(jié)由雜亂的納米纖維組成，而關(guān)節(jié)則是由整齊排列的納米纖維組成。潮濕環(huán)境中，水滴在紡錘節(jié)處凝結(jié)，然后微小的水滴向關(guān)節(jié)方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水分的定向傳輸[1]。仙人掌[2]、蝴蝶翅膀[3]這種兩側(cè)具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[4-6]和屬性的二維材料可稱為Janus材料[7-10]。受這些自然現(xiàn)象的啟發(fā)，將具有親水/疏水不對(duì)稱性的多孔Janus結(jié)構(gòu)用于織物設(shè)計(jì)，可開發(fā)單向?qū)窨椢颷11-14]。Janus織物實(shí)現(xiàn)單向?qū)竦暮诵臋C(jī)理是通過兩側(cè)潤(rùn)濕性差異形成附加壓力差[15-17]，水分在疏水層時(shí)，可以沿厚度方向的毛細(xì)管滲透到親水層；而水分在親水層時(shí)，會(huì)沿水平方向的毛細(xì)管擴(kuò)散，不會(huì)滲透到疏水層，從而實(shí)現(xiàn)織物的單向?qū)瘛?/p>
現(xiàn)有的幾種制備Janus單向?qū)窨椢锏牟呗?，其核心都是?gòu)建親水/疏水結(jié)構(gòu)。Wang等[18]和Zeng等[19]通過靜電噴涂法在親水棉織物上噴涂疏水涂層。Tian等[20]利用等離子體對(duì)疏水織物的一側(cè)進(jìn)行親水改性處理。Wang等[21]利用浸漬涂布技術(shù)將光響應(yīng)材料TiO2涂覆于滌綸織物表面，再對(duì)該側(cè)進(jìn)行紫外線照射，使該側(cè)具備超親水特性。但這些方法普遍存在生產(chǎn)效率低、操作繁瑣、穩(wěn)定性差等問題，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
本文利用莫代爾纖維和滌綸纖維的潤(rùn)濕性差異構(gòu)建具有單向?qū)窆δ艿腏anus織物，在此基礎(chǔ)上，研究織物結(jié)構(gòu)對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊懸?guī)律，以期為高效、穩(wěn)定地制備單向?qū)馢anus織物提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器
原料：滌綸單紗、莫代爾單紗，線密度均為15 tex，山東華紡股份有限公司產(chǎn)品。
儀器： DSTW-01型并捻聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)，天津市嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備公司產(chǎn)品；SGA598型全自動(dòng)劍桿織機(jī)，江陰市通源紡機(jī)有限公司產(chǎn)品；JA5003A型電子天平，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；DL-101-1BS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司產(chǎn)品；YG（B）141D型數(shù)字式織物厚度儀，溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠產(chǎn)品；YG461G型全自動(dòng)透氣儀，寧波紡織儀器廠產(chǎn)品；Porolux 1000型孔徑分析儀，比利時(shí)普羅美特有限公司產(chǎn)品；DSA30S型接觸角分析儀，德國(guó)Kruss公司產(chǎn)品；M290型液態(tài)水分測(cè)試儀，美國(guó)SDL Atlas公司產(chǎn)品。
1.2 Janus織物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
Janus織物單向?qū)駲C(jī)理如圖1 所示。
Janus潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在潤(rùn)濕性差異，即一側(cè)疏水，另一側(cè)親水。因此，在幾種雙層組織中選擇接結(jié)雙層組織，表經(jīng)和表緯選擇疏水性滌綸纖維，里經(jīng)和里緯選擇親水性莫代爾纖維。并且選擇“上接下”接結(jié)法進(jìn)行織造。
實(shí)驗(yàn)分為兩組，分別研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量和織物組織對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊?。選用15 tex滌綸單紗和15 tex莫代爾單紗，通過并捻聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)并線加捻，捻向?yàn)镾捻，捻度為50 捻/（10 ㎝），制成滌綸15 tex × 2股線和莫代爾15 tex × 2股線。表經(jīng)和表緯選擇15 tex×2滌綸股線，里經(jīng)和里緯選擇15 tex × 2莫代爾股線；經(jīng)紗密度為600 根/（10 ㎝），緯紗密度為240 根/（10 ㎝），表里經(jīng)緯紗排列比為1 ∶ 1；公制筘號(hào)150，每筘4入。本文所制備的5組織物其規(guī)格設(shè)計(jì)如表1所示。
表1中M1、M2、M3試樣用于研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響，在本文中表經(jīng)下降和里緯交織構(gòu)成接結(jié)點(diǎn)，接結(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)在親水面上，其數(shù)量會(huì)影響織物兩側(cè)的潤(rùn)濕性差異，以此來研究?jī)蓚?cè)潤(rùn)濕性差異大小對(duì)單向?qū)裥阅艿挠绊?；M1、M4、M5試樣用于研究織物組織結(jié)構(gòu)的影響，不同織物組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成的孔隙大小不同，以此來研究在接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的條件下，不同毛細(xì)管半徑對(duì)織物單向?qū)裥阅艿挠绊憽?/p>
1.3 測(cè)試與表征
