熊晶晶, 傅佳佳, 王文聰, 王鴻博
(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)
吸濕快干紡織品是兼具優(yōu)良吸濕性和快速傳導(dǎo)排濕特性的功能紡織品,常用的天然纖維和化學(xué)纖維制品都無法完全滿足吸濕快干的功能要求。科研人員利用纖維原料物理化學(xué)改性、織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后整理等方式實(shí)現(xiàn)織物的吸濕快干功能,并開發(fā)了一系列吸濕快干功能面料,獲得廣泛應(yīng)用[1]。然而,對(duì)吸濕快干類服裝及面料的性能測評(píng)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),已有檢測方法不夠精確、重現(xiàn)度差,生產(chǎn)企業(yè)定義產(chǎn)品功能的方式也不同,導(dǎo)致這類服裝及面料質(zhì)量參差不齊[2]。文中在探討織物濕傳遞機(jī)理的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)測試織物吸濕快干相關(guān)性能的常用方法,并介紹幾種國內(nèi)外對(duì)相關(guān)性能測試提出的新方法、新技術(shù)。
織物的吸濕快干性能主要與織物對(duì)水分的吸收和傳輸能力有關(guān),因此,探討織物濕傳遞特性是研究織物吸濕快干性能的重要環(huán)節(jié)。在濕傳遞過程中,通過織物的水分子存在液相和氣相兩種相態(tài)。織物對(duì)液態(tài)水的傳遞可看成是一個(gè)多環(huán)節(jié)的完整過程,包括織物對(duì)液態(tài)水的吸收擴(kuò)散、傳導(dǎo)及水分在織物表面的蒸發(fā)逸散,具體如圖1所示。液態(tài)水接觸織物后,潤濕織物并被吸收,同時(shí)在織物內(nèi)部纖維或紗線間的毛細(xì)管芯吸作用下向四周擴(kuò)散,并向織物另一側(cè)(滲透面)傳導(dǎo),傳導(dǎo)到織物滲透面的水分蒸發(fā)逸散到空氣中[3]。

圖1 液態(tài)水濕傳遞過程
氣態(tài)水在織物中的傳遞途徑有兩種:①氣態(tài)水在織物縫隙中由水蒸氣分壓高的一面向分壓低的一面擴(kuò)散;②氣態(tài)水在織物一側(cè)表面及紗線、纖維間的縫隙中凝結(jié)后,在微細(xì)通道中形成毛細(xì)管水并經(jīng)過毛細(xì)輸送,在另一側(cè)蒸發(fā)到環(huán)境中,與液態(tài)水傳導(dǎo)過程相同[4]。
織物的濕傳遞包括織物對(duì)液態(tài)水的吸收、傳導(dǎo)和蒸發(fā)逸散以及氣態(tài)水在織物中的擴(kuò)散過程,它直接影響織物的吸濕導(dǎo)濕性、快干性和透濕性。織物吸濕性越好,越容易被潤濕,吸濕越快;液態(tài)水在織物表面擴(kuò)散面積越大,速度越快,水分的蒸發(fā)干燥越快,織物快干性能越好[5]。因此,評(píng)價(jià)織物吸濕快干性能的方法主要是測試織物的透濕性、吸濕導(dǎo)濕性和快干性,再根據(jù)織物的最終用途和功能進(jìn)行綜合評(píng)判。
織物透濕性與人體潛汗?fàn)顟B(tài)下織物對(duì)氣態(tài)水的傳遞有關(guān)。人體在一般環(huán)境下即使沒有較大活動(dòng)量,也會(huì)因新陳代謝不斷與外界環(huán)境進(jìn)行熱濕交換,若皮膚表面產(chǎn)生的濕氣不能及時(shí)排出體外,會(huì)導(dǎo)致氣態(tài)水凝結(jié)成液滴,引起黏連,產(chǎn)生不適感,所以對(duì)織物透濕性的測定有助于全面衡量吸濕快干織物的功能性和舒適性[6]。當(dāng)人體處于顯汗?fàn)顟B(tài)時(shí),一般不使用透濕性來衡量織物的吸濕快干性能,而是通過測試織物對(duì)液態(tài)水的吸收和傳導(dǎo)性能來綜合評(píng)定。
