單向導濕織物的研究現狀及進展

王 偉， 黃 晨， 靳向煜

(東華大學 產業用紡織品教育部工程中心， 上海 201620)

單向導濕織物的研究現狀及進展

王 偉， 黃 晨， 靳向煜

(東華大學 產業用紡織品教育部工程中心， 上海 201620)

從差動毛細效應和潤濕梯度效應的角度總結了紡織材料的單向導濕原理。闡述了單向導濕織物的主要制備方法：化學法與結構設計法，并對2種制備方法的優缺點進行評述；總結了影響織物單向導濕效果的主要因素，即化學因素與物理因素，通過合理控制影響因素可實現優異的單向導濕效果。在此基礎上指出了傳統單向導濕性能測試方法存在的局限性以及相應評價指標的優點與不足，并對比分析了一種新型測試儀器：液態水分管理系統。最后根據當前單向導濕紡織品研究中存在的問題，從機制研究、制備方法以及測試方法3個方面提出針對性建議，并展望了單向導濕織物的應用前景。

單向導濕織物； 毛細效應； 潤濕梯度； 功能性

單向導濕現象在自然界中普遍存在，某些植物的葉子[1]、花瓣[2]，鳥類的羽毛[3]都具有單向導濕的特性。例如：水滴在竹葉上呈現橢球形，可沿著竹葉平行紋路的方向傳導，卻難以在垂直于紋路的方向流動[4]；蝴蝶翅膀上存在的微納米組織結構，可引導水滴以蝴蝶身體為中心，沿翅膀向四周傳導，但不能作逆向流動[5]；而蜘蛛絲表面既具有親水性又具有疏水性，當微小液滴黏附到表面時，會自動向親水區域流動[6]。這種單向導濕性能對新型水分收集裝置的研發具有極大的啟示作用[7]。

將單向導濕性能應用于紡織面料中，其優異的舒適性深受消費者青睞[8]。織物的單向導濕是由內外2層吸濕性的差異產生的，水滴在織物內從疏水端傳導至親水端，但不會出現逆流。通常，該類織物的外層是親水層，內層是疏水層。汗液在差動毛細效應[9]的作用下，被吸附到表層迅速揮發。同時由于纖維的疏水性，織物內層表面張力較大，汗液不會在內層存留，從而有利于保持皮膚的干爽。

從2005年開始，相關單向導濕的研究[10-11]明顯增多。本文對常用紡織面料中的單向導濕原理、實現方法、測試方法與指標、影響因素以及發展前景進行綜述和分析。

1 單向導濕的理論研究

織物內外2層纖維的吸濕性不同引起的差動毛細效應是具有單向導濕性能的主要原因。Buckingham[12]在1907年率先提出毛細管流動理論，并引入毛細管勢能的概念,為織物導濕性能研究提供了理論基礎。單向導濕織物是一種多孔隙材料,由里層到外層毛細管尺度逐漸減小,在厚度方向形成孔隙梯度,使液體只能沿一個方向傳導。Tian等[13]利用平行排列的有限微圓柱體對單向導濕進行模擬。對于在厚度方向具有導濕梯度的織物，液體能輕易從疏水端傳導至親水端，但液體無法從相反方向進行傳導。織物兩面的差動毛細效應是形成2個方向傳導差異的主要原因。通過簡易模型分析，發現是圓柱體局部幾何角與固-液接觸角產生耦合作用的結果，且減小間距比或增大吸濕梯度可以增強差動毛細效應。

目前，對單向導濕原理的研究尚不夠深入，尤其是不能明確解釋材料厚度方向單向導濕產生的原因[14]。此類精確物理模型的缺失也無法有效指導實際生產，因此，明確單向導濕機制，利用多元分析、有限元分析等方法建立精確的單向導濕模型，指導實際應用，并通過實踐結果反饋驗證并優化模型，將成為單向導濕領域理論研究的重點。

