聚乙烯針織物的熱濕舒適性能

錢 娟， 謝 婷， 張佩華， 付少舉

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 新疆大學 紡織與服裝學院， 新疆 烏魯木齊 830046)

織物的熱濕舒適性能直接影響人體的穿著體驗，影響因素可分為內在因素和外在因素，外在因素主要與織物的使用環境相關，而內在因素則與織物本身的材料、結構相關。近年來，人們對服裝健康、環保、安全更加關注，其中，集吸濕排汗、涼爽速干等功能于一體的夏季紡織品受到廣泛歡迎[1]。優選涼爽纖維材料，結合紗線捻度[2]、織物孔隙、結構[3]、以及織物表面平整度的設計[4]，可有效改善織物的熱濕擴散性能，提高織物的熱濕舒適性，是目前制備具有涼爽舒適功能紡織品的常用方法[5-6]。

纖維根據傳熱能力，可分為熱絕緣纖維、改性導熱纖維和本征導熱纖維[7]。目前市場上的涼爽纖維多為改性導熱化學纖維，如涼感滌綸[8]、涼感錦綸[9-10]，是在紡絲溶液中加入熱導率較高的物質，以提升織物的導熱性能，使織物在炎熱夏季穿著時仍具有涼爽舒適感[11-12],但由于涼爽纖維的熱導率提升有限，使其制備的織物穿著瞬間(2 s)具備一定涼感功能，隨著接觸時間延長，其接觸涼感會逐漸減弱。本征導熱纖維可通過改變纖維的聚集態結構，即取向度和結晶度，改變纖維的導熱性能，從而使得織物的導熱性能提升，在穿著過程中能迅速帶走皮膚熱量，達到持續給人體降溫的目的[13]。如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，其大分子是由共價鍵構成的分子鏈，因在纖維軸向具有高結晶、高取向特征，使其具有類金屬的高導熱性能[14]，是典型的本征導熱纖維。其優異的導熱性能可將熱量迅速傳導出去，產生涼爽感，目前已在夏季被面、坐墊、靠墊、床墊、窗簾、涼席、枕巾等家紡領域廣泛應用。

由于UHMWPE纖維強力和模量高，手感偏硬，生產工藝難度大且價格高，在服用紡織品領域應用較少。目前市場上有以高密度聚乙烯(HDPE)為原料，生產的聚乙烯(PE)長絲，其大分子仍然具有線性結構，因而導熱性能優異，可將人體皮膚熱量快速向外傳導。且其手感柔軟，彈性好，適宜于涼爽型針織服用功能產品的加工[15]。目前市場上PE長絲生產工藝及價格均不相同，其產品的導熱及導濕性能有較大差異，織物涼爽功能也有一定區別，因此本文選取2組不同生產工藝的3種PE長絲，以及滌綸(PET)、涼感滌綸(CPET)長絲作為對比試樣，分別加捻并制成雙羅紋織物，通過分析織物的原料種類、未充滿系數、捻度對織物透氣、導濕、導熱等舒適性能的影響，探討不同生產工藝的聚乙烯長絲織物的熱濕舒適性能的差異，為拓寬PE長絲在服用領域的應用提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 原 料

本文選擇的3種PE、PET、CPET試樣及規格參數見表1。其中PE1來自上海春紡紡織品有限公司；PE2、PE3來自凱泰特種纖維科技有限公司；PET、CPET來自泉州海天科技有限公司。

表1 實驗用長絲的結構參數

實驗用長絲原料的截面及表面形態如圖1所示。可知，PE長絲表面均有細小溝壑，其截面可明顯看到皮芯結構，其中PE1的皮芯結構分布較PE2更均勻，皮層與芯層之間無明顯裂痕。同時，在PE1的截面及表面均可見紡絲過程中添加的功能母粒，目的是提升PE長絲的涼感功能。

圖1 長絲截面及表面SEM照片

1.2 織物的制備

采用東華大學自主研發的DHU B01并捻聯合試驗機分別將上述長絲加捻，其中PE1、PE2、PE3長絲捻度分別為100、150、200 捻/m。PET、CPET的捻度均為100 捻/m。采用BCM/60RG多功能雙面針織圓機(臺灣榕煙臺股份有限公司)將上述加捻長絲分別織成雙羅紋織物共11種，織物經浸漬、水洗、定形整理后基本參數見表2。