國內(nèi)外常用的紡織品透濕性能測試標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1的測試標(biāo)準(zhǔn)中主要以透濕率(即在一定的溫度條件下,規(guī)定時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積織物試樣的水蒸氣質(zhì)量)來表征織物透濕性能。

表1 紡織品透濕性能測試標(biāo)準(zhǔn)
2.2.1垂直芯吸法 垂直芯吸法是常用的直接測試織物吸濕導(dǎo)濕性的方法。測試時(shí),將待測織物試樣剪成長條形,把試樣一端懸掛在鐵架臺(tái)上,另一端接觸水面或浸入水中,測量一定時(shí)間后水分通過織物毛細(xì)作用所爬升的高度,或者測試水跡上升到一定高度所需要的時(shí)間,具體如圖2所示。通過芯吸高度或芯吸時(shí)間表示織物傳輸水分的能力,一般認(rèn)為單位時(shí)間內(nèi)芯吸高度越高或芯吸時(shí)間越短,織物吸濕導(dǎo)濕性能越好。由于織物的結(jié)構(gòu)或顏色會(huì)影響肉眼對(duì)水跡爬升過程的判斷,測試時(shí)通常會(huì)在水中加入不影響試驗(yàn)結(jié)果的著色劑,以方便肉眼識(shí)別。

圖2 芯吸法
國內(nèi)外常用的測試織物吸濕導(dǎo)濕性能的標(biāo)準(zhǔn)中,運(yùn)用垂直芯吸法的有GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1 部分:單向組合試驗(yàn)法》[11],AATCC 197—2013Verticalwickingoftextiles[12],JIS L 1907—2010Testmethodsforwaterabsorbencyoftextiles[13],不同標(biāo)準(zhǔn)測試方法略有不同,測試原理基本一致。
2.2.2滴液法 滴液法是將液態(tài)水滴在織物表面,觀察其在織物表面擴(kuò)散情況,以判斷織物吸濕導(dǎo)濕性的測試方法,具體如圖3所示。測試時(shí)有兩種滴水情況:①將一滴水從固定高度滴到織物表面,記錄從水滴接觸織物表面到完全擴(kuò)散(不再呈現(xiàn)鏡面反射)所需時(shí)間,該方法也被稱為滴水?dāng)U散時(shí)間法,常用來表征織物吸水速度的快慢[見圖3(a)]。②將一定體積的水持續(xù)滴到織物表面,記錄其在織物表面朝各方向擴(kuò)散的情況,根據(jù)不同時(shí)間水分?jǐn)U散面積或潤濕半徑的變化,得到水分?jǐn)U散速率曲線,用以實(shí)時(shí)分析水分在織物表面?zhèn)鲗?dǎo)情況,這種方法也被稱為水平芯吸法[見圖3(b)][14]。滴液法測試簡便快捷,是被廣泛使用的一種評(píng)價(jià)織物吸濕快干性能的方法,滴水?dāng)U散時(shí)間越短,織物對(duì)水的吸收速度越快。

圖3 滴液法
國內(nèi)外常用的測試標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)用滴液法的有GB/T 21655.1—2008,JIS L 1907—2010,AATCC TM 79—2014Absorbencyoftextiles[15],AATCC 198—2013Horizontalwickingoftextiles[16]。其中,AATCC 198—2013標(biāo)準(zhǔn)中使用的是水平芯吸法,具體測試方法為:在面料上畫一直徑為100 mm的圓,從滴管中釋放 1 mL水到圓中心位置,記錄水潤濕至圓圈邊線時(shí)潤濕織物的長度、寬度和時(shí)間,再由此計(jì)算水分?jǐn)U散速率。其他幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均使用的是滴水?dāng)U散時(shí)間法原理。
