單向?qū)窆δ芗徔椘返难芯窟M(jìn)展

郝習(xí)波，李輝芹，鞏繼賢，高新鋒，焦海峰，張健飛，丁振翔

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;3.江蘇悅達(dá)眾翔針織印染有限公司，江蘇 鹽城 224300)

單向?qū)窆δ芗徔椘返难芯窟M(jìn)展

郝習(xí)波1，2，李輝芹1，2，鞏繼賢1，2，高新鋒1，2，焦海峰1，2，張健飛1，2，丁振翔3

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387;3.江蘇悅達(dá)眾翔針織印染有限公司，江蘇 鹽城 224300)

單向?qū)窨椢锸且环N具有高附加值的功能紡織品，除了服用之外，在醫(yī)用衛(wèi)生，分離過(guò)濾，微流體控制等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從仿生學(xué)的角度總結(jié)了目前單向?qū)竦脑?差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)、濕潤(rùn)梯度效應(yīng)、蒸騰效應(yīng)。詳細(xì)闡述了從纖維選擇，織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能整理3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)單向?qū)竦姆椒?指出了傳統(tǒng)單向?qū)穹b在穿著多層服裝情況下的局限性，作為解決方案介紹了在織物長(zhǎng)度方向上的單向?qū)窨椢?最后提出仿生作為單向?qū)窨椢镅芯康幕舅悸罚瑥奶岣吣挽o水壓性和引入動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法2方面對(duì)未來(lái)作出展望。

單向?qū)?功能紡織品;仿生;濕潤(rùn)梯度

織物的導(dǎo)濕性是影響服裝舒適性的重要因素，如果人體分泌汗液過(guò)多，織物不能迅速將汗液導(dǎo)向織物外表面并蒸發(fā)，人體不僅會(huì)產(chǎn)生不舒適感，而且會(huì)滋生細(xì)菌產(chǎn)生異味，威脅人體健康［1］。因此，怎樣使汗液從織物內(nèi)層迅速傳導(dǎo)到外層，盡可能快的蒸發(fā)掉，并使外層的汗液不回流到內(nèi)層，成為導(dǎo)濕領(lǐng)域的重要研究方向。

單向?qū)窨椢锏恼磧擅鎸?dǎo)濕性能存在明顯的差異，文獻(xiàn)［2］中對(duì)單向?qū)窨椢锏亩x是:通過(guò)織物內(nèi)外層材料親、疏水性的差異，即織物內(nèi)層大部分疏水小部分親水，汗液從織物內(nèi)層的小部分親水部位傳輸?shù)娇椢镉H水性的外層，并在外層快速蒸發(fā)。近年來(lái)隨著研究與認(rèn)識(shí)的深入，單向?qū)窨椢锏膶?shí)現(xiàn)方法也已經(jīng)超出了上述定義的范圍，甚至有人提出了具有“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”的織物，即織物的一面導(dǎo)濕性極強(qiáng)，另一面卻很難進(jìn)行濕傳導(dǎo)。單向?qū)窨椢锏膽?yīng)用領(lǐng)域從服用延伸到醫(yī)用衛(wèi)生［3］、分離過(guò)濾［4］、微流體控制［5］等領(lǐng)域。本文從單向?qū)竦脑怼?shí)現(xiàn)方法2個(gè)方面系統(tǒng)、全面地闡述了單向?qū)窨椢锏难芯窟M(jìn)展，以期為后續(xù)的相關(guān)研究工作提供借鑒。

1 單向?qū)竦姆律鷮W(xué)原理

1.1 差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)

差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)又稱杉樹(shù)效應(yīng)［6］，是利用杉樹(shù)吸水的毛細(xì)管效應(yīng)，采用毛細(xì)管直徑由下到上直徑變細(xì)的形態(tài)來(lái)解決芯吸高度和傳輸速率的矛盾。

在雙層結(jié)構(gòu)織物中，當(dāng)織物外層纖維形成細(xì)的毛細(xì)管，織物里層纖維之間形成較粗的毛細(xì)管時(shí)，在織物內(nèi)外層界面之間就會(huì)產(chǎn)生附加壓力差，織物中的液態(tài)水在附加壓力差作用下自動(dòng)從里層流到外層，形成一定的單向?qū)衲芰ΑＮ墨I(xiàn)［7－8］從理論上分析并指出，織物的內(nèi)層纖維粗、紗線捻度小、密度大于外層以及纖維伸長(zhǎng)小于外層，均有利于提高差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)，進(jìn)而提高織物的單向?qū)裥阅堋?/p>

