莨紗綢制備過程中織物熱濕舒適性的演變

摘要： 莨紗綢具有涼爽通透、吸濕排汗等優(yōu)異的熱濕舒適性能。為探析莨紗綢成型過程中織物熱濕舒適性能的演變，通過熱常數(shù)、透氣透濕、吸濕/放濕等測試表征對莨紗綢制備過程中各試樣的熱傳遞和濕傳遞性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：莨紗綢成型過程中，織物的各項熱傳遞性能指標(biāo)無顯著變化，表現(xiàn)出與同規(guī)格空白織物一致的熱傳遞性能;織物的透氣率逐漸降低，透濕量無顯著差異，平衡回潮率增加，飽和吸水率下降，潤濕性下降但仍具備明顯的吸濕排汗性能。砂洗后織物呈疏水性。通過掃描電鏡觀察織物表面形貌，結(jié)果表明形成的涂層結(jié)構(gòu)使織物具有優(yōu)異的熱濕舒適性能，砂洗后織物損傷起絨使織物呈疏水性。該研究為莨紗綢在成型過程中熱濕舒適性的演變提供了理論解釋，為莨紗綢工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞： 莨紗綢;薯莨色素;制備過程;熱傳遞;濕傳遞;舒適性

中圖分類號： TS101.923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

莨紗綢又名香云紗、黑膠綢，起源于中國嶺南地區(qū)，屬于國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，是以薯莨染液及河泥為原料制備得到的綠色生態(tài)紡織品，因其具有生態(tài)環(huán)保的染整加工技藝和重要的歷史文化價值，現(xiàn)已被列入第二批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)項目［1-2］。莨紗綢的染整加工工藝十分復(fù)雜，采用全手工制作，對天氣、溫度的依賴程度極高。莨紗綢生產(chǎn)流程為：從新鮮薯莨塊莖中提取薯莨染液，對蠶絲織物反復(fù)浸染—日曬約20次，在獲得較厚的色素沉積層后，將織物平鋪于草坪，對其正面涂抹河泥，充分發(fā)色后洗去河泥并曬干，最后進(jìn)行砂洗（砂洗的作用是使織物變得柔軟順滑）［2-3］。經(jīng)過復(fù)雜的加工工序后，制作而成的織物便獲得了雙面異色的結(jié)構(gòu)，正面因色素沉積及其與河泥的相互作用，呈現(xiàn)烏黑發(fā)亮的效果，背面則呈現(xiàn)暗沉的棕色［4-9］。

莨紗綢因其生態(tài)環(huán)保的染整加工技藝及優(yōu)異的服用性能，吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年來，一些學(xué)者對莨紗綢的性能進(jìn)行了探究。其中，李維賢等［7］最早對莨紗綢的穿著舒適性、耐穿性及抗皺性進(jìn)行探究，結(jié)果表明莨紗綢吸濕性好，拒水性強(qiáng)，耐摩擦性能較優(yōu)，具有良好的穿著舒適性及耐穿性。張羨等［8］通過與傳統(tǒng)絲綢對比，進(jìn)一步對莨紗綢的機(jī)械性能與服用性能進(jìn)行探究，結(jié)果表明莨紗綢的機(jī)械性能有所下降，但表現(xiàn)出更優(yōu)異的涼爽、透濕性能。陳麗燦等［9］對莨紗綢加工過程中織物結(jié)構(gòu)的形成及性能進(jìn)行了探究，結(jié)果表明莨紗綢加工過程對織物微細(xì)結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，莨紗綢加工過程中織物的吸濕快干性優(yōu)于普通蠶絲織物。雖然人們對于莨紗綢的結(jié)構(gòu)與性能已有較為全面的認(rèn)識，但莨紗綢作為夏季涼感織物，其成型過程中的熱濕舒適性能是如何演變的，尚未有相關(guān)的報道。

綜上，本文根據(jù)莨紗綢染整加工技藝，從新鮮薯莨塊莖中提取薯莨色素對坯綢進(jìn)行染色—日曬及涂泥整理制備莨紗綢，對加工過程中各試樣進(jìn)行測試表征，探究莨紗綢成型過程中織物熱濕舒適性能的演變過程，為解釋莨紗綢熱濕舒適性能的形成提供理論依據(jù)，以期為莨紗綢工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

材料：新鮮薯莨塊莖（廣西玉林），經(jīng)絲9.4 tex、緯絲10.8 tex、經(jīng)緯密度601×407根/10 cm平紋坯綢（廣東佛山盛迪紡織有限公司），河泥（廣東佛山成藝曬莨廠）。

