智能調溫棉針織面料的性能研究*

西安工程大學紡織與材料學院，陜西 西安 710048

智能調溫棉針織面料的性能研究*

楊靜劉艷君

西安工程大學紡織與材料學院，陜西 西安 710048

為研究棉針織面料經交聯(lián)后的調溫性能，以15．6 tex的純棉紗為原料，編織緯平針、1+1羅紋、羅紋空氣層、羅紋半空氣層等4種組織結構的針織物；利用摩爾分數比為1∶9的試劑PEG-800和藥用PEG-1000作為單一相變材料、2D樹脂作為交聯(lián)劑，處理這4種棉針織物；最后對棉針織物進行熱活性、物理力學性能和濕熱舒適性測試與分析。結果表明：交聯(lián)后棉針織物的各項性能均能滿足針織物服用性能要求，表明開發(fā)該智能調溫棉針織面料是可行的。

智能調溫， 調溫性能， 熱活性， 物理力學性能， 濕熱舒適性， 針織面料

作為人體唯一便捷圍護結構的服裝，一般可以通過三大類保溫材料來實現其保溫功能[1]：第一類是采用隔熱保溫材料，通過增大傳導熱阻、對流熱阻和輻射換熱熱阻來減少人體熱量的散失，使服裝具有保溫功能，屬消極式被動保溫材料；第二類是采用產熱保溫材料，通過電能與熱能、化學能與熱能、光能與熱能等不同方式在相互轉化過程中產生的額外熱量來彌補人體通過出汗等散失到環(huán)境中的熱量，仍屬積極式主動保溫材料[2-4]；第三類是采用蓄熱保溫材料，如利用熱水袋等顯熱蓄熱或相變材料潛熱蓄熱等，仍屬積極式主動保溫材料，其中相變材料的相變溫度可以設定，其在一定時間段內的溫度比較恒定，故又被稱為積極式智能調溫材料。

本文選用相變材料對棉針織物進行交聯(lián)處理，對比測試并分析交聯(lián)整理前后棉針織物的熱活性、物理力學性能和濕熱舒適性等，以期為開發(fā)積極式智能調溫材料提供參考。

1 試驗

1．1試樣準備

(1) 選用線密度為15．6 tex的純棉紗，在STOLL CMS530-HP多針距型全自動電腦橫機上編織緯平針、1+1羅紋、羅紋空氣層、羅紋半空氣層等4種組織結構的棉針織物；

(2) 煮練，具體工藝配方為NaOH 8 g/L、滲透劑JFC 3 g/L、Na2SiO42 g/L、溫度100．00 ℃、時間120．0 min、浴比1 ∶30；

(3) 選用摩爾分數比為1∶9的試劑PEG-800(天津市光復精細化工研究所生產)和藥用PEG-1000(湖南華日制藥有限公司生產)作為單一的相變材料，具體交聯(lián)工藝為2D樹脂60 g/L、 MgCl2·6H2O與濃度10 g/L檸檬酸摩爾分數比12 ∶1、烘焙溫度120．00 ℃、烘焙時間2．5 min，浴比1 ∶20。

1．2測試儀器

NETZSCH DSC 200F3型差示掃描量熱儀、YG(B)026D-500型電子織物強力機、JA3003A型電子天平、DHG-9075電熱恒溫鼓風干燥箱、YG1410型織物厚度儀、YG461E數字式透氣量儀、YG(B)216X型織物透濕量儀、YG(B)871型毛細管效應測定儀、YG606D型平板式織物保溫儀等。

1．3測試方法

1．3．1 熱活性

采用NETZSCH DSC 200F3型差示掃描量熱儀，測試交聯(lián)后緯平針、1+1羅紋、羅紋空氣層、羅紋半空氣層棉針織物的熱活性。

試驗條件：將準備好的棉針織物和坩堝組合體放入NETZSCH DSC 200F3型差示掃描量熱儀中，在惰性氣體N2保護下，升降溫區(qū)間設置為-30．00～90．00 ℃，升降溫速率設置為10 ℃/min。

