瞬間涼感紡織品的性能評估與測試標準研究

潘文麗，趙曉偉

[1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200040；2.霍蘭德家紡貿(mào)易（上海）有限公司，上海 200336]

隨著人們生活水平的不斷提高，對功能紡織品的需求種類和數(shù)量不斷增加，經(jīng)過涼感處理后的紡織品越來越受到消費者的青睞。對市售的涼感紡織品分析發(fā)現(xiàn)，涼感服裝除了瞬間接觸涼感外，還包含吸濕排汗涼感及遮蔽涼感。涼感紡織品是纖維與空氣的綜合體，其熱量通過傳導、對流與輻射進行傳遞。本研究將介紹織物的熱量傳遞，研究相關(guān)測試方法與瞬間涼感的指標要求。

所謂涼感是指接觸瞬間的涼感，顧名思義是皮膚與低于體表溫度的織物接觸瞬時，使皮膚表面熱量快速流失、溫度瞬間下降，經(jīng)皮膚中感溫神經(jīng)反饋給大腦，給人以清涼的感受。但是，隨著長時間的接觸，皮膚與面料逐步達到熱平衡，涼爽的感覺就不明顯了。接觸涼感面料實質(zhì)是熱量由高溫處迅速傳導到低溫處，并在這個過程中熱量被快速吸收或釋放到外界，達到降溫的目的。

熱量傳遞有3 種不同形式：熱傳導、熱對流和熱輻射。（1）紡織品的接觸涼感主要是指熱傳導所產(chǎn)生的涼感。消費者若穿著熱傳導效果較好的服裝，將有瞬間涼爽的感受。接觸涼感紡織品可利用玉石粉體添加于紡織品（纖維）中或利用各種方法提高纖維的含水率，從而提高纖維熱傳導性，提高纖維的瞬間涼感效果。（2）熱對流主要利用空氣流動產(chǎn)生的氣流帶動熱量傳遞，提高熱對流產(chǎn)生的排熱涼爽感。因此，若設(shè)計多孔洞、高通風、易排氣織物結(jié)構(gòu)或吸濕排汗的紡織品，都能成為具有排熱涼爽感的紡織品。（3）紡織品的熱輻射是由于溫差所引起的電磁波輻射，輻射的傳遞即使在沒有傳導與對流的情況下，仍能有凈熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。因此，在陽光下能夠?qū)彷椛溆枰晕栈蚍瓷洌尚纬烧诒螞龈小?/p>

1 接觸瞬間涼感的整理技術(shù)

提高織物的涼感效果要利用熱傳導機理，增加織物的諸多性能，例如：纖維材質(zhì)的性能（纖維的導熱性、熱容量、吸濕性）、織物的結(jié)構(gòu)（多孔、通風、排氣）、纖維和織物的吸濕排汗和接觸涼感整理等因素。

面料要達到迅速導熱降溫有多種方式，可在纖維噴絲時加入特殊整理劑改善纖維性能、在織造中設(shè)計改善織物結(jié)構(gòu)、在織物染色完成后進行涼感整理等，以提高織物涼感效果。按照紡織品不同的加工流程，特殊整理主要有以下4 種。（1）化纖噴絲時，添加礦石或玉石粉末可改善纖維的性能，如Smartkool?面料將玉石材料混入纖維噴絲中，使面料的熱傳遞速度加快，皮膚會很快地與空氣進行熱交換，產(chǎn)生瞬間接觸涼感；同時，Smartkool?面料也擁有速干的效果。（2）織物采用立體組織（如：蜂巢組織）可減小面料與皮膚的接觸面積，增加皮膚和織物間空氣的流通，保持皮膚的涼感。（3）織物親水改性整理，如：親水劑處理的Coolmax?面料，通過吸濕速干的特點達到接觸涼感。原理可簡單概括為：幫助帶走體表濕氣；吸收并擴散濕氣，從而加強蒸發(fā)干燥能力；通過蒸發(fā)帶走體表熱量，空氣進入織物內(nèi)層，保持皮膚的涼爽與干燥。（4）采用接觸涼感整理劑，利用微膠囊技術(shù)和相變物質(zhì)吸熱原理，保持溫度的調(diào)節(jié)作用。如：赫特國際集團（Herst International Group）的產(chǎn)品“調(diào)溫整理劑COMFAD 6039”采用以高級脂肪烴為主要成分的自動調(diào)溫微膠囊，其相變溫度為25 ℃，當外界溫度達到相變溫度時，相變材料開始發(fā)生相變，吸收或放出熱量以調(diào)節(jié)紡織面料溫度，給人以舒適感。在外界溫度升至相變溫度時，相變材料逐步由固體變成液體，吸收外界熱量作為潛能貯存；一旦外界溫度降低，相變材料逐步固體化放出潛能，對面料表面的溫度升降起緩沖作用。