2.2.3靜態(tài)潤濕法 靜態(tài)潤濕法是將織物在水中浸沒一定時(shí)間后取出,測試織物的吸水率或保水率,可以直接反映織物的吸水能力。運(yùn)用靜態(tài)潤濕法的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 21655.1—2008,JIS L 1907—2010,BS 3449—2012Methodforresistanceoffabricstowaterabsorption(staticimmersiontest)[17]。張婧煒等[18]認(rèn)為,吸水率側(cè)重于考量織物對(duì)水分的吸附容納能力,這與吸濕快干織物的特點(diǎn)不完全一致。吸濕快干織物要求具有良好的吸濕性并能將水分迅速排出,若織物對(duì)水分的吸附能力過強(qiáng),可能會(huì)阻礙水分的傳遞和蒸發(fā)。
2.2.4液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞性能綜合測試 織物液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞性能綜合測試采用水分管理測試儀(moisture management tester,MMT),測試時(shí)利用與織物上下兩個(gè)表面接觸的同心圓環(huán)傳感器測定水分在織物中的動(dòng)態(tài)傳遞狀況,其原理是當(dāng)水分在織物上傳遞時(shí),會(huì)使織物電阻發(fā)生變化,因此測得的電阻值變化量可以轉(zhuǎn)換成織物中水分的擴(kuò)散情況。利用MMT可在一次測試中同時(shí)得到潤濕時(shí)間、吸水速率、最大潤濕半徑、液態(tài)水?dāng)U散速度、單項(xiàng)傳遞指數(shù)和液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)等一系列能充分反映織物吸濕導(dǎo)濕性能的指標(biāo)。
液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合測試標(biāo)準(zhǔn)中最早推出的是美國AATCC 195—2009Liquidmoisturemanagementpropertiesoftextilefabrics[19],后成為吸濕快干紡織品在國際市場中常用的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一,經(jīng)不斷更新和完善,已于2017年推出該測試標(biāo)準(zhǔn)的最新版本。中國也于2009年推出測試評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第2部分:動(dòng)態(tài)水分傳遞法》。
以上幾種測試織物吸、導(dǎo)濕性的方法中,垂直芯吸法可以直接觀察到液體在織物中沿條帶方向的傳輸擴(kuò)散情況,便于比較液體在不同織物中的傳輸能力,但對(duì)于液體較少的情況(如人體體表汗液的傳導(dǎo))并不適用。潤濕法可以反映織物的吸濕能力,但不適用于吸濕快干類織物的性能評(píng)價(jià)測試。滴液法測試原理和方法簡單,關(guān)鍵在于提高測試結(jié)果的精準(zhǔn)性,而液態(tài)水動(dòng)態(tài)管理測試儀是通過一臺(tái)儀器、一次測試得到多項(xiàng)指標(biāo),測試流程短、步驟少,但測試儀設(shè)備成本和技術(shù)要求較高,測試數(shù)據(jù)在穩(wěn)定性方面有一定缺陷,在實(shí)際推廣使用過程中受到限制。
織物的快干性可用于表征織物被滴濕或浸濕后快速變干的能力,通常以水分蒸發(fā)速率或干燥速率表示。常用的測試方法為稱重法,參照GB/T 21655.1—2008,在水滴被完全吸入織物后,將試樣懸掛于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中,每隔5 min稱取一次質(zhì)量,直至連續(xù)兩次稱取質(zhì)量的變化率不超過1%,根據(jù)織物質(zhì)量變化情況,得到時(shí)間-蒸發(fā)量變化曲線,并計(jì)算水分蒸發(fā)速率;日本標(biāo)準(zhǔn)JIS L 1096—2010Testingmethodsforwovenandknittedfabrics[20]中,是將織物全部浸漬在水中后取出,懸掛滴干,記錄織物從不再滴水至干燥到恒重狀態(tài)所需的時(shí)間。由于不同原料、不同組織結(jié)構(gòu)的織物吸水能力有所不同,在使用稱重法比較不同織物水分蒸發(fā)速率快慢時(shí),應(yīng)考慮到原料、組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物吸附水分能力的影響。
