聚酰亞胺纖維及其織物保暖性能研究

洪 杰 劉梅城 龔蘊(yùn)玉 姜 生 徐海燕

（1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通，226001；2.泉州師范學(xué)院，福建泉州，362000）

聚酰亞胺纖維是一類在主鏈上含有酰亞胺環(huán)的高分子聚合物，并因其芳香結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有諸多優(yōu)異性能，如優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫、耐低溫、耐化學(xué)性能等。在過濾、阻燃、防護(hù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，同時在近些年基于該纖維具有優(yōu)異的保溫隔熱性能這一特點，亦將其開始應(yīng)用于民生領(lǐng)域［1?2］，如將聚酰亞胺纖維與其他原料混紡，推出設(shè)計時尚的毛衣產(chǎn)品［3?4］。

在當(dāng)前已公開的文獻(xiàn)中，楊莉等制取了一系列的聚酰亞胺針織物，通過比對認(rèn)為其保暖隔熱性能顯著優(yōu)于羊毛織物，并就針織結(jié)構(gòu)及度目值對保暖性能的影響進(jìn)行了分析［5］。方國平等將聚酰亞胺短纖（又稱軼綸95）紡成18 tex純聚酰亞胺短纖紗，再制成針織汗布，其保溫率達(dá)78%，但基于實際使用考慮，將聚酰亞胺短纖與其他纖維混紡，分別制取了安芙麗/聚酰亞胺/棉/麻賽爾30/30/20/20 14.5 tex混紡紗和安芙麗/聚酰亞胺/棉40/30/30 18 tex混紡紗，制取的系列針織物的保溫率均在35%以上［6］。謝焓等制取了聚酰亞胺纖維絮片、聚酰亞胺與中空滌綸混合絮片，其保暖性遠(yuǎn)高于近似單位面積質(zhì)量的羊絨纖維絮片和竹炭纖維絮片［7］。劉艷春等對聚酰亞胺織物進(jìn)行羧基化改性后，綜合考慮熱阻和濕阻，認(rèn)為織物的保暖性能沒有明顯下降［8］。在楊軍杰等的文中也提及用聚酰亞胺短纖制取的絮片保暖性整體優(yōu)于滌綸、羊絨絮片［9］。在劉朝等的文中則設(shè)計制取了一種聚酰亞胺、錦綸、氨綸三組分褲襪，經(jīng)測試其保溫率達(dá)40.2%［10］。

在聚酰亞胺短纖產(chǎn)品保暖性能研究中，多為針織物和絮片類，對于機(jī)織物及其填充結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品的設(shè)計及保暖性能系統(tǒng)研究較少。本研究將在前期以聚酰亞胺14.5 tex短纖紗制取機(jī)織物的基礎(chǔ)上［11］，進(jìn)行雙層單填充結(jié)構(gòu)和三層雙填充結(jié)構(gòu)設(shè)計，并填充不同的纖維［12］，對聚酰亞胺短纖織物填充結(jié)構(gòu)的保暖性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。

1 試驗方案

1.1 試驗用材料

所用聚酰亞胺織物組織為平紋，為了后續(xù)設(shè)計填充結(jié)構(gòu)中避免填充纖維的鉆出，設(shè)計經(jīng)緯密度為524根/10 cm×394根/10 cm（133根/英寸×100根/英寸），幅寬為40 cm，織造使用的為SGA 598型全自動劍桿織樣機(jī)。同時制取了織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的純棉織物，所用純棉14.5 tex紗為南通紡織控股集團(tuán)紡織染有限公司生產(chǎn)。

在本研究填充結(jié)構(gòu)中所使用的各類纖維基本情況見表1。

表1 用于填充結(jié)構(gòu)的纖維基本情況

1.2 填充結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試

在獲得聚酰亞胺織物后，先對織物保暖性能進(jìn)行測試，而后進(jìn)行了雙層單填充結(jié)構(gòu)設(shè)計，在對雙層單填充結(jié)構(gòu)的保暖性能進(jìn)行測試后，再進(jìn)一步進(jìn)行了三層雙填充結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體的填充結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及纖維填充量見表2［13］。在填充結(jié)構(gòu)中填充纖維時，注意要確保纖維填充均勻，同時盡量避免壓縮纖維，以使得所填充纖維在結(jié)構(gòu)中處于充分蓬松狀態(tài)。各填充結(jié)構(gòu)層間采用四周縫合。在表2聚酰亞胺和鴨絨、鵝絨組合的三層雙填充結(jié)構(gòu)中，采取的是單填充聚酰亞胺和單填充鴨絨、單填充鵝絨組合形成雙填充的方式。

