汗?jié)駰l件下織物動態(tài)水傳遞的測試與分析

劉瑩 任姍姍 湯夢娜 楊允出

摘 要：為了分析織物動態(tài)水傳遞性能，自行搭建一種具有芯吸導(dǎo)水功能的顯性出汗模擬裝置，拍照記錄不同時刻織物的潤濕圖像，利用電子天平在線測量系統(tǒng)實時記錄織物在吸水或蒸發(fā)過程中重量值的動態(tài)變化。利用該裝置對6種面料分別進(jìn)行了單層織物平面內(nèi)水傳遞性能和2層織物層間水傳遞性能的動態(tài)測試。結(jié)果顯示：潤濕圖像面積、水分在織物平面內(nèi)的擴散速度、織物的吸水速度可以反映織物動態(tài)吸水與擴散性能，織物表面的水分蒸發(fā)速度可以評價織物的快干性能;織物層間水傳遞性能可利用模擬皮膚的水分轉(zhuǎn)移率進(jìn)行評價。

關(guān)鍵詞：織物;模擬出汗;顯性出汗;動態(tài)水傳遞;吸濕快干

中圖分類號：TS101.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）02-0040-05

Abstract：In order to analyze dynamic water transfer performance of fabric， an explicit sweating simulation device with water transfer function by wicking strips was established.Wetting images of the fabric at different moments were recorded by camera， and dynamic changes in weight of the fabric during the process of water absorption or evaporation were recorded in real-time with the electronic balance online measurement system.The device was used to test the dynamic in-plane water transfer performance of single-layer fabrics and interlayer water transfer performance of 2-layer fabrics of six fabrics.The results show that the dynamic water absorption and diffusion properties of fabric can be reflected via wetted area， diffusion speed of moisture in the plane of fabric and water absorption rate.The fast-drying performance of fabric can be evaluated based on moisture evaporation rate on fabric surface.The interlayer water transfer performance can be evaluated based on the moisture transfer rate of simulated skin.

Key words：fabric; simulated sweating; explicit sweating; dynamic water transfer; moisture absorption and quick drying

當(dāng)環(huán)境溫度升高或者活動強度增大時，人體會通過大量出汗來散發(fā)熱量，皮膚表面呈液態(tài)汗。液態(tài)汗水通過服裝排出需經(jīng)過三個階段：首先面料被汗液潤濕，接著汗液被運輸?shù)娇椢锿獗砻妫詈笳舭l(fā)到空氣中。如果汗液不能迅速從皮膚上排離，大量積聚在服裝與皮膚間的微氣候區(qū)，會使人產(chǎn)生不適感，因此汗?jié)駹顟B(tài)下織物熱濕傳遞的研究對維持服裝內(nèi)氣候的舒適性具有重要意義。織物熱濕傳遞的研究主要分為潛汗和顯汗?fàn)顟B(tài)兩種，潛汗下的熱濕舒適性研究有：Fan等[1]研制的低溫條件下的出汗平板儀利用水位相等及固液兩相平衡的原理實現(xiàn)了自動補水。陳益松等[2]研制了被動式微氣候儀，在溫控壓力水作用下實現(xiàn)了可計量出汗和被測面料濕阻的估算。師云龍等[3]采用硅膠涂層的方法制備了非均勻出汗皮膚，通過對涂層透濕性能分析確定了最佳涂層工藝，并利用分形原理和涂層的熱、濕阻，選擇出最佳涂層方式。張偉偉等[4]采用TPU透明薄膜模擬人體皮膚，通過自主搭建裝置得出與模擬皮膚接觸瞬間，不同纖維種類的織物熱濕傳遞結(jié)果不同。顯汗?fàn)顟B(tài)下的研究有：Zhu等[5]提出了一種利用熱電偶陣列對織物內(nèi)毛細(xì)芯吸量進(jìn)行測量的新方法。Lin等[6]研制了一種由具有動態(tài)水分傳遞性能的織物制成的運動胸罩，并通過研究證明其可以降低局部乳房皮膚溫度，提高女性的熱舒適性。唐世君等[7]推導(dǎo)出用于評價顯汗條件下織物熱濕綜合傳遞性能的新指標(biāo)—相對散熱速率。郜琳[8]研究了織物在潛汗、顯汗及不同空氣層厚度條件下汗?jié)窨椢餆嶙璧淖兓⒂脤嶒災(zāi)M了實際穿著過程中汗?jié)窨椢锏臒釢衿胶?。Rossi等[9]利用X射線斷層掃描技術(shù)分析了不同襪子材料層間和平面內(nèi)水傳遞情況。Tang等[10]開發(fā)了基于重力和圖像分析技術(shù)的自動吸水式水傳遞測試裝置，該裝置可以實時測量吸水量，監(jiān)測水傳遞方向并估算出皮膚上的殘余水量。綜上所述，現(xiàn)有的出汗模擬裝置鮮有利用芯吸方式來實現(xiàn)被動式出汗。

本文研究了一種被動式顯性出汗方式，即利用芯吸行為將“皮膚”潤濕。通過自行搭建的具有芯吸導(dǎo)水功能的顯性出汗模擬裝置，進(jìn)行了單層織物平面內(nèi)水傳遞性能和2層織物層間水傳遞性能的動態(tài)測試與分析，所設(shè)計開發(fā)的模擬皮膚出汗性能測試儀以及實驗方法將可以為進(jìn)一步開展出汗?fàn)顟B(tài)下的織物及服裝熱、濕舒適性測試研究提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置的設(shè)計與搭建