上述標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用的測試方法較為簡便,但是在測試服用織物快干性能時(shí),其測試環(huán)境與織物最終應(yīng)用環(huán)境差別較大,需進(jìn)一步完善測試條件。
標(biāo)準(zhǔn)AATCC 199—2013Dryingtimeoftextiles:moistureanalyzermethods[21]中,利用水分分析儀自帶的加熱裝置可將潤濕的面料加熱到人體溫度(37 ℃)或其他溫度,然后測定試樣達(dá)到干重或其他要求的測試終點(diǎn)時(shí)所需的干燥時(shí)間,以表征織物的干燥性能[22]。標(biāo)準(zhǔn)AATCC 201—2014Dryingrateoffabrics:heatedplatemethod[23]中,采用熱板法進(jìn)行測試。在設(shè)備頂端用風(fēng)扇滿足風(fēng)速要求,放置試樣的金屬板可加熱至37 ℃,測試時(shí)通過紅外熱電偶探頭檢測織物被浸濕處的溫度變化,設(shè)備自動(dòng)記錄并得到織物溫度隨時(shí)間變化的曲線,當(dāng)織物溫度與初始溫度相同并保持穩(wěn)定時(shí)結(jié)束測試,根據(jù)曲線圖可以得到織物的干燥速率。水分分析儀法和熱板法進(jìn)一步模擬了織物的最終使用條件,測試結(jié)果可靠度高,但對(duì)設(shè)備要求也較高。
在采用滴水?dāng)U散時(shí)間法測試時(shí),一般是通過人眼觀察液滴在織物表面被吸收的情況,但織物對(duì)水分的吸收時(shí)間較短,很難準(zhǔn)確計(jì)時(shí),此外對(duì)于一些顏色較深的織物,液滴在織物表面的變化肉眼不易察覺。在采用芯吸法觀察水滴擴(kuò)散情況時(shí),測試人員對(duì)芯吸高度的讀取和芯吸水滴擴(kuò)散面積的計(jì)算會(huì)受人為因素的影響,測試過程需提高實(shí)驗(yàn)儀器的自動(dòng)化水平和精度。研究人員利用織物吸濕后干濕區(qū)域顏色、溫度等變化情況,將各種電傳感技術(shù)、熱傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)等運(yùn)用到織物吸濕快干相關(guān)性能的測試中。
電學(xué)方法的工作原理:織物被水潤濕后,織物濕區(qū)的電阻或電容發(fā)生變化,且與干燥狀態(tài)時(shí)相差較大,因此利用電傳感器測試織物電阻或電容的變化,即可反映出織物水分含量的變化,從而得到織物的水分?jǐn)U散情況。MMT即利用多個(gè)電傳感器測定電阻變化,以反映水分?jǐn)U散情況。HU J Y等[24]在織物上下兩表面分別放置6個(gè)等距離的同心圓環(huán),通過計(jì)算機(jī)記錄相鄰圓環(huán)之間的電阻值變化,數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后可以得到織物含水量的變化,從而測得水分在織物上的傳導(dǎo)速率。張才前等[25]依據(jù)電阻法檢測原理,將多根探針沿不同方向插入織物內(nèi)部,并將模擬汗液經(jīng)注液管注入織物,記錄液滴遷移至各探針的時(shí)間,并測試探針間電壓隨時(shí)間的變化,利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成長時(shí)間的數(shù)據(jù)監(jiān)測,檢測液滴在織物上擴(kuò)散及蒸發(fā)的性能,以解決傳統(tǒng)儀器無法同時(shí)測試汗液在織物上擴(kuò)散及蒸發(fā)性能的問題。
