特殊浸潤性三層織物的設計及其單向導濕性能研究

黃西琴 范追追 蔡再生

東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620

日常運動量的增加讓人們對運動服的熱濕舒適性提出了更高的要求。具有單向導濕性能的服飾可以吸收并傳導汗水，保持人體皮膚干燥，這有助于改善人體在運動過程中穿著的舒適性，從而滿足人們對運動服熱濕舒適性的要求。目前，研究人員增加了對單向導濕材料的研究[1-4]。織物的特殊潤濕性和毛細作用一直是引導水分在織物兩側運動的驅動力[5-6]。生產單向導濕織物的方法主要包括化學試劑處理、等離子處理、靜電紡絲等[7]。Sasaki等[8]在棉織物上噴灑疏水性SiO2納米顆粒與乙基 -α- 氰基丙烯酸酯超強膠的混合物，其對水和血液具有單向導濕性。Zeng等[9]將疏水性樹脂(SU-8)單側電噴淋在親水性織物上，使其具有定向的水傳導能力。Zhou等[10]使織物具有可控的傳導能力，織物可以通過濕法化學涂層和連續的紫外線輻射處理來傳輸不同的液體。Wu等[11]利用便利的靜電紡絲技術開發了一種由疏水性聚氨酯(PU)和親水性交聯聚乙烯醇(c-PVA)復合材料制成的纖維膜。通過結構設計制備的織物具有很強的三維效果，紗線在織物內部連接形成連續的吸濕梯度，使吸濕效果更好，并且具有持久的導濕效果[12-13]。

本研究探索了一種簡單、有效的特殊浸潤性三層機織物設計方法，其憑借織物的結構和毛細作用可以自發性地單向傳導水。與其他制造單向導濕織物的方法不同，本文對不同成分的紗線進行整理，以期能夠準確地在織物內部結構上獲得相應的水分單向傳導功能，織物立體感更強，導濕效果更好。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

黏膠紗線，16 tex，東莞恒之聲紡織集團有限公司；滌綸紗線，32 tex，張家港翔美紡織有限公司；十字異形滌綸紗線，16 tex，紹興喜能紡織科技有限公司。

本試驗使用的試劑包括C6疏水整理劑(上海鼎賜工貿有限公司)、海之威SR吸濕排汗劑(上海雅運紡織化工股份有限公司)、活性藍染料(浙江龍盛集團股份有限公司)。

1.1.2 儀器

本試驗使用的儀器有SGA598半自動織布機(江陰市通源紡織有限公司)、PL602-S電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)、DGG-9070B電熱恒溫鼓風干燥烘箱(上海森信實驗儀器有限公司)、DSA30接觸角分析儀(德國Kruss公司)、70D數碼相機(日本佳能株式會社)、SK-5200BT超聲波清洗儀(上海科導超聲儀器有限公司)、TM-1000型掃描電子顯微鏡(SEM)[日本日立(Hitachi)公司]、S-4800場發射環境掃描電子顯微鏡(FESEM)(日本電子株式會社)、NICOLET iS10液態水動態傳遞性能測試儀(MMT)(美國Thermo Fisher公司)。

1.2 紗線處理

1.2.1 紗線的前處理

用蒸餾水和無水乙醇分別對滌綸、黏膠和十字異形滌綸紗線進行超聲清洗，以除去紗線在生產、銷售等過程中殘留的油污和灰塵，烘干待用。

1.2.2 紗線的疏水整理

使用60 g/L的C6疏水整理劑浸漬處理滌綸紗線1 h，100 ℃烘干，150 ℃焙烘3 min。

1.2.3 紗線的吸濕排汗整理

使用60 g/L的吸濕排汗劑浸漬處理十字異形滌綸紗線1 h，100 ℃烘干，150 ℃焙烘3 min。

1.3 單向導濕三層織物的設計

以疏水性滌綸紗線為表層經紗和緯紗，以十字異形滌綸紗線為中間層經紗和緯紗，以本征親水的黏膠紗線為底層經紗和緯紗，按照圖1的穿綜圖、穿筘圖和上機圖編織獲得三層Janus織物。通過使用不同型號的綜框，可設計出不同密度的織物(例如56#、70#、84#、98#，數字越大，織造的織物經密越大)。

