單向導濕機織物結構設計

劉 杰， 王府梅

(1. 河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

導濕性能影響服裝穿著舒適性，近年來對機織物單向導濕性能方面的研究已有報導，但以往的研究大都集中于單層織物的結構設計及多層織物導濕機制方面[1-2]，以及對織物正反面通過親/疏性的功能性整理實現織物的單向導濕性方面[3]，而對有關多層導濕織物結構設計方面的研究較少，且在目前研究中，多層之間導濕通道對織物的快速導濕影響的研究也鮮有涉及，而這是多層織物快速導濕的重要因素。針對目前現狀，本文嘗試構建導濕梯度結構模型，并利用木棉纖維結構性能優勢，設計含木棉纖維的單向導濕織物。

1 單向導濕機織物梯度結構模型

在單向導濕織物結構設計中，可模仿植物獨特的結構和水傳遞機制[4]，通過原材料選用和結構設計,建立單向導濕織物梯度結構模型，以有效地提高織物液態水傳遞性能。

織物結構模型如圖1所示。結構分成3個層次，可用于多層織物的設計。模型中從里層到外層織物孔隙呈梯度遞減，如同植物中干、莖、葉中木質部導管直徑的變化，形成內外層靜水壓差[5]，產生“差動毛細效應”，以提高織物單向導濕性；同時利用外層組織小空隙產生的“蒸騰拉力”提升水分導濕的原動力[6]，通過放濕性能的提高，對織物內、外層壓力差的增大也具有協同效應，進一步提升了織物單向導濕能力。另外，模型中里層采用潤濕性能好、導濕性好的纖維，有利于保持皮膚干燥，并降低對皮膚的濕摩擦損傷，良好的潤濕性也是保證毛細管輸水的必要條件，中層采用吸濕、導濕性能好的纖維，將里層的水分快速輸出到表面，同時儲存過多的水分，外層采用快干纖維，加速水分快速蒸發。

圖1 單向導濕織物結構設計與工作機制示意圖Fig.1 Mechanism and structure diagram of fabric with unidirectional water transport

在織物設計中由于單一纖維的性能無法滿足各層次織物的功能要求，如中層纖維要求吸濕、導濕性都好，因此可通過采用原料不同的經緯紗交織或選用不同纖維如吸濕透氣滌綸(Coolmax)與棉混紡實現織物性能的要求。在織物設計中可采用表里層不同的密度比、表里層不同的組織結構和表里層不同的紗線細度實現表里層不同孔隙的梯度結構要求。同時，為保證內外層毛細管道良好的連接性，模型各層組織運用中可采用上、下接結的方式，盡量保證表、里層孔隙的直通性。

2 單向導濕不黏膚織物的結構設計

2.1 單向導濕機織物的原料選擇

考慮到導濕快干織物大都應用于運動服、特殊環境的工作服，多在熱、濕環境下穿著，層數多的織物厚度增加，不利于濕、熱的傳導和輕便舒適性，本文采用雙層織物，利用表里層不同的組織結構及接結方式，基于木棉纖維的優勢性能，設計制作單向導濕機織物。

織物原料設計中，經紗采用木棉/棉混紡紗線，緯紗采用Coolmax紗線，利用Coolmax纖維良好的導濕性能，木棉、棉纖維良好的吸濕性，柔軟的觸感[7]與織物導濕梯度結構組合，以達到良好的單向導濕性能。織物里層與皮膚接觸處為緯面浮長組織，如圖2(b)所示，少量的木棉/棉混紡紗在低濕狀態下，利用親水性基團可將皮膚表面非顯性水分及時吸收，保證人體的舒適性，在高濕狀態下，通過潤濕擴散傳遞給Coolmax紗線，導濕性好的Coolmax纖維將水分順暢傳輸，同時里層的木棉/棉混紡紗與皮膚接觸柔軟舒適，改善織物的抗靜電性能。緯面組織的緯紗Coolmax纖維也可使面料與肌膚部分保持干燥不貼身，保證高濕狀態下服用的舒適性。而且由于里層紗線集束造成表面的凹凸不平整，里層面料與皮膚之間的接觸形式是點接觸，不與皮膚緊密接觸，在二者之間留有適當的微氣候區，使服裝不緊貼人體表面，以便提高織物的透氣性，降低織物與皮膚的表面摩擦力，改善舒適性。

