基于孔徑分布圖的高密織物防水透濕性能

于 磊， 蔡東照， 黃機質(zhì)

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

高密防水透濕織物[1-2]是一種基于織物組織結(jié)構(gòu)與拒水整理相結(jié)合的紡織品。前人通過改變織物密度、紗線直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)研究織物的防水透濕性能[3-4]，但通過織物中的孔徑及其分布研究織物防水透濕報道較少[5]。本文基于孔徑分布圖測試并研究織物防水透濕性能。

孔徑分布圖[6]可表示織物中存在的各級孔徑及其百分比。徐廣標等[7-8]研究了精紡毛型織物的孔徑分布特征，探討了織物中孔徑與透氣性的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，平均孔徑、最小孔徑與織物透氣量相關(guān)性顯著。吳海軍等[9]分析了保溫材料的孔徑分布圖，研究了孔徑對熱傳遞性能的影響指出，大孔在實際流體的透過中貢獻較大。齊宏進等[10]通過自制實驗裝置測定棉織物中毛細孔徑分布指出，織物的經(jīng)、緯密對孔徑及分布有顯著的影響。狄劍鋒等[11]測定棉混紡物的毛細孔半徑分布，討論了不同原料、密度對孔徑分布圖中各分布區(qū)的影響。Helmut等[5]從孔徑分布圖得出，拒水處理的棉織物，在一定濕度下，纖維會膨脹，堵塞織物中孔隙，孔徑分布圖與透氣、防水的定量關(guān)系有待進一步研究。

本文研究采用異收縮滌綸復(fù)合絲織物，通過改變熱處理溫度，使復(fù)合絲產(chǎn)生蓬松，達到縮小織物中復(fù)合絲間的孔徑以增強防水性，同時增加絲內(nèi)孔隙以提高透濕性的目的，從測試得到的孔徑分布圖中，研究其與織物防水透濕的關(guān)系，提出一種新的研究與表征方法。

1 實驗部分

1.1 原 料

異收縮滌綸復(fù)合絲平紋織物：其中高低收縮絲的沸水收縮率分別為21.7%和10.2%；高低收縮絲線密度比為1∶1.1。德國RUDOLF CHEMIE 公司生產(chǎn)的RUCO-DRY ECO牌無氟拒水劑。

1.2 實驗儀器

主要有：CFP-1100-AEX型毛細管流動孔隙儀； YG(B)812-120型織物滲水性測定儀；YG601-Ⅱ電腦式織物透濕儀；DGG-9070B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱； DZG-6050D型臺式真空干燥箱；恒溫水浴鍋。

1.3 實驗方法

收縮整理：取4組大小相同的織物，分別在70、80、90、100 ℃的水浴鍋中恒溫處理10 min，然后取出織物樣品。

織物整理：將織物浸軋整理液(帶液率為80%)，于105 ℃下干燥2 min、180 ℃下焙烘1 min得到樣品。

1.4 性能測試

孔徑測試：參照ASTM E1294—89(1999)《過濾材料孔徑特性標準試驗方法》，樣品浸泡在Porewick溶液中5 min后在孔隙儀上測得壓力與流量的變化曲線，通過ASTM標準計算得到孔徑及其分布圖。

耐靜水壓和透濕性：參照GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價靜壓法》和GB/T 12704—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分吸濕法》測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 收縮整理對孔徑分布圖的影響

織物中的高收縮絲收縮引起低收縮絲拱起，復(fù)合絲產(chǎn)生蓬松使絲間孔徑減小，低收縮絲的進一步收縮使絲內(nèi)孔隙增加，從不同溫度處理的織物孔徑分布圖(如圖1所示)，可研究并表征這一現(xiàn)象。

參照文獻[11]的命名方法，將所測5張圖從右到左劃分為平臺區(qū)、緩增區(qū)、頂峰區(qū)、緩減區(qū)，如圖1(a)原樣孔徑分布圖中所標示。本文的平臺區(qū)指孔徑分布中的大孔徑區(qū)，其中每級孔徑所占百分比基本相同，可表征織物中復(fù)合絲間孔徑；頂峰區(qū)指孔徑百分數(shù)占比最大區(qū)，一定條件下可表征復(fù)合絲內(nèi)孔隙；緩增區(qū)和緩減區(qū)為孔徑變化過渡區(qū)。

圖1(b)為原樣70 ℃收縮后孔徑分布圖，對比圖1(a)和(b)，原樣經(jīng)70 ℃處理后，平臺區(qū)孔徑分布范圍由66 μm減小到50 μm，占比由18.1%減小到了12.3%，說明平臺區(qū)部分大孔縮小；而頂峰區(qū)孔徑分布范圍、孔徑百分比和最大孔徑都沒有明顯的變化，說明70 ℃時原樣中孔徑?jīng)]有產(chǎn)生實質(zhì)性減小。

