織物導濕排汗性能自動測試方法

張才前， 姚菊明

(1. 浙江理工大學 材料與紡織學院, 浙江 杭州 310018; 2. 紹興文理學院 元培學院, 浙江 紹興 312000)

人體在炎熱環(huán)境下會出汗，而體表覆蓋的服裝面料則是影響汗液排出的主要因素。目前對服裝面料導濕、排汗性能的代表性測試方法有圖像法、超聲波法、電阻法、毛細效應法等。如：LAW[1]利用面料干濕態(tài)超聲波反射性能差異，測定液體在服裝面料中的擴散情況，該方法測試速度快，結(jié)果穩(wěn)定，但超聲波能力易引起水分蒸發(fā)速率，影響測試結(jié)果。莊勤亮[2]采用自動攝像技術(shù)，利用面料干態(tài)與濕態(tài)圖像上灰度值的差異計算面料上干態(tài)與濕態(tài)的百分比，得到液體在面料上的導濕速度，該方法測試準確性好，自動化程度高；但對印花類面料則易受面料花紋圖案影響，使圖像采集效果受到干擾。在電阻法測試方面，HU等[3]用6個同心圓環(huán)之間的電阻差異測試，檢測汗液沿面料傳導擴散情況；張才前等[4]在服裝面料表面插入針法，根據(jù)探針間阻值變化，檢測汗液沿面料各不同方向傳導擴散情況。電阻法測試準確度高，且不受面料外觀影響，目前多用于檢測服裝面料導濕擴散情況，而對排汗性能測試方面研究較少。ZHANG等[5]利用有色液體檢測多孔滌綸紗線芯吸性能；DU等[6]和HOLTER等[7]用數(shù)值模擬法建立織物導濕模型，并用圖像法對模型進行驗證；FURTAK等[8]對織物進行熒光染料染色，并用圖像法分析織物導濕排汗性能。這些研究有效測試了液體在面料表面擴散性能，但無法測試液體在織物內(nèi)部的擴散情況。YU等[9]分析了紗線混紡比對織物中汗液傳導、汗液吸收及蒸發(fā)等性能的影響；CHEN等[10]研究了異收縮滌綸織物的導濕排汗性能。相關(guān)研究揭示了紗線混紡比及紗線性能與織物導濕排汗性能之間的規(guī)律，但其研究采用傳統(tǒng)測試方法，且導濕性能和排汗性能需分2套裝置分別進行測試，耗時較長。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)電阻法檢測原理，在不同方向?qū)⒍喔结槻迦肟椢飪?nèi)部。一方面可檢測汗液在織物各不同方向上的內(nèi)部擴散情況；另一方面可測試液滴在織物內(nèi)部的擴散問題。設(shè)計的織物導濕排汗性能自動測試裝置利用強大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對數(shù)據(jù)長時間監(jiān)測，可評價液滴在織物上擴散以及蒸發(fā)性能，以解決傳統(tǒng)儀器無法同時測試汗液在織物上擴散及蒸發(fā)性能的問題。

1 測試裝置

織物導濕排汗性能自動測試裝置設(shè)計基本原理是：在織物中插入探針1、2，并將其與2 MΩ定值電阻串聯(lián)，接入5 V直流電源中。將調(diào)配好的模擬汗液(0.09 g/mL的NaCl溶液)，由可調(diào)式移液器精確量取0.2 mL(接近于人體1滴汗體積)，經(jīng)注液管注入織物，當汗液沿織物由探針1擴散至探針2位置后，2個探針之間的電阻值從109～1014Ω瞬時下降至107Ω以下，此時探針1、2之間分得的電壓信號由5 V開始明顯減小，記錄汗液由滴入時刻到遷移至探針2的時間，可掌握汗液擴散情況。隨著汗液蒸發(fā)，探針1、2之間電阻增大，電壓表之間電壓值增大，當趨近于5 V，則說明汗液已經(jīng)蒸發(fā)完畢。

為掌握液滴在織物中的擴散情況，隨機選擇2款面料a、b，其中：a為滌綸織物，平紋，面密度為160 g/m2，經(jīng)緯紗均為345 dtex滌綸DTY長絲，經(jīng)密為345根/10 cm，緯密為321根/10 cm；b為全棉織物，平紋，面密度為180 g/m2，經(jīng)緯紗均為28 tex棉紗，經(jīng)密為400根/10 cm，緯密為220根/10 cm。用移液器精確量取0.2 mL有色墨水滴入織物中，在30 mim后拍攝墨水在織物中擴散后的圖像，如圖1所示。

