仿松球葉片結構面料的制備及其調濕性能

胡亦雯, 唐 虹, 唐天一, 魏書濤

(1. 南通大學 紡織服裝學院, 江蘇 南通 226019; 2. 對外經濟貿易大學劍橋國際學校, 北京 100029; 3. 三六一度(中國)有限公司, 江蘇 蘇州 215000)

近年來,舒適性成為衡量服裝質量的重要指標之一,運動服尤其注重熱濕舒適性[1]。當人體因環境溫度過高或劇烈運動等導致體溫過高時,通過排汗來降低體溫。服裝作為人體的第2層皮膚,需要及時地傳熱導濕從而調節人體的熱平衡,否則會產生熱應激(包括皮疹、中暑、熱射病等)[3-4],從而嚴重影響人體健康甚至危及生命。熱量/水分在人體-服裝-環境系統中傳遞[2],服裝可為人體提供一個便攜式微環境[3],通過冷卻衣下空氣層可實現更好的降溫效果。研究表明,使用個人冷卻裝置后,即使在高達30 ℃的室內仍然能保持人體良好的熱濕舒適性[5]。

為實現快速幫助人體降溫的目的,一般通過改良服裝系統或開發新面料來實現。傳統的水冷服、風冷服以及添加半導體的調溫服[6-7],通過在服裝上增加冷卻設備或材料來實現降溫,但因其質量增加了人體的負擔,且無法根據人體的熱濕狀態進行調節?，F有的輕型吸濕排汗面料和相變調溫面料,也很難同時進行導濕散熱[7-9],因此,迫切需要開發一種更加有效的導濕織物,可以根據穿著者實時身體熱濕狀態自動進行導濕散熱以保持熱濕舒適性[10]。

近年來,仿生設計被大量應用在面料結構上以賦予其特定的功能,通過模仿自然界生物的微觀結

構設計出更加高效的智能紡織品?！八汕蛐笔怯伤汕蛉~片特殊的內部結構造成,其縱向截面為三明治結構,松球葉片由內層的纖維和外層的鞏膜組成,其中,纖維的吸濕膨脹系數(0.06±0.02)明顯低于鞏膜的吸濕膨脹系數(0.20±0.04)[12-13],這種結構使得松球葉片的外層在吸水后的伸長率遠大于內層葉片閉合;葉片外層在失水后的收縮率大于外層松球葉片張開。

本文參照仿生松球葉片隨空氣濕度變化而自動張開閉合的特性,開發了一款可對水分響應的仿松球葉片的新型功能面料[11],仿松球葉片結構能隨人體出汗而自動張開散熱,皮膚干燥時仿葉片結構自動閉合防止熱量過度流失。仿松球葉片面料以溶脹率較高的聚氨酯涂層為主動層[13-14],以吸濕后不變形的滌綸/氨綸針織物為從動層,研究仿松球葉片面料結構參數(葉片單元縱橫比、葉片方向、涂層附著率)與面料調濕性能(葉片張開時間、張開角度、張開速度和有效張開率)之間的關系[15-16],找出最優的仿松球葉片面料的結構參數,最大程度上使穿著者快速恢復熱平衡狀態,這將為使用仿松球葉片面料來探究與濕度相關的研究提供理論參考和新的應用空間。

1 仿松球葉片面料制備

1.1 仿松球葉片面料結構

仿松球葉片面料由主動層涂層和從動層織物2層組成的復合面料組、以及開設在復合面料組上的若干個弧形切口構成[11,17],且若干個弧形切口均勻間隔設置。主動層為吸濕后膨脹率大的親水性高分子聚合物聚氨酯涂層(織物背面);從動層為吸濕膨脹率小的滌綸/氨綸緯平針織物[18]。從動層在面料吸濕后與主動層形成長度差,從而使得葉片根據環境濕度大小自動張開閉合,短時間內可有效減少穿著者因大流量出汗帶來的的悶熱不適,其結構及吸濕過程如圖1所示。

圖1 仿松球織物結構及吸濕過程Fig. 1 Structure and moisture absorption process of pine cone-like fabric.(a)Before moisture absorption; (b)After moisture absorption

1.2 面料結構參數

實驗采用面密度為180 g/m2的滌綸/氨綸(95/5)緯平針織物,揭陽市唐氏紡織有限公司;聚氨酯(分析純),德國巴斯夫公司;四氫呋喃(≥99.5%), 上海凌峰化學試劑有限公司。稱取10 g聚氨酯原料和200 g四氫呋喃溶劑,常溫下將其置于錐形瓶中振蕩直至完全溶解。使用該涂層液在16個尺寸為12 cm×12 cm的試樣上進行均勻刷涂,各樣片涂層附著量差異不超過5 g/m2,并分別切割出4×4個半橢圓形葉片。