2 單向導濕織物的制備方法

實現單向導濕的關鍵是使織物內外2層具有梯度潤濕性，從而產生差動毛細效應[15]。實踐中可通過多種加工方法實現，主要包括化學法、等離子體改性法和結構設計法等。

2.1 化學法

化學法主要采用化學整理劑對織物表面進行后整理，從而改變織物的吸濕性能。根據所用整理劑和整理面的不同，可分為單面疏水整理、單面親水整理和親疏水兩面整理。

2.1.1 單面疏水整理

單面疏水整理是采用疏水劑對織物進行單面整理，使整理面具有疏水性而未整理面保持親水性，織物兩面形成差動毛細效應，實現單向導濕。

近年來，對非織造材料單向導濕改性的研究逐漸增多。潘虹等[16]選用FG-910型含氟疏水劑，對純棉水刺非織造材料進行單面整理，使織物一面親水，一面疏水，在差動毛細效應作用下產生附加壓力差，實現單向導濕。對面料進行紅外光譜分析后發現，經疏水劑處理后親水基團顯著減少。比較整理前后纖維的電鏡照片發現，整理后棉纖維表面縱向條紋消失，因此，整理側疏水性增強。

有學者也利用單面疏水整理法設計開發了單向導濕面料，例如：運用印花法對滌綸織物進行微型窗整理，使內外層親疏水性差異變大，形成差動毛細效應，實現單向導濕[17]；利用絲網印花涂層法和刮刀涂層法開發木漿復合水刺非織造材料[18]等。

單面疏水整理操作簡便，效果明顯。只需在親水性織物一面噴涂疏水劑，封閉親水性基團，即可使織物形成差動毛細效應，實現單向導濕。然而，使用單向導濕織物時，疏水面通常與皮膚相接處。而疏水劑多為含硅、含氟類化學試劑，與人體接觸易產生不適。在未來的疏水整理中采用無毒、健康、環境友好型的疏水劑將會成為一種趨勢。

2.1.2 單面親水整理

單面親水整理是采用親水整理劑對織物一面進行親水整理，使織物兩面形成吸濕性差異，在差動毛細效應的作用下，實現單向導濕。

楊文等[19]采用高支羊毛/細旦滌綸混紡紗與亞麻紗交織，織造緯平針添紗組織。然后利用納米功能乳液對織物進行單面親水整理，以織物的單向傳遞指數和液態水動態傳遞綜合指數為依據，與未經處理的織物比較單向導濕效果。

此外，還有許多學者進行類似研究，例如：采用等離子刻蝕法和噴霧整理法對織物進行單面親水整理，實現單向導濕性[18]；利用親水性整理劑對聚丙烯SMS非織造布進行單面親水整理，使非織造材料形成親疏水雙側結構而實現單向導濕[20]等。單面親水整理后，織物單向導濕效果較好，且與人體接觸的疏水面不含化學試劑。然而，親水整理需要精確的工藝條件，才能實現良好的疏水效果，因此，需要嚴格控制工藝條件才能使織物具有優異的單向導濕效果。

2.1.3 親疏水兩面整理

親疏水兩面整理是對織物一面進行親水整理，另一面進行疏水整理，使織物兩面分別具有親水性和疏水性，內外兩層形成顯著的差動毛細效應，實現單向導濕。

陳曉艷等[21]采用親疏水兩面整理的方法，開發了梯度單向導濕針織物。該織物采用3層空氣層結構，內層和外層均選用棉紗，中層為滌綸。在內層進行部分疏水整理，外層進行親水整理，形成親疏水梯度結構。由于織物內層為部分疏水層，水可以通過未整理部分傳到中層，在差動毛細效應作用下，經中層傳遞到達親水性強的外側，并快速擴散。同時，內層保留的水分少，可以讓人體保持舒適。

文獻[22]利用印花手段，先在純棉針織物內側進行部分疏水整理，再在外側進行親水整理，獲得單向導濕面料。研究結果表明，織物內層經疏水處理后，親水性基團被封閉，疏水性增強，自由水數量增加，易于擴散傳輸。

經過親疏水兩面整理的織物，差動毛細效應強于單面親/疏水整理，單向導濕效果更好，但兩面整理時如果織物較為輕薄，則親、疏水整理劑易在臨界位置發生接觸，從而破壞單向導濕效果；因此，在進行兩面整理時應嚴格控制整理工藝，防止親、疏水整理劑的直接接觸。

2.1.4 等離子體改性法

等離子體改性是在化學處理的基礎上，再對織物進行等離子體照射，使織物具有單向導濕性能的技術。

Wang等[23]將化學法和等離子體改性法相結合，先在織物兩面噴涂疏水劑，再在其中一面采用多波長紫外線照射，開發單向導濕滌綸織物，如圖1所示。經過化學處理后，滴在處理面的液滴呈半圓形，未見滲透，而在未經處理織物表面，滴下液滴則會迅速滲透。紫外線照射進一步處理后，發現照射面上的液滴只在面內擴散，無法滲透到另一面；而在只經化學處理一面滴下的液滴會迅速滲透到照射面。