儀器：Ahous 124CN電子天平（美國Ahous儀器有限公司），HotDisk2500S熱常數(shù)分析儀（瑞典凱戈納斯儀器），YG606D型平板式保溫儀器、YG461E型透氣性測試儀（溫州方圓儀器有限公司），YG501D型透濕試驗儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司），DSA-20型視頻接觸角張力儀（德國Kruss公司），M290型液態(tài)水分管理測試儀（錫萊亞太拉斯有限公司），vltra55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國Carl Zeiss SMT Pte Ltd）。

1.2 莨紗綢的制備

1.2.1 薯莨染液的提取

利用粉碎機(jī)將新鮮薯莨塊莖粉碎，置于大容量塑料桶中加入適量去離子水，60 ℃水浴浸提3 h，重復(fù)浸提3次，將3次獲得的提取液混合制成薯莨染液。

1.2.2 坯綢的染色與日曬

將薯莨液調(diào)節(jié)溫度至50 ℃左右，對坯綢進(jìn)行染色后平鋪于人工草坪上進(jìn)行日曬。染色—日曬過程反復(fù)20次，得到薯莨色素染色織物。

1.2.3 染色織物的涂泥

將得到的染色織物平鋪于人工草坪上進(jìn)行涂泥，經(jīng)充分發(fā)色后，洗去河泥并曬干，得到涂泥織物。

1.2.4 砂 洗

將已制備的染色織物及涂泥織物進(jìn)行砂洗，得到染色后砂洗織物及涂泥后砂洗織物。

1.3 測試與表征

所有測試均在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)實驗室進(jìn)行，試樣在測試前已在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24 h。其中，所有正反面測試中，正面為涂層面，反面為非涂層面。

1.3.1 熱傳遞性能測試

采用HotDisk2500S熱常數(shù)分析儀測試織物的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》對織物的克羅值、保溫率及傳熱系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.3.2 濕傳遞性能測試

1.3.2.1 透氣性

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測試織物的透氣率。

1.3.2.2 透濕性

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第1部分：吸濕法》測定織物的透濕率。

1.3.2.3 吸濕、放濕性

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定烘箱干燥法》測定織物的吸、放濕性能。

1.3.2.4 動態(tài)接觸角

使用DSA-20型視頻接觸角張力儀記錄織物接觸角的變化。

1.3.2.5 毛細(xì)效應(yīng)

參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》測定織物的芯吸高度。

1.3.2.6 液態(tài)水分管理性能

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21655.2—2019《紡織品吸濕速干性的評定第2部分：動態(tài)水分傳遞法》測定織物的動態(tài)水分管理能力。

1.3.3 掃描電鏡

將莨紗綢制備過程中各試樣裁剪至一定規(guī)格后用導(dǎo)電膠平整固定于鋁臺上并進(jìn)行鍍金處理，使用vltra55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行表面形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 莨紗綢的熱傳遞性能

熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)及比熱容是表征材料內(nèi)部熱量傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，克羅值、保溫率及傳熱系數(shù)是表征材料與環(huán)境之間熱量交換能力的重要指標(biāo)。導(dǎo)熱系數(shù)是指單位面積上單位時間內(nèi)通過物體的熱量與溫度差之比，是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的重要指標(biāo)，主要用于描述物體內(nèi)部熱量的傳遞過程，取決于物質(zhì)本身的物理特性。傳熱系數(shù)是指單位時間內(nèi)通過物體的熱量與溫度差之比，是表征環(huán)境流體與物質(zhì)表面對流換熱強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，主要用于描述物體與周圍環(huán)境之間的熱量交換過程，除了與物質(zhì)本身的物理特性有關(guān)外，還與外部條件流體的流速有很大關(guān)系。

