玉石基滌綸長(zhǎng)絲紗及其針織面料的性能研究*

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越青睞于功能性紡織品[1]，因此功能性紡織品已經(jīng)成為市場(chǎng)需求的主流之一。對(duì)于夏季服裝面料，人們提出了更高要求，除了具有漂亮的外觀以外，更加注重面料本身所具有的功能性。功能性紡織品正是順應(yīng)了這種需求而發(fā)展起來(lái)的。目前，可以通過(guò)兩種方法使面料具有功能化：一是直接采用功能化纖維；二是織物的選擇性后整理[2]。玉石基滌綸是將納米級(jí)粒徑的玉石粉體放入聚酯熔體中，通過(guò)熔融紡絲而成的一種功能性纖維[3]。由于玉石不溶于聚酯熔體，故在紡絲過(guò)程中會(huì)造成纖維內(nèi)部及表面出現(xiàn)小孔或者微洞，使纖維總比表面積增加，纖維內(nèi)部微小管道數(shù)增加，纖維的表面性能得到提高，具有吸濕、排汗和快干的特性[4]。同時(shí)，用玉石纖維制成的織物具有一定的降溫效果，其接觸的肌膚溫度比一般纖維織物低1～2 ℃，且吸濕快干，穿著時(shí)人體有較好的涼爽感，在太陽(yáng)長(zhǎng)時(shí)間照射時(shí)會(huì)降低體表溫度5～6 ℃，產(chǎn)生涼感溫差[5]，是襪子、內(nèi)衣和運(yùn)動(dòng)衣等的理想原料。目前對(duì)于玉石含量對(duì)織物熱濕舒適性能影響的研究較少，本文通過(guò)對(duì)不同玉石含量的滌綸長(zhǎng)絲紗及針織物的力學(xué)性能、吸濕導(dǎo)濕性能、熱性能等進(jìn)行研究，對(duì)于玉石基滌綸長(zhǎng)絲紗及其夏季面料的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1) 玉石基滌綸長(zhǎng)絲。采用圓孔噴絲板熔融紡絲工藝，加工含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)玉石粉體的玉石基滌綸長(zhǎng)絲，其紡絲工藝參數(shù)如表1所示。

表1 紡絲工藝參數(shù)

玉石基滌綸長(zhǎng)絲紗的規(guī)格如表2所示。

表2 滌綸長(zhǎng)絲紗規(guī)格

(2) 玉石基滌綸針織面料。使用機(jī)號(hào)22、筒徑40.64 cm(16英寸)的雙面針織圓機(jī)，將上述長(zhǎng)絲紗織成雙羅紋織物，其毛坯織物規(guī)格如表3所示。

表3 毛坯織物規(guī)格

1.2 紗線芯吸測(cè)試

芯吸高度是表征紡織品吸濕導(dǎo)濕性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，紡織品的吸濕導(dǎo)濕性能對(duì)其穿著舒適性能具有顯著影響。從本質(zhì)上講，芯吸是一種維持毛細(xì)管內(nèi)流體遷移的性能。芯吸作用除了受單纖維的浸潤(rùn)影響以外，還受纖維集合體結(jié)構(gòu)尺寸的影響。

參考FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》， 紗線取樣長(zhǎng)度30 cm，一端用突起平臺(tái)處的夾子夾住，垂直懸掛，另一端施加一定的預(yù)加張力浸入液體中，液體為體積分?jǐn)?shù)1%的亞甲基藍(lán)溶液，測(cè)試時(shí)間30 min。每個(gè)試樣測(cè)試3次，在固定標(biāo)尺上讀取紗線芯吸上升的高度，最后取3次的平均值。紗線試樣按照?qǐng)D1所示放置。

圖1 芯吸試驗(yàn)示意圖

1.3 紗線力學(xué)性能測(cè)試

紗線力學(xué)性能是指在各種環(huán)境、各種外力作用下，紗線所表現(xiàn)出的力學(xué)性能，包括拉伸彈性、拉伸斷裂、蠕變、應(yīng)力松弛、彎曲和表面摩擦等性能，它們?cè)诳椢锏纳a(chǎn)加工過(guò)程中起著重要作用。

1.3.1 紗線拉伸斷裂性能

織物的力學(xué)性能主要受紗線的拉伸斷裂性能影響。當(dāng)紗線拉伸斷裂強(qiáng)力過(guò)低時(shí)，上機(jī)編織時(shí)容易產(chǎn)生斷頭，織物易出現(xiàn)疵點(diǎn)。因此作為針織用紗，紗線應(yīng)該具有一定的強(qiáng)力，以保證編織順利進(jìn)行。