2 測試標準和方法研究

瞬間接觸涼感的測試方法可分為2 類：纖維材料的熱學性能測試和織物瞬間接觸涼感的測試。針對纖維熱性能的測試包含多相型材料的涼感測試和紡織材料的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)熱性能測試。

2.1 多相型材料的涼感測試

該方法主要研究聚合物的熱轉(zhuǎn)換，如聚合物的融化溫度和玻璃化溫度。這種方法應用的儀器是差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter/DSC）。將所測試的聚合物放置于加熱器上，計算機程序自動控制測試樣品和標準樣品的不同溫度，并將這種不同的溫度轉(zhuǎn)化為熱流量。對于標準樣品來說，聚合物的樣品相當于外加的樣品。外加樣品和其熱惰性（外加樣品的量越多，則加熱所需的時間越長）使得接收測試儀上的溫度不同于標準樣品溫度。實際上，熱掃描儀是測試提供給標準樣品的外加熱量，通過此種方法可以測量纖維的熱容量。

熱流量和加熱速度之比即熱容量。測量融化和結(jié)晶化時的熱量反映了多相材料吸收和釋放熱量的情況。熱掃描儀通過測試空氣的溫度峰值可以量化潛在的熱量。此種測試技術(shù)通過測試溫度板上多相材料吸收或者釋放的熱量來量化多相材料的熱容。

更適用于測試新型聚合材料的本身特性，常規(guī)紡織品材料已有了基本的熱力學性能數(shù)據(jù)和熱容量指標。

2.2 紡織材料的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)熱性能測試

此方法適用于測試含有多相材料的紡織品，目的是量化織物在可以控制溫度系統(tǒng)中（溫度達到相變溫度）吸收和放出的熱量。該方法的代表標準是ASTM D7024—2004紡織材料恒穩(wěn)態(tài)與動態(tài)熱性能的試驗方法（Standard Test Method for Steady State and Dynamic Thermal Performance of Textile Materials）。

ASTM D7024 測試原理是將織物放置于熱板上（可用于加熱和冷卻）來測試溫度的變化。儀器運行采用計算機來自動控制溫度板，溫度正弦曲線的中位數(shù)為150 W/m2，溫差幅度為100 W/m2。極板的冷程度依據(jù)環(huán)境的溫度，如實驗室的溫度為20 ℃，極板的熱程度可以用250 W/m2的熱流量來調(diào)節(jié)，使之達到36.3 ℃；然后，可以根據(jù)多相材料生產(chǎn)商所提供的相變溫度來調(diào)整極板的溫度。接下來，以150 W/m2的幅度來升高溫度，因為開始的時候已經(jīng)固定了正弦曲線的中位數(shù)值，可以實現(xiàn)在相變溫度的周圍發(fā)生溫度震動。溫度的震動范圍是由熱極板的溫度（根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù)，設(shè)定在相變溫度范圍之內(nèi)）所決定的。這樣可以估計出最大熱流量和最小熱流量以使材料達到相變溫度，同時，可以得到溫度變化系數(shù)。該系數(shù)可用來測量和比較調(diào)溫面料的調(diào)溫能力，系數(shù)越大，自動調(diào)溫能力越小。