莨紗綢制備過程中各試樣的導(dǎo)熱性能及保溫性能參數(shù)如表1和表2所示。由表1和表2可知，無論是織物正面接觸傳感器（加熱底板）還是反面接觸傳感器（加熱底板），莨紗綢制備過程中各織物的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、克羅值、保溫率及傳熱系數(shù)的差異性均較小，結(jié)果表明涂層的形成使織物厚度增加并沒有進(jìn)一步導(dǎo)致織物的熱傳遞性能下降，莨紗綢仍能保持與同規(guī)格空白蠶絲織物一致的熱傳遞性能，表現(xiàn)出涼爽舒適的觸感。這可能與薯莨色素及河泥關(guān)鍵組分本身的理化屬性有關(guān)，或許還可能與織物孔隙率減小有關(guān)。經(jīng)染色及涂泥整理后色素大分子及河泥中關(guān)鍵組分滲透到織物內(nèi)部并逐漸填充纖維間的孔隙，織物內(nèi)部孔隙率減小，儲存靜止空氣的能力下降，但尚不能抑制織物內(nèi)部的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。砂洗后由于摩擦作用和纖維拉伸產(chǎn)生位移，纖維斷裂及分散，孔隙率進(jìn)一步減小。然而，具體的原因仍需進(jìn)一步地深入探究。

2.2 莨紗綢的濕傳遞性能

2.2.1 透氣透濕性

圖1是莨紗綢制備過程中各試樣的透氣率及透濕率。由圖1（a）可知，莨紗綢成型過程中，織物的透氣率逐漸下降，空白織物的透氣率為394.79 mm/s，染色20次后織物的透氣率下降了36.06%，涂泥整理后下降了46.13%。這可能是因為染色及涂泥整理使織物表面形成了致密的色素層和黑膠層，隨涂層厚度增加，纖維間的孔隙越來越小，圖5織物掃描電鏡圖證明了這一變化。此外，砂洗后織物的透氣率進(jìn)一步下降，這可能是由于砂洗過程中纖維拉伸使織物變得更為緊實，纖維起絨導(dǎo)致織物間孔隙被阻斷，孔隙率進(jìn)一步減小，透氣性進(jìn)一步降低。

由圖1（b）可知，莨紗綢制備過程中各試樣的透濕率無顯著差異。這是由于薯莨色素及河泥中腐殖酸、富里酸等組分富含大量親水基團(tuán)，經(jīng)染色及涂泥整理后織物表面親水基團(tuán)含量增加，織物能逐漸與水分子接觸并結(jié)合，由濕度較大的空氣中經(jīng)織物傳導(dǎo)至濕度較小的空氣中，盡管整理后織物厚度增加，

涂層緊密，孔隙率減小，但對織物總體的透濕量無顯著影響。

2.2.2 吸放濕性

圖2為莨紗綢制備過程中各試樣的吸濕回潮率及放濕回潮率對時間的變化規(guī)律。由于吸濕性散點(diǎn)圖的收斂性較差，放濕性散點(diǎn)圖的收斂性極好，故僅對織物的吸濕性變化進(jìn)行擬合。表3為各試樣吸放濕平衡回潮率及飽和吸水率。由圖2（a）可知，在實驗初始階段，織物快速吸濕，在20 min左右達(dá)到吸濕平衡。由表3可知，空白織物吸濕達(dá)到平衡時的回潮率約為10.88%，經(jīng)染色、涂泥及砂洗整理后，織物的吸濕回潮率有所增加。這是由于染色及涂泥整理后，織物表面的親水基團(tuán)含量增加，根據(jù)Peirce吸濕理論可知，織物表面親水基團(tuán)與直接水分子以氫鍵結(jié)合，間接水分子以范德華力吸附在直接水上，因此親水基團(tuán)增加，織物能鍵合直接水分子的能力增加。

由圖2（b）可知，在實驗初始階段，織物快速放濕，隨時間延長放濕回潮率逐漸減小，在120 min左右基本達(dá)到了放濕平衡。由表3可知，吸放濕達(dá)到平衡時的回潮率差異不大。值得注意的是，空白織物的飽和吸水率為103.32%，經(jīng)染色、涂泥及砂洗整理后織物的飽和吸水率下降了7%～35%，這與回潮率結(jié)果相反。這可能是因為織物表面形成了致密的色素層及黑膠層，且砂洗整理后織物更為緊實，盡管織物表面涂層結(jié)構(gòu)富含的大量親水基團(tuán)能與直接水分子結(jié)合，但織物內(nèi)部孔隙率減小，儲水空間有限，持水性變差。

2.2.3 動態(tài)接觸角與毛細(xì)效應(yīng)