1.2 濕潤(rùn)梯度效應(yīng)

自然界中甲殼蟲(chóng)后背［9］和蜘蛛絲［10］都擁有極強(qiáng)的水分收集能力，這是因?yàn)樗鼈儽砻娑紦碛袧?rùn)濕性完全相反的2種區(qū)域:疏水性的與親水性的。當(dāng)表面出現(xiàn)濕潤(rùn)性梯度時(shí)，疏性區(qū)域從空氣中收集的水分會(huì)自發(fā)的向親水性區(qū)域移動(dòng)，并在那里匯集成水珠。依據(jù)這種原理，當(dāng)織物具有親/疏水性雙側(cè)結(jié)構(gòu)時(shí)，在織物厚度方向就會(huì)出現(xiàn)濕潤(rùn)性梯度，并且從疏水性區(qū)域向親水性區(qū)域產(chǎn)生附加壓力差，水分受到附加壓力差的作用產(chǎn)生單向?qū)裥?yīng)。這是目前單向?qū)竦闹饕獙?shí)現(xiàn)方法，尤其是高效單向?qū)裥缘膶?shí)現(xiàn)。

1.3 蒸騰效應(yīng)

植物的蒸騰作用展現(xiàn)了驚人的水分傳導(dǎo)能力，它們通過(guò)克服重力作用，將根部從土壤中吸收的的水分經(jīng)過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)饺~部，從氣孔排出，其排放水蒸氣的速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由水表面的蒸發(fā)速率。并且，植物的這種生理過(guò)程是不需要消耗能量的。盡管這種水分傳導(dǎo)機(jī)制直到現(xiàn)在仍然在探究中，但是普遍認(rèn)為是通過(guò)內(nèi)聚力，滲透作用以及毛細(xì)管作用這些機(jī)制實(shí)現(xiàn)。并且，這些作用機(jī)制的產(chǎn)生與植物的根，莖，枝，葉的系統(tǒng)構(gòu)造緊密相關(guān)［11］。通過(guò)織制多層織物來(lái)模仿植物的這種構(gòu)造，可以產(chǎn)生明顯的單向?qū)衲芰Α?/p>

2 單向?qū)窭w維的選擇

目前關(guān)于織物親/疏水性雙側(cè)結(jié)構(gòu)的獲取，主要通過(guò)織物的后整理來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是經(jīng)過(guò)后整理的織物舒適性并不理想，而且不耐洗滌。如果纖維材料本身具有優(yōu)良的疏水與親水性能，那么就可以克服掉這些缺點(diǎn)，省去很多繁瑣的工序。

2.1 新型疏水纖維

疏水性纖維可以通過(guò)物理與化學(xué)的方法來(lái)獲得。化學(xué)方法主要是通過(guò)接枝法使疏水基以共價(jià)鍵形式與可改性纖維材料的反應(yīng)基團(tuán)相結(jié)合，從而增加纖維的拒水性［12］。張俊等［13］，用含氟單體甲基丙烯酸八氟戊酯對(duì)真絲纖維進(jìn)行接枝改性，接枝后纖維的接觸角明顯增大，體現(xiàn)出較好的疏水性能。

物理方法通過(guò)改變纖維表面形態(tài)以及改進(jìn)紡絲方法來(lái)改善疏水性能。研究發(fā)現(xiàn)［14］以聚四氟乙烯為靶對(duì)聚酯纖維進(jìn)行濺射，在一定的電壓與氣壓下，纖維表面會(huì)形成納米級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高疏水性，使得PET纖維和水的接觸角達(dá)到 145°。

2.2 新型親水性纖維

相對(duì)于纖維素纖維而言，合成纖維具有優(yōu)良的機(jī)械性能，但是其吸濕性較差。同樣可以通過(guò)化學(xué)方法和物理方法來(lái)提高合成纖維的吸濕性。其中，化學(xué)方法是合成纖維親水化的主要方法。

化學(xué)方法主要是大分子主鏈與親水單體的接枝共聚，例如，陳志軍等［15］采用化學(xué)接枝法以丙烯酰胺(AM)為接枝單體，對(duì)聚丙烯腈纖維進(jìn)行了接枝親水改性。接枝后的聚丙烯腈纖維的親水性大大提高，且吸水率隨著導(dǎo)入率的增加而增大。