表2 織物參數

1.3 測試與表征

1.3.1 基本性能

參照ISO 3801—1977《紡織品 機織物 單位長度質量和單位面積質量的測定》和EN ISO 5084—1996《紡織品 紡織品和紡織制品厚度的測定》測量織物面密度和厚度。織物的孔隙率根據下式計算：

式中：P為孔隙率，%；m為織物面密度，g/m2；ρ為纖維密度，g/cm3；еr為織物厚度，cm。根據文獻[16]查得PE的密度為0.96 g/cm3，PET的密度為1.38 g/cm3。

參照EN ISO 9327—1995《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG461E全自動織物透氣量儀(大榮紡織儀器有限公司)測試織物的透氣率，測試面積為20 cm2，壓降為100 Pa。

1.3.2 導熱性能

參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》，采用KES-F7 THERMO LABO IIB接觸冷暖感測試儀(日本KES加多技術有限公司)測試織物與檢測板接觸瞬間熱流密度最大值即為接觸涼感系數(qmax)，接觸涼感系數值越大，織物的瞬態導熱性能越好，接觸瞬間涼感越強。

參照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》，采用YG606型熱阻濕阻測試儀(寧波紡織儀器廠)測試織物在穩態條件下的熱阻，并計算出織物的導熱系數。熱阻越小，導熱系數越大，織物在穩態條件下導熱性能越好。

1.3.3 吸濕導濕性能

參照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，采用YG(B)871型毛細管效應測定儀(寧波紡織儀器廠)，在織物縱、橫向上分別剪取3條3 cm×25 cm沒有明顯壓痕、褶皺的試樣，在試樣下端施加質量為2.55 g的張力夾，當測試時間為0.17、0.5、1、5、10、20、30 min時，在標尺上讀取液體上升的高度值。

參照GB/T 11048—2008，采用熱阻濕阻測試儀測試織物在穩態條件下的濕阻，并根據標準濕阻計算出織物的透濕率及透濕指數。其中，透濕率由下式計算：

式中:Wd為透濕率,g/(m2·h·Pa)；Ret為濕阻，m2·Pa/W；φTm為表面水氣潛熱，W·h/g；Tm為試驗板溫度，℃。當Tm為35 ℃時，φTm=0.627 W·h/g。

透濕指數根據下式計算：

式中:im為透濕指數;s=60 Pa/K;Rct為熱阻，m2·K/W。

1.3.4 數據處理與分析

本文數據采用IBM SPSS Statistics 23.0進行數據統計和分析。對實驗結果采用單因素方差分析，檢驗原料種類、未充滿系數和捻度對織物透氣性、孔隙率、以及熱濕傳遞性能有無顯著性影響。并采用相關性分析檢驗影響因素與性能之間的相關關系。方差分析和相關性檢驗的置信水平均設為95%。

2 結果及討論

2.1 原料和未充滿系數對織物孔隙率的影響

原料與織物的孔隙率顯著相關，相關系數為0.719(顯著性水平α<0.05)；織物孔隙率與未充滿系數結果見表2。可知，該實驗設計11種織物的孔隙率均在80%以上，PE織物的平均孔隙率為83.1%，分別低于PET與CPET織物8.6%和9.5%。織物的厚度、面密度是影響孔隙率的重要因素。雖PET的密度稍大，其面密度小，織物較蓬松，孔隙率較高。

未充滿系數與孔隙率呈正相關，其相關性擬合如圖2所示，可知，線性擬合相關系數為0.96，擬合方程為：P=72.13+0.33X，X為未充滿系數。PE織物的未充滿系數較小，孔隙率也相對較小，而PET與CPET的未充滿系數較高，孔隙率也相對較高。與PE2制備的織物相比，PE3制備的織物(F7～F9)的孔隙率相對較高，這與構成織物的紗線線密度密切相關。另外，捻度對孔隙率的影響不顯著。

圖2 織物孔隙率與未充滿系數相關性擬合

2.2 織物透氣性能

構成織物的原料種類與織物的透氣性顯著相關，相關系數為0.905(α<0.01)。織物的透氣性能測試結果如圖3所示。可知，PE織物的透氣性優于PET(含CPET)織物。盡管PET織物與PE織物相比有更高的孔隙率及未充滿系數，但由于PE長絲表面有縱向細小溝槽，可以為氣體分子提供更多的通道，因而PE織物透氣性平均高于PET織物45.6%。

注：“*”表示顯著性差異(α<0.01)