（1） 織物平方米克重測(cè)試：依據(jù)GB/T4669—2008《紡織品 機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（2） 織物厚度測(cè)試：依據(jù)GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（3） 織物透氣率測(cè)試：依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（4） 水分的蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率測(cè)試：依據(jù)GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定》進(jìn)行測(cè)試。織物在潤(rùn)濕后某一時(shí)刻的水分蒸發(fā)率是指到這一時(shí)刻為止水分蒸發(fā)量占織物未潤(rùn)濕之前原始質(zhì)量的百分比：
Ei = （m - mi）/m0 × 100%（1）
式中：Ei 為在i時(shí)刻織物的水分蒸發(fā)率（%）；m0為織物未潤(rùn)濕之前的原始質(zhì)量（g）；m為織物被滴水潤(rùn)濕后的質(zhì)量（g）；mi為織物被潤(rùn)濕后在i時(shí)刻的質(zhì)量（g）；m - mi為織物在i時(shí)刻的水分蒸發(fā)量（g）。在蒸發(fā)量 - 時(shí)間變化曲線中，蒸發(fā)量通常會(huì)在某點(diǎn)后變化趨緩，在該點(diǎn)之前的曲線上最接近直線的部分做切線，該切線的斜率即為水分蒸發(fā)速率。
（5） 織物平均孔徑測(cè)試：采用Porolux 1000型孔徑分析儀，根據(jù)泡點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試。
（6） 接觸角測(cè)試：采用DSA30S型接觸角分析儀對(duì)雙層織物的滌綸面和莫代爾面的水接觸角進(jìn)行測(cè)試。
（7） 織物單向?qū)裥阅軠y(cè)試：采用M290型液態(tài)水分測(cè)試儀，依據(jù)《GB/T 21655.2—2019紡織品吸濕速干性的評(píng)定第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》進(jìn)行測(cè)試。單向傳遞指數(shù)指的是水分從上表面?zhèn)鬟f到下表面的能力，計(jì)算公式為：
2 結(jié)果與討論
2.1 織物平方米克重與厚度
不同織物的平方米克重和厚度如圖2所示。
由圖2（a）可知，由M1、M2到M3，同一組織條件下隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，織物平方米克重在增大。本文選擇的是“上接下”接結(jié)法，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，表經(jīng)下降和里緯交織頻繁，紗線曲屈波高，因此，織物平方米克重增大。接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的M1、M4和M5平方米克重依次減小，是因?yàn)槿咧锌椢锝M織依次是平紋、2/2緯重平、2/2斜紋，浮長(zhǎng)線長(zhǎng)度依次增長(zhǎng)，紗線屈曲程度減小，因此，織物單位面積內(nèi)質(zhì)量相應(yīng)減小。由圖2（b）可以看出，M1、M2和M3厚度依次減小，說明隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，織物上下兩層交互緊密，織物厚度減小。M1、M4和M5厚度依次增大，這是由于緯重平織物表面會(huì)呈現(xiàn)縱凸條紋，斜紋織物表面會(huì)呈現(xiàn)斜向凸條紋，表面凸條紋增加了緯重平織物和斜紋織物的厚度。
2.2 織物平均孔徑
不同織物的孔徑如圖3所示。
由圖3可以看出，M1、M2和M3平均孔徑依次減小，說明隨著接結(jié)點(diǎn)增加，織物上下兩層交互更頻繁，使織物變得更加緊密，平均孔徑相應(yīng)減小。M1、M4和M5平均孔徑依次增大，說明在紗線捻度、線密度、經(jīng)緯紗密度相同的條件下，平紋組織、2/2緯重平組織、2/2斜紋組織形成的孔隙依次增大，形成的織物逐漸疏松。
2.3 織物透氣率
不同織物的透氣率如圖4所示。
織物透氣性受經(jīng)緯紗線密度、紗線捻度、經(jīng)緯紗密度以及織物組織結(jié)構(gòu)等因素影響，即取決于紗線之間、纖維之間形成的孔隙數(shù)量和大小。本文5組織物的紗線捻度、線密度以及經(jīng)緯紗密度相同，因此，織物透氣性產(chǎn)生差異的原因在于織物結(jié)構(gòu)的不同。由圖4可以看出，M1、M2和M3透氣率依次降低，說明隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，表經(jīng)頻繁下降與里緯交織，一定程度上降低了空氣的流通能力。M1、M4和M5透氣率依次增加，結(jié)合圖3可知，平紋組織、2/2緯重平以及2/2斜紋組織形成的平均孔隙依次增大，經(jīng)緯紗交織次數(shù)越少，平均孔隙越大，織物越疏松，對(duì)空氣阻礙程度越小，織物透氣性越好。
2.4 織物水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率
不同織物的水分蒸發(fā)性能如圖5和表2所示。
單向?qū)窨椢锼终舭l(fā)速率越高，意味著沿厚度方向傳遞的水分蒸發(fā)到大氣中的速度越快，有利于提高織物的單向輸水效果。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，機(jī)織速干織物的水分蒸發(fā)速率至少要達(dá)到0.18 g/h。由圖5可以看出：在10 min之前，M1、M2和M3蒸發(fā)量基本相同，M4和M5蒸發(fā)量相差不大，但兩者蒸發(fā)量均高于M1、M2和M3，10 min之后5組織物蒸發(fā)量出現(xiàn)明顯的差異，M5 ＞ M4 ＞ M1 ＞ M2 ＞ M3，到40 min時(shí)曲線趨于水平。由表2可知，5組織物均達(dá)到了速干織物的國(guó)標(biāo)要求。M1、M2和M3的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率依次降低，織物速干性變差；而M1、M4和M5的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率依次增大。M4和M5的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率比較高的原因主要有3點(diǎn)：①2/2緯重平和2/2斜紋浮長(zhǎng)線較長(zhǎng)，水分容易水平擴(kuò)散；②M4和M5表面均有凸條紋，增大了水分與空氣的接觸面積；③二者內(nèi)部疏松，孔隙較大，在空氣可以流通的通道中，增大了水分與空氣的接觸面積。因此，與M1、M2和M3相比，M4和M5 蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率好，速干性更好，有利于長(zhǎng)時(shí)間保持單向?qū)裥Ч?/p>