圖1 液滴擴散圖Fig.1 Droplet dispersion. (a) Polyester fabric;(b) Cotton fabric

由圖1可知，液滴沿著織物左右側(cè)擴散情況接近，如測定液滴沿著織物單側(cè)擴散情況，可間接獲得液滴沿織物另一側(cè)擴散的情況，因此，在織物單側(cè)不同方向布置多根測試探針，可檢測汗液沿著織物不同方向、不同位置的導濕、排汗情況。各探針分布孔位如圖2所示，各方向相鄰探針間距為5 mm，探針固定在電路板上，測試時將織物平放入探針中固定即可。對針織物，經(jīng)向?qū)v向，緯向?qū)獧M向。

圖2 探針孔位分布圖Fig.2 Probes hole position distribution

各探針與注液位置之間的電壓值由PCI8210多路高速采集卡自動采集，信號采樣頻率為10 Hz，通過Labview軟件對采集卡采集數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)實時檢測。為降低測試裝置噪聲干擾，電路中所用的探針和線路都經(jīng)鍍金處理，減小電阻。檢測電路中包括5 V直流電源，電源有2種輸入方法：一是接入實驗室的直流穩(wěn)壓電源，該電源穩(wěn)定性好，測試準確；二是直接接入5 V的移動手機充電電源，主要是便攜應用。定值電阻2 MΩ、測試電路、64針信號輸出線及接線口都集成在電路板中。

2 織物導濕排汗評價方法

2.1 汗液沿織物傳導擴散指標

模擬汗液沿織物各方向擴散最大位移SJ1、SJ2、SW、S30、S45、S60，由各方向接收到電壓信號的檢測探針至基準探針間距離確定。其中：SJ1為縱向向上最大位移；SJ2為縱向向下最大位移；SW為橫向擴散最大位移；S30、S45、S60分別表示汗液沿織物30°、45°、60°方向擴散最大位移。經(jīng)向用2個方向，用于評價織物同一方向?qū)衽藕剐阅懿町惽闆r。

汗液沿織物各方向擴散速率隨時間的延長而減小，平均速度無法客觀評價汗液擴散速率，采用Lucas-Washburn方程，通過一元線性回歸得到芯吸速率W來評價擴散速率，即

式中：下標i表示方向；Li為液體沿著不同方向擴散位移；ti為對應擴散時間。根據(jù)方向不同，設(shè)定WJ1、WJ2、WW、W30、W45、W60為芯吸速率指標。

2．2 織物排汗評價指標

用織物各不同方向排汗(或蒸發(fā))時間TJ1、TJ2、TW、T30、T45、T60表示。具體數(shù)值為各方向距離基準探針最近的測試探針接受到電壓變小時間t1與各個方向距離基準探針最近的測試探針電壓信號達到5 V的時間t2之間的時間間隔，即Ti=t2-t1。

3 儀器性能評價

3．1 實驗材料

采用美國杜邦公司的33.33 dtex Coolmax滌綸導濕排汗長絲紗為原料，經(jīng)德馳DC252S-12G型電腦橫機編織成11塊針織物，織物參數(shù)如表1所示。

表1 織物參數(shù)Tab.1 Specifications of fabrics

3．2 對比實驗

采用織物導濕排汗性能自動測試裝置測試各織物導濕排汗性能，同時引入對比實驗，織物吸濕性能依據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，采用YG(B)871型毛細管效應測定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)測試織物的芯吸性能。芯吸時間用秒表計時，初始5 min內(nèi)每隔30 s記錄織物毛細效應高度值，5～30 min內(nèi)每隔5 min記錄織物毛細效應高度值。采用Lucas-Washburn方程，通過一元線性回歸得到芯吸速率指標用于評價速率，30 min時織物毛細高度值作為擴散最大位移。

織物排汗性能測試采用質(zhì)量稱量法，測試織物浸濕后水分隨時間的變化趨勢，樣品制備過程是將各織物在蒸餾水中浸漬2 h，待試樣完全濕潤后將織物避光自然滴干，之后放在天平中稱量，每隔30 min讀1次數(shù)據(jù)，記錄織物中水分蒸發(fā)減少情況，記錄時間即各織物干燥時間T。

3．3 實驗結(jié)果與討論

采用織物導濕排汗性能自動測試裝置測試織物2個探針電壓值隨時間變化曲線，如圖3所示。

圖3 織物2個探針間電壓變化趨勢圖Fig.3 Change trend of fabric voltage between two probes

由圖3可知：當液體滴入織物，如液體擴散到織物中某探針位置，此時注液位置與該探針間電壓值由5 V下降到4.2 V左右，這段時間即為液體擴散時間；隨后電壓值由4.2 V左右再逐漸增大，在圖中T時刻點達到5 V，此時探針周圍的液體已經(jīng)干燥，T點對應時間即為干燥時間。