PE織物中，未充滿系數與織物的透氣性顯著相關。當紗線線密度相同時，由PE1制備的織物(F1～F3)的平均未充滿系數整體高于PE2制備的織物(F4～F6)16.8%，因此PE1制備的織物透氣性更佳。當紗線線密度不同時，平均未充滿系數較高的PE3制備的織物透氣性高于PE2制備的織物15.7%。紗線捻度與織物透氣性相關系數為0.290，相關性不顯著。

2.3 織物導熱性能

2.3.1 接觸瞬間涼感

2.3.1.1原料與qmax值 構成織物原料的種類對織物接觸瞬間涼感有顯著影響。織物的接觸涼感差異如圖4所示。可知，PE織物的qmax值均高于PET和CPET織物，最高達2.1倍。PE長絲是典型的本征導熱纖維，其熱導率是普通PET熱導率的3.5倍以上[17]。因此，當皮膚與織物接觸的瞬間，熱導率較高的材料瞬間損失的熱量較多，故其qmax值較高，且平均高于標準27.9%，顯示出較好的接觸瞬間涼感性能。

圖4 溫差為15 ℃時的qmax值

在PE織物中，織物的qmax值與PE長絲的取向度顯著相關，相關系數為0.964(α<0.01)；與厚度顯著相關，相關系數為0.710(α<0.05)。由圖4可知，涼感性能最好的為取向度最高的PE1制備的織物，其次是PE2制備的織物，PE3取向度最低，因此其接觸瞬間涼感性能相對最差。這是由于PE晶體中，熱量主要沿共價鏈傳遞[18]。PE分子經拉伸后，分子鏈段由折疊狀逐漸伸直，取向度越高，聲子自由程增大，熱量沿分子鏈傳播的阻力越小，其導熱系數增加[19]，與皮膚接觸瞬間損失的熱量也隨之增加。因此PE長絲取向度越高，織物的接觸瞬間涼感性能越好。同時，PE1中添加的無機顆粒也有助于提升織物的接觸瞬間涼感。

2.3.1.2未充滿系數與qmax值 未充滿系數與qmax值呈負相關關系，由表2及圖4可知，PET與CPET織物的未充滿系數較高，但長絲原料的導熱性能較差，故織物的接觸瞬間涼感相對較低。僅在PE織物中，未充滿系數與qmax并無顯著相關關系。

2.3.1.3捻度與qmax值 捻度對qmax值的影響不顯著。但捻度及構成織物的長絲原料的線密度會造成織物的厚度、未充滿系數、孔隙率及面密度的變化，因而不同捻度PE織物的接觸瞬間涼感性能有差異。

2.3.2 熱 阻

熱阻與構成織物的原料種類、未充滿系數、結晶度、孔隙率顯著相關，相關系數分別為0.819、0.910、0.913、0.880(α<0.01)。導熱系數為厚度與熱阻的比值，因此也與上述織物結構參數密切相關。

2.3.2.1原料與熱阻 織物在穩態條件下的熱阻與導熱系數如圖5所示。可知，PE長絲制備的織物的熱阻明顯低于由PET、CPET長絲制備的織物，這是由于不同種類的化纖長絲的導熱性能差異引起的，長絲導熱性能越好，織物的熱傳導能力越強，熱流穿過織物的阻力越小。對PE織物而言，PE1、PE2、PE3的取向度、結晶度及生產工藝(添加涼感材料)不同，使原料的導熱性能產生差異，因此，由這3種長絲原料構成的織物的熱阻大小不同。由PE1制備的織物平均熱阻低于PE2制備的織物，導熱性最好；由PE3制備的織物的平均熱阻最大，導熱性最差。

圖5 織物熱阻與導熱系數

2.3.2.2未充滿系數與熱阻 織物的熱阻隨著未充滿系數的增大而增大，是因為織物中的靜止空氣會隨著未充滿系數的增大而增多，使織物的導熱性能下降。

2.3.2.3捻度與熱阻 捻度與織物熱阻呈正相關。由于紗線線密度的變化會使得織物的厚度、孔隙率及未充滿系數發生改變。從圖5看出，織物熱阻隨著捻度的增大而增大，導熱系數隨著捻度的增加而減小。從表2中可看出織物厚度隨著捻度的增加而增大，因此在厚度方向上熱傳導距離增大，故PE織物的熱阻隨著捻度的上升呈增大的趨勢，導熱系數隨捻度呈下降趨勢。

2.4 織物吸濕導濕性能

2.4.1 濕 阻

織物的濕阻與原料、未充滿系數、捻度相關系數分別為0.106、0.278、0.210，顯著不相關，但與織物的面密度顯著正相關，相關系數為0.896(α<0.01)。

