單向?qū)駲C(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 杰， 王府梅

(1. 河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

導(dǎo)濕性能影響服裝穿著舒適性，近年來對機(jī)織物單向?qū)裥阅芊矫娴难芯恳延袌髮?dǎo)，但以往的研究大都集中于單層織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計及多層織物導(dǎo)濕機(jī)制方面[1-2]，以及對織物正反面通過親/疏性的功能性整理實現(xiàn)織物的單向?qū)裥苑矫鎇3]，而對有關(guān)多層導(dǎo)濕織物結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究較少，且在目前研究中，多層之間導(dǎo)濕通道對織物的快速導(dǎo)濕影響的研究也鮮有涉及，而這是多層織物快速導(dǎo)濕的重要因素。針對目前現(xiàn)狀，本文嘗試構(gòu)建導(dǎo)濕梯度結(jié)構(gòu)模型，并利用木棉纖維結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢，設(shè)計含木棉纖維的單向?qū)窨椢铩?/p>

1 單向?qū)駲C(jī)織物梯度結(jié)構(gòu)模型

在單向?qū)窨椢锝Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，可模仿植物獨特的結(jié)構(gòu)和水傳遞機(jī)制[4]，通過原材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計,建立單向?qū)窨椢锾荻冉Y(jié)構(gòu)模型，以有效地提高織物液態(tài)水傳遞性能。

織物結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)分成3個層次，可用于多層織物的設(shè)計。模型中從里層到外層織物孔隙呈梯度遞減，如同植物中干、莖、葉中木質(zhì)部導(dǎo)管直徑的變化，形成內(nèi)外層靜水壓差[5]，產(chǎn)生“差動毛細(xì)效應(yīng)”，以提高織物單向?qū)裥裕煌瑫r利用外層組織小空隙產(chǎn)生的“蒸騰拉力”提升水分導(dǎo)濕的原動力[6]，通過放濕性能的提高，對織物內(nèi)、外層壓力差的增大也具有協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升了織物單向?qū)衲芰?。另外，模型中里層采用潤濕性能好、?dǎo)濕性好的纖維，有利于保持皮膚干燥，并降低對皮膚的濕摩擦損傷，良好的潤濕性也是保證毛細(xì)管輸水的必要條件，中層采用吸濕、導(dǎo)濕性能好的纖維，將里層的水分快速輸出到表面，同時儲存過多的水分，外層采用快干纖維，加速水分快速蒸發(fā)。

圖1 單向?qū)窨椢锝Y(jié)構(gòu)設(shè)計與工作機(jī)制示意圖Fig.1 Mechanism and structure diagram of fabric with unidirectional water transport

在織物設(shè)計中由于單一纖維的性能無法滿足各層次織物的功能要求，如中層纖維要求吸濕、導(dǎo)濕性都好，因此可通過采用原料不同的經(jīng)緯紗交織或選用不同纖維如吸濕透氣滌綸(Coolmax)與棉混紡實現(xiàn)織物性能的要求。在織物設(shè)計中可采用表里層不同的密度比、表里層不同的組織結(jié)構(gòu)和表里層不同的紗線細(xì)度實現(xiàn)表里層不同孔隙的梯度結(jié)構(gòu)要求。同時，為保證內(nèi)外層毛細(xì)管道良好的連接性，模型各層組織運用中可采用上、下接結(jié)的方式，盡量保證表、里層孔隙的直通性。

2 單向?qū)癫火つw織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 單向?qū)駲C(jī)織物的原料選擇

考慮到導(dǎo)濕快干織物大都應(yīng)用于運動服、特殊環(huán)境的工作服，多在熱、濕環(huán)境下穿著，層數(shù)多的織物厚度增加，不利于濕、熱的傳導(dǎo)和輕便舒適性，本文采用雙層織物，利用表里層不同的組織結(jié)構(gòu)及接結(jié)方式，基于木棉纖維的優(yōu)勢性能，設(shè)計制作單向?qū)駲C(jī)織物。