圖3（a）是莨紗綢制備過程中各試樣正反面的接觸角變化情況。由圖3（a）可知，織物正面的潤濕時間比反面要略長一些，這是由于織物雙面異構(gòu)導(dǎo)致的。值得注意的是，空白織物的潤濕時間極短。隨染色次數(shù)增加，潤濕時間逐漸延長，這可歸因于織物表面形成了緊密的色素層，水分子無法快速滲透到織物內(nèi)部。涂泥織物的潤濕時間比染色織物的潤濕時間短，這可能與河泥中主要成分本身的結(jié)構(gòu)與理化屬性有關(guān)。莨紗綢制備過程中所使用的河泥呈弱堿性。有學(xué)者指出，堿性條件下腐殖酸中的羧基能與單寧中的酚羥基去質(zhì)子化，導(dǎo)致腐殖酸呈現(xiàn)類膠束的拉伸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中疏水基團(tuán)分布在分子內(nèi)部，親水基團(tuán)位于分子表面，且碳數(shù)越多，疏水結(jié)構(gòu)越緊密［10］。此外，堿性條件下富里酸能電離出部分含氧官能團(tuán)，水溶性增強(qiáng)［11-12］。砂洗后織物均不具備潤濕性能，這可能是砂洗所使用的硅氧烷類柔軟劑及砂洗過程中織物表面起絨賦予了織物疏水性能。

圖3（b）是莨紗綢制備過程中各試樣的芯吸高度。由圖3（b）可知，織物經(jīng)向和緯向的實驗結(jié)果一致，織物正面和反面的實驗結(jié)果存在差異。空白織物正反面的芯吸高度約為9.6 cm，具有較好的導(dǎo)濕性能;染色及涂泥織物的正面均不具備毛細(xì)效應(yīng)，反面的芯吸高度分別為2.0 cm和5.2 cm，具有一定的導(dǎo)濕能力，這可歸因于織物雙面異構(gòu)。染色后砂洗織物及涂泥后砂洗織物的正反面均不具備芯吸導(dǎo)濕能力，這可能是砂洗使用硅氧烷類柔軟劑使織物呈疏水性，砂洗過程中織物表面起絨使織物呈拒水性。

2.2.4 液態(tài)水分管理能力

表4和表5分別為莨紗綢制備過程中各試樣正面朝上和反面朝上時的液態(tài)水分管理數(shù)據(jù)，圖4為各試樣頂層和底層的含水率變化曲線。由空白織物的液態(tài)水分管理數(shù)據(jù)及含水率變化曲線可以看出，空白織物的單向傳遞指數(shù)平均值為1673，織物兩側(cè)的含水量基本趨于一致，不具備單向?qū)裥阅堋Ｓ扇旧?0次織物的各項數(shù)據(jù)可以看出，織物正面朝上時的單向傳遞指數(shù)平均值為196.10，織物反面朝上時的單向傳遞指數(shù)平均值為-193.00。由含水率變化曲線可以看出，織物反面的含水率總是大于正面，說明織物具有能將水分從正面?zhèn)鲗?dǎo)至反面的能力，具備一定的單向?qū)裥浴Ｓ赏磕嗫椢锏母黜棓?shù)據(jù)可以看出，織物正面朝上時的單向傳遞指數(shù)平均值為178.26，反面朝上的單向傳遞指數(shù)平均值為-189.18。由含水率變化曲線可以看出，織物吸濕性及潤濕半徑要比染色織物大，且涂泥織物反面的含水量總是大于正面，說明涂泥織物具有較好的潤濕性能及單向?qū)裥阅堋Ｓ扇旧笊跋纯椢锖屯磕嗪笊跋纯椢锏母黜椫笜?biāo)可以看出，經(jīng)砂洗后織物不具備吸濕導(dǎo)濕性。該結(jié)果與動態(tài)接觸角及毛細(xì)效應(yīng)測試結(jié)果一致。

2.3 表面形貌

為進(jìn)一步驗證織物的熱濕舒適性是否與織物形成涂層結(jié)構(gòu)及砂洗導(dǎo)致纖維拉伸、損傷起絨有關(guān)，本文對織物的表面形貌進(jìn)行觀察分析，如圖5所示。由圖5可知，空白織物表面纖維光滑且排列有序;染色及涂泥整理后，織物正面能清楚觀察到涂層結(jié)構(gòu)，織物反面雖然能觀察到染色痕跡，但纖維之間仍有序排列，沒有形成明顯的涂層結(jié)構(gòu)。染色后砂洗織物及涂泥后砂洗織物由于砂洗過程中的摩擦作用和堿性化學(xué)試劑的腐蝕作用，正面涂層出現(xiàn)裂紋，纖維斷裂并起絨，但涂層結(jié)構(gòu)并沒有大面積被破壞;反面由于沒有涂層的保護(hù)作用，損傷相對嚴(yán)重。由此可見，莨紗綢熱濕舒適性能變化的原因可能是由于織物表面涂層緊密，織物變得緊實，孔隙率減小。砂洗使纖維損傷起絨可能是致使織物具有一定疏水性的原因。然而，具體的理論解釋仍需進(jìn)一步的實驗數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

