咖啡炭纖維對無縫針織物性能的影響

鄧亞敏　閻玉秀　金子敏

摘 要：為探究咖啡炭纖維對無縫針織物性能的影響，選用咖啡炭纖維紗線、普通錦綸紗線為原材料，設計并試制了6種無縫針織試樣，對試樣的抗菌、釋放負離子、導濕和保暖性能指標進行測試分析，研究不同咖啡炭纖維含量、不同組織結構對其性能的影響。結果表明：咖啡炭纖維表面的多孔結構使織物具有較好的抗菌、釋放負離子和保溫性能，且隨著咖啡炭纖維含量的增加，其織物的抗菌、釋放負離子和保溫性能越好;當面紗為100%咖啡炭紗線，組織結構為平針添紗組織，織物抗菌性較優，組織結構為1+2假羅紋，織物釋放負離子和保溫性較好;隨著咖啡炭纖維含量的增加，織物芯吸高度先增大后減小，面紗選用75%咖啡炭紗線+25%普通錦綸紗線，組織結構為1+2假羅紋，其織物的導濕性更優。最后運用灰色近優模型對織物進行綜合性能評價，結果顯示織物面紗采用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋時綜合性能最優。

關鍵詞：咖啡炭纖維;無縫針織;抗菌性能;釋放負離子性能;導濕性;保溫性能

中圖分類號：TS 102.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0048-05

Effect of Coffee Carbon Fiber on the Properties of Seamless Knitted Fabrics

DENG Yamina， YAN Yuxiua， JIN Ziminb

（a.School of Fashion Design & Engineering; b.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou310018， China）

Abstract：To explore the effect of coffee carbon fiber on the performance of seamless knitted fabrics， the coffee carbon yarn and ordinary nylon yarn were selected as raw materials to prepare 6 kinds of seamless knitted fabrics by multi-factor design method. The fabrics were tested and analyzed for their antibacterial property， negative-ion release property， wet permeability and thermal insulation property. The effects of different content of coffee carbon fiber and different weave structures of fabrics on their properties were studied. The results showed that the porous structure of the surface of coffee carbon fiber made the fabric own good antibacterial property， negative-ion release and thermal insulation properties. With the increase in the content of coffee carbon fiber， the antibacterial property， negative-ion release and thermal insulation properties of fabrics were better. When the veil was made of 100% coffee carbon fiber content， the weave structure was weft plain plating weave; the fabric had good antibacterial property; the weave structure was 1+2 mockrib; the fabric had good negative-ion release and thermal insulation properties. For the wet permeability of the fabric， the wicking height of the fabric first increased and then decreased with the increase in the content of coffee carbon fiber. When the veil was made of 75% coffee carbon yarn +25% ordinary nylon yarn， the weave structure was 1+2 mockrib， and the fabric had better wet permeability. Finally， the gray near-optimal model was used for comprehensive evaluation of the fabric. The results showed that the overall performance was optimal when the fabric veil was made of 100% coffee charcoal yarn and the weave structure was 1+2 mockrib.

Key words：coffee carbon fiber; seamless knitted fabric; antibacterial property; negative-ion release property; wet permeability; thermal insulation property

針對健康、舒適、環保、可持續的消費升級需求，利用新型天然纖維原料開發健康舒適、綠色安全、養生保健等高性能、多功能紡織品已成為當務之急。咖啡炭纖維作為一種新型的功能纖維，在抗菌、釋放負離子等方面有著顯著的優勢[1]。近年來，國內外的學者對咖啡炭在紡織品方面的開發進行了探索和研究，Hung等[2]將咖啡炭顆粒炭化制備了母粒，并添加到滌綸紡絲液中紡制成咖啡紗;徐征奇等[3]對S.Cafe科技咖啡紗的工藝流程、吸濕、除臭、抗紫外線等功能進行了研究，并總結了其發展現狀及應用前景;張永超等[4]設計開發了咖啡炭緯編平添紗面料，與普通錦綸平添紗面料對比，對面料的抗菌、保暖、透氣等性能進行了研究。但就目前來看，咖啡炭用于運動針織面料的服用性能研究還很少。