1.2.1 葉片縱橫比

葉片縱橫比為葉片單元中葉片開口縱向尺寸與橫向尺寸之比,實驗設計不同縱橫比的葉片結構如圖2所示,分別為80%、65%、50%、35%,對應尺寸分別為7 mm×5.5 mm、7 mm×4.5 mm、7 mm×3.5 mm、 7 mm×2.5 mm,葉片方向與從動層面料經向保持一致。

圖2 不同縱橫比的葉片結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of blade structure with different aspect ratios

1.2.2 葉片方向

葉片方向為葉片開口方向與從動層面料經向方向的夾角角度。不同開口方向的葉片結構示意圖如圖3所示。當葉片尺寸為7 mm×4.5 mm時,實驗設計葉片開口方向分別為0°、22.5°、45.0°、67.5°、90.0°。

圖3 不同開口方向的葉片結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of blade structure with different opening directions

1.2.3 涂層附著率

涂層附著率為涂層質量與從動層面料質量之比。當葉片尺寸為7 mm×4.5 mm時,涂層附著率為44.4%、55.6%、66.7%、77.8%、88.9%,對應的涂層附著量分別為80、100、120、140、160 g/m2,葉片方向與從動層面料經向保持一致。

2 實驗部分

2.1 測試裝置

仿松球針織物調濕性能取決于葉片隨濕度變化的敏感程度,調濕性能參數包括葉片張開時間、張開角度、張開速度和有效張開率,實驗在溫度為(26±2) ℃、相對濕度為(55±3)%、風速小于1 m/s的室內進行[19]。自制的測試裝置包括水蒸氣發生、面料濕交換和導濕性能檢測3部分,圖4示出仿松球葉片面料調濕性能測試平臺。首先,將仿松球面料粘貼在固定架上使面料主動層朝向加濕器,調整激光點置于任意仿松球葉片中心位置,同時打開加濕器、攝像裝置和激光測距傳感器。該加濕器的出水量為0.014 mL/s,與面料之間的距離設定為4 cm(參考夏季服裝常見空氣層厚度[20]);激光測距傳感器的精度為1 mm,與面料之間的距離為l0,頻率為 10次/s, 攝像機記錄葉片張開角度頻率為4 s/次。實驗開始后仿松球葉片隨濕度累積而彎曲,使得激光測距傳感器測試的距離減小,此時的實時距離記為l。

圖4 仿松球葉片面料調濕性能測試平臺Fig. 4 Testing platform of moisture conductivity of pine ball blade cone-like fabric

2.2 調濕性能參數

仿松球面料的調濕性能包括:葉片的張開時間t,s;張開角度θ,(°);張開速度v,(°)/s;有效張開率I,%;實驗參數以16個葉片的平均值計量。激光測距儀按周期為0.1 s進行連續測距,當距離l0-l>0時,說明仿松球葉片張開;當距離l0-l<0時,即仿松球葉片完全張開導致光點穿過面料,設對應的時間t為張開時間,此時葉片張開角度為θ(見圖5)。

圖5 葉片張開角度Fig. 5 Blade opening angle

張開速度為張開角度與時間的比值,每4 s測算以此的瞬時張開速度作為參考值。葉片面積有效張開率I為有效張開面積S占原切割面積S0的比值(見圖6)。

(1)

(2)

圖6 葉片有效張開率Fig. 6 Opening ratio of effective area of blade

葉片張開時間越短、最大張開角度越大、張開速度和有效張開率越大,表明葉片張開性能越好。

3 結果與分析

3.1 葉片縱橫比對調濕性能影響

葉片縱橫比與張開角度的關系如圖7所示?？梢钥闯?仿松球葉片的張開時間隨尺寸比例的減小逐漸增加,在46～51 s的范圍內波動;葉片張開角度隨尺寸比例的減小先增大后減小,在80.15°～87.13°的范圍內波動。當葉片縱橫比為50%時,仿松球葉片面料的完全張開角度達到最大87.13°。