圖2 單向導濕織物實物圖Fig.2 Magnified view of fabric. (a) Outer side；(b) Inner side

表層經緯紗雖與里層原料選用一致，但與里層的緯面效應不同，采用平紋同面組織，如圖2(a)所示，表面的經緯組織點均勻分布，當里層通過毛細差動效應將水分傳遞到表層時，表層的Coolmax紗線具有的快干性能可快速將水分蒸發，利用類似于植物的蒸騰拉力提高表層從里層的吸水能力，也避免了表層儲存大量的水分造成織物濕重，引起人體濕冷不適感，同時，表層的部分木棉/棉混紡紗線則保證具有較大的儲水量，避免水分沿織物外表面滴落，另外，表層的平紋組織較里層組織孔隙數量多且小，如同植物的葉片一樣，這種多孔隙分布可提高水分的蒸發效率，且孔越小，所占的比例越大，擴散的速度就越快，擴散效率也越高。

2.2 單向導濕機織物的組織設計

織物組織設計中，考慮到織物實際生產的需要，為保證織造的順利進行，采用的變化組織里層以浮長組織為主，嵌以少量平紋組織，表層采用平紋組織。組織圖及形態圖如圖3所示。

從組織圖3及實物圖2中可看出，織物里層的松組織部分采用浮線緯集束組織，利用多根紗線集束在一起，交織點少，浮長線長，孔隙大，表層采用平紋組織，交織頻繁，孔隙小，表里層形成孔隙梯度構造類似于植物的干-莖結構，導水時利用孔隙大小的不同形成壓差，產生差動效應，從里層到外層，隨著織物毛細孔由粗到細的變化，毛細管導濕能力明顯增強且具有單向導濕的能力，同時采取了聯合接結法接結方式如圖3(c)所示，使表里層孔隙之間具有良好的連通性。

注：■—表層經紗與表層緯紗交織經組織點；X—里層經紗與里層緯紗交織經組織點；○—投入里緯時，表層經紗提起形成經組織點；▲—“下接上”接結緯組織點；△—“上接下”接結經組織點；□—緯組織點。圖3 導濕織物浮長部分組織圖及結構圖Fig.3 Weave and warp cross-section fabric. (a) Double weave without stitching； (b) Face warp stitching double weaves；(c) Combined stitching double weaves

2.3 單向導濕機織物的規格設計

為驗證結構模型的準確性，對比表里層組織、接結形式、原料組合對織物單向導濕性能的影響，設計并制作了不同組織、不同接結方式、不同原料的各類織物2#、3#、4#、5#、8#、9#及常規組織織物1#、6#、7#作為對比試樣，試制的織物規格見表1。并對9種織物進行了導濕性能的測試與分析。

表1 織物規格Tab.1 Specifications of fabrics

注：K—木棉；C—棉。

3 單向導濕機織物導濕性能評價

3.1 試樣測試儀器

芯吸高度測試儀器采用YG871毛細管效應測定儀，參考FZ/T 01071—1999《紡織品 毛細效應試驗方法》進行；透濕性采用LLY211型透濕杯,按照GB/T 12704—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法A吸濕法》進行測試，測試中將試樣的浮長組織作為測試面朝上放置在透濕杯上。滴水擴散時間和蒸發速率參考GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》，測試中試樣的浮長組織為滴水面。

3.2 試樣測試結果

圖4示出試樣單向導濕性能各指標的測試結果。

圖4 織物單向導濕性能Fig.4 Unidirectional water transport properties of fabric.(a)Vertical wicking height of fabric；(b)Moisture permeability of fabric；(c)Evaporation ratio of fabric；(d)Diffusion time of fabric

