聚丙烯纖維多元共混結構對機織物導濕快干性能的影響

許晉豪 張富麗 辛斌杰 白燕 高琮 陳卓明

摘 要：為探究聚丙烯纖維對傳統機織物導濕快干性能的影響，設計4種含有聚丙烯纖維的機織物，分別對上述織物進行吸水率、水分蒸發速率、橫縱向芯吸高度、垂直布面透水性能、透濕量等性能測試，并與含有導濕快干功能性滌綸纖維（Coolmax）的相應組織進行對比。結果表明：增添有聚丙烯纖維的織物對水汽、液態水的傳導性能明顯增加，而吸濕、散濕性能有減弱的趨勢。此外，當聚丙烯纖維使用較為密集時，反而會影響織物整體的導濕性能。

關鍵詞：導濕快干;聚丙烯纖維;多元共混;織物結構

中圖分類號：TS156

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）05-0051-06

Study on the Influence of Multiplex Blending Structure of Polypropylene

Fiber on Moisture Transfer and Quick Drying Properties

XU Jinhao1， ZHANG Fuli2， XIN Binjie1， BAI Yan1， GAO Cong1， CHEN Zhuoming1

（1.School of Fashion Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China;

2.Naval Medical Research Institute，The Second Military Medical University， Shanghai 200433， China）

Abstract：To investigate the influence of polypropylene fiber on moisture transfer and quick drying properties of traditional woven fabrics， 4 kinds of woven fabrics containing polypropylene fiber were designed， and their properties were tested， including water absorption， water evaporation rate， transverse and longitudinal wicking height， vertical water permeability and moisture permeability. Besides， they were compared with the corresponding weave containing polyester fibers iwith moisture transfer and quick drying functions （Coolmax）. The results show that adding the fabric containing polypropylene fiber could significantly increase the transfer property for water vapour and liquid water， while the moisture absorption and moisture dissipation properties show a declining trend. Besides， when polypropylene fibers are densely used， moisture transfer property of fabrics will be affected.

Key words：moisture transfer and quick drying; polypropylene fiber; multiplex blending; fabric structure

聚丙烯纖維（丙綸）是由熔融紡絲法制得的，通常其纖維截面呈圓形，縱向表面光滑沒有條紋，具有輕質、高強且耐腐蝕的優點，廣泛應用于過濾、材料增強等領域[1]。聚丙烯大分子是由丙烯單體聚合而成，大分子中僅存在C—C與C—H鍵，不存在極性基團。聚丙烯纖維的形態與化學結構使其具有較弱的吸濕性能，且吸濕率一般低于0.03%，因此細旦丙綸具有良好的導濕快干性能[2]。

導濕快干性能是衡量紡織材料服用舒適性能的主要指標之一。當人體處于運動狀態下，為保證人體-服裝微環境長期處于干燥舒適的狀態，人體汗液與濕氣的快速導出已經成為紡織服裝重要功能之一，且越來越被人們所重視[3-4]。若人體所產生的汗液、水汽不能及時向外傳導而長時間留存在微環境中，不僅會影響人體的熱濕舒適感，而且若皮膚長時間處于潮濕環境下可能會誘發相關皮膚疾病，影響人們的身體健康。

因聚丙烯纖維本身較弱的吸濕性，使得水分無法集聚在纖維內部，而被向外傳導，擁有良好的導濕快干的性能[5]，可應用在功能性運動服裝領域。目前Coolmax纖維是制造速干類運動衣的首選材料。Coolmax纖維是杜邦公司設計開發的具有四管中空結構的異形滌綸纖維，具有良好的導濕快干性能。本文設計織造了4種不同結構的機織物，并在織物中加入聚丙烯纖維，測試織物導濕快干性能，與加入Coolmax滌綸紗線的織物形成對比，探究聚丙烯纖維對多元共混織物導濕性能的影響。

1 實 驗

1.1 織物設計與織造

1.1.1 紗線選擇

200 dtex/56根聚丙烯纖維中彈絲（華創紡織科技有限公司），75 dtex/72根銀離子抗菌滌綸（上海奧領紡織新材料有限公司），150 dtex Coolmax 100%滌綸（青島中泰新型材料有限公司）。

1.1.2 組織結構與織物規格參數設計

設計的4種導濕快干織物包括2種雙層組織和2種緯二重組織，分別為1號雙層透孔組織、2號雙層透孔加厚組織、3號平紋珠珠組織、4號斜紋珠珠組織。分別將聚丙烯纖維與常規Coolmax 100%滌綸配合銀離子抗菌滌綸紗線按設計要求上機織造，具體規格參數見表1、表2。

