基于個(gè)人防護(hù)的棉織物吸濕快干整理

葉遠(yuǎn)麗，李飛，馮志忠，陸鋒，翁雨晴

(1.圣華盾防護(hù)科技股份有限公司，江蘇 江陰 214413；2.江南大學(xué)，江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122)

在自然災(zāi)害和人為災(zāi)害等緊急事件下，救援人員需要面臨人、機(jī)、環(huán)這種均衡系統(tǒng)遭到破壞的情況。在此情況下，個(gè)體防護(hù)裝備成為保護(hù)救援人員生命安全與健康的唯一屏障。因此，防護(hù)性服裝的制備極為重要。隨著材料與技術(shù)的發(fā)展，防護(hù)性服裝功能不斷增加與完善，紡織纖維向功能性、高性能性發(fā)展。吸濕快干性紡織品[1-2]，除了用于襯衣、外衣、運(yùn)動(dòng)服、內(nèi)衣、西褲、襯里、裝飾用品等，還可用于衛(wèi)生醫(yī)療、防護(hù)等領(lǐng)域。這類產(chǎn)品要求必須同時(shí)具備吸水和快干兩種性能，有良好的舒適性，并且在人體大量出汗時(shí)，衣服不會(huì)由于汗水黏貼在皮膚上而產(chǎn)生冷濕感。吸濕性較好的天然纖維[3- 4]雖能滿足吸濕性要求，但在大量出汗時(shí)，導(dǎo)濕、散濕慢，水不容易揮發(fā)，影響織物的熱濕舒適性；合成纖維不含親水性基團(tuán)，吸濕性差，但易洗快干。無(wú)論是天然纖維還是合成纖維都很難兼具吸濕性和快干性這兩種性能，文中結(jié)合天然纖維與合成纖維兩者的優(yōu)缺點(diǎn)[5- 6]，通過適度封閉棉纖維的吸濕性基團(tuán)，研發(fā)具有一定吸濕快干性能的織物。

1 材料與方法

1.1 原料和儀器

1.1.1藥品 DTMS，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%,北京百靈威科技有限公司提供；無(wú)水乙醇、95%乙醇、冰醋酸、丙酮，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.1.2織物 純棉織物，規(guī)格：經(jīng)緯紗線密度為14.58 tex，經(jīng)緯密分別為524根/dm，283 根/dm。

1.1.3儀器 LHS-150HC-I恒溫恒濕箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司制造；DL07-YMPO-80手搖軋車，北京北信科儀分析儀器有限公司制造；NEXUS-670傅立葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司制造；SU1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司制造；AO-100移液器，奧豪斯儀器(上海)有限公司制造；DHG-9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司制造；Y(B)089D全自動(dòng)縮水率試驗(yàn)機(jī)，溫州大榮紡織儀器有限公司制造。

1.2 整理工藝

采用DTMS為低表面能改性劑，以無(wú)水乙醇為溶劑，浴比為1∶20，用冰醋酸調(diào)節(jié)溶液pH至4～6，配制成整理液。將整理液在40 ℃下加熱水解30 min，再將經(jīng)丙酮清洗去除雜質(zhì)的干燥棉織物放入上述溶液中，在室溫下浸漬1 h，在浸漬過程中對(duì)棉織物二浸二軋(軋余率90%～100%)，軋去織物表面的整理液，使整理液分布均勻。將浸軋后的棉織物在100 ℃下烘燥，使整理液能較好地固著在織物表面。

1.3 改性棉織物的表征方法

采用傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，對(duì)改性整理前后的棉織物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。

采用電子掃描顯微鏡(SEM)，對(duì)改性整理前后的棉織物進(jìn)行形貌分析，放大倍數(shù)為3 000倍。

1.4 棉織物的吸濕快干性能測(cè)試方法

1.4.1回潮率 將試樣放入烘箱中烘至絕干，稱取絕干時(shí)的織物質(zhì)量(G0)。然后把試樣置于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度(20±1) ℃、濕度(65±2)%)，進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕平衡24 h，稱取吸濕回潮后織物的質(zhì)量(G1)?；爻甭?W)計(jì)算如下：