3.3 試樣多項綜合值評價

根據試樣導濕指標的測試結果，采用多項綜合值評價方法，利用C#編程來評價試樣單向導濕性能的優劣[8]。試樣經緯向毛細高度越大，透濕量越大，蒸發速率越大，織物導濕效果越好，織物滴水擴散時間越小，織物導濕效果越好，因此經向、緯向毛細高度、透濕量、蒸發速率為正相關，滴水擴散時間為負相關。這些性能相對獨立且對整體性能的影響程度相當，因此在評價時權重相同。

根據圖4(a)～(d)5組數據，得到原始數據矩陣：

根據下式對原始數據進行無量綱標準化處理。

式中：i=1,2,…,8；j=1,2,…,5。可得到：

xij=

建立綜合評價的數學模型：多項綜合值Si=1/2sin(π/4)(Xi1Xi2+Xi2Xi3+Xi3Xi4+Xi4Xi5)，圖5示出計算示意圖。

圖5 多項綜合值計算示意圖Fig.5 Diagram of polynomial synthesis

利用綜合評價的數學模型，經C#編程計算，織物1#～9#的多項綜合值如圖6所示。

圖6 織物多項綜合值Fig.6 Polynomial synthesis of fabrics

從圖6可看出，原料、紗線線密度相同，組織不同的織物1#和4#、7#和8#相比，表里層采用松、緊組織孔隙呈梯度結構的織物4#、8#較表里層均為平紋組織織物1#和7#的導濕性能好，表明表里層孔隙的梯度結構形成了表里層的差動毛細效應，更有利于里層水分向表層的傳導；而雙層平紋組織由于表里均為同面平紋組織，2層間無靜水壓梯度差，且里層纖維素纖維含量大，親水性纖維含量較高，造成過多的水分填充在纖維中間，導致纖維膨脹，擠占了紗線間的毛細空間，也影響了面料的導濕和快干性能。

同樣組織、原料不同的織物4#、5#和8#相比，雖然表里組織完全一致，均采用具有梯度結構的組織形式，表里層能形成孔隙的梯度差，但織物8#表層是以棉為主的平紋組織，織物4#表層為以木棉為主的平紋組織，和棉相比，木棉纖維非結晶區域大，纖維細，比表面積大，木棉的散濕性能較棉大[9-10]，蒸騰拉力更大，導濕性更好，因此，織物4#較8#的綜合值大，說明木棉/棉混紡織物要較棉織物導濕性能好，木棉纖維與快干纖維組合在提高織物的導濕能力的應用上較棉纖維具有更大的優勢，這通過織物1#和7#、3#和9#綜合值的比較也得到了驗證。另外，織物5#雖采用了與織物4#同樣的組織設計，但由于緯紗采用了普通的滌綸紗，其導濕快干性能不如Coolmax纖維，因此，織物的導濕性能較小。

織物2#、3#、4#的原料、紗線線密度、組織相同，但接結方式不同，織物的導水能力也有所差異，可見傳遞效果與接結點的分布和接結形式也有關：織物2#采用如圖3(a)所示接結方式，雙層無接結點；織物3#采用如圖3(b)所示接結方式，上接下，有2個接結點；織物4#采用如圖3(c)所示聯合接結方式，有3個接結點。測試數據顯示導濕性能隨著接結點的增加而提高，這通過織物8#、9#綜合值的對比也得到了驗證。從理論上講，接結點就像一個個輸送管道，類似燈芯點，利用燈芯點接結緯紗Coolmax纖維較強的導濕能力，將水分快速由里層送到表層，另外，接結點的增加，使接結緯紗交織時屈曲波高增大，內層纖維垂向液滴的纖維增加，更有利于刺破液滴并被潤濕，加快水的吸收。