為更精確得到液體由注液點擴散到織物中某探針位置的時間，將初始階段放大，如圖4所示。其中電壓出現(xiàn)明顯變化的時刻點分別記為o、a、b、c、d、e。

圖4 初始階段織物2個探針間電壓變化趨勢圖Fig.4 Change trend of fabric voltage between two probes in initial phase

由圖4可知，初始階段織物2個探針電壓值隨時間變化曲線波動較大。具體趨勢為：由o到a時間段，織物2個探針電壓值穩(wěn)定在5 V左右，此時液體對織物電阻沒有影響。在a到b時間段，電壓值出現(xiàn)小幅度下降，說明液體對織物電阻產(chǎn)生部分影響，但并沒有對織物電阻產(chǎn)生顯著變化，可認為此時液體并沒有擴散到該探針位置，而僅僅是液體中水蒸氣蒸發(fā)擴散到該探針位置引起。在b到c時間段，電壓值基本穩(wěn)定，僅出現(xiàn)小幅度下降，這是由于水蒸氣濃度增加引起。在c到d時間段，電壓值出現(xiàn)了斷崖式下降，在d到e時間段，電壓值比較平穩(wěn)，說明在c點時液體已擴散到探針位置；但液體濃度比較小，此時電壓值仍較大，隨著液體量增大，當液體濃度達到最大值時，電壓值達到最小值，因此，c點對應時刻即液體擴散到探針所需時間，d到e時間段為液體濃度最大保持時間。在e點之后時間段，電壓值增大，該階段為液體蒸發(fā)階段，但其斜率越來越小，說明液體蒸發(fā)速率越來越慢，即液體蒸發(fā)速率隨著織物中液體量的減小而變小。

為確定儀器測試穩(wěn)定性和可重復性，用測試儀器對1#織物測試2次，并隨機選擇橫向第2根(距注液管1 cm處)探針前100 s電壓變化作為對象制作曲線，如圖5所示。

圖5 電壓曲線變化Fig.5 Curve of voltage change

由圖5可得：2次測試曲線差異不大；且液體擴散到該位置時間，第1次為18.2 s，第2次為18 s，誤差很小。而該位置干燥時間第1次為4 230.4 s，第2次為4 225.6 s，相差4.8 s，對織物導濕排汗性能評價影響不大。總體上來說，儀器測試準確，穩(wěn)定性和可重復高。

通過自制儀器測得11塊織物的各方向?qū)裥阅埽绫?所示。

表2 汗液傳導擴散性能(儀器法)Tab.2 Sweat transmitting properties(instrument method)

注：極差率為各織物6個方向中最大芯吸速率與最小芯吸速率差值占6個方向芯吸速率平均值的百分比。

由表2可得，11塊織物中汗液由注液位置沿織物縱向上、下2個方向的液體擴散最大位移數(shù)值相同，而芯吸速率數(shù)值接近，說明自制儀器測試穩(wěn)定性較高。除2#、7#及11#織物各方向液體擴散最大位移無差異外，其余織物液體沿不同方向擴散最大位移都有差異，總體趨勢是液體在織物上45°方向接近縱、橫向的平均值，而30°方向接近于橫向，60°方向更接近于縱向。

液滴沿著織物各向擴散芯吸速率除2#織物與液體擴散最大位移的規(guī)律接近外，其他織物表現(xiàn)為縱和橫向芯吸速率較大，其余方向芯吸速率小，且不同方向芯吸速率差異大，最小的極差率都達到17.22%。總體上來說，11塊織物都是縱向芯吸速率最大。芯吸速率最小的有7塊分布在45°方向，即1#， 3#，4#，5#，6#，8#和9#，其余4塊分布在橫向，因此，織物不同方向芯吸速率差異顯著。采用質(zhì)量稱量法測得汗液在各織物上的蒸發(fā)性能，結(jié)果如表3所示。

表3 汗液蒸發(fā)性能(質(zhì)量稱量法)Tab.3 Sweat-discharge properties (weight method)

注：極差率為各織物6個方向中最大蒸發(fā)時間與最小蒸發(fā)時間差值占6個方向蒸發(fā)時間平均值的百分比。

由表3可得，11塊織物中除了7#和10#織物各方向汗液蒸發(fā)極差小于1%外，其余各織物汗液在不同方向的蒸發(fā)時間都有明顯差異，而極差率超過10%的織物有5塊，說明用自制儀器可區(qū)分織物不同方向的汗液蒸發(fā)速度差異。通過毛細效應法及回潮率測試法得到各織物吸濕及干燥性能，結(jié)果如表4所示。

表4 織物導濕及干燥性能(常規(guī)法)Tab.4 Moisture transmitting and drying properties of fabric(conventional method)