圖7 葉片縱橫比與張開角度的關系Fig. 7 Relationship between blade aspect ratio and opening angle

葉片縱橫比與平均張開速度及瞬時速度的關系如圖8所示?？梢钥闯?隨著葉片縱橫比的減小,仿松球葉片的平均張開速度先增加后減小,在 1.56～1.8(°)/s的范圍內波動。當比例為65%時,仿松球面料的平均張開速度達到最大為1.80(°)/s,與縱橫比80%(p<0.01)、縱橫比35%(p<0.01)、縱橫比30%(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時速度隨時間增長呈先增大后減小的趨勢,在20 s左右時達到頂峰,其中葉片縱橫比為65%的樣片最大為2.45(°)/s,隨著時間增加瞬時速度均逐漸減小,最終為1.25(°)/s左右。

圖8 葉片縱橫比與平均張開速度及瞬時速度的關系Fig. 8 Relationship between blade aspect ratio and average opening speed and instantaneous speed

葉片縱橫比與有效張開率的關系如圖9所示。可以看出,仿松球葉片的有效張開率隨葉片縱橫比的減小而先增加后減小,整體在73%～92%的范圍內波動。當葉片縱橫比為65%和50%時,葉片有效張開率無顯著性差異(p=0.616>0.05),與縱橫比為80%和35%的樣片進行比較,葉片有效張開率在統計學上存在顯著性差異(p<0.05)。因此當葉片縱橫比為65%和50%時,仿松球面料的葉片張開率達到最大為92%。

圖9 葉片縱橫比與有效張開率的關系Fig. 9 Relationship between blade aspect ratio and effective opening ratio

從上述葉片縱橫比對仿松球面料調濕性能的影響實驗中可以看出,隨著仿松球葉片縱橫比的減小,其張開時間逐漸增加,完全張開角度、張開速度和有效張開率都呈現出先增大后減小的現象,葉片縱橫比的變化對仿松球葉片的有效張開率影響較大,對張開時間和張開角度相對影響較小。當葉片尺寸比例為65%時性能最佳,此時仿松球葉片尺寸為7 mm×4.5 mm。 當葉片縱橫比例過大時,其葉片長度較長導致張開后曲率較大[22],一定程度上會影響張開角度和面積;當比例過小時,其葉片過短導致該涂層伸長率減小,2層材料間的內應力減小[23-24],從而影響仿松球面料的張開性能。

3.2 葉片方向對調濕性能影響

葉片方向與張開角度的關系如圖10所示?？梢钥闯?仿松球葉片的張開時間隨葉片方向的增加逐漸減小,各樣片葉片張開時間在24～47 s的范圍內波動;葉片張開角度隨葉片方向的增加而逐漸減少,在9.07°～81.02°的范圍內波動,且仿松球葉片方向與布料經向夾角越大,葉片張開角度和張開時間的降幅越大。當葉片方向為0°時,仿松球面料的張開角度達到最大81.02°。

圖10 葉片方向與張開角度的關系Fig. 10 Relationship between blade direction and opening angle

葉片方向與平均張開速度及瞬時速度的關系如圖11所示?？梢钥闯?隨著葉片方向的增加,仿松球葉片的平均張開速度逐漸減小且降幅明顯,在0.38～1.72(°)/s的范圍波動,當葉片方向為0°時,仿松球面料的平均張開速度達到最大為1.72°/s,與葉片方向22.5°(p<0.01)、葉片方向45°(p<0.01)、葉片方向67.5°(p<0.01)、葉片方向90°(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時速度隨時間增加而先增大后減小,在15～20 s左右達到頂峰,其中葉片方向為0°的樣片最大為2.27(°)/s,隨著時間增加瞬時速度均逐漸減小,最終除葉片方向為0°的樣片外各樣片的葉片瞬時速度均低于1(°)/s。

圖11 葉片方向與平均張開速度及瞬時速度的關系Fig. 11 Relationship between blade direction and average opening speed and instantaneous speed

葉片方向與有效張開率的關系如圖12所示。可以看出,仿松球葉片的有效張開率隨葉片方向的增加而減小,在0%～90%的范圍內波動。將各試樣的有效張開率進行對比,在統計學上均存在顯著性差異(p<0.01),可見隨著葉片方向的增加,仿松球葉片面料的有效張開率降幅尤為明顯。當葉片方向為0°時,仿松球葉片面料的有效張開率達到最大為90%,當葉片方向為90°時有效張開率接近于0。

圖12 葉片方向與有效張開率的關系Fig. 12 Relationship between blade direction and effective opening rate