1．3．2 頂破強力

采用YG(B)026D-500型電子織物強力機進行織物頂破強力測試。不同組織結構的棉針織物分別測試5次，結果取平均值。

1．3．3 透氣性

采用YG461E數字式透氣量儀進行織物透氣性測試，測試指標為透氣量。棉針織物無需進行裁樣，根據測試標準，織物測試面積約為38．5 cm2，壓力差為127．5 Pa。若規(guī)定時間內透過棉針織物的氣體體積越大，則說明棉針織物的透氣性越好；若規(guī)定時間內透過棉針織物的氣體體積越小，則說明棉針織物的透氣性越差。

1．3．4 透濕性

針織面料的透濕性主要受纖維、紗線線密度、線圈結構和織物厚度等因素影響[5-6]。采用YG(B)216X型織物透濕量儀測試棉針織物交聯(lián)前后4種組織結構的透濕量。

試驗條件：試驗箱溫度設置為38．50 ℃，相對濕度設置為90%，風速設置為0．4 m/s。先將棉針織物裁剪成直徑70 mm的圓，且不同組織結構的棉針織物分別取3塊試樣。試驗以無水氯化鈣作為吸濕劑。由于無水氯化鈣極易吸濕，在潮濕的空氣中吸濕特別明顯，因此使用前需將其放置于溫度為160．00 ℃的烘箱內干燥3 h，使其達到絕干狀態(tài)。測試時，將試樣的測試面放置于盛有吸濕劑的透濕杯上，密封后放置在規(guī)定的溫濕度環(huán)境條件下，根據測得的透濕杯、棉針織物、吸濕劑三者組合體的質量差，計算棉針織物的透濕量：

(1)

式中：WVT——每天(24 h)單位面積織物的透濕量， g/(m2·24 h)；

Δm——透濕杯、棉針織物、吸濕劑三者組合體測試前后的質量差， g；

S——試樣面積， m2；

t——試驗時間， h。

1．3．5 吸水性

采用YG(B)871型毛細管效應測定儀進行織物吸水性測試?？椢镂砸悦毠苄潭?即芯吸高度)作為衡量指標[7]。上升的高度越大，說明織物的吸水性越好。

具體測試：將棉針織物沿經向和緯向分別裁剪3塊規(guī)格為20．0 cm×2．5 cm的試樣，并用夾子夾住棉針織物上下端，使棉針織物始終保持垂直狀態(tài)；再在恒溫槽中加入2 500 mL質量分數為0．5%左右的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)溶液，恒溫槽的溫度始終保持在(27．00±2．00)℃，測試時間為30.0 min。測量芯吸高度，測試結果取其平均值。

1．3．6 保溫性

采用YG606D型平板式織物保溫儀進行織物保溫性測試?？椢锉匦砸詿醾飨禂怠嶙?、保溫率等3項作為評價指標。熱傳系數越小、保溫率越大，說明織物保溫性越好；反之，保溫性越差。

測試方法：將棉針織物裁剪成規(guī)格為30．0 cm×30．0 cm的試樣；將棉針織物正面朝上平鋪覆蓋在預熱一定時間的試驗板上，試驗板溫度為36．00 ℃左右，外部環(huán)境溫度則低于36．00 ℃[一般取(20．00±2．00) ℃]、相對濕度(65±2)%。

2 結果與分析

2．1熱活性

選擇DSC法對交聯(lián)后緯平針、1+1羅紋、羅紋空氣層、羅紋半空氣層組織的棉針織物的熱活性進行表征。由表1可知：經過PEG整理并交聯(lián)后的1+1羅紋棉針織物的熔融吸熱溫度、結晶放熱溫度與其他三種組織相比較低，這是由于棉針織物熱活性參數與棉針織物組織結構有關。在4種組織結構中，緯平針的組織結構最為稀松，交聯(lián)劑與PEG容易進入緯平針棉針織物內部，與纖維素纖維發(fā)生反應，所以其熔融吸熱溫度和結晶放熱溫度相對較高。

