滌綸機織物單向導濕性能評價方法

馬 晨，金肖克，唐紗麗，祝成炎

(浙江理工大學紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，杭州 310018)

單向導濕面料是一種重要的熱濕舒適性功能性面料，其功能性實現的方法主要是合理配置不同親、疏水性纖維，使液體在接觸到內層疏水層后能夠憑借差動毛細效應單向傳導至織物親水性外層[1]，以使人體達到穿著涼爽不沾身的目的。單向導濕理論模型的構建是織物設計、生產指導的關鍵，目前常用的單向導濕理論模型是根據Laplace方程推導而來的毛細管附加壓力差公式[2]，該公式適用于各類存在孔道的材料，然而針對單層機織物評價方法的研究卻不夠豐富。本文以液體在織物中的傳導機理為基礎，提出一種適用于純滌綸單層機織物的單向導濕性能評價方法。

1 評價方法

1.1 現有模型介紹

液體在接觸織物表面后主要有潤濕和滲透兩個過程，液體能否潤濕織物是由織物和液體的表面張力決定，當潤濕發生后，液體將繼續在織物中進行擴散遷移。液體在織物中的遷移主要依靠纖維間形成的毛細管的毛細效應來進行[3]，毛細效應是指液體表面對毛細管壁的吸引力使得液體在無外力作用下可以在毛細管中自發進行移動的現象。目前常用Laplace方程[4]對理想毛細管中的毛細管壓力進行描述，即：

(1)

式中：P為毛細管壓力，Pa；a為氣液界面張力，N/m；θ為液體與織物材料接觸角，(°)；R為織物毛細管半徑，m。

單向導濕織物通常采用雙層結構，表層使用親水纖維，里層使用疏水纖維，由于表里兩層纖維親水性不同，液體會在壓力梯度作用下將水分單方向進行傳遞。內外毛細管壓力差公式為[5]：

(2)

式中：ΔP為毛細管壓力差，Pa；θ1為液體與織物里層材料接觸角，(°)；θ2為液體與織物外層材料接觸角，(°)；R1為織物里層毛細管半徑，m；R2為織物外層毛細管半徑，m。

目前普遍使用毛細管壓力差公式來理論分析并評價織物的單向導濕性能[6]，其值越大，織物理論上單向導濕性能越好。然而，該公式存在一定的使用困難性：內、外層毛細管當量半徑是公式中需要確定的重要數值，但織物的里、外層毛細管當量半徑受單纖線密度，纖維截面、紗線捻度等因素影響，同時，纖維吸水后其自身也會發生膨脹，導致毛細管當量半徑發生改變，使其精確數值難以確定。若能根據單層機織物特征探究出一種適用于單層機織面料的單向導濕性能評價方法，且其影響因素的精確值較易獲得，將會對單向導濕單層機織面料的研究提供重要幫助。

1.2 單層機織物單導機理及影響因素分析

機織物由經紗和緯紗相互交織而成，是具有一定構型的三維立體結構，雖然在一些研究中將織物看作二維平面，但現實中隨著織物組織結構的不同，經、緯向纖維是存在著明確的分層分布的。以8枚緯面緞紋織物為例，絕大部分緯線分布于織物上表面，而經線則主要分布于織物下表面，如圖1所示。當經緯紗線所用原料不同時，不同纖維形成的毛細管對水的附加壓力不同，從而產生附加壓力差，而水受到壓力差的作用將沿力的方向進行運動，這就是單層機織物能夠實現單向導濕的原因。

圖1 8枚緞紋織物截面

織物中水分的傳輸主要分為沿纖維軸向傳輸和垂直于纖維軸向傳輸兩個方向，在沿纖維軸向上按照毛細管方式傳輸，而在垂直纖維軸向上大多按照非線性擴散的方式傳輸的。當水分接觸到經線或緯線時，水分同時沿纖維軸向和垂直纖維軸向兩個方向進行傳輸。當水分接觸經緯線交織點時，不同種類的纖維由于對水分的親、疏性不同，產生附加壓力差，水分此時會快速沿厚度方向進行傳輸。因此，要讓皮膚與織物之間以及織物中的水分迅速傳輸，就必須采用徑向有水分傳輸孔道的紗線(如表面有溝槽的異型纖維)，以實現水分的快速傳導；同時經緯紗線對水的親、疏性需存在差異。毛細效應中液體上升或下降的高度可以直觀地反映出被測試樣對水的親、疏性能，其值由毛細管壓力和液體密度決定[7]，且結果可以通過試驗直接測量得到。因此，可以通過毛細現象中液體上升或下降的高度h來表征不同纖維對水的傳導能力差異。

圖2 單層機織物平面

(3)

式中：Sj為經紗占織物正面紗線總面積的百分比，%；R為織物組織循環數；Pj為經向密度，根/cm；Pw為緯向密度，根/cm；Ef為織物覆蓋緊度，%；dj為經線直徑，cm；dw為緯線直徑，cm；ni為在一個組織循環中第i根經線上的緯組織點個數。