本文結合近幾年運動面料的發展需求，選用一次成型的無縫織造技術，試制6種適用于運動服裝的咖啡炭無縫針織試樣，并對咖啡炭纖維形態結構和6種試樣的抗菌性、釋放負離子性、導濕性及保溫性進行了研究，探討纖維及其集合體的結構、咖啡炭纖維含量及組織結構對其性能的影響，并利用灰色近優模型對試樣進行綜合評判，以便為功能性面料的研究及運動服裝的面料選擇提供參考依據。

1 咖啡炭纖維性能

咖啡炭纖維是以滌綸、錦綸為載體，咖啡炭為納米粒子附著在上面的纖維[5]。為深入探討咖啡炭織物的性能，采用JSM-5610LV掃描電鏡（日本電子株式會社）對咖啡炭錦綸纖維進行調像觀察，電鏡照片見圖1。從圖1中可看出，咖啡炭纖維縱向表面凹凸不平，具有很多孔洞，這是因為咖啡炭顆粒附著在錦綸纖維表面，橫斷面呈現不規則的多邊形。這些纖維表面的微小孔洞能有效改善纖維的吸水、吸附和織物手感，使得咖啡炭纖維織物具有較好的吸附功能和排汗效果，使體表保持干爽舒適的狀態，還可以較好地吸附異味，減少細菌滋生[6-7]。此外微小的孔洞可以增加靜止空氣的含量，使得織物具有較好的保溫性[8]。由此可知，咖啡炭錦綸纖維可以廣泛應用于襪子、運動衣、內衣、家居用品等產品的開發。

2 實 驗

2.1 實驗材料與儀器

實驗材料：選用咖啡炭紗線（4.4 tex，）、普通錦綸（8.7 tex）為面紗，以錦氨包覆紗[33.3 dtex（30D）錦綸絲/22.2 dtex（20D）氨綸絲]為地紗，采用SM8-TOP2S無縫針織機（意大利圣東尼公司）編織試樣，選用8路喂紗方式，通過改變喂紗路數來改變兩種面紗的交織比例，組織結構選擇運動面料常用的平針添紗、1+2假羅紋。試織出A和B系列共6種試樣，具體參數規格見表1。

實驗儀器：LTI-700恒溫培養箱（上海愛朗儀器有限公司）;BJ-1CD二級生物安全柜（上海博創醫療設備有限公司）;SHA-2水浴冷凍恒溫振蕩器（金壇市瑞華儀器有限公司）;Air Ion Counter空氣離子檢測儀（深圳市深博瑞儀器儀表有限公司）;PW-5P-AT2自動吸水速度測試機（日本株式會社大榮科學精器制作所）;YG606D型平板式保溫儀（溫州方圓儀器有限公司）。

2.2 性能測試

2.2.1 抗菌性能

參照GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：震蕩法》，選擇大腸桿菌、金黃色葡萄球菌作為革蘭氏陰性細菌、革蘭氏陽性細菌。將織物分別裁成約5 mm×5 mm大小的碎片，稱取（0.75±0.05）g作為一份試樣，經滅菌處理后分別放入3個裝有菌液的燒瓶內，蓋好瓶塞，置于恒溫振蕩器上，在（24±1）℃，以150 r/min震蕩18 h。在安全柜內用10倍系列稀釋菌液，用試管取1 mL移入滅菌平皿中，涂抹均勻，用保鮮膜密封，倒置平皿，放入37 ℃培養箱中培養24～48 h，最后進行菌落數及抑菌率測定，其抑菌率Y的計算見式（1）。

Y/%=（W-Q/Q）×100 （1）

式中：Y為試樣的抑菌率，%;W為空白對照組的平均菌落數，個;Q為試驗組的平均菌落數，個。

2.2.2 釋放負離子性能

根據GB/T 30128—2013《紡織品負離子發生量的檢測和評價》，裁取3組試樣，每組2塊，一塊安裝在上摩擦盤，另一塊安裝在下摩擦盤。首先測量封閉箱內空氣負離子量，然后開啟摩擦裝置，測量試樣摩擦時封閉箱內空氣負離子量，最后計算織物釋放的負離子濃度。