物理方法包括:1)共混改性和復(fù)合紡絲法，這一類纖維最具代表性的是日本可樂(lè)麗公司生產(chǎn)的Sophista纖維;2)纖維結(jié)構(gòu)微孔化，比如浙江上虞弘強(qiáng)彩色滌綸有限公司自主開(kāi)發(fā)出的蜂窩狀微孔結(jié)構(gòu)改性聚酯纖維［16］;3)纖維表面粗糙化和橫截面異形化。這一類纖維有 Coolmax?等［17］。

3 單向?qū)窨椢锝Y(jié)構(gòu)

單向?qū)窨椢锷婕暗目椢锝Y(jié)構(gòu)類型廣泛，可以是機(jī)織物，針織物，也可以是非織造布。從織物層數(shù)來(lái)說(shuō)可以是單層，也可以是多層。

3.1 單層織物

單層織物實(shí)現(xiàn)單向?qū)裼?種途徑:一種是通過(guò)正反兩面的親/疏水性整理。另一種是通過(guò)親疏水性不同的經(jīng)緯紗交織而成。文獻(xiàn)［18］介紹了一種具有單向水分管理能力的單層機(jī)織物，這種織物的經(jīng)緯紗具有不同的親水性，由于內(nèi)外表面經(jīng)緯組織點(diǎn)的密度有差異，因此形成親疏水性區(qū)域面積不同的正反兩面。靠近穿著者皮膚的內(nèi)表面具有高比例的疏水區(qū)域，內(nèi)表面低比例的親水性區(qū)域?qū)⑺謴目椢飪?nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)。這種結(jié)構(gòu)能夠保持內(nèi)部的相對(duì)干燥，并且減少通過(guò)毛細(xì)作用回流到內(nèi)部的液體量。

3.2 多層織物

3.2.1 濕潤(rùn)梯度效應(yīng)織物

對(duì)于單層織物而言，由于內(nèi)外兩面的紗線相同，所以在人體大量出汗時(shí)除非織物完全干燥，否則人體還是會(huì)有濕冷感。所以在雙層織物中貼近皮膚的一層通常選用疏水性材料，外層選用親水性材料，這樣不但可以保持內(nèi)部的干燥，而且在內(nèi)外層形成濕潤(rùn)性梯度促進(jìn)織物的單向濕傳導(dǎo)，這是在雙層織物中實(shí)現(xiàn)單向?qū)褡畛Ｒ?jiàn)的方法。在這種方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高織物的單向?qū)裥阅堋：钋锲降龋?9］利用H型截面吸濕快干滌綸纖維和彩棉設(shè)計(jì)了燈芯點(diǎn)結(jié)構(gòu)針織物，織物的疏水性內(nèi)層通過(guò)許多連接點(diǎn)與親水性外層復(fù)合，連接點(diǎn)含有一定比例的親水型纖維，并按一定的順序分布在織物中，這種織物將汗液從內(nèi)層傳向外層的能力非常驚人。

3.2.2 差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)織物

單純利用差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單向?qū)竦目椢镙^少，其往往與其他方法結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)單向?qū)瘛ＴS瑞超等［20］以異形滌綸纖維為原料，運(yùn)用差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)，通過(guò)織物內(nèi)外層所用纖維異型度和線密度的差異織制出三種具有定向?qū)窆δ艿尼樋椕媪希磫蚊嫣罴啞⒎▏?guó)羅紋和魚(yú)眼結(jié)構(gòu)織物。測(cè)試結(jié)果表明該類織物具有明顯的單向?qū)窆δ堋?/p>

陳曉艷等［21］設(shè)計(jì)了一種3層結(jié)構(gòu)的梯級(jí)導(dǎo)濕針織面料，在各層采用不同的組織，纖維原料或添加助劑。結(jié)果表明這種針織面料具有良好的定向?qū)衲芰Α?/p>

3.2.3 蒸騰效應(yīng)織物

文獻(xiàn)［22－24］通過(guò)織制3層織物來(lái)模仿植物的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。這種織物的底層是4/4假紗羅組織，4根紗線聚攏到一起形成主莖。在第2層選用方平組織，紗線4根的聚攏變?yōu)?根，由“莖”變?yōu)椤爸Α薄ｍ攲舆x用平紋組織，2根紗線的聚攏被分開(kāi)為單根紗線，這樣可以使表面具有更大的比表面積，為了進(jìn)一步提高頂層的水蒸發(fā)速率，模仿葉子的表面形態(tài)，增加織物與空氣接觸的面積，在織物表面增加附著的絨毛和線圈。底層模仿根部的形態(tài)做拉絨整理。