2.5 織物表面水接觸角
2.5.1 靜態(tài)水接觸角
圖6分別展示了M1—M5織物滌綸層和莫代爾層的靜態(tài)水接觸角。
由圖6可以看出，滌綸層的水接觸角均大于90°，小于150°，說明該層表現(xiàn)疏水性。莫代爾層水接觸角均小于5°，說明該層均表現(xiàn)超親水性。5組織物一面疏水，一面超親水，形成了Janus潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)，由此說明，本文成功制備了5組Janus織物。
2.5.2 動(dòng)態(tài)水接觸角變化
5組織物的莫代爾層靜態(tài)水接觸角約為0°，無法分析動(dòng)態(tài)水接觸角，因此，僅分析滌綸層的動(dòng)態(tài)水接觸角。本文將液滴從0 s到水接觸角變?yōu)?°的時(shí)間統(tǒng)稱為水接觸角保持時(shí)間。圖7分別展示了5組Janus織物表層水接觸角隨時(shí)間變化的曲線和表觀圖像。
由圖7可以看出，M1、M2、M3的接觸角保持時(shí)間遠(yuǎn)小于M4、M5，因?yàn)榕c2/2緯重平和2/2斜紋相比，平紋組織緊密，形成的孔隙最小，在一定范圍內(nèi)毛細(xì)管力隨著毛細(xì)管半徑的減小而增大，因此，M1、M2、M3產(chǎn)生的毛細(xì)管力大于M4、M5，液滴在較大的毛細(xì)管力作用下迅速打破平衡狀態(tài)，沿著水平和垂直于厚度方向的毛細(xì)管傳遞到織物各處。從M1、M2、M3的接觸角—時(shí)間變化曲線可知，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，接觸角保持時(shí)間變短，曲線斜率增大，接觸角變化速率加快。這是由于隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物表里層交互增加，潤(rùn)濕性差異減小，導(dǎo)致了接觸角保持時(shí)間變短，變化速率加快。
2.6 織物單向?qū)裥阅?/p>
2.6.1 含水量變化
圖8為分別在滌綸側(cè)和莫代爾側(cè)噴水時(shí)織物的最終含水量情況。
由圖8最終狀態(tài)下含水量環(huán)形圖可以看出：5組Janus織物從滌綸側(cè)噴水時(shí)，莫代爾面的含水量均大于上滌綸面，從莫代爾側(cè)噴水時(shí)則莫代爾面含水量均大于滌綸面，說明水分更傾向于從潤(rùn)濕性差的滌綸面向潤(rùn)濕性好的莫代爾面?zhèn)鬟f，而在相反方向上水分的傳遞會(huì)受到一定的阻礙，表現(xiàn)出水分傳輸?shù)膯蜗蛐浴?/p>
為了研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量和織物組織對(duì)Janus織物含水量-時(shí)間變化的影響，本文將M1、M2、M3試樣組和M1、M4、M5試樣組的含水量-時(shí)間變化曲線分別進(jìn)行比較，如圖9所示。
由圖9可以看出，均為平紋組織的3種織物M1、M2、M3中，M1織物在不同方向的水分傳輸過程中的上下表面含水量差值均為最大，M2次之，M3最小，說明M1的單向輸水性能優(yōu)于M2、M3，M1的滌綸面更容易將水分滲透到莫代爾面，而在反方向上能讓水分更好地在莫代爾面擴(kuò)散，阻礙其滲透到滌綸面。由此說明，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，雖然增加了水分的傳輸通道，但是降低了織物上下兩層的潤(rùn)濕性差異，導(dǎo)致織物單向輸水性能變差。比較接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同而織物組織不同的M1、M4、M5，在水分從滌綸面向莫代爾面?zhèn)鬏斶^程中，M1織物的上下表面含水量差異略大于M4，M5最小。這是由于在一定范圍內(nèi)毛細(xì)管力隨著毛細(xì)管半徑的減小而增大，3種織物中平紋織物M1結(jié)構(gòu)最緊密，2/2緯重平織物M4次之，2/2斜紋織物M5結(jié)構(gòu)最疏松，因此，M1毛細(xì)管力最大，更容易將水分從滌綸面?zhèn)鬟f到莫代爾面。而在水分從莫代爾面向滌綸面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中， 20 s之后，M1上、下表面的含水量在三者中最高，含水量差值M5最大，M4次之，M1最小。這是由于織物上下兩面織物組織相同，織物兩表面形成的毛細(xì)管半徑大小一致。在水分反方向傳輸時(shí)，M1的毛細(xì)管力依然是三者中最大的，液滴在莫代爾面擴(kuò)散的同時(shí)，還要受到毛細(xì)管力的作用向滌綸面?zhèn)鬟f，因此，M1兩表面的含水量均最高，說明平紋組織由于兩側(cè)毛細(xì)管半徑小，提高了水分的雙向傳輸能力。M5由于毛細(xì)管半徑大，產(chǎn)生的毛細(xì)管力小，對(duì)液滴向滌綸面?zhèn)鬟f的作用力不足，水分可以在莫代爾面更好地?cái)U(kuò)散。
2.6.2 單向傳遞指數(shù)
不同織物的單向傳遞指數(shù)如圖10所示。
由圖10可以看出，5組織物滌綸側(cè)單向傳遞指數(shù)均為正值，說明液態(tài)水可以輕松地從滌綸側(cè)傳遞到莫代爾側(cè)；莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)均為負(fù)值，說明液態(tài)水由莫代爾側(cè)向滌綸側(cè)的傳遞受到阻礙，在莫代爾側(cè)進(jìn)行水平擴(kuò)散。由此說明，本文所制備的5組織物均具有單向?qū)衲芰?。M1、M2和M3滌綸側(cè)的單向傳遞指數(shù)依次降低，而莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)則依次增大。這是由于隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物兩側(cè)交互增加，潤(rùn)濕性差異減小，織物單向?qū)衲芰ο陆怠1、M4和M5兩側(cè)的單向傳遞指數(shù)均依次降低，因?yàn)槿叻謩e是平紋組織、2/2緯重平組織、2/2斜紋組織，所形成的孔隙增大，毛細(xì)管力減小，液態(tài)水向下層滲透的速率降低，單向?qū)裥阅芙档汀?/p>