織物原料設(shè)計中，經(jīng)紗采用木棉/棉混紡紗線，緯紗采用Coolmax紗線，利用Coolmax纖維良好的導(dǎo)濕性能，木棉、棉纖維良好的吸濕性，柔軟的觸感[7]與織物導(dǎo)濕梯度結(jié)構(gòu)組合，以達(dá)到良好的單向?qū)裥阅堋？椢锢飳优c皮膚接觸處為緯面浮長組織，如圖2(b)所示，少量的木棉/棉混紡紗在低濕狀態(tài)下，利用親水性基團(tuán)可將皮膚表面非顯性水分及時吸收，保證人體的舒適性，在高濕狀態(tài)下，通過潤濕擴(kuò)散傳遞給Coolmax紗線，導(dǎo)濕性好的Coolmax纖維將水分順暢傳輸，同時里層的木棉/棉混紡紗與皮膚接觸柔軟舒適，改善織物的抗靜電性能。緯面組織的緯紗Coolmax纖維也可使面料與肌膚部分保持干燥不貼身，保證高濕狀態(tài)下服用的舒適性。而且由于里層紗線集束造成表面的凹凸不平整，里層面料與皮膚之間的接觸形式是點接觸，不與皮膚緊密接觸，在二者之間留有適當(dāng)?shù)奈夂騾^(qū)，使服裝不緊貼人體表面，以便提高織物的透氣性，降低織物與皮膚的表面摩擦力，改善舒適性。

圖2 單向?qū)窨椢飳嵨飯DFig.2 Magnified view of fabric. (a) Outer side；(b) Inner side

表層經(jīng)緯紗雖與里層原料選用一致，但與里層的緯面效應(yīng)不同，采用平紋同面組織，如圖2(a)所示，表面的經(jīng)緯組織點均勻分布，當(dāng)里層通過毛細(xì)差動效應(yīng)將水分傳遞到表層時，表層的Coolmax紗線具有的快干性能可快速將水分蒸發(fā)，利用類似于植物的蒸騰拉力提高表層從里層的吸水能力，也避免了表層儲存大量的水分造成織物濕重，引起人體濕冷不適感，同時，表層的部分木棉/棉混紡紗線則保證具有較大的儲水量，避免水分沿織物外表面滴落，另外，表層的平紋組織較里層組織孔隙數(shù)量多且小，如同植物的葉片一樣，這種多孔隙分布可提高水分的蒸發(fā)效率，且孔越小，所占的比例越大，擴(kuò)散的速度就越快，擴(kuò)散效率也越高。

2.2 單向?qū)駲C(jī)織物的組織設(shè)計

織物組織設(shè)計中，考慮到織物實際生產(chǎn)的需要，為保證織造的順利進(jìn)行，采用的變化組織里層以浮長組織為主，嵌以少量平紋組織，表層采用平紋組織。組織圖及形態(tài)圖如圖3所示。

從組織圖3及實物圖2中可看出，織物里層的松組織部分采用浮線緯集束組織，利用多根紗線集束在一起，交織點少，浮長線長，孔隙大，表層采用平紋組織，交織頻繁，孔隙小，表里層形成孔隙梯度構(gòu)造類似于植物的干-莖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)水時利用孔隙大小的不同形成壓差，產(chǎn)生差動效應(yīng)，從里層到外層，隨著織物毛細(xì)孔由粗到細(xì)的變化，毛細(xì)管導(dǎo)濕能力明顯增強(qiáng)且具有單向?qū)竦哪芰?，同時采取了聯(lián)合接結(jié)法接結(jié)方式如圖3(c)所示，使表里層孔隙之間具有良好的連通性。

注：■—表層經(jīng)紗與表層緯紗交織經(jīng)組織點；X—里層經(jīng)紗與里層緯紗交織經(jīng)組織點；○—投入里緯時，表層經(jīng)紗提起形成經(jīng)組織點；▲—“下接上”接結(jié)緯組織點；△—“上接下”接結(jié)經(jīng)組織點；□—緯組織點。圖3 導(dǎo)濕織物浮長部分組織圖及結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Weave and warp cross-section fabric. (a) Double weave without stitching； (b) Face warp stitching double weaves；(c) Combined stitching double weaves

2.3 單向?qū)駲C(jī)織物的規(guī)格設(shè)計

為驗證結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，對比表里層組織、接結(jié)形式、原料組合對織物單向?qū)裥阅艿挠绊?，設(shè)計并制作了不同組織、不同接結(jié)方式、不同原料的各類織物2#、3#、4#、5#、8#、9#及常規(guī)組織織物1#、6#、7#作為對比試樣，試制的織物規(guī)格見表1。并對9種織物進(jìn)行了導(dǎo)濕性能的測試與分析。