該織物實(shí)現(xiàn)了類似于植物的水分傳導(dǎo)機(jī)制，大大提高了水分的單向傳導(dǎo)能力，織物表層的水分蒸發(fā)速率可以達(dá)到自由水表面的2～3倍［23］。織造類似的仿生結(jié)構(gòu)針織物，同樣取得了顯著的效果。Shi Xianjun等［25］在理論上證明了通過(guò)模仿植物結(jié)構(gòu)提高織物水分傳導(dǎo)能力的可行性，并且推導(dǎo)出該類物的最大導(dǎo)濕量可達(dá)到普通織物的1.707倍。

3.3 非織造織物

非織造織物的單向?qū)褚话憧赏ㄟ^(guò)功能整理來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)有研究者嘗試從纖維材料與織物結(jié)構(gòu)入手。Wu Jing等［5］通過(guò)靜電紡絲法，紡制了具有“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”的雙層結(jié)構(gòu)納米纖維膜。這種膜由疏水性的聚氨酯與親水性的聚乙烯醇紡制而成，因而具有親疏水雙側(cè)結(jié)構(gòu)。并且相對(duì)于親水部位，疏水部分的纖維較疏松，直徑較細(xì)，使得纖維膜同時(shí)具有差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)，促進(jìn)了它的單向?qū)裥浴?/p>

4 單向?qū)窨椢锏墓δ苷?/h2>

通過(guò)功能整理，可以使織物形成親/疏水性雙側(cè)結(jié)構(gòu)。目前，這種整理主要從2個(gè)方面入手:一方面是材料的表面能大小，另一方面就是材料的表面結(jié)構(gòu)及形態(tài)。纖維材料的表面能越小，表面越粗糙則疏水性越高，反之則親水性越高。

4.1 單面整理

對(duì)親水性材料而言，可以只進(jìn)行單面疏水整理。汪南方等［26］采用漿點(diǎn)印制法對(duì)純棉針織物進(jìn)行單面疏水整理，整理后的織物單向?qū)裥Ч蛇_(dá)4.5～5級(jí)，具有較強(qiáng)的耐水洗性。吳燁芳［27］等采用平網(wǎng)印制的方式，用拒水拒油整理劑對(duì)棉織物進(jìn)行單面整理，使織物形成親/疏水雙側(cè)結(jié)構(gòu)，獲得了單向?qū)衲芰Α?/p>

對(duì)疏水性材料而言，可以只進(jìn)行單面親水整理，任祺等［28］采用親水整理劑Hansi QS-CONC對(duì)聚丙烯SMS非織造布進(jìn)行單面親水整理，獲得了顯著的單向?qū)裥阅堋?/p>

4.2 雙面整理

當(dāng)然也可以對(duì)織物同時(shí)進(jìn)行親水整理與疏水整理，如文獻(xiàn)［21］所述，這些整理方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了織物的單向?qū)裥裕切Ч⑽催_(dá)到理想狀態(tài)。近年來(lái)，一些更加高效的濕傳導(dǎo)整理方法被研究人員發(fā)現(xiàn)。Wang Hongxia等［29］用凝膠-溶膠法制備了一種超疏水性的織物涂層。在對(duì)織物兩面都進(jìn)行超疏水性整理后，對(duì)其中一面進(jìn)行紫外光照射使其獲得了親水性，因此在織物正反面形成親疏水雙側(cè)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該織物具有“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”。通過(guò)進(jìn)一步證實(shí)，這種水分傳導(dǎo)能力是與重力無(wú)關(guān)的，完全依靠整理后織物的表面性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。以色列學(xué)者［4］將三氯甲烷與二氯甲烷的混合溶液浸涂在不銹鋼金屬絲網(wǎng)表面，使金屬絲網(wǎng)的兩面獲得超疏水性。其中一面經(jīng)紫外線照射后由疏水轉(zhuǎn)為親水，并且出現(xiàn)了由疏水面到親水面的“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”。

上文中提到的2種具有“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”的織物，疏水區(qū)域可以直接進(jìn)行濕傳導(dǎo)。但是對(duì)于一般的單向?qū)窨椢锒裕瑸榱四軌驅(qū)⒑挂嚎焖俪浞值膫鬟f到織物外層，織物內(nèi)側(cè)會(huì)留有小部分親水性區(qū)域。這就必然要考慮疏水性整理劑在織物內(nèi)表面的涂覆面積。除了整理面積外，整理劑的滲透深度對(duì)織物導(dǎo)濕性能也會(huì)產(chǎn)生重要影響。這就需要在整理過(guò)程中對(duì)漿料、工藝進(jìn)行優(yōu)化以篩選出最佳方案［27］。

