木棉纖維集合體隔熱透濕性能的研究

張芳芳，何天虹

(天津工業(yè)大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.藝術(shù)與服裝學(xué)院，天津 300387)

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木棉纖維集合體隔熱透濕性能的研究

張芳芳a，何天虹b

(天津工業(yè)大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.藝術(shù)與服裝學(xué)院，天津 300387)

超細化纖維是目前紡織服裝保暖材料的發(fā)展趨勢。木棉是迄今為止中空度最大的天然纖維，獨特的中空結(jié)構(gòu)使其成為一種理想的保暖纖維。以木棉纖維為主要研究對象，觀察木棉纖維縱橫向形態(tài)結(jié)構(gòu)，分析填充度對保暖性能的影響，在相同參數(shù)下，對比分析木棉、棉、聚酯纖維三種纖維集合體的保暖透濕性能。結(jié)果表明：在填充度為0.3時，木棉纖維集合體的保暖性最佳；相同參數(shù)下，木棉纖維集合體的保暖透濕性最好。

木棉纖維；填充度；保暖性；透濕性；紡織服裝

木棉纖維是一種質(zhì)輕壁薄具有高中空度的纖維，中空率在85%以上[1]。其手感柔軟、滑糯，纖維本身中空、質(zhì)輕、保暖、天然抗菌、吸濕導(dǎo)濕，是目前紡織用纖維中線密度最小、質(zhì)量最輕、中空度最高、最具保暖效果的天然纖維材料，被譽為“植物軟黃金”[2-5]。在研究木棉纖維的化學(xué)成分方面，Sunmonu O. K.[6]采用化學(xué)試劑溶解的方法研究了木棉纖維的化學(xué)成分，確定其主要成分為纖維素、木質(zhì)素和木聚糖；在木棉纖維的基本結(jié)構(gòu)和性能的研究上，肖紅等[7]通過實驗表征了國產(chǎn)木棉纖維的基本結(jié)構(gòu)和性能；作為浮力材料，美國海岸警衛(wèi)隊對木棉等纖維進行浮力實驗，得出了木棉是最佳的浮力材料[8]；在木棉產(chǎn)品的研發(fā)上，晏國新[9]成功開發(fā)了木棉纖維混紡內(nèi)衣、內(nèi)褲、胸罩和泳衣產(chǎn)品。目前有關(guān)木棉纖維的研究，基本上集中于單纖維化學(xué)成分和性質(zhì)、纖維結(jié)構(gòu)和物理性能、木棉的可紡性、纖維集合體的浮力保持性等方面，在木棉纖維集合體的隔熱透濕性能的研究上卻不多見。本文通過對木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行觀察，測試纖維集合體的保暖、透濕性，對比分析幾種纖維集合體的保暖透濕性能，并探究纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及纖維集合體的填充度對紡織服裝制品隔熱透濕性能的影響。

1 實 驗

1.1 材 料

木棉纖維、精梳棉纖維(東莞市偉信進出口有限公司)，三維卷曲聚酯纖維(威海市科龍合成纖維廠)。

1.2 儀 器

JA3003B電子天平(河南兄弟儀器設(shè)備有限公司)，Y172型纖維切片器(南通宏大實驗儀器有限公司)，VHX-600數(shù)字式三維測量顯微鏡(深圳益新電子儀器公司)，YG606D型平板式保溫儀、YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)。

1.3 形態(tài)結(jié)構(gòu)測試

采用VHX-600數(shù)字式三維測量顯微鏡觀察三種纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，主要通過超景深數(shù)碼三維顯微系統(tǒng)觀察其橫縱截面的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.4 填充質(zhì)量測試

設(shè)定木棉纖維集合體不同填充度，根據(jù)填充度的公式計算出纖維集合體的填充密度，進而根據(jù)填充體積一定的情況下計算出填充質(zhì)量，使用JA3003B電子天平(精確度：0.001 g)稱量集合體的重量。

(1)

m=p1·v

(2)