從圖6還可看出，織物4#的多項綜合值最大，表明單向導濕性能最好，織物4#的表里層紗線均采用木棉/棉混紡紗與Coolmax交織，里層為緯面組織，緯紗Coolmax纖維表面的十字型凹槽能將水分迅速吸收并擴散，水分傳遞速度快，而表層平紋組織中的Coolmax纖維及木棉纖維具有較大的比表面積也加快了水分的散失，借助于水分散失產生的蒸騰拉力，進一步提高表層間的導水能力；同時試樣表里層組織設計采用孔隙梯度結構，利于上下層水分的傳遞和散失；另外，利用緯紗Coolmax紗線上下接結法將表里層連接起來，保持水分傳導通道的連續性，通過Coolmax接結紗的引導，水分能很快從里層傳遞到表層并散發到空氣中。而圖6顯示織物6#試樣的多項綜合值最小，表明單向導濕性能最差，這是由于織物6#表里層均為平紋組織，未形成靜水壓的梯度差，不利于里層水分向表層的傳輸，且織物中未采用Coolmax紗線，對織物的導濕性也有一定的影響。

通過對試樣導濕性能的測試與分析，驗證了單向導濕模型的有效性。

4 結 論

同樣原料、紗線線密度，不同組織的織物，表里層采用松、緊組織孔隙呈梯度結構的織物較表里層均為平紋組織的導濕性能好；組織相同，但接結方式不同的織物其導濕能力也有所差異，可見液態水的傳遞效果與接結點的分布和接結形式有關；其他規格參數相同的情況下，接結點數目的增加有利于表里層之間的水傳遞，原料組合對織物的導濕性有一定的影響，其他規格相同的木棉/棉混紡織物導濕性能較棉織物好。

基于單向導濕織物梯度模型，表里層紗線均采用木棉/棉混紡紗與Coolmax交織，利用表里層松、緊組織孔隙呈梯度結構的方式，同時表里2層利用緯紗Coolmax上下接結法連接起來的織物具有最好的單向吸濕導濕性，驗證了單向導濕結構模型的正確性。

[1] 王偉,黃晨,靳向煜.單向導濕織物的研究現狀及進展[J].紡織學報,2016,37(5)：167-170.

WANG Wei, HUANG Chen, JIN Xiangyu. Development of unidirectional water-transfer fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2016,37(5)：167-170.

[2] CHINTA S K, GU Jar P D. Significance of moisture mangagement for high performance textile fabric[J]. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 2013, 3:814-819.

[3] 賀曉莉, 王瑞, 陳旭, 等. 親/疏水整理對雙層結構棉織物導濕快干性能的影響[J]. 紡織學報, 2016, 37(1): 98-103.

HE Xiaoli, WANG Rui, CHEN Xu, et al. Influence of hydrophilic/hydrophobic finishing on moisture-transfer and dry-fast property of cotton fabric with double-layer structure[J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(1): 98-103.

[4] ZAEHLE S. Effect of height on tree hydraulic conductance incompletely compensated by xylem tapering[J]. Functional Ecology, 2005, 19(2): 359-364.

[5] ROCKWELL F E, HOLBROOK N M, STROOK A D. The competition between liquid and vapo transport in transpiring leaves[J].Plant Physiology, 2014,164(4): 1741-1758.

[6] TYREE M T, EWERS F W. The hydraulic architecture of trees and other woody plants [J]. New Phytologist, 1991, 119(3): 345-360.

[7] 高靜,趙濤,陳建波. 牛角瓜、木棉和棉纖維的成分、結構和性能分析[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2012, 38(2): 151-155.

GAO Jing, ZHAO Tao, CHEN Jianbo. Composition, structure and property analysis of Calotropis gigantea, kapok and cotton fibers[J]. Journal of Donghua

University(Natural Science Edition), 2012, 38(2): 151-155.

[8] 邱東. 多指標綜合評價方法的系統分析[M]. 北京: 中國統計出版社, 1991: 180-181.

QIU Dong. System Analysis of Multi-index Synthetical Evaluation Method[M]. Beijing: China Statistics Press, 1991: 180-181.

[9] 肖紅, 于偉東, 施楣梧. 木棉纖維的基本結構和性能[J]. 紡織學報, 2005, 26(4): 167-170.

XIAO Hong, YU Weidong, SHI Meiwu. Structures and performances of the kapok fiber[J]. Journal of Textile Research, 2005, 26(4): 167-170.

[10] SHI Meiwu, XIAO Hong, YU Weidong. The fine structure of the kapok fiber[J]. Textile Research Journal, 2010, 80(2): 159-165.