在滌綸側(cè)，M1、M2、M4和M5的單向傳遞指數(shù)均大于300，達(dá)到了單向?qū)窨椢飮?guó)標(biāo)中的最高標(biāo)準(zhǔn)，M3的單向傳遞指數(shù)滿足國(guó)標(biāo)基本要求。為了提升Janus織物單向?qū)裥阅?，滌綸側(cè)的單向傳遞指數(shù)應(yīng)大，莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)應(yīng)小，因此，接結(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜為4。
3 結(jié) 論
為探索機(jī)織方法構(gòu)建單向?qū)馢anus織物的可行性，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單向?qū)裥阅艿挠绊懀疚睦脺炀]雙股線和莫代爾雙股線織造了雙層織物，設(shè)計(jì)了5組樣品，測(cè)試了織物的基礎(chǔ)性能、靜態(tài)水接觸角、動(dòng)態(tài)水接觸角、單向傳遞指數(shù)等指標(biāo)，結(jié)果表明：
（1） 5組織物兩側(cè)具有明顯的潤(rùn)濕性差異，均為Janus織物。
（2） 隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Janus織物上下層交織更加頻繁，兩側(cè)潤(rùn)濕性差異減小，織物單向?qū)裥阅芙档停椢锼俑尚宰儾?，不利于較長(zhǎng)時(shí)間的單向?qū)襁^程。當(dāng)接結(jié)點(diǎn)數(shù)量為1時(shí)，單向?qū)裰笖?shù)可達(dá)382.72，單向?qū)裥阅茏詈谩?/p>
（3） 平紋、2/2緯重平、2/2斜紋織物紗線交織的次數(shù)依次減小，形成的孔隙依次增大，毛細(xì)管力依次減小，單向?qū)裥Ч档?，但都高于?guó)標(biāo)五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
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本文引文格式：
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摘 " "要： 針對(duì)傳統(tǒng)單向?qū)馢anus織物制備方法生產(chǎn)效率低、穩(wěn)定性差等問題，利用存在潤(rùn)濕性差異的莫代爾和滌綸2種纖維構(gòu)建Janus織物，探究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量、織物組織等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊懸?guī)律。結(jié)果表明：莫代爾纖維和滌綸纖維通過機(jī)織法可以制備Janus織物；隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物的單向?qū)裥阅芙档停黄郊y組織的單向?qū)裥Ч麅?yōu)于2/2緯重平、2/2斜紋組織；接結(jié)點(diǎn)數(shù)量為1，兩側(cè)均為平紋組織時(shí)Janus織物的單向傳遞指數(shù)可達(dá)382.72，單向?qū)裥阅芟鄬?duì)最優(yōu)。
關(guān)鍵詞： Janus織物；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；單向?qū)瘢唤咏Y(jié)點(diǎn)數(shù)量；織物組織
中圖分類號(hào)： TS105.11 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號(hào)： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０2－００36－07
Structural design of Janus fabric and its unidirectional moisture conductivity
SHAN Mingjing， AN Chungeng
（School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）
Abstract： To solve the problems of low production efficiency and poor stability of preparation methods for traditional unidirectional moisture conductive Janus fabric， Janus fabric was constructed using modal and polyester fibers with differences in wettability. The influences of structural parameters such as number of junction points and fabric weave on the basic and unidirectional moisture conductive properties of Janus fabrics were investigated. The results showed that Janus fabrics could be made of modal and polyester fibers by weaving. Unidirectional moisture conductivity of fabric got worse with the increase of the number of junction points. Unidirectional moisture conductivity of plain fabric was better than those of 2/2 weft-backed plain and 2/2 twills fabric. When the number of junction points is 1 and both sides are plain weave， unidirectional transfer index of Janus fabric has reached 382.72， and unidirectional moisture conductivity is relatively optimal.