表2 聚酰亞胺織物及其填充結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

對織物及其填充結(jié)構(gòu)保暖性能進(jìn)行測試時，所采用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》。制樣尺寸為30 cm×30 cm，所用儀器為溫州市大榮紡織儀器有限公司生產(chǎn)的YG（B）606E型織物保溫性能測試儀。

2 結(jié)果分析

2.1 織物保暖性能

所制取聚酰亞胺織物的保暖性能測試結(jié)果見圖1。從圖1中可知，相比純棉織物，聚酰亞胺織物的保暖性能優(yōu)異，其熱阻值為純棉織物的2.33倍。這是由于纖維結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)有序則導(dǎo)熱系數(shù)越大［14］，棉的結(jié)晶度在 70% 及以上［15?16］，而聚酰亞胺短纖的結(jié)晶度只有不到20%［17］，因此聚酰亞胺的導(dǎo)熱系數(shù)低于棉的導(dǎo)熱系數(shù)，所以聚酰亞胺織物的保暖性優(yōu)于純棉織物。

圖1 織物的熱阻值

在將聚酰亞胺織物通過疊合平鋪為雙層、三層時，通過圖1可知其熱阻值提高顯著，分別為單層時的2.79倍和3.93倍，而非簡單的2倍或3倍于單層織物的關(guān)系，保暖性能更加優(yōu)異。這主要是一方面織物層數(shù)增加，會使熱阻值提高，另一方面在處理為雙層、三層時，在測試中雖然力求織物處于平整狀態(tài)，但層間仍會存有一定的空隙，由此靜止的導(dǎo)熱系數(shù)僅0.026 W/（m·℃）的空氣的存在，會有助于其保暖性能的進(jìn)一步提升。這也表明聚酰亞胺織物適于開發(fā)設(shè)計用于防寒保暖類的填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

2.2 雙層單填充結(jié)構(gòu)保暖性能

以聚酰亞胺織物為基礎(chǔ)，根據(jù)表2方案所設(shè)計的各種雙層單填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的保暖性能測試結(jié)果見圖2。

圖2 雙層單填充結(jié)構(gòu)的熱阻值

通過圖2可看出，整體上填充羽絨時的雙層單填充結(jié)構(gòu)其保暖性能最優(yōu)，填充聚酰亞胺短纖的次之，填充常規(guī)粘膠纖維的相對最小。與此同時對各填充結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行了測量，填充物分別是粘膠1.5 dtex×38 mm、聚酰亞胺2.2 dtex×38 mm、聚酰亞胺2.2 dtex×51 mm、聚酰亞胺1.6 dtex×51 mm、鴨絨、鵝絨時，厚度分別為13 mm、17 mm、14 mm、17 mm、19 mm、21 mm。

在圖2所示的各種雙層單填充結(jié)構(gòu)中以填充羽絨的保暖性能最優(yōu)，這是因為一方面羽絨在三類填充纖維中的導(dǎo)熱系數(shù)最小，另外一方面，從填充結(jié)構(gòu)厚度上看，填充羽絨時其整體最為蓬松，因此填充結(jié)構(gòu)中所含靜止空氣也更多。而鵝絨相比鴨絨，其絨核較小，絨枝較長，絨小枝也較長而細(xì)且分布較密，另外絨小枝中的節(jié)點小而多且分布更均勻，這均有助于結(jié)構(gòu)的蓬松和保暖，因此填充鵝絨時其厚度會更厚熱阻值也更高［18］。