采用XL-1A型紗線強(qiáng)伸度儀，參照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試紗線的拉伸斷裂性能。

1.3.2 紗線摩擦性能

在針織過(guò)程中，紗線自身及其與成圈機(jī)件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力。當(dāng)摩擦力過(guò)大時(shí)，張力增大，紗線易發(fā)生斷頭；當(dāng)摩擦力過(guò)小時(shí)，會(huì)使線圈拖沓、成型性差。在機(jī)織過(guò)程中，經(jīng)紗密度和經(jīng)紗開口受到紗線與紗線間的摩擦因數(shù)影響[6]。在織造過(guò)程中紗線張力的大小主要由摩擦因數(shù)的大小決定，因此紗線的摩擦性能會(huì)影響針織、機(jī)織性能。

采用LFY-110型紗線動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)測(cè)定儀測(cè)試摩擦因數(shù)，測(cè)試時(shí)間為20 s，電機(jī)速度為100 m/min，摩擦包角為180°，測(cè)試指標(biāo)為動(dòng)摩擦因數(shù)。

1.4 織物熱濕舒適性能測(cè)試

當(dāng)人體處在悶熱環(huán)境中或者劇烈運(yùn)動(dòng)的條件下，大量排汗極易形成高濕、高溫氣候環(huán)境。如果人體在此環(huán)境下仍能感到舒適，則稱此時(shí)衣服面料具有涼爽感[7]。本文從液態(tài)水分管理能力、織物接觸冷感及熱濕傳遞性能方面，對(duì)不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)雙羅紋織物的涼爽舒適性能進(jìn)行綜合分析。

1.4.1 織物縱橫向芯吸高度測(cè)試

各種形態(tài)的水在織物中運(yùn)輸傳遞，織物所表現(xiàn)出的對(duì)水的控制能力稱為織物的導(dǎo)水性能。織物的導(dǎo)水性能通常采用芯吸效應(yīng)來(lái)描述。本文采用垂直靜態(tài)吸水法對(duì)織物的導(dǎo)水性能進(jìn)行測(cè)試。

取各雙羅紋織物，沿縱向、橫向在織物左、中、右部位各剪3條試樣，試樣上不應(yīng)有明顯緯斜等嚴(yán)重疵點(diǎn)。每條試樣長(zhǎng)28 cm、寬4 cm，測(cè)試時(shí)在試樣下端加上適宜的預(yù)加張力。將織物長(zhǎng)條試樣按照?qǐng)D1所示放置，并將其一端浸入亞甲基藍(lán)溶液中，在燈光照射下，每隔5 min在標(biāo)尺上讀取溶液上升的高度。

1.4.2 液態(tài)水分管理測(cè)試

面料對(duì)汗液的吸收和擴(kuò)散直接影響到服裝穿著的舒適性，而紡織品液態(tài)水分管理性能對(duì)衣著舒適度具有重要影響。因此，需要對(duì)面料進(jìn)行液態(tài)水分管理測(cè)試，這有助于紡織品吸濕速干性能的評(píng)估和對(duì)材料性能的改善。

在各雙羅紋織物上剪取5塊8 cm×8 cm試樣，采用M290型液態(tài)水分管理系統(tǒng)測(cè)試儀，對(duì)每個(gè)單一指標(biāo)表征，然后綜合評(píng)價(jià)織物的液態(tài)水分管理能力。

1.4.3 織物接觸冷感測(cè)試

當(dāng)織物與人體皮膚接觸時(shí)，織物與皮膚之間存在溫度差，必定存在熱交換?？椢锝o人體皮膚的溫度刺激在大腦中形成的冷感，稱為接觸冷感，用最大瞬態(tài)熱流Qmax值來(lái)表征。Qmax值的大小決定了冷感的強(qiáng)弱及皮膚的降溫速度[8]。

采用KES-F7 THERMO LABO IIB型精密瞬間熱物性測(cè)定裝置，在恒溫恒濕條件下，將溫度測(cè)試儀T-BOX吻合到標(biāo)準(zhǔn)溫度設(shè)定器BT-BOX(30 ℃)上，使其達(dá)到熱平衡。將試樣(尺寸為10 cm×10 cm)放在20 ℃的定溫臺(tái)上，并將T-BOX放在試樣上，讀取2 s內(nèi)的Qmax值。

1.4.4 織物熱濕阻測(cè)試

當(dāng)人穿著服裝時(shí)，通過(guò)人與環(huán)境的熱濕傳遞維持人體溫度穩(wěn)定，從而確保人體正常生理機(jī)能運(yùn)作，進(jìn)而使人體保持舒適，這種感覺稱為熱濕舒適性。從服裝功效學(xué)角度看，人體-服裝-環(huán)境是一個(gè)整體系統(tǒng)，相互影響和相互制約。熱濕舒適性能用熱阻、克羅值、傳熱系數(shù)、濕阻、透濕率等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