本文對莨紗綢制備過程中各試樣的熱濕舒適性進(jìn)行探究，對莨紗綢各階段試樣的相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行測試，得出以下

結(jié)論：

1） 莨紗綢制備過程中織物的各項熱傳遞性能指標(biāo)無顯著變化，呈現(xiàn)與空白織物一致的熱傳遞性能，具有優(yōu)異的涼爽

舒適性。

2） 莨紗綢制備過程中織物的透氣性逐漸下降，透濕性無顯著差異，吸濕/放濕達(dá)到平衡時的回潮率有所增加。雖然飽和吸水率有所減小和潤濕性有所下降，但是莨紗綢相較于空白織物仍具有優(yōu)異的濕傳遞性能。

3） 莨紗綢織物表面形成的色素層和黑膠層使得織物具有優(yōu)異的熱濕舒適性，賦予織物明顯的單向?qū)裥阅?砂洗工藝致使纖維表面起絨，從而令織物具有一定的疏水性。

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Evolution of the thermal-moisture comfort during the preparation of gambiered Guangdong silk

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

LIN Liuxing， GUO Shengnan， AN Meng， MA Mingbo， ZHOU Wenlong

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Gambiered Guangdong silk， which involves an eco-friendly processing technique， unique double-sided structure and excellent wearing properties， is an ecological textile dyed with the pigment extracted from Dioscorea Cirrhosa Lour. There have been a lot of reports on the structure and properties of the silk. As a summer cooling fabric， gambiered Guangdong silk has excellent thermal and moisture comfort properties such as coolness， breathability， and moisture permeability. However， the study of the evolution of thermal-moisture comfort during the preparation of gambiered Guangdong silk has not been reported in the literature. Thus， this study attempts to clarify the evolution of the thermal comfort and moisture comfort based on the traditional preparation process of gambiered Guangdong silk.

In this experiment， gambiered Guangdong silk was prepared according to the traditional processing technology. Firstly， pigment was extracted from Dioscorea Cirrhosa Lour. Then， the white silk fabric was dyed with the pigment， and exposed to the sun. This dyeing-exposure process was repeated about 20 times. Subsequently， when the pigmentation on the fabric reached a certain thickness， the silk was coated with mud. Finally， because the dyed and mud-coated fabrics were stiffer， fabrics were finished by sand washing.

According to the characterization of the thermal performance test， there was negligible alteration in thermal conductivity， thermal diffusivity， specific heat capacity， the Clo value， warmth retention rate and heat transfer coefficient. The result show that the heat transfer index of the fabric remained relatively stable during the preparation process， demonstrating the same excellent heat transfer performance （cooling characteristics） as the blank silk fabrics of the same specification. Furthermore， the moisture comfort of gambiered Guangdong silk was clarified. During the manufacturing processing of gambiered Guangdong silk， the breathability of the fabric gradually decreased. There was no significant difference in moisture permeability. The moisture regain rate increased whereas the saturated water absorption rate decreased. After dyeing and mud coating， the fabric had good wettability and unidirectional water transfer. After sand washing， the fabric was hydrophobic and had no moisture absorption and conductivity. The results show that gambiered Guangdong silk has excellent moisture comfort.

Finally， in order to verify that the thermal-moisture comfort of gambiered Guangdong silk is related to the formation of the coating structure of the fabric， the surface morphology of the fabric was observed and analyzed. From the SEM images， it can be observed that the tight coating structure is formed on the surface of the silk， and the pores between the fibers are reduced. That is why gambiered Guangdong silk has outstanding thermal-moisture transfer properties after dyeing and mud coating. Through the analysis of the surface morphology of the silk， it is obvious that the surface of the fabric is damaged and the fibers are broken and fleece after sand washing. That is why the silk has hydrophobic property.

This study clarifies the evolution of the thermal-moisture comfort in the preparation process of gambiered Guangdong silk and may pave the path for the standardization of its industrial production.

Key words： gambiered Guangdong silk; Dioscorea Cirrhosa pigment; preparation process; thermal transfer; moisture transfer; comfort