2.2.3 導濕性能

參照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》，分別裁剪3塊試樣，規格為40 cm×5 cm。經調溫調濕后，將試樣夾持在橫梁架上，保證試樣垂直，然后調整橫梁架使試樣下端浸入液面，測量30 min，記錄數據，實驗時溫度為（20±2）℃、相對濕度為65%±3%。

2.2.4 保溫性能

根據GB/T 11048—2008《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》，分別選取3塊試樣，規格為30 cm×30 cm，將其覆蓋在實驗板上，通過電熱方式控制底板、試驗板和保護板保持相同的恒溫，使得試驗板的熱量只能通過試樣散失，當試驗條件達到穩定后，記錄試驗數據。

3 結果與分析

3.1 抗菌性能

圖2、圖3所示為大腸桿菌、金黃色葡萄球菌菌落生長情況，圖2（a）、圖3（a）為空白對照組，不加入任何試樣，經18 h震蕩后稀釋培養的菌落生長情況。從圖2、圖3可以看出A1試樣的培養皿中的菌落數明顯比空白對照樣的菌落數少很多，而A3、B3織物的培養皿中的菌落數相對較多。各試樣的抗菌性測試結果見表2。

由表2可知，A系列中A1試樣的抗菌性能較好，抑菌率達到79%以上，A3試樣抗菌性能較差。B系列中B1試樣的抑菌率達到73%以上，與同系列其他試樣相比，抗菌性較好。由此可得，咖啡炭具有一定的抗菌作用。A系列試樣與同成分的B系列試樣相比，其抗菌性較好，原因是B系列試樣采取1+2假羅紋組織，與A系列試樣相比，孔隙較多、織物較厚、利于微生物附著，為細菌的生存和繁殖提供了條件。因此，咖啡炭具有較好的抗菌性，試樣面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構選取平針添紗組織，抗菌性相對較好。

3.2 釋放負離子性能

空氣負離子能夠凈化空氣，促進血液循環，加快運動后乳酸的消除，提高人體免疫力，具有很好的保健功效[9]。負離子發生量的評價為：釋放濃度>1 000個/cm3，負離子發生量較高;釋放濃度550～1 000個/cm3，負離子發生量中等;釋放濃度<550個/cm3，負離子發生量偏低。圖4顯示了各試樣釋放負離子的測試結果。

結果顯示，A、B系列中A1、B1試樣負離子發生量較高，釋放負離子濃度均大于2 400個/cm3，而A3、B3織物負離子發生量偏低，釋放負離子濃度<550個/cm3。由此可得，咖啡炭纖維具有較好的釋放負離子性能，隨著咖啡炭含量的增加，試樣負離子發生量越高。通過對相同咖啡炭含量試樣的對比可知，B系列試樣釋放負離子濃度相對較高，原因在于A系列試樣是平紋添紗組織，線圈排列緊密，空隙較小，而B系列是1+2假羅紋試樣，試樣蓬松，空隙較大，所以比表面積相應較大，釋放負離子濃度也相應較高。測試結果表明：咖啡炭纖維含量越大，試樣釋放負離子性能越好，面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋，其試樣的釋放負離子性較好。

3.3 導濕性能

織物的導濕性能是通過毛細管作用實現的，是一種芯吸傳遞，主要取決于纖維的表面潤濕性能、纖維形態、纖維細度、組織結構及試樣后整理[10]。運動服使用導濕性好的面料可以將汗水及時傳遞到外層，使體表保持干燥狀態，可避免運動之后體熱的過分散失。圖5為各試樣芯吸高度的測試結果。

由圖5可以看出，A系列中A2試樣具有較高的芯吸高度，而A3試樣芯吸高度較低。同理B系列中B2試樣芯吸高度較高，B3試樣芯吸高度較低，試樣導濕性呈現隨著咖啡炭纖維含量的增大先增大后減小的趨勢，雖然咖啡炭纖維微小孔洞較多、比表面積較大，但是面紗中較細的咖啡炭纖維增加到一定程度可能會不利于試樣導濕性的增加。從橫縱方向來看，橫向上A系列試樣的芯吸高度稍大于B系列芯吸高度，而縱向上B系列試樣的芯吸高度大于A系列芯吸高度，原因是A系列試樣是平紋添紗組織，縱向條紋平坦均勻，沿橫向彎曲的整根紗線的毛細孔隙貫通性比沿縱向的串套線圈要好，利于液態水的傳遞，而B系列試樣是1+2假羅紋，縱向線圈呈3∶1正反結構間隔排列，利于液態水的傳遞，然而橫向紗線彎曲較大，阻礙了水分的傳遞。測試結果表明：面紗選用75%咖啡炭+25%普通錦綸紗線，組織結構為1+2假羅紋，其試樣的導濕性較好。