當一個組織循環中，每根經線上的緯組織點個數均相等時，n1=n2=n3=……=ni，則上式可簡化為

(4)

式中：n為每根經線上的緯組織點個數。

緯紗占織物表層紗線總面積的百分比Sw可由下式表示：

Sw=100-Sj

(5)

式中：Sw為緯紗占織物表層紗線總面積的百分比，%。

本文擬提出一種用于評價純滌綸單層機織物單向導濕能力強弱的方法，該方法將經緯紗線原料對水的親、疏性差異以及經緯紗線纖維在織物中的分布情況作為影響因素。通過實驗分別得到不同規格試樣經、緯紗線毛細效應高度差值Δh和經緯紗線占比，同時測試出各試樣的累積單向傳遞指數R*，將R*值作為反應各試樣單向導濕性能好壞的判斷依據。觀察各影響因素與R*值之間的關系，探究出適用于評價純滌綸單層機織物單向導濕能力的方法。

2 實 驗

2.1 試樣的設計與制備

Coolmax纖維具有獨特的四凹槽結構，相較于普通滌綸纖維能將水分更快地傳遞至織物表層進行蒸發，具有良好的導濕性，常被用作單向導濕面料的緯紗原料，以形成導濕通道[8]；三原組織作為各種組織的基礎，也被廣泛應用于功能性面料的結構設計[9]。本文采用海鹽金溢絹紡有限責任公司生產的十字截面Coolmax和紹興訊洋紡織品有限公司生產的普通滌綸短纖紗作為原料，如圖3所示，用SGA598型劍桿織樣機進行織造，分別制出9種不同規格的織物試樣。

圖3 實驗所用纖維形貌

其中，試樣1#—3#為累積單向傳遞指數測試所用試樣，試樣4#—9#為毛細效應高度測試所用試樣[10]。因除纖維種類外，組織結構也會對織物毛細效應高度產生影響，為使理論模型更加精確，將相同組織結構的純滌綸、純Coolmax試樣毛細效應高度測試結果作為對應組織結構試樣的經、緯線纖維毛細效應高度測試結果[11]。9種試樣的具體規格如表1所示。

表1 9種試樣各項規格參數

2.2 毛細管效應測試

試驗將YG871-II型毛細管效應測定儀作為毛細管效應高度的測試儀器，標準為GB/T21655.1-2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分-單項組合試驗法》，分別沿試樣4#—9#的縱向于左、中、右位置各剪一條250 mm×30 mm的試樣，并置于標準大氣條件中調濕，調濕時間為24 h。調濕處理完畢后，通過轉動置于儀器底部的把手將衡梁架調至可到達的最高處，將試樣夾取并固定在衡梁架的試樣夾上。張力夾夾于距試樣底端8～10 mm處以使試樣不會向上卷曲。緩慢轉動儀器底部的把手對試樣高度進行調節，保持試樣底端接近零刻度線以下 20 mm 處。將儀器內部容器緩慢倒入有色試液，隨后旋轉高度調節旋鈕使試樣的底部浸沒于液面下方(15±2)mm處，隨即按動計時開關。待30 min后讀取各試樣毛細效應高度測試結果[12]。

2.3 累積單向傳遞指數測試

累積單向傳遞指數R*是指織物兩個表面累計吸水量的差值。其值由被測試樣接觸皮膚一面的累計吸水量和背離皮膚一面的累計吸水量的差值與總測試時間的比值來確定，測試結果越大，試樣單向傳遞能力越好。試驗將液態水分管理測試儀作為R*值的測試儀器，標準為AATCC195-2009《織物的液態水分管理特性》，先將試樣剪為 8 cm×8 cm的方塊，每種試樣剪取5塊，隨后放置在標準大氣中調濕，調濕時間為24 h。調濕完成的試樣將接觸皮膚的一面朝上分別放置在底部傳感器的上方，每塊試樣測試時間為2 min，每塊試樣測試結束后，要使用吸水紙吸干頂部和底部的傳感器上的液體，然后等待1 min，確保傳感器沒有殘余的液體再繼續進行。重復測試直至所有試樣均測試完成[13]。

3 結果與分析

3.1 毛細效應高度測試結果分析

6種試樣3次毛細效應高度的測試結果與平均值均由表2所示。由表2可得，以Coolmax紗線為原料的平紋、斜紋、緞紋3種組織試樣的毛細效應高度均大于以普通滌綸紗線為原料織成的3種組織試樣。由于Coolmax紗線線密度為29.5 tex，普通滌綸紗線線密度為56.2 tex，相同工藝參數下由Coolmax紗線織造而成的試樣毛細管半徑更小，因此毛細效應高度更大，符合附加壓力原理。此外，當原料相同時，隨著組織結構的變化，平紋、斜紋、緞紋3種織物的毛細效應高度也呈遞增趨勢，可見纖維分布方式也會對毛細效應產生影響[14]。