Key words： Janus fabrics； structural design； unidirectional moisture conductivity； number of junction points； fabric weave
自然界中存在很多有趣的單向?qū)瘳F(xiàn)象。蜘蛛絲由周期性出現(xiàn)的紡錘節(jié)和關(guān)節(jié)構(gòu)成，紡錘節(jié)由雜亂的納米纖維組成，而關(guān)節(jié)則是由整齊排列的納米纖維組成。潮濕環(huán)境中，水滴在紡錘節(jié)處凝結(jié)，然后微小的水滴向關(guān)節(jié)方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水分的定向傳輸[1]。仙人掌[2]、蝴蝶翅膀[3]這種兩側(cè)具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[4-6]和屬性的二維材料可稱為Janus材料[7-10]。受這些自然現(xiàn)象的啟發(fā)，將具有親水/疏水不對(duì)稱性的多孔Janus結(jié)構(gòu)用于織物設(shè)計(jì)，可開發(fā)單向?qū)窨椢颷11-14]。Janus織物實(shí)現(xiàn)單向?qū)竦暮诵臋C(jī)理是通過兩側(cè)潤(rùn)濕性差異形成附加壓力差[15-17]，水分在疏水層時(shí)，可以沿厚度方向的毛細(xì)管滲透到親水層；而水分在親水層時(shí)，會(huì)沿水平方向的毛細(xì)管擴(kuò)散，不會(huì)滲透到疏水層，從而實(shí)現(xiàn)織物的單向?qū)瘛?/p>
現(xiàn)有的幾種制備Janus單向?qū)窨椢锏牟呗?，其核心都是?gòu)建親水/疏水結(jié)構(gòu)。Wang等[18]和Zeng等[19]通過靜電噴涂法在親水棉織物上噴涂疏水涂層。Tian等[20]利用等離子體對(duì)疏水織物的一側(cè)進(jìn)行親水改性處理。Wang等[21]利用浸漬涂布技術(shù)將光響應(yīng)材料TiO2涂覆于滌綸織物表面，再對(duì)該側(cè)進(jìn)行紫外線照射，使該側(cè)具備超親水特性。但這些方法普遍存在生產(chǎn)效率低、操作繁瑣、穩(wěn)定性差等問題，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
本文利用莫代爾纖維和滌綸纖維的潤(rùn)濕性差異構(gòu)建具有單向?qū)窆δ艿腏anus織物，在此基礎(chǔ)上，研究織物結(jié)構(gòu)對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊懸?guī)律，以期為高效、穩(wěn)定地制備單向?qū)馢anus織物提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器
原料：滌綸單紗、莫代爾單紗，線密度均為15 tex，山東華紡股份有限公司產(chǎn)品。
儀器： DSTW-01型并捻聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)，天津市嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備公司產(chǎn)品；SGA598型全自動(dòng)劍桿織機(jī)，江陰市通源紡機(jī)有限公司產(chǎn)品；JA5003A型電子天平，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；DL-101-1BS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司產(chǎn)品；YG（B）141D型數(shù)字式織物厚度儀，溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠產(chǎn)品；YG461G型全自動(dòng)透氣儀，寧波紡織儀器廠產(chǎn)品；Porolux 1000型孔徑分析儀，比利時(shí)普羅美特有限公司產(chǎn)品；DSA30S型接觸角分析儀，德國(guó)Kruss公司產(chǎn)品；M290型液態(tài)水分測(cè)試儀，美國(guó)SDL Atlas公司產(chǎn)品。
1.2 Janus織物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
Janus織物單向?qū)駲C(jī)理如圖1 所示。
Janus潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在潤(rùn)濕性差異，即一側(cè)疏水，另一側(cè)親水。因此，在幾種雙層組織中選擇接結(jié)雙層組織，表經(jīng)和表緯選擇疏水性滌綸纖維，里經(jīng)和里緯選擇親水性莫代爾纖維。并且選擇“上接下”接結(jié)法進(jìn)行織造。
實(shí)驗(yàn)分為兩組，分別研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量和織物組織對(duì)Janus織物基礎(chǔ)性能和單向?qū)裥阅艿挠绊?。選用15 tex滌綸單紗和15 tex莫代爾單紗，通過并捻聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)并線加捻，捻向?yàn)镾捻，捻度為50 捻/（10 ㎝），制成滌綸15 tex × 2股線和莫代爾15 tex × 2股線。表經(jīng)和表緯選擇15 tex×2滌綸股線，里經(jīng)和里緯選擇15 tex × 2莫代爾股線；經(jīng)紗密度為600 根/（10 ㎝），緯紗密度為240 根/（10 ㎝），表里經(jīng)緯紗排列比為1 ∶ 1；公制筘號(hào)150，每筘4入。本文所制備的5組織物其規(guī)格設(shè)計(jì)如表1所示。