2.4.1.1原料與濕阻 濕阻測試結果如表3所示。可知，PE、PET和CPET長絲構成的織物的濕阻相差不大。PE與PET、CPET大分子中均無親水的極性基團，氣體與水汽主要通過織物中紗線與紗線間、紗線與長絲之間的間隙透過并擴散蒸發，織物面密度增加，紗線間的孔隙減少，水汽透過織物的難度增大，因而濕阻隨著面密度增加而增大。

表3 織物的濕阻

2.4.1.2未充滿系數與濕阻 織物的未充滿系數與濕阻相關性不顯著，但與透濕指數呈顯著正相關，相關系數為0.883(α<0.01)，織物的未充滿系數或孔隙率越大，織物的透濕能力越強，織物的透濕指數越大。

2.4.2 芯吸效應

2.4.2.1原料與芯吸高度 相同捻度的PE、PET、CPET織物(F1、F4、F7、F10、F11)縱、橫向芯吸-時間曲線如圖6所示。可知，PE織物的芯吸效應均優于PET、CPET織物。雖PE與PET截面均為圓形，但PET表面沒有類似PE長絲表面的細小溝壑，因而對水分的傳導性能較差。PE織物中，織物F4、F7的導濕性能最好，均優于織物F1，F7縱向芯吸高度高于F4。結合PE長絲的表面及截面電鏡照片分析，具有相同生產工藝的PE2和PE3在生產過程中由于內外冷卻溫度的差異形成明顯的皮芯結構，且皮芯結構有明顯的分層和裂痕，可在一定程度上為水分子的傳導提供通道，故F4和F7織物的導濕性能優于F1。

圖6 相同捻度不同織物的縱、橫向芯吸高度-時間曲線

2.4.2.2未充滿系數與芯吸高度 織物在30 min內的最大芯吸高度與未充滿系數呈弱顯著相關，相關系數為0.649(α<0.05)。這是由于PE3較PE2更細，紗線中的毛細通道更細，織物未充滿系數更高，毛細壓力較大，相同的時間內液體上升較多，因此織物F7的導濕性能更好，但橫向表現不明顯。

2.4.2.3捻度與芯吸高度 不同捻度的PE織物縱、橫向芯吸高度隨時間變化的曲線如圖7和圖8所示，可知，織物F2、F5、F9的芯吸高度最高，導濕效果最好，說明加捻對提高織物的芯吸效應有一定的促進作用，這是因為適當加捻后，單絲與單絲之間的毛細管當量半徑減小，毛細管壓力增大，毛細管內液體上升的高度增大，但捻度過高，反而會阻止毛細管內的液體上升。因此織物F2、F5的導濕性能隨著紗線捻度的上升，呈現出先增加后減小趨勢。織物F9與F2、F5相比，構成織物的紗線線密度更小，單絲線密度更大，因此毛細管壓力還有繼續上升的空間。

圖7 不同捻度的PE織物的橫向芯吸高度-時間曲線

圖8 不同捻度的PE織物的縱向芯吸高度-時間曲線

3 結 論

本文選取不同生產工藝的2種聚乙烯(PE)長絲原料，同時選用滌綸(PET)、涼感滌綸(CPET)作為對比試樣，分別制成雙羅紋織物，分析并對比不同原料及捻度構成織物的孔隙率、透氣性、導熱及導濕性能，采用SPSS軟件對織物的結構參數與織物的熱濕性能進行相關性分析，得出以下結論。

1)構成織物的原料、未充滿系數與織物的孔隙率、透氣性、導熱及導濕性能顯著相關。紗線的捻度與織物的透氣性、接觸瞬間涼感及濕阻顯著不相關，但紗線捻度、線密度的變化會使得織物的厚度、孔隙率、未充滿系數、毛細管粗細發生改變，因而會間接影響織物的導濕性能以及在穩態條件下的導熱性能。

2)由于PE長絲表面存在溝壑，因而PE長絲織物的透氣性和導濕性能均優于常規PET織物。同時，PE織物平均接觸涼感系數高于PET(含CPET)織物，具有較好的瞬態導熱性能；其熱阻低于PET(含CPET)織物，在穩態下也具有良好的導熱性能，因而PE長絲是制備吸濕涼爽功能紡織品良好的原料，且提高PE長絲的結晶及取向度，有助于提高織物的導熱性能。