纖維素纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響

顏奧林 王鴻博 杜金梅 王文聰 傅佳佳

摘要： 為更好地了解纖維素纖維的熱濕性能，開發舒適性高的織物，文章探究了纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響，綜合評價織物的熱濕舒適性;采用控制變量法，選用線密度均為14.8 tex的5種纖維素纖維紗線，即棉纖維、竹原纖維、莫代爾纖維、棉/竹混紡纖維（50/50）、棉/莫代爾混紡纖維（50/50），織成密度接近的緯平針織物，分別測試了5種試樣的熱阻、濕阻、透氣和透濕等指標，選擇主成分分析法對各項測試指標分析，建立綜合評價公式，得到因子權重。結果表明：纖維種類對織物的熱濕舒適性能影響顯著，在織物相同結構參數下，莫代爾纖維的熱濕舒適性明顯優于其他纖維種類。

關鍵詞： 纖維素纖維;熱濕舒適性;針織面料;主成分分析;綜合評價

中圖分類號： TS101.923

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）09001705

引用頁碼： 091104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.004（篇序）

Effects of cellulose fiber types on the thermal and moisture comfort of fabrics

YAN Aolin， WANG Hongbo， DU Jinmei， WANG Wencong， FU Jiajia

（a.College of Textiles and Clothing; b.Education Ministry Key Laboratory of Science & Technology for Eco-textiles， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to better understand the heat and humidity properties of cellulose fibers and develop comfortable fabrics， the influence of the type of cellulose fiber on the thermal and wet comfort of the fabric was investigated， and the thermal and wet comfort of the fabric was comprehensively evaluated. The control variable method was used for the experiment. Five different kinds of cellulosic fibers [cotton， bamboo， modal， cotton/bamboo（50/50） and cotton/modal（50/50）] with linear density of 14.8 tex were chosen to weave weft plain knitted fabrics with the similar density. The thermal resistance， moisture resistance， air permeability and moisture permeability of the five samples were tested. Finally， principal component analysis was used to analyze the test indexes， establish the comprehensive evaluation formula and gain the weight of factors. The results showed that the fiber type had a significant effect on the thermal and wet comfort of the fabrics. Under the same structural parameters of the fabrics， the thermal and wet comfort of the Modal fiber was significantly better than that of other fiber types.

Key words：

cellulose fiber; thermal and wet comfort property; knitted fabric; principal component analysis; comprehensive evaluation

收稿日期： 20191209;

修回日期： 20200816

基金項目： 國家重點研發計劃項目（2017YFB0309100）;中央高校基本科研業務費專項資金項目（JUSRP51907A）

作者簡介： 顏奧林（1997），女，碩士研究生，研究方向為功能紡織材料。通信作者：王鴻博，教授，wxwanghb@163.com。

近年來，人們對生活品質和生活標準的要求逐漸提高，在紡織品方面具體表現為追求服裝的舒適、健康、休閑和時尚性。根據舒適度的一般定義，它是指當處于不同的溫濕度環境中，人與環境之間進行不停的能量交換，織物可以使人保持不冷不熱、不悶不潮，心理和生理和諧的愉悅狀態[1]。舒適性和人類感官知覺之間存在著密切的關系，因此現代紡織品消費者將服裝舒適性視為選擇服裝的第一要求。對于面料的熱濕舒適性能而言，主要表現在面料的透氣、透濕、保溫、導濕等能力。液態水流動的途徑依靠的是毛細吸水效應[2]。不同的纖維具有不同的截面形狀，而其纖維截面的形狀會對毛細管的數量和形狀產生影響;同時纖維的直徑大小也影響著毛細管的分布情況，因此纖維原料的種類會嚴重影響其面料的熱濕舒適性。纖維的結構與其性能是互相作用的，纖維的結構會影響纖維的性能，而纖維的性能是其結構的最直接反映。相比較合成纖維，纖維素纖維因其纖維素分子中的葡萄糖剩基含有自由的羥基，可與水分子結合，纖維的吸濕性較好。當考慮織物的熱濕舒適性能時，用纖維素纖維織成的織物，其服用性能更優。棉纖維是全世界最大宗的天然紡織原材料，是中國紡織纖維中的重要纖維材料。其多孔結構可以使得水分向原纖區的非結晶區滲透，與自由的纖維素羥基結合成氫鍵，因此具有優良的吸濕性能[3]。竹原纖維是因其吸濕排汗性、抗菌抑菌性、防紫外性等優良性能得到了廣大消費者青睞。莫代爾纖維因其高強度、低質量和高模量而聞名，擁有纖維素纖維和合成纖維的優點，可以自然降解，對環境無污染[4]。