表1中M1、M2、M3試樣用于研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響，在本文中表經(jīng)下降和里緯交織構(gòu)成接結(jié)點(diǎn)，接結(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)在親水面上，其數(shù)量會(huì)影響織物兩側(cè)的潤(rùn)濕性差異，以此來研究?jī)蓚?cè)潤(rùn)濕性差異大小對(duì)單向?qū)裥阅艿挠绊?；M1、M4、M5試樣用于研究織物組織結(jié)構(gòu)的影響，不同織物組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成的孔隙大小不同，以此來研究在接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的條件下，不同毛細(xì)管半徑對(duì)織物單向?qū)裥阅艿挠绊憽?/p>
1.3 測(cè)試與表征
（1） 織物平方米克重測(cè)試：依據(jù)GB/T4669—2008《紡織品 機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（2） 織物厚度測(cè)試：依據(jù)GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（3） 織物透氣率測(cè)試：依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
（4） 水分的蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率測(cè)試：依據(jù)GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定》進(jìn)行測(cè)試。織物在潤(rùn)濕后某一時(shí)刻的水分蒸發(fā)率是指到這一時(shí)刻為止水分蒸發(fā)量占織物未潤(rùn)濕之前原始質(zhì)量的百分比：
Ei = （m - mi）/m0 × 100%（1）
式中：Ei 為在i時(shí)刻織物的水分蒸發(fā)率（%）；m0為織物未潤(rùn)濕之前的原始質(zhì)量（g）；m為織物被滴水潤(rùn)濕后的質(zhì)量（g）；mi為織物被潤(rùn)濕后在i時(shí)刻的質(zhì)量（g）；m - mi為織物在i時(shí)刻的水分蒸發(fā)量（g）。在蒸發(fā)量 - 時(shí)間變化曲線中，蒸發(fā)量通常會(huì)在某點(diǎn)后變化趨緩，在該點(diǎn)之前的曲線上最接近直線的部分做切線，該切線的斜率即為水分蒸發(fā)速率。
（5） 織物平均孔徑測(cè)試：采用Porolux 1000型孔徑分析儀，根據(jù)泡點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試。
（6） 接觸角測(cè)試：采用DSA30S型接觸角分析儀對(duì)雙層織物的滌綸面和莫代爾面的水接觸角進(jìn)行測(cè)試。
（7） 織物單向?qū)裥阅軠y(cè)試：采用M290型液態(tài)水分測(cè)試儀，依據(jù)《GB/T 21655.2—2019紡織品吸濕速干性的評(píng)定第2部分：動(dòng)態(tài)水分傳遞法》進(jìn)行測(cè)試。單向傳遞指數(shù)指的是水分從上表面?zhèn)鬟f到下表面的能力，計(jì)算公式為：
2 結(jié)果與討論
2.1 織物平方米克重與厚度
不同織物的平方米克重和厚度如圖2所示。
由圖2（a）可知，由M1、M2到M3，同一組織條件下隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，織物平方米克重在增大。本文選擇的是“上接下”接結(jié)法，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，表經(jīng)下降和里緯交織頻繁，紗線曲屈波高，因此，織物平方米克重增大。接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的M1、M4和M5平方米克重依次減小，是因?yàn)槿咧锌椢锝M織依次是平紋、2/2緯重平、2/2斜紋，浮長(zhǎng)線長(zhǎng)度依次增長(zhǎng)，紗線屈曲程度減小，因此，織物單位面積內(nèi)質(zhì)量相應(yīng)減小。由圖2（b）可以看出，M1、M2和M3厚度依次減小，說明隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，織物上下兩層交互緊密，織物厚度減小。M1、M4和M5厚度依次增大，這是由于緯重平織物表面會(huì)呈現(xiàn)縱凸條紋，斜紋織物表面會(huì)呈現(xiàn)斜向凸條紋，表面凸條紋增加了緯重平織物和斜紋織物的厚度。
2.2 織物平均孔徑
不同織物的孔徑如圖3所示。
由圖3可以看出，M1、M2和M3平均孔徑依次減小，說明隨著接結(jié)點(diǎn)增加，織物上下兩層交互更頻繁，使織物變得更加緊密，平均孔徑相應(yīng)減小。M1、M4和M5平均孔徑依次增大，說明在紗線捻度、線密度、經(jīng)緯紗密度相同的條件下，平紋組織、2/2緯重平組織、2/2斜紋組織形成的孔隙依次增大，形成的織物逐漸疏松。