圖1(c)為原樣于80 ℃下收縮后孔徑分布圖，對比圖1(b)可看出，4個區(qū)段孔徑分布范圍和最大孔徑都明顯減小，說明80 ℃處理后孔徑產(chǎn)生實質(zhì)性減小。

溫度升高到90 ℃，樣品孔徑分布如圖1(d)所示，平臺區(qū)與緩增區(qū)的孔徑百分比明顯減小，而頂峰區(qū)與緩減區(qū)的明顯增加，說明織物中的高收縮絲收縮引起低收縮絲拱起，復(fù)合絲產(chǎn)生蓬松使絲間大孔減小，低收縮絲的進一步收縮使絲內(nèi)小孔隙增加。

圖 1 不同處理溫度的孔徑分布圖Fig.1 Different processing temperatures of pore size distribution. (a) Original sample fabric; (b) 70 ℃; (c) 80 ℃; (d) 90 ℃; (e) 100 ℃

溫度升高到100 ℃的孔徑分布見圖1(e)，平臺區(qū)范圍可看成90 ℃的平臺區(qū)、緩增區(qū)、頂峰區(qū)3個區(qū)的合并，范圍減小到只有21 μm，百分比只有8.9%；而2 μm的頂峰區(qū)百分比高達76.8%；最大孔徑從73.8 μm大幅減小到31.1 μm。圖1(e)結(jié)果表明，原樣達到沸水收縮溫度時復(fù)合絲間孔徑大幅減小，絲內(nèi)小孔比例大幅增加。

2.2 孔徑分布圖積分對織物透濕性的影響

孔徑分布圖下面積可認為是不同孔徑的孔數(shù)之和，與織物透濕量密切相關(guān)。為此，將孔徑分布圖采用高斯曲線模擬。設(shè)模擬函數(shù)為f(x)，函數(shù)曲線見圖1。函數(shù)f(x)在最小孔徑T與最大孔徑M之間的面積S為：

式中，A、y0、w、xc為常數(shù)，由模擬函數(shù)給出。

表1示出MatLab軟件計算得出的各區(qū)域積分面積，與實測透濕量值比較作圖，結(jié)果見圖2。圖中表明，透濕量與總積分面積正相關(guān)，而從表1可看出，緩增區(qū)與頂峰區(qū)占總積分面積比例最大，而且從圖2中也可看出，緩增區(qū)與頂峰區(qū)的積分面積也與透濕量呈正相關(guān)，說明孔徑分布圖中緩增區(qū)和頂峰區(qū)對透濕性起主導(dǎo)作用。

表1 積分區(qū)域面積參數(shù)Tab.1 Integral area parameters

圖2 總積分面積與透濕量關(guān)系圖Fig.2 Relationship between area and water vapour transmission rate

2.3 孔徑分布圖與織物防水性的關(guān)系

Laplace方程研究了滲透壓力與孔徑的關(guān)系，孔徑越小，滲透所需的壓力越大。將織物中的微孔簡化為圓形毛細管，則毛細管Laplace方程如下式

式中：△p為滲透所需壓力；γLA為20 ℃時水的表面張力0.072 5 N/m；θ為接觸角；r為孔隙半徑。若將織物表觀接觸角145°與最大孔徑31.1 μm代入上式計算發(fā)現(xiàn)，Laplace方程計算得出的耐水壓值4.1 kPa大于實測值3.9 kPa，推測是因為當(dāng)織物受到一定的水壓時，織物表面會發(fā)生擠壓，孔徑變大，導(dǎo)致實測耐水壓值偏小。

3 結(jié) 論

1)高密防水透濕織物的孔徑分布圖呈現(xiàn)左偏不對稱分布，從右至左分為表征織物中復(fù)合絲間孔徑的平臺區(qū)、緩增區(qū)、表征復(fù)合絲內(nèi)孔隙的頂峰區(qū)、緩減區(qū)。隨著復(fù)合絲的收縮，各區(qū)域有合并的趨勢，原樣收縮最大的孔徑分布圖表明此時復(fù)合絲間的孔徑大幅減小，絲內(nèi)小孔比例大幅增加。

2)孔徑分布圖中緩增區(qū)和頂峰區(qū)也就是小孔的量對透濕性起主導(dǎo)作用。

3)孔徑分布圖中平臺區(qū)也就是復(fù)合絲間的大孔對織物的防水性影響最為顯著。

FZXB

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