相比在保暖性次之的填充聚酰亞胺短纖結(jié)構(gòu)中，可看出所填充聚酰亞胺短纖的線密度和長度均會對填充結(jié)構(gòu)的保暖性能產(chǎn)生影響，根據(jù)圖2中的結(jié)果認(rèn)為填充用的聚酰亞胺短纖以偏細(xì)、偏短為宜。這是因為在其他條件相同之下，填充的纖維相比越細(xì)，則其比表面積更大，可使得填充結(jié)構(gòu)中含有更多的靜止空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小，使得保暖性能得以提升。而對于纖維長度，在相同填充量、相同纖維線密度時，纖維越短，在纖維集合體內(nèi)的纖維總根數(shù)越多，因此填充結(jié)構(gòu)空間中所含靜止空氣被劃分為更細(xì)密的小空間，使得空氣流動性減小，對流傳導(dǎo)性下降，因此其保暖性能更優(yōu)［19］。

而粘膠因其導(dǎo)熱系數(shù)在所填充的三大類纖維中最大，雖然所用的粘膠相對細(xì)短，然而粘膠纖維的彈性較差，由測試的厚度值可知其填充后較為密實，因此纖維集合體中存有的靜止空氣也更少，使得填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的保暖性能相比最差。

2.3 三層雙填充結(jié)構(gòu)保暖性能

在雙層單填充結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所設(shè)計的三層雙填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)品其保暖性能測試結(jié)果見圖3。結(jié)合圖2和圖3，可知在填充量保持為9 g不變的情況下，三層雙填充結(jié)構(gòu)的保暖性能進(jìn)一步提升。這是因為一方面聚酰亞胺織物層數(shù)有增加，另一方面增加了一層織物使阻隔空氣流動的效應(yīng)更好，均有助于保暖性能提升，但同時織物層數(shù)的增加會使三層雙填充結(jié)構(gòu)中的下層受壓增大，使得其中所填充纖維集合體變得相對密實，不利于結(jié)構(gòu)保暖性的提升，但綜合之下層數(shù)增加和阻隔效應(yīng)作用更為顯著，使得最終的保暖性能進(jìn)一步提升。

圖3 三層雙填充結(jié)構(gòu)的熱阻值

在三層雙填充結(jié)構(gòu)中將填充量加大至18 g時，從圖3可看到填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的保暖性能更加優(yōu)越。對于填充18 g粘膠的三層雙填充結(jié)構(gòu)，其保暖性能優(yōu)于雙層單填充結(jié)構(gòu)中填充9 g鴨絨這一設(shè)計。同時在三層雙填充結(jié)構(gòu)中，以雙層單填充結(jié)構(gòu)中保暖性能最優(yōu)的一種聚酰亞胺短纖（2.2 dtex×38 mm）與羽絨進(jìn)行了組合設(shè)計，從圖3中可知其也取得了優(yōu)異的保暖性能。其中填充（聚酰亞胺+鴨絨）9 g和（聚酰亞胺+鵝絨）9 g組合的保暖性能均已優(yōu)于雙層單填充結(jié)構(gòu)中填充9 g鴨絨這一設(shè)計。

當(dāng)前市場上羽絨的價格是聚酰亞胺短纖的2倍～3倍，而粘膠短纖價格不足聚酰亞胺短纖的五分之一，在結(jié)合用料成本考慮之下，采取這一組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了以低成本取得優(yōu)異保暖性能的效果。通過保暖制品的原料、結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計，從對保暖性的需求和價格層面上，滿足不同地區(qū)、人群和成本考慮的消費者，實現(xiàn)了差異化消費。而對于部分不適或不習(xí)慣于羽絨的群體［20］，也是一個很好的選擇。同時采用這樣的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可以避免出現(xiàn)單層填充量過大時產(chǎn)生的纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，有利于優(yōu)異保暖性的獲取。

3 結(jié)論

（1）聚酰亞胺織物保暖性能優(yōu)異，熱阻值為組織結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的純棉織物的2.33倍，在處理為雙層和三層時，其保暖性能更為優(yōu)異，為單層時的2.79倍和3.93倍。

（2）雙層單填充結(jié)構(gòu)中，以填充羽絨的保暖性能最優(yōu)，聚酰亞胺短纖的次之，常規(guī)粘膠纖維的相對最小。所填充聚酰亞胺短纖，其纖維偏細(xì)、偏短更有利于優(yōu)異保暖性能的獲取。

（3）三層雙填充結(jié)構(gòu)其保暖性優(yōu)于雙層單填充結(jié)構(gòu)，且其可設(shè)計性更好，能更好滿足多元化需求。