與傳統(tǒng)測試方法相比,光譜分析法可以實(shí)現(xiàn)水分在紡織品中傳輸?shù)娜S可視化和量化監(jiān)測,直接了解水分的傳遞位置及其在織物層內(nèi)的擴(kuò)散情況。LEE J H等[26]使用分光光度計(jì)測量織物干燥部分和潤濕部分的顏色深度差異,以反映織物吸水量變化,將織物潤濕至最大吸水量的10%~90%,研究不同吸水量與顏色特征之間的相關(guān)性。回歸分析表明,吸水量與反射特性(K/S值、明度、色差)呈顯著的線性關(guān)系(p< 0.05)。
X射線斷層掃描技術(shù)也被用于紡織品中水分分布情況的檢測。WEDER M等[27]利用 X射線斷層掃描儀(μCT)研究多層織物在實(shí)際使用條件下的水分分布情況,測量時(shí)可在不影響織物其他性能的情況下跟蹤水分輸送的動(dòng)態(tài),并對(duì)織物層內(nèi)的水分進(jìn)行定量描述。BIRRFELDER P等[28]利用μCT探究織物結(jié)構(gòu)和紗線細(xì)度對(duì)織物芯吸作用的影響,開發(fā)了一種快速獲得高分辨率投影的新方法,在潤濕織物過程中,每隔一定時(shí)間對(duì)織物試樣進(jìn)行掃描并繪制放射圖像,通過計(jì)算樣品厚度方向上的平均含水量,繪制織物平面內(nèi)水分分布半徑隨時(shí)間變化的圖像,以直接反映織物中水分瞬時(shí)變化情況。KEISER C等[29]在低熱輻射條件下,利用X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)多層消防服織物中水分的傳遞和蒸發(fā)過程進(jìn)行定量研究,用μCT技術(shù)代替稱重,觀察各層織物內(nèi)水分含量的變化。
光學(xué)圖像技術(shù)在織物親水性測試中已有廣泛應(yīng)用。利用接觸角測試儀的攝像頭捕捉水滴與織物接觸時(shí)的圖像,經(jīng)計(jì)算機(jī)處理提取輪廓信息,得到織物與水滴之間的夾角,通過接觸角的大小反映織物的親水性能。滴液法測試中,通過高速攝影機(jī)捕捉織物接觸角的動(dòng)態(tài)變化,測試織物的吸水時(shí)間,可提高織物吸濕性能測試結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度;同時(shí),攝像機(jī)可記錄水分在織物表面擴(kuò)散情況,利用圖像處理技術(shù)提取水分?jǐn)U散輪廓特征,計(jì)算出擴(kuò)散面積的變化,以面積變化速率表示水分?jǐn)U散速率,從而準(zhǔn)確反映織物的吸濕導(dǎo)濕性能。
HASSAN M M等[30]在比較羊毛織物和含Coolmax纖維織物的快干性能時(shí),通過測定各織物試樣接觸角的動(dòng)態(tài)變化,比較不同類型織物的吸水速度。結(jié)果顯示,表面含有Coolmax纖維的織物接觸角(°)均在3 s內(nèi)變?yōu)?,而羊毛織物的接觸角變化很慢。RAJA D等[31]采用人工測量、Photoshop圖像處理和MATLAB軟件嵌入式圖像處理(EIAS)3種方法測定織物吸水率、吸水速率以及水分在織物表面的擴(kuò)散量。結(jié)果表明,利用Photoshop和EIAS圖像分析方法可以測量織物的吸濕速率并客觀評(píng)價(jià)總吸濕能力,圖像處理分析方法與人工測量的結(jié)果相關(guān)性好,且測試速度快,精度高。