對于面料的熱濕舒適性，國內外的專家學者對其有相應的研究。Wu等[5]對由棉、羊毛、大豆、竹漿等吸濕纖維制成的10種面料進行了測試，研究表明這10種面料的熱濕舒適性因纖維種類而異;李東平等[6]測試了珍珠共混再生纖維素纖維、牛奶再生蛋白質纖維、黏膠纖維等11種面料的透氣性、透濕性和芯吸性，研究表明珍珠共混再生纖維素纖維針織物的濕傳遞性能最優;劉林玉等[7]測試分析了11種消防服的熱濕阻，研究表明面料的熱濕阻與其平方米質量正相關。目前為止，關于面料的熱濕舒適性能的研究，更多的是測試面料的熱濕舒適性指標，如透氣透濕性、熱濕阻等，針對每一項指標進行比較分析，最后得出結論，而定量分析每一項指標在熱濕舒適性中的權重，綜合評價面料的研究報道較少。其次，由于纖維種類、紗線線密度、面料的組織結構等因素都會影響面料的熱濕舒適性，有的研究學者在選擇試樣時并沒有遵循控制變量的原則，會導致其測試結果不太精確。

綜上，本文以纖維素纖維為原料，選用多種纖維原料，設計了5種纖維原料不同、其他規格和組織結構相同的針織面料，通過主成分分析法定量分析比較了其熱濕舒適性，探究纖維素纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響。

1?實?驗

1.1?材?料

為了排除紗線的線密度及面料的組織結構對其熱濕舒適性能產生的影響，本文選擇使用紗線線密度均為14.8 tex的純棉纖維、竹原纖維、純莫代爾纖維、棉/竹纖維（50/50）、棉/莫代爾纖維（50/50），制成平方米質量接近的組織結構均為緯平針的針織面料。

1.2?設?備

在機號E 26、筒徑14英寸、路數12路、總針數1152枚的TNY-12 F型單面全電腦緯編無縫針織機（金天梭精密機械有限公司）上生產緯平針織物，根據工業生產標準，以恒定的機器設置在相同的環境下完成所有針織面料的編織過程。

1.3?面料基本性能測試

參照標準GB/T 4669—2008《紡織品單位長度質量和單位面積質量的測定》，采用電子天平測試儀器測試織物的平方米質量;參照標準GB/T 24218.2—2009《紡織品厚度的測定》，采用YG（B）141型厚度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）測試織物的厚度;針織物的疏密程度由縱橫密代表，采用Y511型密度分析鏡（溫州大榮紡織儀器有限公司）測試織物的橫縱密。

1.4?面料熱濕舒適性能測試

1.4.1?透氣性測試

參照標準GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》，測試儀器為YG461E型透氣儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），其測試條件為：5號噴嘴、試樣大小φ20 cm，每種針織物共進行10次測試，取其平均值。

1.4.2?透濕性測試

參照標準GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗方法》，測試儀器為YG601型織物透濕量儀（寧波紡織儀器廠），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。試樣大小φ70 mm，每份試樣共測試10次，取其平均值。織物每平方米的透濕量計算公式為：

WVT=24×Δms×t（1）

式中：S為樣品測試面積，m2;Δm為前后兩次稱量的差值，g;t為測試時間，h。

1.4.3?芯吸高度測試

參照標準FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》，測試儀器為YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。測試30 min時溶液上升的高度，試樣大小分別為經向30 cm、緯向5 cm，緯向30 cm、經向5 cm。

1.4.4?熱阻、濕阻測試

參照標準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》，測試儀器為YG606G型熱阻濕阻測試儀（四川優普超純科技有限公司），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。試樣大小為50 cm×50 cm，每份試樣共測試3次，取其平均值。