2.3 織物透氣率
不同織物的透氣率如圖4所示。
織物透氣性受經(jīng)緯紗線密度、紗線捻度、經(jīng)緯紗密度以及織物組織結(jié)構(gòu)等因素影響，即取決于紗線之間、纖維之間形成的孔隙數(shù)量和大小。本文5組織物的紗線捻度、線密度以及經(jīng)緯紗密度相同，因此，織物透氣性產(chǎn)生差異的原因在于織物結(jié)構(gòu)的不同。由圖4可以看出，M1、M2和M3透氣率依次降低，說明隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，表經(jīng)頻繁下降與里緯交織，一定程度上降低了空氣的流通能力。M1、M4和M5透氣率依次增加，結(jié)合圖3可知，平紋組織、2/2緯重平以及2/2斜紋組織形成的平均孔隙依次增大，經(jīng)緯紗交織次數(shù)越少，平均孔隙越大，織物越疏松，對(duì)空氣阻礙程度越小，織物透氣性越好。
2.4 織物水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率
不同織物的水分蒸發(fā)性能如圖5和表2所示。
單向?qū)窨椢锼终舭l(fā)速率越高，意味著沿厚度方向傳遞的水分蒸發(fā)到大氣中的速度越快，有利于提高織物的單向輸水效果。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，機(jī)織速干織物的水分蒸發(fā)速率至少要達(dá)到0.18 g/h。由圖5可以看出：在10 min之前，M1、M2和M3蒸發(fā)量基本相同，M4和M5蒸發(fā)量相差不大，但兩者蒸發(fā)量均高于M1、M2和M3，10 min之后5組織物蒸發(fā)量出現(xiàn)明顯的差異，M5 ＞ M4 ＞ M1 ＞ M2 ＞ M3，到40 min時(shí)曲線趨于水平。由表2可知，5組織物均達(dá)到了速干織物的國(guó)標(biāo)要求。M1、M2和M3的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率依次降低，織物速干性變差；而M1、M4和M5的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率依次增大。M4和M5的水分蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率比較高的原因主要有3點(diǎn)：①2/2緯重平和2/2斜紋浮長(zhǎng)線較長(zhǎng)，水分容易水平擴(kuò)散；②M4和M5表面均有凸條紋，增大了水分與空氣的接觸面積；③二者內(nèi)部疏松，孔隙較大，在空氣可以流通的通道中，增大了水分與空氣的接觸面積。因此，與M1、M2和M3相比，M4和M5 蒸發(fā)率和蒸發(fā)速率好，速干性更好，有利于長(zhǎng)時(shí)間保持單向?qū)裥Ч?/p>
2.5 織物表面水接觸角
2.5.1 靜態(tài)水接觸角
圖6分別展示了M1—M5織物滌綸層和莫代爾層的靜態(tài)水接觸角。
由圖6可以看出，滌綸層的水接觸角均大于90°，小于150°，說明該層表現(xiàn)疏水性。莫代爾層水接觸角均小于5°，說明該層均表現(xiàn)超親水性。5組織物一面疏水，一面超親水，形成了Janus潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)，由此說明，本文成功制備了5組Janus織物。
2.5.2 動(dòng)態(tài)水接觸角變化
5組織物的莫代爾層靜態(tài)水接觸角約為0°，無法分析動(dòng)態(tài)水接觸角，因此，僅分析滌綸層的動(dòng)態(tài)水接觸角。本文將液滴從0 s到水接觸角變?yōu)?°的時(shí)間統(tǒng)稱為水接觸角保持時(shí)間。圖7分別展示了5組Janus織物表層水接觸角隨時(shí)間變化的曲線和表觀圖像。
由圖7可以看出，M1、M2、M3的接觸角保持時(shí)間遠(yuǎn)小于M4、M5，因?yàn)榕c2/2緯重平和2/2斜紋相比，平紋組織緊密，形成的孔隙最小，在一定范圍內(nèi)毛細(xì)管力隨著毛細(xì)管半徑的減小而增大，因此，M1、M2、M3產(chǎn)生的毛細(xì)管力大于M4、M5，液滴在較大的毛細(xì)管力作用下迅速打破平衡狀態(tài)，沿著水平和垂直于厚度方向的毛細(xì)管傳遞到織物各處。從M1、M2、M3的接觸角—時(shí)間變化曲線可知，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，接觸角保持時(shí)間變短，曲線斜率增大，接觸角變化速率加快。這是由于隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物表里層交互增加，潤(rùn)濕性差異減小，導(dǎo)致了接觸角保持時(shí)間變短，變化速率加快。
2.6 織物單向?qū)裥阅?/p>
2.6.1 含水量變化
圖8為分別在滌綸側(cè)和莫代爾側(cè)噴水時(shí)織物的最終含水量情況。
由圖8最終狀態(tài)下含水量環(huán)形圖可以看出：5組Janus織物從滌綸側(cè)噴水時(shí)，莫代爾面的含水量均大于上滌綸面，從莫代爾側(cè)噴水時(shí)則莫代爾面含水量均大于滌綸面，說明水分更傾向于從潤(rùn)濕性差的滌綸面向潤(rùn)濕性好的莫代爾面?zhèn)鬟f，而在相反方向上水分的傳遞會(huì)受到一定的阻礙，表現(xiàn)出水分傳輸?shù)膯蜗蛐浴?/p>
為了研究接結(jié)點(diǎn)數(shù)量和織物組織對(duì)Janus織物含水量-時(shí)間變化的影響，本文將M1、M2、M3試樣組和M1、M4、M5試樣組的含水量-時(shí)間變化曲線分別進(jìn)行比較，如圖9所示。