一般情況下，熔融吸熱溫度在15．00～40．00 ℃、結晶放熱溫度在-15．00～20．00 ℃，是衣用紡織品的適用溫度范圍，且熔融吸熱溫度和結晶放熱溫度是擇優(yōu)(即數值大)選擇的[8]。所以，緯平針、1+1羅紋、羅紋空氣層和羅紋半空氣層等組織都滿足該條件，其中緯平針棉針織物的智能調溫性能最優(yōu)。

表1 4種組織結構的棉針織物交聯(lián)后DSC測試結果

2．2頂破強力

織物頂破強力是反應織物堅牢度的重要指標之一。由表2可以看出，4種組織結構的棉針織物交聯(lián)后的強力下降率從小到大依次為緯平針<1+1羅紋<羅紋半空氣層<羅紋空氣層。由此可見，緯平針棉針織物強力下降率最小，其堅牢度最穩(wěn)定。

表2 4種組織結構的棉針織物交聯(lián)前后頂破強力的變化

2．3透氣性

透氣性反應的是織物在穿著過程中，空氣所能透過織物的難易程度。從表3可以得知：

(1) 交聯(lián)前后不同組織結構棉針織物的透氣性從小到大依次為羅紋空氣層<羅紋半空氣層<1+1羅紋<緯平針，各組織間透氣性存在差異主要是因為透氣量與棉針織物厚度、組織結構、未充滿系數等因素有關。在編織的4種組織結構的棉針織物中，緯平針棉針織物厚度最小、最輕薄、未充滿系數最大，所以其透氣量最大、透氣性最好。

(2) 交聯(lián)后棉針織物透氣性明顯下降，這是因為交聯(lián)后棉針織物的纖維之間或纖維內部沉積、固著的PEG使棉針織物的縱密、橫密增加，棉針織物變得緊密厚實，紗線穿套成圈所形成的間隙減小，空氣難以透過棉針織物，從而導致棉針織物透氣性下降。且棉針織物質量增加率越大，透氣量下降率越大，其中交聯(lián)后的緯平針棉針織物質量增加率最大、羅紋空氣層棉針織物質量增加率最小，故緯平針棉針織物透氣量下降率較羅紋空氣層棉針織物大。

表3 4種組織結構的棉針織物交聯(lián)前后透氣性的變化

2．4透濕性

在人體、服裝、環(huán)境三者組成的復雜系統(tǒng)中，人體熱濕舒適性往往取決于自身產熱量與散熱量之間的平衡。而汗液蒸發(fā)是人體散失熱量的主要途徑。從表4可以看出：

(1) 交聯(lián)前后不同組織結構棉針織物的透濕量從大到小依次為緯平針>1+1羅紋>羅紋半空氣層>羅紋空氣層。在原料相同的條件下，透濕量大小與棉針織物厚度有關，棉針織物越輕薄，其傳遞水蒸氣的能力就越強，透濕量就越大，因此，在4種組織結構的棉針織物中，緯平針的透濕量最大。

(2) 交聯(lián)后棉針織物透濕量明顯大于交聯(lián)前棉針織物。這是因為PEG、2D樹脂、纖維素纖維三者之間發(fā)生了交聯(lián)反應，在纖維內部形成了穩(wěn)定的線型或網狀纖維-聚合物結構。雖然由三者組成的整理劑的物理附著使得棉針織物中紗線間的間隙變小，但水分子的直徑遠小于聚合物的孔徑。當水分子由于自身氫鍵作用發(fā)生類聚反應時，其可以不受任何束縛地進行自由擴散，因為高聚物內大量的親水性羥基可作為水分子傳遞的中間介質，水分子在氫鍵和其他分子間力的作用下，與高聚物大分子鏈上的親水基團結合，將水蒸氣從濕度較大的一側傳遞到濕度較小的一側，從而形成“吸附→擴散→解吸”的過程[9]。同時，PEG自身就包含大量的親水基團，其吸濕性較好，因此也可以通過親水性羥基傳遞水分子，故交聯(lián)后的棉針織物透濕性較交聯(lián)前有很大改善。