式中：f為填充度；p0為纖維密度，g/cm3；p1為纖維集合體體積密度，g/cm3；m為填充質(zhì)量，g；v為填充體積，m3。

1.5 保暖性能測試

參照GB/T 11048—1989《紡織品保暖性能試驗方法》，采用YG606D型平板式保溫儀進行測量。測試條件為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下，環(huán)境溫度20 ℃，相對濕度65%，并進行預(yù)熱30 min，實驗板尺寸300 mm×300 mm。每種試樣各測試3次，通過計算其平均值的方法來提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。目前，雖然對纖維集合體隔熱保暖性能定量測試儀器的研究與開發(fā)越來越多，測試紡織品隔熱透濕性能的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進行測定纖維集合體保暖透濕性能的專用裝置?？紤]到纖維集合體形態(tài)結(jié)構(gòu)的特殊性，不能直接將其放到實驗板上進行測試，故本文選用傳熱透濕性能均較好的非織造布，將其縫制成300 mm×300 mm×10 mm的長方體形狀的實驗袋，以此模擬具有一定厚度的織物而進行保暖性能的測試操作。為保證纖維之間沒有集聚的現(xiàn)象出現(xiàn)，在裝樣后要輕輕拍打試樣袋。與纖維集合體相比，外層所用非織造布試樣袋較為輕薄，透氣性好，可忽略試樣袋熱阻對保暖性能的影響。

1.6 透濕性能測試

參照GB/T 12704.1—2009《織物透濕量測定方法透濕杯法》的要求，采用YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀進行纖維集合體透濕性能的測試。測試條件為：環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度50%，測定在一定條件下透濕杯質(zhì)量的變化計算出透濕量，進而分析纖維集合體的透濕性能。在此，考慮到測試樣品為纖維集合體，仍按照上述測試保暖性能的方法進行填充纖維集合體的試樣袋來模擬為織物進行透濕性實驗，試樣袋大小為100 mm×100 mm×10 mm。外層試樣袋的輕薄性可忽略其濕阻的影響因素。本實驗采用水作為透濕劑的蒸發(fā)法，其中試樣透濕量按下式計算：

(3)

式中：WVT為透濕量，g/(m2·24h)；Δm為同一實驗組合體兩次稱量之差，g；A為有效實驗面積，m2；t為實驗時間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從橫向形貌可以觀察到，木棉纖維的細胞壁非常的輕薄，并幾乎接近透明，具有很大的中腔結(jié)構(gòu)；從縱向形貌可以看出，木棉纖維表面是十分光滑的，并呈現(xiàn)出圓柱型的結(jié)構(gòu)，無轉(zhuǎn)曲現(xiàn)象。

圖1 木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 The morphological structure of kapok fiber

棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示，從橫截面上看，該纖維為腰圓形，具有天然的轉(zhuǎn)曲。聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該纖維為合成纖維，橫截面為十分規(guī)則的圓形，縱向結(jié)構(gòu)及其光滑。

圖2 棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 The morphological structure of cotton fiber

圖3 聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.3 The morphological structure of polyester fiber

2.2 保暖性能

纖維集合體實際上是纖維、空氣及水之間的混合物[10]，在研究保暖性能時可將其看作是一種特殊的天然多孔材料，內(nèi)部存在著眾多相互連通或者是沒有連通的孔隙[11]，這些孔隙的存在必然會使纖維集合體各項性能存在著一定的差異。根據(jù)纖維本身性能及集合體的特性，可通過以下兩種途徑來提高纖維集合體的保暖性能：一種是利用導(dǎo)熱系數(shù)對保暖性能的影響作用，選用導(dǎo)熱系數(shù)小的纖維作為保暖材料，但在實際應(yīng)用中纖維彼此之間的導(dǎo)熱系數(shù)相差并不是很大，故采用該方法提高纖維集合體的保暖性效果并不顯著；第二種是綜合考慮傳導(dǎo)、輻射、對流之間的因素，利用優(yōu)化纖維集合體中纖維與空氣的比例，使集合體中靜止空氣的含量達到最大值。在測試中可通過填充度來表征集合體中靜止空氣的含量，故纖維集合體的填充度是決定集合體保暖性的關(guān)鍵參數(shù)。在研究保暖性能時，保溫率是度量纖維集合體綜合保暖性能的重要指標(biāo)。本文選用保溫率、傳熱系數(shù)、克羅值來表征纖維集合體的保暖性能，如表1所示。

從表1可以看出，木棉纖維集合體的保暖性能與填充度并不是一直呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)填充度在一定范圍內(nèi)(f為0～0.3)時，木棉纖維集合體的保溫率隨填充度的增加而增大。這是由于填充度較小時，集合體內(nèi)的孔隙率較大，內(nèi)部空氣容易產(chǎn)生對流，隨著纖維集合體填充度的增加，在一定體積內(nèi)纖維的數(shù)量就會增多，集合體之間的堆砌作用會越來越緊密，纖維間的孔隙率將會隨之變小，這樣就增大集合體之間空氣流動的阻力，使得對流熱顯著降低，木棉纖維集合體的保暖性能就會相應(yīng)的增大。