表2 6種試樣毛細效應高度實驗結果

3.2 累積單向傳遞指數測試結果分析

令斜紋織物和緞紋織物經線占比更多的一面為正面，緯線占比更多的一面為反面；平紋織物確定一面為正面，另一面為反面。試驗分別將試樣正面和反面作為接觸皮膚的一面進行累計單向傳遞指數測試，3種試樣R*值測試結果由表3所示。當試樣正面作為接觸皮膚的一面朝上放置時，緞紋織物的累積單向傳遞指數最大，其次為斜紋織物，平紋織物的累積單向傳遞指數最小，表明其單向導濕能力最差。當試樣反面作為接觸皮膚的一面朝上放置時，3種組織試樣的單向傳遞指數均小于正面作為接觸皮膚的一面時的單向傳遞指數，其中平紋織物試樣的正、反面測試數據差異不明顯，而斜紋織物試樣和緞紋織物試樣的正、反面單向傳遞指數測試數據差異非常明顯，表明斜紋織物試樣和緞紋織物試樣的水分傳遞具有明顯的方向性。其中緞紋織物的單向導濕能力最強，平均累積單向傳遞指數達到了247.54。

表3 3種試樣正反面累積單向傳遞指數R*測試結果

圖4為3種組織織物正反面作為接觸皮膚的一面向上放置時織物兩面的含水量變化情況，含水量單位為mm2。由圖4(a)可知，在2 min滴水過程中，平紋織物正面作為接觸皮膚的一面時，織物兩面含水量均在緩慢上升，且兩面含水量相差不大；由圖4(c)可知，斜紋織物正面作為接觸皮膚的一面時，反面的含水量在20 s時突然增大，且大于正面，在隨后的時間里反面含水量緩慢增加，而正面含水量持續減少，說明有更多的水滲透并停留到了織物反面。由圖4(e)可知，緞紋織物正面作為接觸皮膚的一面時，在18 s時兩面含水量均快速增加，且反面含水量明顯大于正面含水量，兩面含水量在20 s時達到頂峰，隨后保持穩定直至測試結束，表明水分在織物中的傳導具有明顯的方向性。比較3種試樣正反面的數據可知緞紋織物正面作為接觸皮膚一面時其單向導濕性能最好。

圖4 3種試樣正反面含水量變化情況

3.3 評價方法探究與相關性分析

根據2.1和2.2中數據，按照式(4)計算試樣1#(正)、試樣2#(正)、試樣3#(正)、試樣1#(反)、試樣2#(反)、試樣3#(反)的Δh和ΔS值，分析其與R*值的聯系。各數量值及計算結果由表4所示。

表4 3種試樣正反面S值計算結果

觀察表4中數據可以發現，隨著3種試樣正反面纖維分布梯度的變化，其Δh值變化不大，而ΔS在逐漸減小，同時3種試樣正反面的R*值在不斷增加，二者呈負相關性。設Δh和ΔS的乘積為U，即：

U=(hj-hw)(Sj-Sw)

(6)

式中：U為機織物單向導濕系數，cm；Sj為經紗占織物表層紗線總面積的比值，%；Sw為緯紗占織物表層紗線總面積的比值，%；hj為經紗織物毛細效應高度，cm；hw為緯紗織物毛細效應高度，cm。

將U值命名為機織物單向導濕系數，單位cm，U值的計算結果如表5所示。

表5 3種試樣正反面U、R*值計算結果

如圖5所示，將3種試樣對應的U作為自變量，R*值作為因變量做散點圖，可以看出，隨著U值的增加，試樣累積單向傳遞近似呈下降趨勢，即U值越高，試樣的單向導濕能力越小，兩者近似呈一元一次線性關系。進一步做回歸分析，得到方程為：

圖5 3種試樣正反面U-R*值線性回歸

R*=-343.36U-39.22

其皮爾遜相關系數r的絕對值為0.918，表明U值與R*值相關性良好，由此說明U值的大小可以在一定程度上表征純滌綸單層機織物單向導濕能力。與R*值必須獲得織造完成的試樣才能進行測試不同，U值可以在織物設計之初，尚未得到成品前就對其單向導濕能力進行預測評價。

4 結 論

本文基于機織物單向導濕機理，探究出一種適用純滌綸單層機織物的性能評價方法。織物經、緯紗線的親疏水性差異以及不同纖維在織物中的分布情況為該方法的影響因素，通過對紗線直徑，織物經、緯向密度，組織結構，經緯原料毛細效應高度等值進行實驗測試，計算出可以表征織物單向導濕性能的U值，為純滌綸單向導濕機織物的性能評價方法做出了補充。經線性回歸分析及皮爾遜相關系數計算，U值可以在一定程度上較好地反映織物的單向導濕能力。