一般而言，液體在織物上的擴散速率或芯吸速率越大，毛細效應越高，織物上液體的蒸發(fā)速率越快，接觸空氣面積也越大，干燥時間越短；但表4中使用傳統(tǒng)毛細法和質(zhì)量稱干燥法獲得的各織物芯吸速率與蒸發(fā)速率序列差異較大，如芯吸速率最快的4#織物，干燥時間為1 350 min，排在第7位。出現(xiàn)該現(xiàn)象原因主要是毛細法提供的液體是無限量的，與織物厚度、面密度關(guān)系不大，僅與織物的組織、縱橫密度等因素有關(guān)；而質(zhì)量稱量干燥法提供的液體是定量的，且均勻分布在織物中，影響干燥時間的主要因素是織物厚度、面密度、組織、縱橫密度等，因此，當織物厚度與面密度差異較大時，織物芯吸與蒸發(fā)速率會出現(xiàn)較大差異。

表4中11塊織物縱向的芯吸速率都大于橫向，這與自制測試儀測試結(jié)果相同。在由質(zhì)量稱量法得到的織物干燥時間數(shù)據(jù)中，1#和2#織物，8#和11#織物相同，因此，干燥法對部分織物的干燥性能測試區(qū)分度不夠高。為將儀器法與傳統(tǒng)評價方法進行比較，在織物干燥性能上將質(zhì)量稱量法與儀器法的織物干燥時間作升序排列；在織物導濕性能上將毛細效應法和儀器法縱向和橫向的芯吸速率數(shù)值相加得到綜合芯吸速率WC1和WC2，并將儀器法縱向正方向與其他4個方向芯吸速率相加，得到3個綜合芯吸速率，按照從大到小排序，數(shù)值最大的排序為1，數(shù)值最小的排序為11，依次類推，排序結(jié)果如表5所示。

由表5可得，在液體擴散位移排序上，儀器法有多塊織物數(shù)值相同，說明總體區(qū)分度不高。主要原因是儀器法采用插針法，排針距離是5 mm，即測量位移精度下只能在5 mm以內(nèi)，這方面不如傳統(tǒng)的毛細法。在綜合芯吸值排序上，用自制儀器法得到2個方向(橫+縱)及5個方向(縱正向+橫+30°+45°+60°)的綜合芯吸值排序，除了3#與11#及6#與10#織物排列次序換位外，其余織物排序相同。結(jié)合毛細效應法得到的織物毛細高度及芯吸速率數(shù)據(jù)，11#織物芯吸高度和芯吸速率明顯大于3#， 10#織物也明顯好于6#織物，5個方向的綜合芯吸值比2個方向的綜合芯吸值更為準確，可認定儀器法中用5個方向的綜合芯吸值評價織物的導濕速率排序更為準確，且該方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的毛細法。在干燥時間排序上，稱質(zhì)量法和儀器法總體排序一致，即可用儀器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)稱質(zhì)量法評價織物的干燥性能，同時儀器法對織物的干燥性能評價精度更高。

表5 織物導濕排汗性能排序表Tab.5 Orders of comprehensive moisture transmitting properties

注：排列次序記為1～11，織物各評價指標涉及的性能越好，對應排列次序越小；如某個評價指標中出現(xiàn)不同織物測試數(shù)值相同的情況，則表示對應織物排序并列，將涉及的織物放在同一括號內(nèi)作區(qū)分。

4 結(jié) 論

1)由全自動織物導濕及干燥性能測試儀得到的電壓曲線可明顯區(qū)分織物干濕狀態(tài)及吸水量變化情況，可較好地評價織物導濕及干燥性能，是一種準確、有效的測試方法。

2)用自制儀器測得織物不同方向的導濕速率差異顯著，且采用5個方向的綜合芯吸值對織物導濕性能排序結(jié)果與傳統(tǒng)手工毛細效應法一致，因此，新方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。

3)用自制儀器測得織物不同方向的干燥時間差異顯著，但平均干燥時間與傳統(tǒng)稱質(zhì)量法的總體排序一致，且對傳統(tǒng)稱質(zhì)量法測得的干燥時間相同的也可作區(qū)分，因此，使用自制儀器法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)稱質(zhì)量法評價織物干燥性能，且測試精度更高。

4)與傳統(tǒng)方法相比，自動測試儀僅需取1個試樣可同時精確測試汗液沿織物5個不同方向的干燥時間和導濕速率，可減少傳統(tǒng)方法因多次取樣而帶來的樣品性能差異引起的實驗誤差。

5)采用自制儀器測試液體在織物擴散位移時，由于插針間距因素，精度不如傳統(tǒng)手工毛細效應法高，后續(xù)可增加植針密度，或者采用圖像法配合，以進一步提高測試精度。

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