表1 木棉纖維集合體在不同填充度下的保暖性能指標(biāo)

當(dāng)填充度達到某一值時(f=0.3)，木棉纖維集合體內(nèi)的靜止空氣量達到了最優(yōu)化值，保溫率也達到最高值，若繼續(xù)增大其填充度，由于纖維數(shù)量的繼續(xù)增加，使纖維集合體內(nèi)部孔隙率繼續(xù)變小，此時纖維集合體內(nèi)能夠容納的靜止空氣量就會減少，使木棉纖維集合體的保溫率降低。針對木棉纖維集合體中關(guān)于保暖性能的測試研究，關(guān)鍵目的是能夠?qū)⒛久蘩w維集合體中纖維及空氣的混合結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)化狀態(tài)，這樣在不浪費原材料的情況下，控制好纖維集合體的填充度，使集合體的保溫率維持在較高的范圍。因此，建議使用的填充度是0.3。

在木棉纖維集合體最佳填充度下，三種纖維集合體的填充度相同時，不同纖維集合體的保溫率、傳熱系數(shù)、克羅值存在著明顯的差異。表2為填充度一定的情況下(f=0.3)不同纖維集合體的保暖性對比情況。

表2 不同纖維集合體的保暖性測試

從表2可以看出，在木棉纖維集合體最佳填充度(f=0.3)時，木棉纖維集合體的保溫率最大，保暖性能最好，棉纖維集合體次之，聚酯纖維集合體的保暖性最差。木棉纖維集合體良好的保暖性能主要取決于木棉纖維本身獨特的形態(tài)結(jié)構(gòu)：該纖維的中空度極大，中腔內(nèi)含有較多的靜止空氣，這些靜止空氣的存在可以使纖維集合體的保暖性能得到大幅度的提高；由于木棉纖維的密度最小，對于相同集合體的填充度，致使其蓬松度達到最大，可增大空氣的流通阻力，從而使容納的靜止空氣更加容易固定在纖維集合體的內(nèi)部，即增加了集合體的整體熱阻，使木棉纖維集合體的保暖性能大大提高。從棉纖維及聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)上來看，它們的橫截面都無大中空的結(jié)構(gòu)，且纖維沒有任何溝槽，故不能容納更多的靜止空氣，因此其保暖性能沒有木棉纖維集合體的好。而聚酯纖維的透氣性差，在一定程度上影響其保暖效果。

2.3 透濕性能

纖維集合體的透濕量反映了氣態(tài)水透過纖維集合體的能力，透濕量受材料兩邊溫濕度差的影響[12]。纖維集合體的吸濕透濕性能主要是液體在集合體中毛細孔隙的芯吸效應(yīng)，芯吸效應(yīng)是指纖維集合體潤濕后，液體在界面張力的作用下，沿著纖維集合體內(nèi)毛細孔隙流動擴散的現(xiàn)象[13]。影響纖維集合體透濕性的因素包括纖維集合體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙的大小及外界大氣條件[14]，其中水氣通過纖維集合體主要的傳遞途徑有三個方面：其一是纖維自身所具有的吸濕性能，并通過纖維集合體水氣壓低的一側(cè)逸出去；其二是水氣通過纖維集合體中的微孔進行擴散；其三是大量的水氣分子所能夠產(chǎn)生的凝露現(xiàn)象，并通過毛細作用通過擴散并在水氣壓較低的地方發(fā)生蒸發(fā)行為。

根據(jù)上述所測得的木棉纖維集合體的最佳填充度，在此基礎(chǔ)上對三種纖維集合體相同填充質(zhì)量的試樣測試其透濕性，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種纖維集合體的透濕量Fig.4 Moisture permeability of three kinds of fiber assemblies