從上述葉片方向對仿松球葉片面料調濕性能的實驗中可看出,隨著仿松球面料葉片方向的增加,除葉片張開時間逐漸減短以外,仿松球葉片的其余各項張開性能逐漸減小且降幅尤為明顯,當葉片方向為0°時葉片有效張開率最佳,即當仿松球葉片與面料經向一致時可達到面料最佳性能。這是由于使用的面料為緯平針織布料,其緯向的彈性會遠大于經向彈性,而彈性過大則會一定程度上與涂層吸濕伸長相抵消[25],從而影響仿松球面料的張開性能。

3.3 涂層附著率對調濕性能影響

涂層附著率與張開角度的關系如圖13所示?？梢钥闯?仿松球葉片面料的張開時間隨涂層附著率的增加而逐漸增加,各試樣的張開時間在44～51 s的范圍內波動;張開角度隨涂層附著率的增加先增大而后減小,總體在73.63°～85.59°的范圍內。當涂層附著率為66.7%時,仿松球葉片面料的張開角度達到最大為85.59°。另外,當涂層附著率為88.9%時葉片出現反卷現象(干燥狀態下葉片初始張開角度小于-1°)。

圖13 涂層附著率與張開角度的關系Fig. 13 Relationship between coating attach rate and opening angle

涂層附著率與葉片平均張開速度及瞬時速度的關系如圖14所示。可以看出,仿松球葉片的平均張開速度隨涂層附著率的增加而先增大后減小,波動范圍為1.5～1.82(°)/s。當涂層附著量比例為66.7%時,仿松球面料的平均張開速度達到最大為1.82(°)/s,與涂層附著率44.4%(p<0.01)、涂層附著率55.6%(p<0.01)、涂層附著率77.8%(p<0.01)、涂層附著率88.9%(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時張開速度隨時間增加而先增大后減小,在15～20 s左右達到頂峰,其中涂層附著率為66.7%的樣片最大為2.44(°)/s,隨著時間增加各樣片瞬時張開速度均逐漸減小,最終為1.25(°)/s左右。

圖14 涂層附著率與平均張開速度及瞬時張開速度的關系Fig. 14 Relationship between coating attach rate and average opening speed and instantaneous speed

涂層附著率與有效張開率的關系如圖15所示?？梢钥闯?仿松球葉片的有效張開率隨涂層附著率的增加而先增大后減小,在77%～93%的范圍內波動。涂層附著率為66.7%與涂層附著率為44.4%(p<0.01)、涂層附著率為55.6%(p<0.01)、涂層附著率為77.8%(p<0.05)、涂層附著率為88.9%(p<0.01)均存在顯著性差異。因此當涂層附著率為66.7%時,仿松球面料的葉片有效張開率達到最大為93%。

從上述涂層附著率對仿松球面料調濕性能的影響實驗中可知,隨著仿松球面料涂層附著率的增加,仿松球葉片張開時間逐漸增加,張開角度、平均速度和有效張開率都呈現出先增大后減小的現象,其中涂層附著率對仿松球葉片的有效張開率和張開速度影響較大。當涂層附著率為66.7%時性能最佳,涂層過薄時雖然張開時間較短,但過少的涂層附著量不足以使從動層面料達到最大張開角度[22],張開速度也會較慢;涂層過厚時不僅吸濕時間長導致張開時間增加,涂層自身的質量也會影響其張開性能。

4 結 論

仿松球面料對濕度的調節功能與葉片的張開性能密切相關,葉片的張開時間越短、張開角度越大、張開速度越大、有效張開率越高,仿松球葉片的張開性能越好,則面料的調濕功能最佳。為達到最佳葉片張開性能,研究了仿松球葉片縱橫比、葉片方向和涂層附著率對葉片張開性能的影響。

根據仿松球面料結構因素對濕度調節性能的影響實驗,仿松球葉片方向的改變對葉片各項張開性能的影響最大,隨著葉片方向與面料經向方向的夾角角度的增大,仿松球葉片的各項性能都急速下降直至葉片完全不張開,即完全喪失調濕功能;仿松球葉片縱橫比和面料涂層附著率的改變對葉片的有效張開率影響較大,其次是對葉片張開速度有一定的影響,對葉片的張開時間和張開角度的影響較小。當仿松球葉片縱橫比為65%,葉片方向與從動層面料經向方向保持一致,且涂層附著率為66.7%時,仿松球面料的葉片性能達到最佳,其張開時間為 47 s, 張開角度為85.59°,平均張開速度達到1.82(°)/s,有效張開率達到93%。在后續的仿松球服裝的制作中,需要將上述結論應用到服裝的制作中,而仿松球葉片在服裝上的具體放置位置及放置密度還需要進一步的研究。