圖1 化學整理前后織物吸濕能力對比圖Fig.1 Comparison figures of fabric moisture absorption capability before (a) and after (b) chemical finishing

等離子改性法操作簡便、高效，可與其他技術有效結合，例如，對經等離子體處理的織物進行加熱后，再次經過等離子體照射，會改變織物單向導濕的方向[24]，有望廣泛應用于智能化紡織品領域。需要指出的是，等離子體改性法具有明顯的時效性，織物的單向導濕效果持續時間較短，這可能和硅烷與等離子體的結合力較弱有關。

2.2 結構設計

通過設計織物組織結構，合理配置纖維原料，也能有效實現織物的單向導濕。Tian[13]經過理論研究論證認為，厚度方向的吸濕性梯度變化可實現織物的單向導濕。

安云記等[25]采用PTT、丙綸和Cooldry?3種原料，合理排列織針和三角，經染整加工后，開發了PTT蓋丙綸單向導濕蜂窩面料和PTT蓋Cooldry?單向導濕網眼面料。蜂窩與網眼結構獨特的立體型態可增加織物的透氣性。該類結構面料的單向導濕性能優異，非常適合應用于運動服裝領域。

此外，還有許多研究者通過結構設計開發單向導濕面料，例如：采用吸濕排汗滌綸纖維開發雙面府綢織物，并利用表里組織點互換法，使織物具有優異導濕性[26]；采用不同種類紗線開發雙層或多雙單向導濕織物[27]。

鑒于結構法單向導濕織物面密度較高，近期已有學者利用納米纖維、碳納米管等前沿材料制備納米纖維基單向導濕織物[28-30]。Wu等[31]利用2個平行靜電紡電極織造出單軸對稱纖維陣列，其形態與竹葉表面形態相似，具有典型的單向導濕特性。Xue等[32]利用噴霧-干燥法在材料表面噴涂PTFE制備水/油分離裝置，當水/油混合物滴落至裝置表面時，油能迅速通過，而水不能通過，從而實現水與油的分離。此外,Hu[33]采用生物質納米纖維(如角蛋白、彈性蛋白、層黏連蛋白等)制備條紋狀單向導濕材料。此類單向導濕織物有望應用于液體分離[34]、醫用設備[35]、自清潔裝置[36]、能源轉換[37]等。

結構設計法不采用化學試劑，織物可直接與人體接觸，且利于環境保護。結構設計法織造的單向導濕織物立體感強，具有連續吸濕梯度變化，導濕效果持久。該方法的不足之處在于織物面密度往往過高，使用納米技術時又受產量局限。結構設計法通常應用于針織物，對機織物、非織造織物的結構設計還比較少，亟待開展更深入的研究。可采用仿生學模仿植物的蒸騰作用系統構造，設計植物組織結構，以提高織物的單向導濕性能。

3 測試方法及指標

對于織物導濕性能測試，國內外都有相應的標準規定，且不同標準適用于不同特點的織物[38]。測試織物單向導濕性能的方法有很多，主要有評級法、液滴面積法、多指標測試法和液態水分管理系統[39]等，也有學者采用吸濕快干的相關標準進行測試。上述測試方法在單向導濕研究中都有應用。汪南方等[37]采用評級法，根據織物整理面與未整理面的吸濕情況，按照評級標準對織物進行評級，間接評價織物單向導濕性。潘虹等[16]采用液滴面積法測試非織造材料的單向導濕性能，通過測試整理前后織物上下表面的含水量量化表征單向導濕性能。陳曉艷等[21]采用多指標測試法和液態水分管理系統分別測試織物的單向導濕性能。實驗結果表明，液態水分管理系統能更直觀地表征液態水的動態傳遞情況。

評級法操作簡單，但是采用主觀、間接指標表征織物單向導濕性能，受主觀條件影響大，測試結果精度低[40]。液滴面積法采用單一指標——相對含水量表征單向導濕效果，其測試指標少，無法系統表征織物的單向導濕性能。多指標測試法主要測試指標包括接觸角、透濕量、濕散失量等。其測試指標相對較多，能夠較為全面地反映織物，單項導濕性能。但是，與液滴面積法一樣，多指標測試法只能測量固定時間內織物的吸濕性能，無法表征水分在織物中的動態情況。針對這些問題，開發了液態水分管理系統，通過測定織物上下表面含水量的相互轉移情況，獲取織物最大擴散半徑、毛效速度和單向傳遞指數等動態指標，從而量化表征織物的單向導濕性能。通過對動態水傳遞性能的表征，液態水分管理系統彌補了傳統測試方法的不足[41]。