采用YG606型熱阻濕阻測(cè)試儀測(cè)試織物的熱濕阻，試樣尺寸為50 cm×50 cm。試驗(yàn)條件均為標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境(溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%)，試樣的測(cè)試結(jié)果取多次測(cè)試的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線芯吸性能的影響

表4是玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)紗線的芯吸高度。由表4可知：玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線的芯吸高度具有影響，隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，紗線芯吸高度先增加后減??；當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，芯吸高度達(dá)到最大值。在相同捻度、捻向及截面形狀的前提下，玉石的加入使滌綸長(zhǎng)絲表面性能發(fā)生改變，紗線表面的粗糙度增加，比表面積更大，毛細(xì)管芯吸效果更強(qiáng)。但隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，滌綸長(zhǎng)絲上的微孔變大，由典型的毛細(xì)管壓力方程可知，紗線的等效半徑即形狀參數(shù)增大，芯吸壓力下降，芯吸高度下降。

表4 紗線芯吸高度

2.2 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線拉伸性能的影響

表5是紗線的拉伸性能。從表5可知：相較于普通滌綸長(zhǎng)絲紗，玉石基滌綸長(zhǎng)絲紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和模量都小，但其斷裂伸長(zhǎng)率大，說(shuō)明玉石粉體對(duì)紗線的拉伸性能有一定影響；隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和模量都減小。這是由于玉石是一種不溶于聚酯的粉體，其減小了滌綸結(jié)構(gòu)單元的接觸面，使各結(jié)構(gòu)單元的結(jié)合力減弱，強(qiáng)度降低。隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維內(nèi)部及表面出現(xiàn)更多的空隙，纖維、紗線出現(xiàn)弱節(jié)的概率增大，應(yīng)力集中也更加明顯。當(dāng)紗線應(yīng)力大于弱節(jié)強(qiáng)力時(shí)，紗線會(huì)立刻斷裂，因而當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值時(shí)，紗線出現(xiàn)弱節(jié)，玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線拉伸性能的影響逐漸減弱。

表5 紗線的拉伸性能

2.3 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線摩擦性能的影響

表6是紗線的動(dòng)摩擦因數(shù)。從表6可以看出：不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的滌綸長(zhǎng)絲紗的摩擦因數(shù)均大于普通滌綸長(zhǎng)絲紗，說(shuō)明添加玉石粉體增大了長(zhǎng)絲間的摩擦力，這是由于玉石增大了長(zhǎng)絲表面粗糙度，使長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲之間產(chǎn)生了較強(qiáng)的鎖結(jié)作用阻力；并且隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，摩擦因數(shù)最大。這可能是由于玉石質(zhì)地堅(jiān)硬，使纖維與纖維之間產(chǎn)生了相互間的錯(cuò)位、抬升、崩裂等移動(dòng)，在一定壓力和速度下可能存在整體抬升現(xiàn)象，使紗線與機(jī)件的接觸面積減小，由面與面接觸轉(zhuǎn)化為點(diǎn)與點(diǎn)接觸，從而使動(dòng)摩擦因數(shù)減小。

表6 紗線動(dòng)摩擦因數(shù)

2.4 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物芯吸性能的影響

圖2為織物縱向和橫向的芯吸高度。由圖2可以看出：織物橫向的芯吸高度沒有縱向的大，這是由于芯吸具有方向性與選擇性，總是由大半徑孔洞向小半徑孔洞(沿紗線方向)流動(dòng)；在相同方向上，織物的芯吸高度受玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，織物縱、橫向芯吸高度比玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)大，這是因?yàn)樾疚叨扔杉喚€間的毛細(xì)作用和纖維間的毛細(xì)作用共同決定[9]。普通圓形截面滌綸長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲之間構(gòu)成芯吸管道，而當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，紗線間的等效半徑增大，宏觀毛細(xì)效應(yīng)減弱，芯吸速率減小。隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，織物芯吸高度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在縱向上，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，芯吸高度達(dá)到最大值；在橫向上，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，芯吸高度達(dá)到最大值。因?yàn)榇藭r(shí)織物的芯吸效果主要取決于纖維間的微觀毛細(xì)效應(yīng)。當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，纖維空隙變大，等效半徑變大，毛細(xì)管壓力下降，芯吸作用減弱。