圖1 三層織物的穿綜圖、穿筘圖、織物組織圖以及上機圖

其中，接結三層組織是由3個系統的經紗、緯紗相互交織，并以一定方式進行編織而形成整體織物的組織。在該項研究中，通過增加各層接結組織中的接結點數量和分布來提高織物油水分離中液體的雙向傳導效果，并采用“聯合接結法”(表層與中間層雙向接結，中間層與底層雙向接結)構造三層織物。織物截面示意圖見圖2。

圖2 雙向聯合接結三層織物截面示意圖

為了更直觀地展示三層織物的組織結構，采用3D Max對三層織物的組織結構進行模擬(圖3)。其中，表層均由疏水性滌綸紗線構成，中間層均由十字異性滌綸紗線構成，底層均由親水性黏膠紗線構成。由俯視圖可知，表層織物組織為平紋，中間層紗線無法觀察到；由仰視圖可知，底層織物組織也為平紋，且中間層紗線亦無法觀察到。通過織物表面的SEM圖可以驗證織物組織結構無誤。

1.4 測試與表征

1.4.1 紗線的表面形貌測試

使用SEM來觀察紗線和織物的表面形態和結構。使用FESEM對疏水表面進行形態觀察和元素分析。測試之前對樣品表面進行噴金處理以增加樣品的導電性。

1.4.2 織物接觸角測試

采用DSA30接觸角分析儀測試織物接觸角，儀器自動量取5 μL水，滴加到織物表面，選取并校正基線，采用楊氏-拉普拉斯模型自動讀取靜態接觸角，并且每塊織物測5個不同部位，取其平均值。

1.4.3 織物兩側突破壓力測試

將三層織物親水面朝上固定在玻璃管道中，用10 mL注射器將活性藍染料染色的水緩慢滴加到玻璃管中，直到染液滲透織物，同塊布試驗3次，記錄染液滲透前的最高水位。同樣地，將三層織物疏水面朝上固定在玻璃管道中間，用10 mL注射器將活性藍染料染色的水緩慢滴加到玻璃管中，直到滲透織物，同塊布試驗3次，記錄染液滲透前的最高水位。通過拉普拉斯公式來計算織物兩側的突破壓力：

(1)

式中:Pc為拉普拉斯壓力，Pa；γ為表面張力，N/m；θ為液體與孔道的接觸角，(°)；r為半徑，m；Δρ=ρ液-ρ氣，ρ液為液體密度，ρ氣為氣體密度，mg/mL；h為達到平衡時液柱的高度，m；g為重力加速度，km/h。

1.4.4 織物吸濕速干性能測試

根據國家標準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》，對織物的吸濕速干性能進行測試，水分蒸發量Δmi：

Δmi=m-mi

(2)

式中：m為試樣滴水潤濕后的質量，g；mi為試樣滴水潤濕后某一時刻的質量，g。

水分蒸發速率Ev：

(3)

式中：m0為試樣初始質量，g。

1.4.5 織物單向導濕性能測試

根據國家標準GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態水分傳遞法》，使用MMT對織物的單向導濕性能進行測試。將織物疏水面朝上放入MMT中，持續注入鹽水20 s，對織物兩側的潤濕時間、吸濕率、最大潤濕半徑、擴散速度和水分單向傳導指數進行測試。

1.4.6 織物耐皂洗牢度測試

根據國家標準GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》，對織物皂洗后的水分單向傳導指數進行測試。將試樣與滌綸和棉兩塊標準貼襯織物縫合在一起，并置于用去離子水配置好的皂洗液中，常溫(25±1)℃攪拌(10±1)min，取出后清洗并干燥，使用MMT測量織物皂洗后的水分單向傳導指數。

2 結果討論與分析

2.1 紗線表面形貌和元素分析

通過SEM對滌綸紗線和十字異形滌綸紗線的表面形貌進行了觀察，使用FESEM對滌綸紗線表面的元素進行測試，結果見圖4。

圖4 滌綸紗線和十字異形滌綸的SEM圖及疏水滌綸表面的元素分布圖

圖4a)為未處理滌綸紗線的SEM圖，可以看出紗線表面光潔；圖4b)為疏水劑整理后滌綸紗線的SEM圖，紗線表面被物質覆蓋包裹；圖4c)為未處理十字異形滌綸曲線的SEM圖，可以看到明顯的“十字”形狀；圖4d)和4e)為疏水劑整理后滌綸紗線表面的元素分布，疏水整理后滌綸紗線上疏水劑的主要成分為F元素。這些變化均說明紗線表面已覆蓋整理劑。