如圖1為織物的組織圖，其中在雙層透孔組織中聚丙烯纖維或Coolmax纖維與銀抗菌性滌綸經緯排列比均為1∶5，在雙層透孔加厚組織中聚丙烯纖維或Coolmax與銀抗菌滌綸性滌綸經向排列比為1∶1，緯向排列比為2∶2，且所用銀抗菌滌綸為并捻紗（4捻/cm），在平紋珠珠組織與斜紋珠珠組織中聚丙烯纖維或Coolmax纖維與功能性滌綸緯向排列比為1∶4，織物經向配置為全滌綸。

1.2 實驗儀器

GA391型單紗漿紗機、GA196型高速全自動樣品整經機、SG598型全自動劍桿織機（江陰市通源紡機有限公司）;YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）;德國KRUSS克呂士DSA25標準型接觸角測量儀（東莞市東儀精密設備有限公司）;OLYMPUS奧林巴斯生物顯微鏡CX31（OLYMPUS奧林巴斯）。

1.3 性能測試

1.3.1 吸水性能測試

將織物編號1-1至2-4裁剪規格為100 mm×100 mm試樣，參照GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分：單向組合試驗法》分別測試出每種織物試樣的M0（織物原始質量）、M（織物浸濕并滴水后的質量），根據式（1）計算出各種織物試樣的吸水率。

A/%=M-M0M0×100（1）

1.3.2 散濕性能測試

將全部織物裁剪規格為100 mm×100 mm試樣，參照GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定第1部分：單向組合試驗法》進行測試。將水滴潤濕過的織物試樣自然懸掛，每隔3 min測量織物質量Mi，根據式（2）計算出每個時間水分的蒸發量。

ΔMi=M-Mi（2）

式中：ΔMi為i時刻的水分蒸發量，M為織物滴水潤濕后的質量，Mi織物在i時刻的質量，根據測試數據畫出時間-蒸發量曲線并測算出水分蒸發速率。

1.3.3 橫縱向導水性能

采用條帶芯吸法，分別測量織物與單紗的芯吸性能。將全部織物分別沿經緯向裁剪規格為30 mm×150 mm的試樣，使用YG（B）871型毛細管效應測定儀，參照FZ/T 01071-2008《紡織品 毛細效應測試方法》進行測試。

1.3.4 垂直布面導水性能

將織物試樣裁剪為25 mm×30 mm的矩形試樣，并固定在樣品支架上。在樣品架下方放置一載玻片，將1 mL的三級水滴至載玻片表面。調節織物試樣與其下方載玻片的距離，當織物里層與液滴剛接觸時開始計時。待液滴通過織物向其外層方向傳遞，并將矩形區域完全占滿時停止計時，記錄該段時間的時長。

1.3.5 透濕性能

采用吸濕法測試織物透濕性能，將全部織物裁剪規格為100 mm×100 mm的試樣，參照GB/T 12704.1-2009《紡織品 透濕性試驗方法第1部分：吸濕法》進行測試，每種試樣測試3次。根據式（3）求出織物透濕量，最終求出織物平均透濕量。

WVT=24·ΔMS·T（3）

式中：WVT為透濕量，ΔM為同一試樣組合體兩次質量差，S為試樣實驗面積，T為實驗時間。

2 結果與討論

2.1 聚丙烯纖維對織物吸濕性能的影響

圖2為兩組織物水分吸收性能測試結果。由圖2可看出，含聚丙烯纖維織物試樣的吸水率均低于含有Coolmax滌綸纖維的吸水率。這是因為聚丙烯纖維結構緊密且表面光滑，大分子鏈為碳鏈高聚物，分子結構中缺少極性基團，其吸附功僅為棉纖維的一半，在標準環境中回潮率接近于零，屬于疏水性纖維[3]，然而組成Coolmax滌綸的主要成分為聚酯，其公定回潮率雖僅為0.4%，但Coolmax為四管道新型改性聚酯，異形截面可在一定程度增加纖維對水分的吸收性能，這使得含有Coolmax的織物試樣吸水率略高于含聚丙烯纖維的織物試樣。