由圖9可以看出，均為平紋組織的3種織物M1、M2、M3中，M1織物在不同方向的水分傳輸過程中的上下表面含水量差值均為最大，M2次之，M3最小，說明M1的單向輸水性能優(yōu)于M2、M3，M1的滌綸面更容易將水分滲透到莫代爾面，而在反方向上能讓水分更好地在莫代爾面擴(kuò)散，阻礙其滲透到滌綸面。由此說明，隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，雖然增加了水分的傳輸通道，但是降低了織物上下兩層的潤(rùn)濕性差異，導(dǎo)致織物單向輸水性能變差。比較接結(jié)點(diǎn)數(shù)量相同而織物組織不同的M1、M4、M5，在水分從滌綸面向莫代爾面?zhèn)鬏斶^程中，M1織物的上下表面含水量差異略大于M4，M5最小。這是由于在一定范圍內(nèi)毛細(xì)管力隨著毛細(xì)管半徑的減小而增大，3種織物中平紋織物M1結(jié)構(gòu)最緊密，2/2緯重平織物M4次之，2/2斜紋織物M5結(jié)構(gòu)最疏松，因此，M1毛細(xì)管力最大，更容易將水分從滌綸面?zhèn)鬟f到莫代爾面。而在水分從莫代爾面向滌綸面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中， 20 s之后，M1上、下表面的含水量在三者中最高，含水量差值M5最大，M4次之，M1最小。這是由于織物上下兩面織物組織相同，織物兩表面形成的毛細(xì)管半徑大小一致。在水分反方向傳輸時(shí)，M1的毛細(xì)管力依然是三者中最大的，液滴在莫代爾面擴(kuò)散的同時(shí)，還要受到毛細(xì)管力的作用向滌綸面?zhèn)鬟f，因此，M1兩表面的含水量均最高，說明平紋組織由于兩側(cè)毛細(xì)管半徑小，提高了水分的雙向傳輸能力。M5由于毛細(xì)管半徑大，產(chǎn)生的毛細(xì)管力小，對(duì)液滴向滌綸面?zhèn)鬟f的作用力不足，水分可以在莫代爾面更好地?cái)U(kuò)散。
2.6.2 單向傳遞指數(shù)
不同織物的單向傳遞指數(shù)如圖10所示。
由圖10可以看出，5組織物滌綸側(cè)單向傳遞指數(shù)均為正值，說明液態(tài)水可以輕松地從滌綸側(cè)傳遞到莫代爾側(cè)；莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)均為負(fù)值，說明液態(tài)水由莫代爾側(cè)向滌綸側(cè)的傳遞受到阻礙，在莫代爾側(cè)進(jìn)行水平擴(kuò)散。由此說明，本文所制備的5組織物均具有單向?qū)衲芰?。M1、M2和M3滌綸側(cè)的單向傳遞指數(shù)依次降低，而莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)則依次增大。這是由于隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，織物兩側(cè)交互增加，潤(rùn)濕性差異減小，織物單向?qū)衲芰ο陆怠1、M4和M5兩側(cè)的單向傳遞指數(shù)均依次降低，因?yàn)槿叻謩e是平紋組織、2/2緯重平組織、2/2斜紋組織，所形成的孔隙增大，毛細(xì)管力減小，液態(tài)水向下層滲透的速率降低，單向?qū)裥阅芙档汀?/p>
在滌綸側(cè)，M1、M2、M4和M5的單向傳遞指數(shù)均大于300，達(dá)到了單向?qū)窨椢飮?guó)標(biāo)中的最高標(biāo)準(zhǔn)，M3的單向傳遞指數(shù)滿足國(guó)標(biāo)基本要求。為了提升Janus織物單向?qū)裥阅?，滌綸側(cè)的單向傳遞指數(shù)應(yīng)大，莫代爾側(cè)的單向傳遞指數(shù)應(yīng)小，因此，接結(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜為4。
3 結(jié) 論
為探索機(jī)織方法構(gòu)建單向?qū)馢anus織物的可行性，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單向?qū)裥阅艿挠绊懀疚睦脺炀]雙股線和莫代爾雙股線織造了雙層織物，設(shè)計(jì)了5組樣品，測(cè)試了織物的基礎(chǔ)性能、靜態(tài)水接觸角、動(dòng)態(tài)水接觸角、單向傳遞指數(shù)等指標(biāo)，結(jié)果表明：
（1） 5組織物兩側(cè)具有明顯的潤(rùn)濕性差異，均為Janus織物。
（2） 隨著接結(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Janus織物上下層交織更加頻繁，兩側(cè)潤(rùn)濕性差異減小，織物單向?qū)裥阅芙档停椢锼俑尚宰儾?，不利于較長(zhǎng)時(shí)間的單向?qū)襁^程。當(dāng)接結(jié)點(diǎn)數(shù)量為1時(shí)，單向?qū)裰笖?shù)可達(dá)382.72，單向?qū)裥阅茏詈谩?/p>
（3） 平紋、2/2緯重平、2/2斜紋織物紗線交織的次數(shù)依次減小，形成的孔隙依次增大，毛細(xì)管力依次減小，單向?qū)裥Ч档?，但都高于?guó)標(biāo)五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
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本文引文格式：
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