3.4 保溫性能

圖6為各試樣保溫率的測試結果。由圖6可以看出，A系列中，在試樣厚度相近的情況下，試樣的保溫率隨著咖啡炭含量的減少而下降。由此可以得出，試樣的保溫性與纖維原料有很大關系，咖啡炭纖維表面的多孔結構，使得咖啡炭試樣具有較好的蓄熱保溫作用。從整體來看，B系列試樣的保溫率大于A系列試樣的保溫率，原因在于B系列試樣為1+2假羅紋組織，較A系列試樣厚度大，試樣內含有大量的靜止空氣，因此保溫性較A系列試樣好。由此可得，面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋，其試樣的保溫性較好。

3.5 綜合評價

為探究6種試樣的整體性能優劣性，利用灰色近優模型對織物進行綜合性能評價。根據試樣各性能的測試，將試樣Mj（j=1，j=2，…，j=m）的E.coli抗菌率、S.aureus抗菌率、負離子濃度、縱向芯吸高度、橫向芯吸高度及保溫率作為考核指標Ci（i=1，i=2，…，i=n），建立白化灰矩陣Rn×m。

由于試樣的各性能指標的量綱不同，難以計算，因此要對不同量綱的性能指標數據進行標準化處理，即將各性能指標數據映射到[0，1]區間，得到近優白化灰矩陣R′n×m。試樣的抗菌率、負離子濃度、芯吸高度及保溫率均是數值越大性能越優，所以采用上限效果測度換算[11]，計算方法見式（2）。

R′ij=Rijmax{Rij，umax}（2）

式中：umax為考核指標Ci（i=1，i=2，…，i=n）中指定的最大值。

根據近優白化灰矩陣R′n×m，計算6種試樣的近優度R′s，近優度越大試樣的綜合性能越好。近優度R′s為：R′s=Sj16∑6i=1R′i×1，16∑6i=1R′i×2，16∑6i=1R′i×3，

16∑6i=1R′i×4，16∑6i=1R′i×5，16∑6i=1R′i×6=[0.94，0.84，0.64，0.97，0.90，0.64]。由此可知，6塊試樣的綜合性能排序為：B1>A1>B2>A2>A3=B3。其中B1試樣近優度最高，即試樣面紗采用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋時綜合性能最優。

4 結 論

a）咖啡炭纖維呈現不規則多邊形，且表面附著很多咖啡炭顆粒，其多孔結構可以有效改善纖維的吸水、吸濕、染色，能夠增強咖啡炭纖維織物的導濕性、保暖性，改善織物手感。適于開發襪子、運動衣、內衣、家居用品等產品。

b）咖啡炭試樣具有一定的抗菌、釋放負離子性能，且隨著咖啡炭纖維含量的增加，其試樣的抗菌性、釋放負離子性能越好。試樣面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構選取平針添紗組織，試樣抗菌性相對較好。面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋，其試樣釋放負離子性更優。咖啡炭織物與普通錦綸織物相比，其導濕性和保溫性均有較大差異。隨著咖啡炭纖維含量的增加，試樣芯吸高度先增大后減小，面紗選用75%咖啡炭+25%普通錦綸紗線其試樣的導濕性更具有優勢。在織物保溫性方面，咖啡炭織物優于普通錦綸織物，并隨著咖啡炭纖維含量的增加織物的保溫性越好。面紗選用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋，試樣的保溫性更好。

c）運用灰色近優模型得到6塊試樣的綜合性能排序為：B1>A1>B2>A2>A3=B3，即試樣面紗采用100%咖啡炭紗線，組織結構為1+2假羅紋時綜合性能最優。

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