從圖2還可以看出，雙層透孔組織（1號、2號）的吸水性能明顯優于緯二重珠珠組織（3號、4號），這主要是由雙層透孔組織特殊結構造成的。雙層透孔組織一側紗線排列交織松散，而另一側紗線緊密交織排列，這樣的紗線形態配置使織物形成單向鎖水結構，水分只從織物一側浸入織物，限制水分從織物內部流失，增強了其對液態水的吸收性能。此外雙層織物在內外層之間形成夾層結構，增大了織物組織的儲水空間，而進一步加強了織物組織的吸水性能。

2.2 聚丙烯纖維對織物散濕性能的影響

圖3為兩組織物試樣散濕性能測試結果。由圖3可知，含有聚丙烯纖維的織物試樣處于恒速干燥階段的水分蒸發速率明顯小于含有Coolmax纖維的對應試樣，這表明含有聚丙烯纖維的織物試樣的散濕性能相對較小，纖維自身的回潮率對于其所組成織物的散濕性能影響很小，當外界環境條件、纖維與織物結構相同時，無論纖維的組分如何，織物單位面積水分蒸發速率基本相同[7]。一方面，聚丙烯纖維表面光滑，水分不易被纖維吸收，而使其水分蒸發速率相對增加，但Coolmax纖維不僅具有化學纖維表面光滑的通性，而且其異形結構可以有效增加纖維側面比表面積，隨著比表面積增大水分在纖維上的蒸發面積也隨之增大，最終增加織物試樣的散濕性能。另一方面，液滴在含聚丙烯纖維試樣表面的橫向擴散面積小于含Coolmax纖維的試樣，導致織物表面水分蒸發面積相對較小，進而影響其散濕性能。

從圖3中還可以發現，4種織物的散濕性能從小到大依次為2號<4號<1號<3號，即雙層透孔加厚組織的散濕性能最差，平紋珠珠組織的散濕性能最佳。特別是液態水在織物2-2表面為珠狀且持續300 s以上不擴散，水珠依然存在鏡面反射，使織物表面水分很難快速蒸發。

2.3 聚丙烯纖維對織物導濕性能的影響

2.3.1 織物橫縱向的導水性能

通過經緯向芯吸高度表示織物橫縱向的導水性能。圖4為兩組織物的經向芯吸性能，可看出除3號織物以外含聚丙烯纖維試樣的經向芯吸性能均高于含Coolmax纖維的織物試樣。圖5為兩組織物緯向芯吸高度，可以發現除2號織物以外，含聚丙烯纖維織物試樣的緯向導水性能相對較好。

當織物的組織結構與經緯密相同時，組成織物所用紗線的線密度越大，紗線之間的空隙就隨之減小，這就增加了織物對水分的芯吸作用，使得含有聚丙烯纖維試樣的芯吸高度較大[8]。3號織物經向與2號織物的緯向受紗線排列比例的影響，表現出含有Coolmax纖維試樣的芯吸高度較大。這可能是因為當Coolmax纖維密集分布時，其獨特的異形結構可促進織物對水分的吸收，進而增強其芯吸性能。

2.3.2 織物垂直布面方向的導水性能

圖6為兩組織物在垂直布面方向的導水性能，主要表現在顯汗環境下織物對汗液的導出性能，是評定織物對汗液傳導能力的重要指標參數。觀察實驗結果可發現，除2號織物以外，在含聚丙烯纖維織物中，水分潤濕矩形區域時間均小于含Coolmax纖維織物試樣，即說明水分在含聚丙烯纖維織物中導出較快。

根據織物導濕快干理論，要求處于織物內層的纖維材料易被潤濕，但不易吸收水分，保證水分可快速通過。因聚丙烯纖維在常態下的吸濕回潮率為零且對水分的潤濕角可保持在50°～60°，具有不保水、潤濕性能好的特點，是導濕快干織物內層結構理想的材料[9]。在2號織物組織中，里組織的交織點較為密集，致使織物里組織與表組織相比結構較為緊密，使織物表里的差動毛細作用被覆蓋，阻礙了水分的傳導。此外織物里層經緯紗均為聚丙烯纖維，聚丙烯纖維之間相互交織，在織物內表面形成了一層拒水面，造成水分無法潤濕擴散。

圖7為織物1-1與織物2-1表面接觸角隨時間的變化情況。觀察實驗結果可知，織物2-1接觸角變化極為迅速，3 s水分可完全被吸收傳導，而織物1-1接觸角變化相對較為緩慢，60 s時表面接觸角仍為110°左右，在65 s時水滴才被完全吸收傳導。以上實驗結構說明織物2-1的導水性能好于織物1-1，即含有聚丙烯纖維的織物試樣在垂直方向的導水性能更為優異。