國內(nèi)學(xué)者對(duì)圖像處理技術(shù)在織物吸濕導(dǎo)濕性能測試中的應(yīng)用也有一定研究。姜曉云等[32]、詹永娟等[33]基于垂直芯吸法和圖像處理技術(shù),介紹一種織物液態(tài)水傳遞性能的自動(dòng)檢測裝置,在織物垂直芯吸過程中,通過COSM圖像采集裝置不斷采集試樣圖像,經(jīng)“織物垂直芯吸自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”處理以后,輸出試樣的芯吸高度值,實(shí)現(xiàn)對(duì)織物液態(tài)水傳遞過程的自動(dòng)檢測,并通過MATLAB程序圖像處理技術(shù)對(duì)成像時(shí)的徑向桶形畸變進(jìn)行修正,得到畸變圖像和拍攝物體間的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系,解決了垂直拍攝芯吸高度圖像所產(chǎn)生的徑向畸變帶來的測試誤差問題。趙兵等[34]利用單反數(shù)碼相機(jī)視頻記錄液滴在棉防護(hù)織物中動(dòng)態(tài)擴(kuò)散的全過程,采集不同時(shí)間的織物圖像,并運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理,編程計(jì)算出織物在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的吸水面積、吸水速度及最大吸水面積。研究得出,圖像法測試結(jié)果精確度高、誤差小,可代替稱重法測試織物的導(dǎo)濕性。
織物吸水后被潤濕部分的溫度與干燥狀態(tài)相比變化較大,紅外成像技術(shù)可利用紅外熱像儀測得織物干濕區(qū)域溫度差異,根據(jù)溫度變化反映織物中水分含量的變化,并進(jìn)一步得到水分在織物中的傳遞情況。熱傳感成像技術(shù)在確定深色或圖案較復(fù)雜的織物干濕區(qū)域界線時(shí)比圖像處理技術(shù)有效,準(zhǔn)確度更高。NIEDERMANN R等[35]使用紅外攝像機(jī)記錄吸濕后的織物在干燥過程中的表面溫度變化,從而確定織物干燥時(shí)間點(diǎn)。DERLER S等[36]在研究吸濕對(duì)醫(yī)用床單摩擦系數(shù)的影響時(shí),利用紅外攝像機(jī)識(shí)別水分蒸發(fā)的位置來定義干濕區(qū)域的界限。DEMA M等[37]提出一種熱成像視覺系統(tǒng),用于測量織物水平芯吸和干燥性能,在整個(gè)潤濕和干燥過程中自動(dòng)分析紅外相機(jī)所跟蹤的濕區(qū)域面積變化,所提取的特征反映了水分在織物表面的擴(kuò)散情況和干燥過程。
以上幾種目前研究較多的新型測試方法均基于滴液法,以比較織物被潤濕前后干濕區(qū)域的差異。電阻法可以在一臺(tái)測試儀器上測量織物動(dòng)態(tài)導(dǎo)濕、排濕情況,但測試結(jié)果穩(wěn)定性較差;圖像處理技術(shù)測試織物導(dǎo)濕性能直觀且準(zhǔn)確,但當(dāng)測試有色面料或者印花面料時(shí),干濕區(qū)域不易分離。且該方法對(duì)圖像采集裝置要求較高,應(yīng)用推廣還有一定困難;而光譜掃描技術(shù)和熱成像技術(shù)能直接觀察織物動(dòng)態(tài)濕傳遞過程,可精準(zhǔn)測試織物的導(dǎo)濕排濕性能,但成本高,實(shí)際測試中應(yīng)用較少。
織物的吸濕快干性能直接影響織物的熱濕舒適性,是評(píng)價(jià)服用類織物面料舒適性的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)測試方法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較低,但測試步驟繁雜、準(zhǔn)確度較低;對(duì)織物吸濕快干性能的評(píng)價(jià)也存在諸如評(píng)價(jià)指標(biāo)多,部分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)合理性有待考察的問題。近年來,眾多研究者通過合理選取評(píng)價(jià)指標(biāo)和不斷優(yōu)化傳統(tǒng)測試方法細(xì)節(jié),在完善織物吸濕快干性能測試和評(píng)價(jià)方法方面有一定突破,但在提升測試方法的穩(wěn)定性、一體化和數(shù)字智能化等方面還存在欠缺,需要進(jìn)一步研究。