還有文獻(xiàn)［26，30］討論了織物的疏水性整理對(duì)織物散濕功效、芯吸高度、透氣量、熱阻和濕阻、柔軟性以及抗靜電性的影響。

5 織物長(zhǎng)度方向的單向?qū)?/h2>

上述的單向?qū)裥?yīng)都是發(fā)生在織物的厚度方向，這些方法已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)服裝與夏季服裝上獲得了成功的運(yùn)用，但是在冬季天氣寒冷，人們穿著多層的服裝，這種情況下，汗液往往會(huì)滯留在內(nèi)層無(wú)法蒸發(fā)。有鑒于此，F(xiàn)ehime Vatansever［31］設(shè)計(jì)了一種在織物長(zhǎng)度方向上具有單向?qū)裥?yīng)的織物，同樣是利用了濕潤(rùn)梯度效應(yīng)，如圖1所示。當(dāng)汗液滲透到這種織物上后會(huì)自發(fā)的向相對(duì)親水的部位轉(zhuǎn)移，由于親水的部分作為服裝的下擺與空氣接觸，所以汗液易于蒸發(fā)。這種方法可以有效地緩解人們?cè)诖┲鄬臃b時(shí)出汗帶來(lái)的濕冷感。

圖1 織物長(zhǎng)度方向的單向?qū)馞ig.1 Unidirectional water transport along length of fabric

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與后整理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物結(jié)構(gòu)與表面微觀形態(tài)的的模仿已經(jīng)取得了豐碩的成果，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開(kāi)展工作具有廣闊的前景。對(duì)于傳統(tǒng)的單向?qū)窨椢锱c防水透氣織物而言，前者雖可實(shí)現(xiàn)顯汗?fàn)顟B(tài)下的單向濕傳導(dǎo)，但是表面不具備防水功能。后者雖然具備防水與透氣功能，但是顯汗?fàn)顟B(tài)下汗液排放困難。隨著單向?qū)窨椢锏陌l(fā)展，尤其是具有“導(dǎo)濕二極管效應(yīng)”織物的出現(xiàn)，單向?qū)衽c防水透氣織物的界限越來(lái)越模糊。但是，目前織物的“二極管效應(yīng)”僅限于在一定的水壓下。如果想要將這種織物應(yīng)用于防水，必須提高織物的耐水壓性。另外，目前對(duì)于織物單向?qū)裥阅艿臏y(cè)定普遍在靜態(tài)下取得，而人體大量出汗時(shí)往往是在劇烈運(yùn)動(dòng)情況下。在動(dòng)態(tài)下，受各種復(fù)雜外力的影響，服裝的單向?qū)裥阅苓_(dá)到什么樣的效果，還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

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Review on unidirectional water transport functional fabrics

HAO Xibo1，2，LI Huiqin1，2，GONG Jixian1，2，GAO Xinfeng1，2，JIAO Haifeng1，2，ZHANG Jianfei1，2，DING Zhenxiang3
(1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin 300387，China;3.Jiangsu Yueda Zhongxiang Knitting Printing and Dyeing Co.，Ltd.，Yancheng，Jiangsu 224300，China)

Unidirectional water transport fabric is a kind of functional fabrics which has high added value.Besides being used on wear，it also has huge potentials in the field of medical care，filtration and separation，flowing control，etc.Biomimetic theory of unidirectional water transport fabrics，including differential capillary effect，wett ability gradient effect and transpiration effect are explained.Also reported are three basic ways to achieve unidirectional water transport effect，which are fiber selection，fabric structure designing and functional finishing.The disadvantages of unidirectional water transport fabric used under the condition of wearing multi-layer clothes are explained，and as a solution to solve this problem unidirectional water transport effect along the length of fabric is proposed.Finally，biomimetics is proposed to be a basic way to enhance unidirectional water transport property of fabric，and future development is made from two aspect of the improvement of fabric's resistance to hydrostatic pressure and the introduction of dynamic evaluation methods.

unidirectional water transport;functional fabric;biomimetic;wettability gradient

TS 116

A

10.13475/j.fzxb.20140602706

2014－06－16

2014－08－29

郝習(xí)波(1988—)，男，碩士生。研究方向?yàn)閼?yīng)用仿生功能性與舒適性紡織品。李輝芹，通信作者，E-mail:zhxlihuiqin@163.com。