表1 織物規(guī)格Tab.1 Specifications of fabrics

注：K—木棉；C—棉。

3 單向?qū)駲C(jī)織物導(dǎo)濕性能評價

3.1 試樣測試儀器

芯吸高度測試儀器采用YG871毛細(xì)管效應(yīng)測定儀，參考FZ/T 01071—1999《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》進(jìn)行；透濕性采用LLY211型透濕杯,按照GB/T 12704—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法A吸濕法》進(jìn)行測試，測試中將試樣的浮長組織作為測試面朝上放置在透濕杯上。滴水?dāng)U散時間和蒸發(fā)速率參考GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》，測試中試樣的浮長組織為滴水面。

3.2 試樣測試結(jié)果

圖4示出試樣單向?qū)裥阅芨髦笜?biāo)的測試結(jié)果。

圖4 織物單向?qū)裥阅蹻ig.4 Unidirectional water transport properties of fabric.(a)Vertical wicking height of fabric；(b)Moisture permeability of fabric；(c)Evaporation ratio of fabric；(d)Diffusion time of fabric

3.3 試樣多項綜合值評價

根據(jù)試樣導(dǎo)濕指標(biāo)的測試結(jié)果，采用多項綜合值評價方法，利用C#編程來評價試樣單向?qū)裥阅艿膬?yōu)劣[8]。試樣經(jīng)緯向毛細(xì)高度越大，透濕量越大，蒸發(fā)速率越大，織物導(dǎo)濕效果越好，織物滴水?dāng)U散時間越小，織物導(dǎo)濕效果越好，因此經(jīng)向、緯向毛細(xì)高度、透濕量、蒸發(fā)速率為正相關(guān)，滴水?dāng)U散時間為負(fù)相關(guān)。這些性能相對獨立且對整體性能的影響程度相當(dāng)，因此在評價時權(quán)重相同。

根據(jù)圖4(a)～(d)5組數(shù)據(jù)，得到原始數(shù)據(jù)矩陣：

根據(jù)下式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：i=1,2,…,8；j=1,2,…,5。可得到：

xij=

建立綜合評價的數(shù)學(xué)模型：多項綜合值Si=1/2sin(π/4)(Xi1Xi2+Xi2Xi3+Xi3Xi4+Xi4Xi5)，圖5示出計算示意圖。

圖5 多項綜合值計算示意圖Fig.5 Diagram of polynomial synthesis

利用綜合評價的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)C#編程計算，織物1#～9#的多項綜合值如圖6所示。

圖6 織物多項綜合值Fig.6 Polynomial synthesis of fabrics

從圖6可看出，原料、紗線線密度相同，組織不同的織物1#和4#、7#和8#相比，表里層采用松、緊組織孔隙呈梯度結(jié)構(gòu)的織物4#、8#較表里層均為平紋組織織物1#和7#的導(dǎo)濕性能好，表明表里層孔隙的梯度結(jié)構(gòu)形成了表里層的差動毛細(xì)效應(yīng)，更有利于里層水分向表層的傳導(dǎo)；而雙層平紋組織由于表里均為同面平紋組織，2層間無靜水壓梯度差，且里層纖維素纖維含量大，親水性纖維含量較高，造成過多的水分填充在纖維中間，導(dǎo)致纖維膨脹，擠占了紗線間的毛細(xì)空間，也影響了面料的導(dǎo)濕和快干性能。

同樣組織、原料不同的織物4#、5#和8#相比，雖然表里組織完全一致，均采用具有梯度結(jié)構(gòu)的組織形式，表里層能形成孔隙的梯度差，但織物8#表層是以棉為主的平紋組織，織物4#表層為以木棉為主的平紋組織，和棉相比，木棉纖維非結(jié)晶區(qū)域大，纖維細(xì)，比表面積大，木棉的散濕性能較棉大[9-10]，蒸騰拉力更大，導(dǎo)濕性更好，因此，織物4#較8#的綜合值大，說明木棉/棉混紡織物要較棉織物導(dǎo)濕性能好，木棉纖維與快干纖維組合在提高織物的導(dǎo)濕能力的應(yīng)用上較棉纖維具有更大的優(yōu)勢，這通過織物1#和7#、3#和9#綜合值的比較也得到了驗證。另外，織物5#雖采用了與織物4#同樣的組織設(shè)計，但由于緯紗采用了普通的滌綸紗，其導(dǎo)濕快干性能不如Coolmax纖維，因此，織物的導(dǎo)濕性能較小。