2.2 織物接觸角分析

使用接觸角分析儀觀察織物兩側水滴擴散過程的形態，其結果見圖5。

圖5 織物兩側的水滴潤濕狀態

當織物疏水面朝上時，水滴始終保持球狀向親水側滲透，但滲透時間不超過2.00 s，最終疏水側保持干燥狀態；當織物親水面朝上時，水滴在0.12 s內迅速潤濕鋪展親水面。織物兩側的浸潤性存在差異。

2.3 織物兩側的突破壓力分析

在水滲透織物時記錄滲透前的最大高度，即織物所能承受的靜水壓高度，見圖6a)～圖6d)。運用式(1)計算織物兩側的突破壓力，突破壓力見圖6e)。隨著織物經密的增加，織物紗線孔隙減小(r減小)，所能承受的壓力增加，突破壓力也隨之增加。

圖6 4種不同密度織物的突破壓力試驗結果

2.4 織物的吸濕速干性能

試驗開始前，裁取8 cm×8 cm的試樣，并將其在按GB/T 6529—2018規定的標準大氣環境中調濕24 h，后續試驗均在恒溫恒濕室進行。按式(2)和式(3)計算試樣在每個稱取時刻的水分蒸發量，繪制“時間-蒸發量”曲線。

圖7為4種不同密度織物的時間-蒸發量曲線，在曲線上蒸發量明顯變緩處取點，與之前的點作最接近直線部分的切線，切線的斜率即為水分蒸發速率Ev。計算得出56#、70#、84#、98#織物的水分蒸發速率分別為0.189 5、0.203 4、0.207 6 h、0.199 1 g/h，4種織物均滿足織物速干性評級要求。

圖7 4種不同密度織物的時間-蒸發量曲線

2.5 織物的單向導濕性能

圖8為4種不同密度織物兩側的潤濕性實物圖。由圖8可見，當織物疏水面朝上時，水滴在疏水側始終保持球狀向親水側滲透，最終織物親水側被潤濕，而疏水側保持相對干燥狀態；當織物親水面朝上時，水滴迅速潤濕鋪展而不會滲透至織物疏水面，最終織物只有親水側被潤濕，而疏水側保持干燥狀態。這說明織物具有優異的單向導濕性能。

圖8 4種不同密度織物兩側潤濕性實物圖(注水體積為40 μL)

為進一步評價織物的單向導濕效果，使用MMT測評4種密度織物的單向導濕性能，其結果見圖9。

圖9 織物單向導濕性能測試結果

從圖9a)可以看出，隨著織物密度的增加，潤濕疏水表面所需的時間逐漸增加，但水滴在疏水面仍可以在2.00 s內完全滲透。根據GB/T 21655.2—2019，圖9b)和9d)中疏水側的潤濕等級保持不變，且水對織物親水側的潤濕性一致較高，說明織物的密度變化對水分的吸收率和鋪展速度幾乎沒有影響。比較圖9c)中親水側和疏水側的最大潤濕半徑可以看出，84#和98#織物兩側的潤濕半徑差異較大，其中潤濕半徑越大意味著水更傾向于從疏水面向親水面傳導。由圖9e)可知，84#織物具有更好的單向傳輸能力，水分單向傳導指數為1 224.54，這證明三層Janus織物取得了高效的導濕效果。

2.6 織物耐皂洗牢度分析

將84#試樣進行皂洗，皂洗后織物的水分單向傳導指數見表1。由表1可知所設計的織物具有一定的耐皂洗性能。

表1 皂洗后織物的水分單向傳導指數

3 結論

本文采用浸漬-烘干法對紗線進行疏水強化整理和吸濕排汗整理；基于織物結構設計，織制了特殊浸潤性三層織物。獲得的織物表層為超疏水面；中間層為吸濕排汗十字異形滌綸面，水分可高效傳導；底層為超親水面，可使中間層傳導來的水分迅速鋪展。僅通過對織物結構的設計便可實現織物的高效單向導濕。與一般吸濕排汗整理不同，對不同組分紗線進行整理可精確地對織物內部結構進行功能化改性，且耐久性更好。對設計所得的三層織物進行了單向導濕測試，其水分單向傳導指數高達1 224.54，水分蒸發速率為0.207 6 g/h，滿足吸濕快干性能的要求，且在20次皂洗后水分單向傳導指數仍為984.60，該織物結構有望應用在單向導濕織物的實際生產中。