W=(G1-G0)/G0×100%

(1)

1.4.2滴水?dāng)U散時(shí)間和擴(kuò)散直徑 根據(jù)GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1部分：?jiǎn)雾?xiàng)組合試驗(yàn)法》，測(cè)試水滴接觸試樣表面至完全擴(kuò)散所需時(shí)間，單位為s，保留兩位小數(shù)。并測(cè)試20 s時(shí)水滴在織物上沿經(jīng)向和緯向擴(kuò)散的直徑，單位為cm。

1.4.3毛細(xì)高度 根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，將織物裁剪成規(guī)格為20 cm×5 cm的試樣(試樣的長(zhǎng)邊平行于織物經(jīng)向)。將在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下已調(diào)濕平衡的試樣一端固定在架上，使試樣保持垂直。調(diào)整試樣位置，使試樣下端位于零位以下15±2 mm處。當(dāng)液面處于零位時(shí)，開始計(jì)時(shí)，記錄30 min時(shí)的毛細(xì)高度，單位為mm。

1.4.4蒸發(fā)速率(相對(duì)含濕率) 將試樣飽和吸收蒸餾水后，用手搖軋車對(duì)試樣進(jìn)行浸軋(軋余率為80%～90%),稱取軋液后試樣質(zhì)量(Gs)。計(jì)此時(shí)為0時(shí)刻，即放濕開始。然后將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下自然放濕，每隔20 min稱取一次試樣質(zhì)量，記錄此刻放濕后的質(zhì)量(Gn)，觀察試樣在各個(gè)時(shí)刻的質(zhì)量變化。當(dāng)連續(xù)兩次試樣質(zhì)量的變化率不超過1%，則停止實(shí)驗(yàn)。試樣在不同放濕時(shí)刻的相對(duì)含濕率(M)計(jì)算方式如下：

M=(Gn-G0)/(Gs-G0)

(2)

1.4.5保水率 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，將試樣完全充分潤(rùn)濕，然后放入全自動(dòng)縮水率試驗(yàn)機(jī)中脫水5 min，稱其脫水后質(zhì)量(G)。保水率(K)計(jì)算如下：

K=(G-G0)/G0

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 DTMS用量對(duì)棉織物吸濕快干性能的影響

人體在大量出汗時(shí)，所排出的汗液會(huì)經(jīng)織物傳遞到外界環(huán)境?？椢锏臐駛鬟f形式分為汽態(tài)濕傳遞和液態(tài)濕傳遞。前者為汽態(tài)汗是通過纖維吸濕-放濕以及纖維空隙向外擴(kuò)散，后者為液態(tài)汗是通過纖維吸水-擴(kuò)散以及纖維間形成的毛細(xì)效應(yīng)來傳遞?？梢?，織物要具備良好的吸濕快干性，應(yīng)滿足吸濕(水)好、傳導(dǎo)快、蒸發(fā)快等要求。評(píng)價(jià)織物吸濕快干性的指標(biāo)有吸濕性、吸水性、導(dǎo)水性、放濕性。表1列出了DTMS不同用量下，棉織物的吸濕快干性能變化情況。

表1棉織物的吸濕快干性參數(shù)
Tab.1Moistureabsorptionandquickdryingpropertiesofmodifiedcottonfabric

WDTMS/%擴(kuò)散時(shí)間/s擴(kuò)散直徑/cm毛細(xì)高度/mm回潮率/%保水率/%0．1012．873．05/2．51117．26．5167．600．5014．392．94/2．36102．96．2364．861．0017．042．81/2．1585．76．0563．862．0032．522．27/1．4672．35．7446．034．00>300不擴(kuò)散不導(dǎo)濕5．5633．32

注:空白棉織物的滴水?dāng)U散時(shí)間為12.48 s，滴水20 s時(shí)水滴經(jīng)緯向直徑分別為3.67 cm和3.06 cm，毛細(xì)高度為120.7，回潮率為7.91%，保水率為72.54%。