從圖4可以看出，三種纖維集合體試樣透過水蒸氣的能力雖不完全相同，但相差很小。木棉纖維集合體試樣透濕量最大，聚酯纖維集合體試樣的透濕量最小。從纖維集合體的親水與疏水現(xiàn)象來說，一般情況下，集合體中纖維所含的親水基團越多，纖維的吸水率就會越高，纖維與空氣的接觸面積越大，纖維的放濕速率相應(yīng)就會越快。對于親水性纖維，水蒸氣在纖維中的傳遞會伴隨著纖維自身結(jié)構(gòu)密度的增加而相應(yīng)減少，水蒸氣在纖維中的傳遞方式是水分子從高濃度水蒸氣一側(cè)進入纖維中，與該纖維分子上的極性基團形成氫鍵而結(jié)合在一起，并達到趨于吸濕平衡的狀態(tài)，再向水蒸氣濃度梯度低的一側(cè)空氣中擴散，而聚酯纖維是疏水性纖維，雖然該纖維具有很強的透濕能力，但是纖維的吸水性很差，故聚酯纖維集合體的透濕量最少。從纖維的組成分析，木棉纖維含有很高的半纖維素，具有親水能力，能夠快速地吸水膨脹，又會在木質(zhì)素的輸送作用下以及內(nèi)部大中腔中的空氣流動帶動的作用下，在較短的時間內(nèi)帶走大量水分，木棉纖維具有極好的透濕性能，即木棉纖維集合體的透濕性能要好于棉纖維集合體的透濕性能。

從觀察到的纖維結(jié)構(gòu)上看，木棉纖維具有極大的中腔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部孔隙很大，這種大中空結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生的毛細管具有很強的毛細管效應(yīng)。在毛細管效應(yīng)的作用下，該纖維集合體一面從內(nèi)側(cè)的孔中將水蒸氣輸入到中孔并沿中空部分合理分布，另一面又通過外側(cè)微孔向空氣中蒸發(fā)出去，可隨時將水蒸氣抽離并傳輸?shù)嚼w維集合體的表面而迅速蒸發(fā)，因而吸水透濕迅速，保證纖維集合體具有良好的吸濕透濕性能；而另外兩種纖維內(nèi)部無孔隙，且沒有溝槽，不能將水蒸氣在通過纖維內(nèi)部時仍保持順暢的水氣通道而產(chǎn)生很好的芯吸效應(yīng)，加之棉纖維吸濕后會膨脹，使得水蒸氣傳遞空間的通道被堵塞，水氣不能直接到達纖維集合體的另一端，即無水氣的直接傳遞作用，而聚酯纖維本身吸濕性就很差，導(dǎo)致其傳遞到纖維集合體另一端的水蒸氣也很少，故木棉纖維的透濕性能最好，聚酯纖維的透濕性能差。

3 結(jié) 論

1)在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下，木棉纖維集合體的保暖性主要由填充度決定。在填充度較小的范圍內(nèi)保暖性隨其增大而增加，達到一定程度后，保暖性反而會下降，在本實驗條件下木棉纖維集合體最佳填充度為0.3?？刂评w維集合體的填充度，使其含有較多的靜止空氣是提高纖維集合體保暖性的極其重要的一種方法。故在開發(fā)具有保暖性能服裝時，選擇好保暖性的原材料及明確材料的最優(yōu)用量極為關(guān)鍵。

2)在木棉纖維集合體最佳填充度下，相同填充度的三種纖維集合體的保暖性排序為：木棉，棉，聚酯纖維；相同質(zhì)量下三種纖維集合體的透濕性順序為：木棉，棉，聚酯纖維。其原因與纖維的內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)及纖維集合體之間的堆砌結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

3)木棉纖維集合體具有很好的隔熱透濕性能，在一定程度上增大了其在紡織服裝應(yīng)用上的服用舒適性能。結(jié)合木棉纖維自身具有的中空超輕、保暖透濕、綠色健康、天然抗菌等優(yōu)良特性，奠定了木棉纖維在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

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Investigation on thermal insulation and moisture permeability performance of kapok fibrous assemblies

ZHANG Fangfanga, HE Tianhongb

(a. School of Textile; b. School of Art and Fashion, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Ultra fine fiber is the development trend of thermal insulation materials of textile and garment. Kapok is the natural fiber with the largest hollowness by far. Its unique hollow structure makes it become a kind of ideal thermal fiber. The kapok fiber was used as the main research object to observe the vertical and horizontal morphology of kapok fiber, and analyze the influence of filling degree on thermal properties. Under the same parameters, warmth and moisture permeability of three kinds of fiber assemblies including kapok, cotton and polyester fiber were compared and analyzed. The results show that:when the filling degree of 0.3, the warmth of kapok fiber assemblies is the best. Under the same parameters, warmth and moisture permeability of kapok fiber assemblies are the best.

kapok fiber; filling degree; warmth; moisture permeability; textile and garment

??與技術(shù)

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.10.003

2016-04-01;

2016-09-28

張芳芳(1988-),女，碩士研究生，研究方向為服裝功能與舒適性。通信作者：何天虹，副教授，zhang_ff@163.com。

TS101.921

A

1001-7003(2016)10-0012-05 引用頁碼:101103