表4 4種組織結構的棉針織物交聯(lián)前后的透濕量變化

2．5吸水性

織物應具有良好的吸水性，以保證人體皮膚始終處于干爽狀態(tài)，令人體感到舒適。從表5可以看出：

(1) 交聯(lián)前4種組織結構的棉針織物的橫向吸水性都小于縱向，這說明縱向比橫向更有利于水分子的傳輸。

(2) 交聯(lián)后棉針織物的吸水性較交聯(lián)前有所改善，這是因為交聯(lián)在棉針織物上的PEG含有大量的親水性基團，這使得水分更容易沿毛細孔隙上升或滲入，交聯(lián)后棉針織物的芯吸高度高于交聯(lián)前棉針織物。

(3) 棉針織物組織結構不同，其吸水性也存在一定差異。

表5 4種組織結構的棉針織物交聯(lián)前后芯吸高度的變化

2．6保溫性

保溫性指在織物兩面有溫差的情況下，防止熱量從高溫側向低溫側傳遞的性能。從表6可以看出，4種組織結構的棉針織物的保溫性從大到小依次為羅紋空氣層>羅紋半空氣層>1+1羅紋>緯平針。在原料相同的條件下，織物的保溫性與織物的組織結構、蓬松度有關?？椢镌脚钏桑诳椢镏械撵o止空氣越多，織物保溫性就越好，但織物過于蓬松則織物內紗線間的較大孔隙會導致對流加強，熱量容易散失，織物保溫性反而變差。交聯(lián)整理后棉針織物保溫率稍有所下降，這是因為交聯(lián)整理后，原來填充于棉針織物孔隙中的靜止空氣被樹脂取代，樹脂的導熱系數較靜止空氣大，對流減弱，最終導致棉針織物保溫性能減弱，下降幅度小可能是由于交聯(lián)在棉針織物上的聚乙二醇太少，紗線間孔隙變化較小，故保溫率變化甚微。

表6 4種組織結構的棉針織物的保溫性測試結果

3 結論

棉針織物經最佳交聯(lián)工藝處理后的強力嚴重下降，但本文開發(fā)的智能調溫棉針織面料頂破強力均在針織物服用性能要求范圍內。交聯(lián)后PEG沉積在纖維或紗線間的孔隙中，使得纖維直徑變大，紗線變粗，棉針織物厚度也不同程度地發(fā)生變化。通過對交聯(lián)前后棉針織物各項性能的測試、比較及綜合分析發(fā)現，交聯(lián)后棉針織物的各項性能均能滿足針織物服用性能要求，這證明開發(fā)該智能調溫棉針織面料是可行的。

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Research on performance of the intelligent thermoregulation knitted fabric

YangJing，LiuYanjun

Faculty of Textile and Material， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China

In order to study the thermoregulation performance of cotton knitted fabric after cross-linking， four kinds of organizational structures’ fabrics, which were plain knit， rib 1+1 stitch， milano rib and half milano rib， were knitted with the 15．6 tex pure cotton yarn as raw materials． Then these four kinds of fabrics were handled with mole fraction ratio 1 ∶9 reagent PEG-800 and pharmaceutical PEG-1000 as a single phase change material， and 2D resin as cross-linking agent． Finally the thermal activity， physical-mechanical property and heat and moisture comfort of the cotton knitted fabrics were tested． The results showed that， various properties of the cotton knitted fabrics after cross-linking could meet the requirements of knitted fabric’s wearability， which proved that the development of intelligent thermoregulation knitted fabrics was feasible．

intelligent thermoregulation， thermoregulation property， thermal activity， physical-mechanical property, heat and moisture comfort, knitted fabric

*好運來創(chuàng)新研發(fā)基金資助項目(2014KJ-048)；研究生創(chuàng)新基金資助項目(CX201738)

2016-12-27

楊靜，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為紡織新產品的研究與開發(fā)

TS181．8

： A

1004-7093(2017)07-0026-05