織物2#、3#、4#的原料、紗線線密度、組織相同，但接結(jié)方式不同，織物的導(dǎo)水能力也有所差異，可見傳遞效果與接結(jié)點的分布和接結(jié)形式也有關(guān)：織物2#采用如圖3(a)所示接結(jié)方式，雙層無接結(jié)點；織物3#采用如圖3(b)所示接結(jié)方式，上接下，有2個接結(jié)點；織物4#采用如圖3(c)所示聯(lián)合接結(jié)方式，有3個接結(jié)點。測試數(shù)據(jù)顯示導(dǎo)濕性能隨著接結(jié)點的增加而提高，這通過織物8#、9#綜合值的對比也得到了驗證。從理論上講，接結(jié)點就像一個個輸送管道，類似燈芯點，利用燈芯點接結(jié)緯紗Coolmax纖維較強(qiáng)的導(dǎo)濕能力，將水分快速由里層送到表層，另外，接結(jié)點的增加，使接結(jié)緯紗交織時屈曲波高增大，內(nèi)層纖維垂向液滴的纖維增加，更有利于刺破液滴并被潤濕，加快水的吸收。

從圖6還可看出，織物4#的多項綜合值最大，表明單向?qū)裥阅茏詈?，織?#的表里層紗線均采用木棉/棉混紡紗與Coolmax交織，里層為緯面組織，緯紗Coolmax纖維表面的十字型凹槽能將水分迅速吸收并擴(kuò)散，水分傳遞速度快，而表層平紋組織中的Coolmax纖維及木棉纖維具有較大的比表面積也加快了水分的散失，借助于水分散失產(chǎn)生的蒸騰拉力，進(jìn)一步提高表層間的導(dǎo)水能力；同時試樣表里層組織設(shè)計采用孔隙梯度結(jié)構(gòu)，利于上下層水分的傳遞和散失；另外，利用緯紗Coolmax紗線上下接結(jié)法將表里層連接起來，保持水分傳導(dǎo)通道的連續(xù)性，通過Coolmax接結(jié)紗的引導(dǎo)，水分能很快從里層傳遞到表層并散發(fā)到空氣中。而圖6顯示織物6#試樣的多項綜合值最小，表明單向?qū)裥阅茏畈?，這是由于織物6#表里層均為平紋組織，未形成靜水壓的梯度差，不利于里層水分向表層的傳輸，且織物中未采用Coolmax紗線，對織物的導(dǎo)濕性也有一定的影響。

通過對試樣導(dǎo)濕性能的測試與分析，驗證了單向?qū)衲Ｐ偷挠行浴?/p>

4 結(jié) 論

同樣原料、紗線線密度，不同組織的織物，表里層采用松、緊組織孔隙呈梯度結(jié)構(gòu)的織物較表里層均為平紋組織的導(dǎo)濕性能好；組織相同，但接結(jié)方式不同的織物其導(dǎo)濕能力也有所差異，可見液態(tài)水的傳遞效果與接結(jié)點的分布和接結(jié)形式有關(guān)；其他規(guī)格參數(shù)相同的情況下，接結(jié)點數(shù)目的增加有利于表里層之間的水傳遞，原料組合對織物的導(dǎo)濕性有一定的影響，其他規(guī)格相同的木棉/棉混紡織物導(dǎo)濕性能較棉織物好。

基于單向?qū)窨椢锾荻饶Ｐ?，表里層紗線均采用木棉/棉混紡紗與Coolmax交織，利用表里層松、緊組織孔隙呈梯度結(jié)構(gòu)的方式，同時表里2層利用緯紗Coolmax上下接結(jié)法連接起來的織物具有最好的單向吸濕導(dǎo)濕性，驗證了單向?qū)窠Y(jié)構(gòu)模型的正確性。

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