(a) 縱向

(b) 橫向

2.5 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物液態(tài)水分管理的影響

表7為不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的織物的浸濕時(shí)間和吸水速度，表8為不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的織物的累計(jì)單向傳遞指數(shù)和整體液態(tài)水分管理能力。

表7 織物的浸潤(rùn)時(shí)間和吸水速度

表8 織物的累計(jì)單向傳遞指數(shù)和整體液態(tài)水分管理能力

由表7可知：5種織物的浸濕時(shí)間相差不大，說(shuō)明這5種不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)雙羅紋織物的表層浸濕能力均與織物底層相似；并且各種織物的表層、底層的吸水速度都比較快，說(shuō)明表層、底層均有較強(qiáng)的透濕性能。這是因?yàn)樗眉喚€線密度較小，加上織物組織都采用雙羅紋，易形成毛細(xì)管道，使液態(tài)水能較快通過(guò)。隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，表層和底層的吸水速度和透濕性能增加，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最佳值。

從表8可以看出：5種織物都具有較好的累計(jì)單向傳遞能力和液態(tài)水分管理能力；隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物的累計(jì)單向傳遞能力和整體液態(tài)水分管理能力都增強(qiáng)，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最大值。

2.6 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物接觸冷感的影響

圖3為不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)織物的最大瞬態(tài)熱流曲線。從圖3可以看出：5種雙羅紋織物具有不同的接觸冷感，最大瞬態(tài)熱流越大，織物接觸冷感越強(qiáng)；當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，織物的接觸冷感最強(qiáng)。由于織物是由纖維、空氣和水組成的，織物的纖維種類、所含靜止空氣量以及織物含濕量和表面形態(tài)等都會(huì)影響織物的接觸冷感。由于玉石基纖維是涼感性纖維，理論上玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，織物接觸冷感越強(qiáng)。但是玉石的加入會(huì)引起纖維本身空隙大小、孔隙率、所含靜止空氣量、含濕量以及織物表面的粗糙程度等發(fā)生變化；又由于織物孔隙率增大，織物含有更多的靜止空氣，而靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，這使得織物的導(dǎo)熱性能和涼感性能下降。

2.7 玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物熱濕舒適性的影響

表9為不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)織物的熱濕阻測(cè)試結(jié)果。由表9可知：當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，織物的熱阻和克羅值達(dá)到最小值，傳熱系數(shù)達(dá)到最大值。熱阻越小，表明織物干態(tài)下的涼感越好。克羅值具有與熱阻一樣的表征特性，因此克羅值越小，織物的涼感也越好。傳熱系數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù))是衡量物體導(dǎo)熱性能的物理量，傳熱系數(shù)越大，織物的涼感越好。這是由于滌綸長(zhǎng)絲中的玉石有助于熱量傳導(dǎo)。但隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，纖維的總比表面積增加，纖維中具有更多空隙，大量的靜止空氣停留在空隙中，而靜止空氣的熱阻遠(yuǎn)大于其他材料，且其導(dǎo)熱系數(shù)小，阻礙了熱傳導(dǎo)，使纖維的熱阻、克羅值增大，傳熱系數(shù)下降。而對(duì)于濕阻和透濕率，不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的織物相差無(wú)幾。當(dāng)織物結(jié)構(gòu)相同時(shí)，纖維種類對(duì)織物的濕阻、透濕率幾乎沒有影響，因?yàn)榇藭r(shí)織物只存在水氣形式擴(kuò)散傳遞情況。又由于不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)織物的縱橫密、面密度、厚度、緊度及纖維填充率相近，水氣通過(guò)織物中的微孔，毛細(xì)管吸收水分向一側(cè)傳遞和蒸發(fā)也相近。

表9 織物的熱濕阻測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，玉石基滌長(zhǎng)絲綸紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度及模量都下降；摩擦因數(shù)、紗線和織物縱向芯吸高度則先增加后減小，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最大值；織物橫向芯吸高度則是在玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)達(dá)到最大值。

(2) 隨著玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物的表層和底層吸水速度、透濕性能相應(yīng)提高，累計(jì)單向傳遞能力和整體液態(tài)水分管理能力增強(qiáng)，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最大值。

(3) 在相同組織結(jié)構(gòu)以及縱橫密和面密度相近的情況下，不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)紗線所織成的織物的最大瞬態(tài)熱流不同，當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最大值，表明此時(shí)織物的接觸冷感最強(qiáng)。

(4) 當(dāng)玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，織物的熱阻和克羅值達(dá)到最小值，傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，表明此時(shí)織物的涼感最好；而不同玉石質(zhì)量分?jǐn)?shù)織物的濕阻、透濕率相近。