織物的吸濕性、吸水性分別用回潮率、保水率表示。回潮率是指纖維在大氣環(huán)境下自然吸收水分的能力，即吸附氣態(tài)水的能力。隨著DTMS用量的增加，經(jīng)低表面能整理的棉織物回潮率逐漸降低，但低表面能整理劑對(duì)棉織物回潮率影響較小。當(dāng)DTMS的用量達(dá)到4%時(shí)，由于棉纖維分子鏈上的低表面能基團(tuán)所占比重大，不利于織物對(duì)水的吸收，潤(rùn)濕性變差，棉織物表面表現(xiàn)為疏水性，而此時(shí)織物的回潮率為5.56%，仍比合成纖維的回潮率高(如滌綸的標(biāo)準(zhǔn)回潮率為0.4%)。究其原因，棉纖維由于存在極性集團(tuán)，仍能吸附較多的氣態(tài)水，而且改性整理對(duì)棉織物中纖維形成的孔隙并沒有造成實(shí)質(zhì)性的影響。

織物保水率是指纖維吸水后經(jīng)過一定機(jī)械方法能保持水分不易散失的一種特性。通常情況下，保水率高，說明棉織物中纖維形成的孔隙儲(chǔ)水能力強(qiáng)，可以防止人體出汗時(shí)，汗液在織物表面流淌，但汗液很難向外散發(fā)，則會(huì)產(chǎn)生悶熱感。保水率低，汗液能快速地經(jīng)纖維孔隙向織物表面移動(dòng)，使棉織物不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保留汗液，而是蒸發(fā)成汗汽擴(kuò)散到外界，織物快速干燥。總之，保水率越低，越有利于織物干燥，織物快干性好。由表1中可以看出，當(dāng)DTMS的用量較小(WDTMS<1%)時(shí)，DTMS對(duì)棉織物的保水率影響不大，隨著DTMS的用量增加，棉纖維表面被低表面能整理劑覆蓋，在織物表面形成一層拒水膜，使織物表面張力大大降低，織物保水率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

織物的導(dǎo)水性可用毛細(xì)高度表示，還可用水滴擴(kuò)散時(shí)間和直徑表示。毛細(xì)高度是指水分子沿織物表面單方向傳導(dǎo)的能力，水滴擴(kuò)散時(shí)間和直徑表示水分子沿織物表面各個(gè)方向擴(kuò)散的能力。棉纖維為多孔纖維，吸濕后纖維內(nèi)的孔隙由水聯(lián)通后形成毛細(xì)效應(yīng)，液態(tài)水在毛細(xì)管內(nèi)受附加壓力作用，向空氣層移動(dòng)，液態(tài)水蒸發(fā)成水汽，氣態(tài)水再經(jīng)纖維間的孔隙擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到外界環(huán)境中。由表1可以看出，經(jīng)低表面能整理，隨著DTMS的用量增加，毛細(xì)高度呈下降趨勢(shì)，水滴在織物上消失速率減慢，水滴擴(kuò)散面積縮小。當(dāng)DTMS的用量達(dá)到4%時(shí)，由于DTMS在酸催化下發(fā)生水解，生成Si—OH，Si—OH分子之間互相縮合，縮聚成具有Si—O—Si三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拒水膜，使棉纖維分子鏈上的部分羥基被封閉，織物的比表面能大大降低，纖維與水分子的結(jié)合力減小，使得織物所吸收的水分由織物內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散以及織物吸濕面積縮小，織物表面呈現(xiàn)疏水性效果。

織物的放濕性(蒸發(fā)速率)能直觀地反映出織物吸濕后的快速散濕能力。水滴在織物內(nèi)部和表面的蒸發(fā)速率越快，則織物快干能力越強(qiáng)。圖1為DTMS用量對(duì)棉織物放濕性的影響曲線。

圖1 DTMS用量對(duì)棉織物放濕性的影響Fig.1 Influence of hydrophobic agent concentrations on the moisture content of modified cotton fabric