1.4.5?保暖性測試

參照標準GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》，測試儀器為YG 606 D型保溫儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），測試條件：溫度20 ℃±0.1 ℃，相對濕度65%±2%，試樣大小為30 cm×30 cm。

2?運用主成分分析評價

面料的規格參數及其熱舒適性能如表1、表2所示。采用SAS軟件，將1#～5#試樣的熱濕舒適性能的測試數據進行單因素方差分析，結果表明在95%的置信區間內，P值均小于顯著性水平0.05，因此纖維種類之間的相互作用具有統計學意義。5種試樣的性能指標各不相同，每個單項指標在綜合性能都有著獨自的作用，如果僅憑借其中某一個指標進行評價，雖然可以產生排序，但是其結果只反映了某一個側面，無法做到全面評價其熱濕舒適性的優劣，因此需要采取數據分析的方法對試樣進行綜合評價。采用主成分分析可以使多個彼此相關的因子使用線性組合的方式降低因子的維度，問題因此更加簡單直觀。主成分分析就是簡單轉換各個影響因子之間相關聯的一種評價方式。通過使用正交變換的方法，把互相之間存在相關關系的變量轉變成無相關性的變量，這組無相關性的變量為主成分，在分析過程時，各個變量會轉換成對應的得分因子，以得分因子組成函數作為權重[8]。

衡量織物熱濕傳遞性的測試指標有：濕阻、熱阻、透氣率、透濕量、緯向芯吸高度、經向芯吸高度和保溫率[9]。對所有測試指標的結果進行標準化處理，即將每一個測試變量減去總變量，得到的差值除以該測試變量，標準化結果如表3所示。將標準化變量建立數據庫，輸入代碼進行編程，執行程序，可得樣本相關矩陣的特征值表和樣本相關矩陣的特征向量表，即可得方差貢獻、方差貢獻率、累計方差貢獻率和特征值及對應的特征向量（表4、表5）。

3?結果與分析

3.1?面料性能分析

透氣性可以間接地反映面料的舒適性和服用性，纖維的橫截面形狀及纖維間抱合緊密程度、面料中紗線的緊密程度會影響面料的透氣性[10]。由表2中透氣率數據可知，4#面料的透氣性最佳。由于5種面料紗線的線密度相同，因此影響面料透氣性的主要影響因素為纖維的截面形狀和纖維間的空隙。莫代爾纖維的橫截面是啞鈴形狀[11]，纖維沒有中腔，有皮芯結構，并且由于其長度、細度及均勻度優于棉纖維和竹原纖維，所以其紗線中纖維間抱合更加緊密、紗線表面的毛羽較少，因此紗線及其對應織成的織物間的空隙大，對空氣流動的阻力小。所以4#面料的透氣性最好，5#次之。面料的透濕性包括了水的氣相傳遞和液相傳遞，即水蒸氣的傳遞和液態水傳遞[12]。纖維的吸濕作用大部分產生在非結晶區[13]。在5種試樣中，棉纖維為纖維素I型，從微觀結構看是多孔物質，纖維內部及纖維之間存在較多空隙，可以更好地吸收水分，所以1#面料的透濕性最好，而莫代爾纖維的公定回潮率是13%，所以5#面料的透濕性能次之1#面料。