2.3 纖維和織物的涼感效果測試

織物整體瞬間接觸涼感的評價測試包括接觸瞬間涼感系數(shù)法、熱阻性能測試法、紅外線熱像儀法等。

從目前已頒布的標準可知，國外暫時沒有相關(guān)測試標準頒布。但我國大陸在2017 年12 月底，由國家標準委員會頒布了GB/T 35263—2017《紡織品接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》，此標準于2018 年7月實施；另外，我國臺灣地區(qū)標準CNS 15687—2013也正式頒布和實施，即：織物瞬間涼感性能試驗法（Method of test for the instantaneous cool sensation fabrics）。這2 個標準都具體規(guī)定了測試參數(shù)和測試流程。

2.3.1 接觸瞬間涼感系數(shù)法

該方法也稱為川端熱管理評價系統(tǒng)（Kawabata Evaluation System Thermolab Instrument），是織物瞬間接觸涼感驗證及改質(zhì)瞬間涼感紡織品（納米技術(shù)或微膠囊技術(shù)）的驗證規(guī)范，均使用此方法進行測試。

GB/T 35263—2017 和CNS 15687—2013 中的測試指標均為瞬間涼感系數(shù)（Q-Max）。Q-Max系利用冷板與熱板對織物進行接觸涼感的測試，其優(yōu)點是能夠在極短時間內(nèi)完成評估織物涼感性能。Q-Max通過模擬人體接觸織物的過程，得到皮膚瞬間熱量流失的最大值，也是織物單位面積瞬間能帶走的最大熱流量，此值即為織物瞬間涼感性能的指標，Q-Max值越大，表示帶走的熱量越多。

該方法測試原理：在規(guī)定的實驗環(huán)境條件下，將溫度高于試樣的熱檢測板與試樣接觸，測定熱檢測板溫度隨時間的變化，并計算接觸涼感系數(shù)Q-Max，表征試樣的接觸瞬間涼感性能，Q-Max 數(shù)值越大表示皮膚感受到?jīng)龈谐潭仍綇?，反之，表示皮膚感受到?jīng)龈谐潭仍饺酢?/p>

CNS 15687—2013 測試步驟：將織物置于儀器冷板上，當織物溫度和冷板相同時，再將熱板快速置于試樣上，熱板的熱會透過織物傳到冷板，在接觸瞬間即能測得織物最大熱流失量，即Q-Max 值。測試原理示意如圖1所示。

圖1 CNS 15687標準檢測的原理

GB/T 35263—2017 與CNS 15687—2013 操作相同，但兩者在冷板溫度的設(shè)定上有所不同，其他測試參數(shù)基本一致，表1 列出了兩個標準間的主要不同之處。

表1 GB/T 35263—2017和CNS 15687—2013測試參數(shù)的主要不同

2.3.2 熱阻性能測試

另一方面是熱阻性能測試，它也適用于吸排快干紡織品。

目前熱阻的測量標準有GB/T 18398—2001、GB/T 24254—2009、GB/T 11048—2008、ASTMF 1291—2016、ISO 11092—2014 等。根據(jù)我國標準，服裝熱阻的測試方法之一是暖體假人法，即GB/T 18398—2001，標準中規(guī)定了測試服裝熱阻用的暖體假人系統(tǒng)的基本技術(shù)要求和暖體假人測定服裝熱阻的方法，適用于測量各類服裝的熱阻。除暖體假人法外，熱阻測量的其他方法還有：管式織物保溫儀法、平板式織物保溫儀法和冷卻法。

2.3.2.1 管式織物保溫儀法

該方法的代表標準是GB/T 11048—1989 方法B。紡織品的熱阻可使用管式織物保溫儀來測定。測試時，將試樣包覆在試樣架上，蓋上外罩，待加溫管升溫一段時間后定時降溫散熱。測試過程采用計算機控制和數(shù)據(jù)處理，測定后就能直接得出保溫率、傳熱系數(shù)等各項指標。由于技術(shù)條件的限制，保溫率存在一些技術(shù)缺陷，因此，標準在2008 年更新時（GB/T 11048—2008），已經(jīng)取消了方法B（管式保溫儀），僅保留了平板式織物保溫儀，即A 型儀器（蒸發(fā)熱板）和B型儀器（靜態(tài)平板）。