這是由于兩種試樣內層表面對液態水的吸收與潤濕性能存在較大差異。織物表面接觸角θ與織物本身厚度H是影響液滴吸收時間T的兩大因素，具體關系如式（4），式中K為比例系數[10-12]。

T=KH·cos2θ（4）

由式（4）可知，織物對液滴的吸收時間T與其本身厚度H和表面接觸角θ均成反比。液滴在接觸織物2-1表面初始接觸角為29°，兩種試樣厚度均為（0.45±0.05） mm，由此可得織物2-1內層表面對液態水的吸收與潤濕性能優于織物1-1。

圖8為織物2-1（a）與織物2-2（b）的滴水擴散示意圖。觀察發現，液滴在織物2-1上被快速吸收，但在織物2-2中幾乎不沿垂直布面方向擴散。根據楊-拉普拉斯方程：

P=4·γ·cosθD（5）

式中：P為拉普拉斯壓力;γ為液滴表面張力;D為水滴接觸面空隙直徑。

根據式（5）可以發現，在D值一定時，織物表面對水分芯吸作用與其表面疏水性能呈負相關[13-15]。當θ大于90°時，織物表面疏水性對液滴的影響大于其芯吸性，阻礙液滴在織物中的傳導，最終減弱織物在垂直布面方向的導水性能。

圖8（c）、圖8（d）分別為織物2-1與2-2內層顯微結構圖。觀察圖像可知兩種試樣內表面孔徑尺寸相似，但織物2-2內層所用聚丙烯纖維量明顯高于織物2-1，這樣的紗線配置導致織物2-2內層表面接觸角大于90°，且持續300 s沒有明顯變化，導致由差動毛細效應產生的拉普拉斯壓力P始終為負值，阻擋水分透過布面，從而影響織物在垂直布面方向上的水分傳導性能。

2.3.3 織物透濕性能

圖9為兩組織物透濕性能實驗結果，與上述織物垂直布面方向的導水性能不同，透濕性是人體在無顯汗狀態下，織物對于所產生水汽的導出性能，同樣為判定織物導濕性能重要的指標。

觀察實驗數據可以得出，除4號斜紋珠珠組織以外，其余含聚丙烯纖維織物試樣的透濕性能均優于含Coolmax纖維織物試樣。這是因為當聚丙烯纖維加入至織物中，其內外層親疏水性能差距進一步被擴大，聚丙烯纖維具有良好的疏水性能且保水性能差，是良好導濕材料，可以促使水汽沿垂直于織物方向傳導至織物表層，進一步加大了所設計織物的差動毛細效應，使得織物的透濕性能得以改善。

比較兩種斜紋珠珠組織的透濕性，含Coolmax滌綸織物的透濕性能略高于含聚丙烯纖維織物試樣，但兩者差幅相差不大。這是因為織物組織結構以及上機工藝參數對織物透濕性能的影響作用。當經緯密分別為640根/10 cm與400根/10 cm，且織物組織結構為斜紋時，機織物的導濕性能最佳[7]。在4號織物組織中所設計經緯密與最優工藝參數基本相同，而織物結構主要由斜紋所組成，這樣的工藝設計與組織配置對織物試樣的影響覆蓋了紗線本身的影響，最終使得兩組織物所測結果相近。

3 結 論

a） 加入聚丙烯纖維后，織物的吸水率、水分蒸發速率有下降的趨勢，表明聚丙烯纖維的加入會減弱織物吸水、散濕性能。

b） 聚丙烯纖維加入織物中，會增大織物的差動毛細效應，水分在垂直于試樣方向的傳導性能增強。但所用聚丙烯纖維過量，會使差動毛細效應被其本身疏水性能所覆蓋，阻礙水分通過織物，對織物水分傳導性能產生影響。

c） 在4種織物中，雙層透孔組織的吸水性能與透濕性能最佳。斜紋珠珠組織的橫縱向以及垂直于布面的導水性能最好。雙層透孔加厚組織因其組織結構設計的原因，使得聚丙烯纖維本身疏水性能覆蓋了織物表里層之間的差動毛細作用，水滴無法正常垂直透過織物向外側擴散，對織物的導濕快干性能具有一定影響。

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