在相同的時間內，若面料的芯吸高度越高，那么其芯吸速率就越大，對應的導濕性就會越好。由表1可知，5種面料的縱密均明顯比橫密大，因此面料的經向紗線相對于緯向更加密集，水分傳遞的速率更快，因此表2中5種面料的經向芯吸高度都比其緯向芯吸高度大;在纖維的經向方向，產生的毛細管數量更多，且其形狀呈經向分布，水分子更快地在經向傳導，芯吸效果更為明顯[14]。由于棉的透濕性極好，毛細管大，因此棉纖維面料的芯吸高度僅為0.3 mm;莫代爾纖維的形態結構為縱向表面上有溝槽[11]，更有利于水分的傳導，因此4#面料和5#面料的芯吸高度遠大于其他面料，而5#面料的原料為莫代爾纖維與棉纖維的混紡，棉纖維的毛細管大芯吸效果差，所以5#面料的芯吸高度比4#面料低。織物的保溫率也是關系到熱濕舒適性的重要指標，面料自身的厚度、平方米質量及纖維的蓬松度是影響保溫率的重要影響因素。由表1的平方米質量和厚度可知，4#面料的平方米質量和厚度最大，且由于莫代爾纖維均勻的細度和光滑的表面，成紗時纖維接觸更加緊密，對纖維間流動空氣的阻力更大，因此其保暖性最佳。通常，織物的熱阻與厚度成正比，即織物越厚，其熱阻越大[15]。由表1織物的規格參數可知，4#面料最厚，所以4#面料的熱阻在5種試樣中最大;濕阻大小代表了織物傳遞水蒸氣的能力，一般而言，濕阻越小水蒸氣更容易傳遞。相比于其他纖維素纖維，竹原纖維由于表面存在很多細小的溝紋和些許裂痕[16]，織物能夠在較短的時間內吸收水蒸氣，因此2#面料的濕阻最小。

3.2?主要因素分析

從SAS主成分分析結果可知，表4給出了每個主成分對應的貢獻率，其中主成分Z1的貢獻率為57.33%，主成分Z2的貢獻率為27.95%，由累計貢獻率可知前兩個主成分已提取了8527%的方差，其總貢獻率大于85%，因此選擇主成分的個數為2。用特征值歸一化后作為權重進行多指標綜合。由表5特征向量的分析結果可知主成分Z1、主成分Z2的得分，即：

Z1=0.41X1+0.048X2+0.468X3-0.107X4+0.46X5+0.474X6+0.403X7（2）

Z2=0.312X1+0.526X2-0.232X3+0.662X4-0.141X5-0.085X6+0.326X7（3）

面料熱濕舒適性綜合得分由主成分Z1、主成分Z2按照方差貢獻率的比例組成，即評價公式為：

Z=57.33%85.27%Z1+27.95%85.27%Z2（4）

整理可得綜合評價公式：

Z=0.378X1+0.205X2+0.238X3+0.145X4+0.263X5+0.291X6+0.377X7（5）

由綜合評價公式可知，影響因子X前面的系數即為權重，因此對于其他規格相同僅原料不同的面料而言，影響面料熱濕舒適性的因子權重最大的為熱阻，權重最小的為透濕量。將5個樣品各個測試指標的標準化變量帶入綜合評價的函數公式中，得分結果如圖1所示。

從圖1可以看出，面料舒適性得分排序為：4#莫代爾纖維>5#棉/莫代爾纖維（50/50）>3#棉/竹纖維（50/50）>1#棉纖維>2#竹原纖維。4#和5#得分較高，這兩者均含有莫代爾纖維。在面料的評價體系中，透氣率、緯向芯吸高度、經向芯吸高度、保溫率和透濕量為正指標，濕阻、熱阻為逆指標。正指標表明該指標與該主成分作用同向，反之則逆向[17]，因此得分公式的評價值越高，則說明該樣品的透濕性和透氣性越好，芯吸能力越強，對應的濕阻和熱阻小，面料可以較快地將內層的水分傳遞至外層，使得面料能夠快速地恢復成干爽狀態。

4?結?論

本文以5種不同原料的纖維素纖維紗線織成的織物為材料，探究了紗線原料對織物熱濕舒適性的影響，并得到以下結論：

1）用SAS軟件對實驗數據進行主成分分析，得到熱濕舒適性綜合評價的公式和影響因子權重比例。影響面料熱濕舒適性的因子權重依次為熱阻、保溫率、緯向芯吸、經向芯吸、透氣率、濕阻、透濕量。

2）5種面料的熱濕舒適性優異依次為純莫代爾纖維、棉/莫代爾纖維（50/50）、棉/竹纖維（50/50）、純棉纖維、竹原纖維。

3）探究纖維素纖維種類的熱濕舒適性能的優異，對開發設計熱濕舒適性高的面料、消費者選購產品提供了一定的理論指導和參考意義。

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