由圖1可知，經(jīng)DTMS整理的棉織物的放濕速率明顯比原棉織物要快，且放濕速率隨著DTMS用量的增加而加快，說明整理程度對(duì)織物的放濕速率有影響，低表面能整理可提高織物的快干性。在開始放濕的20 min內(nèi)，織物的放濕速率很快，能散失40%～50%水分。這主要是由于在水分蒸發(fā)前，需要經(jīng)歷潤(rùn)濕、吸濕和擴(kuò)散過程?？椢餄?rùn)濕后，水分完全被織物吸收，吸附在織物的內(nèi)部和表面。在開始階段，吸附在織物表面的水分揮發(fā)得快，而吸附在織物內(nèi)部的水分需從織物內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面，再擴(kuò)散到外界。

放濕20 min時(shí)棉織物的相對(duì)含濕率變化如圖2所示。由圖1、圖2可以看出，當(dāng)DTMS用量較小時(shí)，棉纖維分子鏈上仍有較多的羥基，水分子與棉纖維緊密結(jié)合，大部分水分子先吸附在織物表面，再揮發(fā)，延遲了織物內(nèi)部水分揮發(fā)的時(shí)間，放濕速率減慢。隨著DTMS用量的增加，棉纖維分子鏈上的羥基部分被封閉，DTMS分子之間產(chǎn)生部分交聯(lián)，使水分子進(jìn)入受到阻礙，大部分水分可以較快地從織物內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面，直接擴(kuò)散到外界，織物干燥速率加強(qiáng)。而當(dāng)DTMS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，放濕20 min時(shí)織物的相對(duì)含濕率降至20%左右，織物達(dá)到放濕平衡時(shí)的含水率比DTMS用量較小時(shí)要高。這可能是由于在該用量下，織物表面覆上了一層拒水膜，水潤(rùn)濕織物后容易從織物表面脫落，水分子很難滲透到織物內(nèi)部，僅僅吸附在織物表面。所以，結(jié)合棉織物的回潮率、保水率、放濕性、毛細(xì)高度以及水滴在棉織物上的擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散直徑，DTMS的適宜用量為2%，此時(shí)改性整理的棉織物吸濕快干能力最好。

圖2 放濕20 min時(shí)棉織物的相對(duì)含濕率變化Fig.2 Relative moisture content of modified cotton fabric with different DTMS concentration after 20 min libreating

2.2 改性棉織物的表征

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的DTMS對(duì)棉織物進(jìn)行整理，整理前后棉織物的紅外光譜如圖3所示。由圖3可知，在3 333 cm-1處的吸收峰，是棉纖維中羥基(—OH)的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 900 cm-1處的吸收峰為—CH—鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 640 cm-1處對(duì)應(yīng)的是—C—O—的伸縮振動(dòng)吸收峰。在接枝后的棉織物的紅外光譜中，這幾種吸收峰的強(qiáng)度有所減弱，但減弱程度不大。對(duì)比兩條曲線可以看出，接枝前后棉織物的紅外光譜圖峰形基本不發(fā)生變化，可能是由于硅烷類低表面能試劑用量少，接枝在棉織物表面的疏水基團(tuán)少的緣故。

圖3 整理前后棉織物的紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of cotton fabric before and after finishing

整理前后棉織物的掃描電鏡如圖4所示。由圖4可以看出，整理前棉織物相對(duì)光滑，而經(jīng)DTMS整理后，棉織物表面變得粗糙，被微小顆粒所覆蓋，這可能是由于DTMS水解后在織物表面發(fā)生交聯(lián)導(dǎo)致的。

圖4 整理前后棉織物掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of cotton fabric before and after finishing

3 結(jié)語(yǔ)

1)經(jīng)DTMS整理后，棉織物的吸濕回潮能力有所下降，織物的干燥速率加快，能滿足吸濕快干的效果。

2)當(dāng)DTMS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，織物的吸濕快干性較好，且制備出的吸濕快干棉織物，能滿足健康性、安全性、環(huán)保性要求，能應(yīng)用于衛(wèi)生醫(yī)療和防護(hù)領(lǐng)域。

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