4 織物單向導濕效果的影響因素

影響織物單向導濕效果的因素很多，主要可分為物理因素與化學因素。物理因素是指纖維截面形狀、纖維細度、紗線捻度、紗支細度等因素[42]。化學因素是指整理液濃度、噴灑量、整理面積等與化學處理方法有關的因素[20]。

馬銘池等[42]通過對4種純棉機織物分析研究，認為組織結構對織物單向導濕能力影響不大，而紗支細度、緊度、密度和厚度是影響單向導濕性能的主要因素。

任祺等[20]對整理液濃度、噴灑量和烘燥條件等影響因素進行實驗研究，得出實現最佳單向導濕效果的工藝條件：整理劑與水的體積比為1∶5，整理液噴灑量為10 g/m2，烘燥溫度為90 ℃，烘燥時間為3 min。

翟孝瑜等[43]通過研究發現，在3層織物中，內外線密度的差異對單向導濕效果的影響更大。在此基礎上進一步研究了纖維異形度對單向導濕性能的影響，研究結果表明，異形度越大，形成的毛細管數量越多，單向導濕效果會越好。

以上研究結果表明，雖然單向導濕機制主要是差動毛細效應，但導濕效果可通過工藝調整與優化獲得有效提高。

5 結 語

單向導濕的研究涉及多個學科，如化學、物理、材料和工程等，雖然目前此類研究已經具有一定基礎，但許多方面仍存在進一步完善與細化的空間。關于纖維與水分子結合的作用力，纖維吸水溶脹對織物吸濕性能的影響，以及液滴在單向導濕織物表面的動態蒸發過程，單向導濕織物內氣-液-固三相界面具體形態等內容都有待于進行深入研究。同時，如何利用計算機模擬工具模擬并預測單向導濕效果，優化其特點，提高單向導濕的功能性、實用性，也是值得研究的領域。

單向導濕織物的制備方法各具特點。從目前的發展需求來看，尋找健康、環保的化學試劑，增強單向導濕效果的持久性是未來化學法需要解決的問題。而結構設計法應重點關注非織造材料的結構設計與研究，在此基礎上拓展其應用范圍。由于非織造材料適合應用于醫衛領域，如醫用輔料、尿不濕等，因此，若能同時實現非織造材料厚度方向與面內方向的單向導濕，對提高材料使用效率，提升舒適性具有積極意義。

對單向導濕性能的測試，從評級法到液態水分管理系統，測試方法正朝著操作簡便、測試精確、動態表征的方向發展，然而，目前還缺少對單向導濕效果的統一評價標準，因此，建立統一、規范的評價標準是一項亟待完成的工作。

在實際應用方面，單向導濕的理論與實驗研究成果已逐步轉化到實際應用中。簡化生產流程、降低生產成本、實現產品及生產工藝無毒無污染將是未來單向導濕改性的主要發展趨勢。

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Development of unidirectional water-transfer fabrics

WANG Wei， HUANG Chen， JIN Xiangyu

(EngineeringResearchCenterofTechnicalTextiles,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

From the perspective of differential capillary effect and wetting tonsure effect, the principle of unidirectional water-transfer in textiles was reviewed. Manufacturing method of unidirectional water-transfer can be divided into chemical method and structural design method. The advantages and limitations of the methods were compared. The main influencing factors of water-transfer performance, namely, chemical factors and physical factors were also reviewed. By controlling these factors, excellent unidirectional water-transfer properties through the fabric thickness could be achieved. the limitations of conventional testing method was discussed on water-transfer and through a novel testing method (comparatively-MMT) was introduced. The current problems in unidirectional water-transfer textiles are believed to be solved by the study of mechanism, preparation method and testing method. Finally, the practical applications of unidirectional water-transfer textiles were included.

unidirectional water-transfer fabric; capillary effect; wetting gradient; functional

10.13475/j.fzxb.20150306406

2015-03-31

2015-12-23

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2232014D3-15)；上海市“晨光計劃”項目(14CG34)

王偉(1990—)，男，碩士生。研究方向為非織造材料結構與性能。黃晨，通信作者，E-mail：hc@dhu.edu.cn。

TS 101.8

A