2.3.2.2 平板式織物保溫儀法

GB/T 11048—2008和ISO 11092—2014所規(guī)定的方法是用平板儀來測量織物的熱阻。平板式保溫儀由試驗板、保護板、底板、有機玻璃罩、溫度傳感器和可開啟門組成的一個恒定溫差環(huán)境。溫度恒定在36 ℃，用隔熱材料與周圍環(huán)境隔離開，相同隔離材料的隔離試驗板、保護和實驗臺使3板之間沒有溫差，以通斷電的方式保持恒溫，保證熱量只能單向向上傳遞而不會逆向傳遞。溫度傳感器用來測定封閉室內(nèi)的溫度，一般維持標準大氣溫度20 ℃左右。實驗時將試樣放置在試驗板上，測試單位時間內(nèi)維持試驗板恒定溫度所需外界補充的熱量，此熱量也就是通過織物散失出去的熱量，由此計算出織物試樣的傳熱系數(shù)和熱阻值。

測定熱阻和濕阻或僅測定其中之一時優(yōu)先采用A型儀器（蒸發(fā)熱板法儀器）；僅需測定熱阻時也可以采用B型儀器（靜態(tài)平板法儀器）。

2.3.2.3 冷卻法

平板式織物保溫儀和管式織物保溫儀法測定熱阻時，有一個共同缺點，就是所需測試時間較長。因為要將儀器調(diào)試到所需的狀態(tài)需要較長的時間，而冷卻法克服了測試時間長的缺點。

冷卻法在加熱到一定溫度后斷電，讓其在沒有熱量供給的情況下，僅通過織物的覆蓋面自然冷卻，采用冷卻所耗費的時間長短來評價織物的傳熱性能，該方法稱為冷卻速率法。

具體操作是將熱源物體預加熱至36 ℃以上，將其放置于標準狀態(tài)環(huán)境中，上方使用3 m/s的氣流使其冷卻。實驗要分有試樣和無試樣兩種情況進行，分別記錄2種情況熱源體從36 ℃冷卻到35 ℃時需要的時間，或者在一定時間內(nèi)下降的溫度，計算出保溫率。

2.3.3 紅外線熱像儀法

該測試方法使用的儀器主要是紅外線熱像儀，代表性的有日本AVIO 的TVS-200EX 紅外線熱像儀和美國Flir Thermovision A320G紅外線熱像儀。它們都可以拍攝紡織物的熱影像圖，但受環(huán)境的影響非常大，另外，標準物質(zhì)不易制定，也不易找到相對穩(wěn)定的基準物等。因此，限制了該類方法的廣泛應用。

3 瞬間涼感測試指標

針對瞬間涼感紡織品的評價指標，國外還未發(fā)布任何標準和要求。2010年10月，中國臺灣地區(qū)已制定的產(chǎn)業(yè)標準FTTS-FA-019《織物瞬間涼感驗證規(guī)范》中規(guī)定：織物瞬間涼感熱流量Q-Max值≥0.14 W/cm2，可視為瞬間涼感效果面料。

同時，標準也明確了織物涼感的耐久性能測試，可以通過測試洗滌后的樣品，證明織物的涼感耐久性能。洗滌要求見表2。

表2 瞬間涼感效果的耐洗性能測試要求

GB/T 35263—2017 也給出了對瞬間涼感效果面料的評價指標Q-Max的要求，標準規(guī)定：Q-Max值≥0.15 W/cm2，被認為是接觸瞬間涼感性能面料。另外，某美國著名家紡公司的瞬間涼感評價指標QMax要求為：針織物≥0.130 W/cm2，梭織物≥0.170 W/cm2?？椢锏乃查g接觸涼感效果評價指標與保暖性能指標的要求恰恰相反。因此，如果織物的保暖性能越好，則涼感效果越差，反之亦然。

4 結(jié)論

紡織品的瞬間接觸涼感效果測試方法雖有多種，但均有其特定的適用范圍，任何單一的方法不能完全模擬人體的所有生理指標，加之人的個體差異性，如：健康程度、心理狀態(tài)、涼感感覺、鍛煉程度等；環(huán)境條件（包含相對濕度、風速等）也在很大程度上影響服裝真實的接觸涼感效果。制定紡織品涼感測試標準和性能指標對生產(chǎn)企業(yè)及消費者，具有一定的指導意義。