自行設(shè)計的具有芯吸導(dǎo)水功能的顯性出汗模擬裝置的簡化示意圖如圖1所示，采用重量測量和圖像分析技術(shù)進(jìn)行測試。該裝置可通過電子天平（10）實時記錄熱板支架（8）上織物試樣（直徑為18 cm）吸水重量的變化，并可通過相機（2）捕獲試樣的潤濕圖像。厚度為0.5 cm的圓形加熱鋁板（5）置于熱板支架（8）上，并通過恒溫控制器控制加熱板的表面溫度為（34±0.3）℃，恒溫加熱板上設(shè)有7個小孔，其中一個小孔位于恒溫加熱板的圓心，其余6個均勻分布在距圓心6 cm的圓周上，每個小孔的大小為1.5 cm×0.5 cm的矩形，芯吸條（6）的一端穿過小孔貼在恒溫加熱板上（貼在恒溫?zé)岚宓拈L度為0.5 cm，可與面料接觸），一端浸入儲水容器（7）中，能夠?qū)⑷萜髦械乃粩嗤ㄟ^芯吸作用傳給織物，達(dá)到潤濕試樣（出汗）的目的。芯吸條由無紡布制成，因為無紡布具有很好的吸水性和水傳遞性，芯吸條大小為1.2 cm×8 cm。升降平臺（9）可以控制儲水容器（7）的高度，升降平臺（9）的高度下降后，芯吸條（6）便與水脫離，停止向試樣供水。

1.相機支架;2.相機;3.試樣;4.模擬皮膚;5.恒溫加熱板;6.芯吸條;7.儲水容器;8.熱板支架;9.升降平臺;10.電子天平

該裝置可以測試單層織物試樣的水平芯吸性能，如圖2（a）所示，也能測試雙層織物試樣的層間水傳遞性能，如圖2（b）所示，兩種實驗初始狀態(tài)時，控制水平面至加熱板底面的間距均為4 cm。進(jìn)行單層試樣的水平芯吸測試時，用單根芯吸條供水，試樣直接平鋪在恒溫?zé)岚迳?將模擬皮膚用于層間水傳遞測試，模擬皮膚用來模擬人體皮膚出汗，將汗液傳遞到試樣織物上，并用7根芯吸條同時供水，可以較快地潤濕模擬皮膚，縮短實驗時間。芯吸條分布位置如圖2（c）所示。

1.2 實驗材料

本實驗選取了6種面料，包括1種機織物和5種針織物，其中針織物密度單位為線圈/10 cm，機織物密度單位為根/10 cm。樣品規(guī)格參數(shù)見表1。

試樣預(yù)處理：為了減少織物表面的褶皺、灰塵等對實驗結(jié)果的影響，將面料放入盛有清水的盆中浸泡20 min，將浸泡過的面料用清水沖洗3遍，最后平鋪晾干。

實驗室環(huán)境溫度為（25±1）℃，相對濕度為（50±2）%，無風(fēng)，所有試樣均在試驗環(huán)境下平衡放置24 h以上。

1.3 實驗測試

1.3.1 單層織物水傳遞動態(tài)性能測試

該實驗分為兩步：織物動態(tài)吸水與擴散測試，織物動態(tài)水分蒸發(fā)量測試。首先將試樣平鋪在恒溫?zé)岚迳?，芯吸條位于熱板中央位置給試樣供水，電子天平實時測量試樣的動態(tài)吸水量，相機拍攝試樣芯吸過程中潤濕圖像的變化，并用Photoshop軟件輔助提取潤濕面積、平均潤濕半徑。測試完成后，撤去支架2和升降平臺，將恒溫?zé)岚逯苯由w在儲水容器上，進(jìn)行試樣芯吸過程中水分動態(tài)蒸發(fā)量的測試，電子天平測量的裝置重量的減少量即為蒸發(fā)量。進(jìn)一步根據(jù)吸水量、潤濕圖像面積、水分蒸發(fā)量隨時間的動態(tài)數(shù)據(jù)，計算織物的吸水速度、水分在織物平面內(nèi)的擴散速度和織物表面的水分蒸發(fā)速度。

1.3.2 織物層間水傳遞動態(tài)性能測試

將恒溫?zé)岚宓?個孔內(nèi)均放入芯吸條，同時給模擬皮膚供水，使皮膚均勻潤濕，模擬皮膚緊貼恒溫?zé)岚宸胖?，待模擬皮膚上的水量達(dá)到8 g時，降低升降平臺，并抽掉芯吸條，停止供水。然后將第2層試樣平鋪在模擬皮膚上，使模擬皮膚與試樣充分接觸，電子天平實時測量模擬皮膚與試樣組合體的重量變化，即為水分動態(tài)蒸發(fā)量。測試10 min后，迅速將兩層織物分開，分別計算此刻模擬皮膚上含水量和第2層試樣含水量。記模擬皮膚、試樣及恒溫?zé)岚褰M合體初始總重量（零時刻）為GT0，第10 min時刻總重量為GT10，恒溫?zé)岚逯亓繛镚1，10 min時刻拿掉第2層試樣后模擬皮膚與恒溫?zé)岚宓闹亓繛镚2，第1層試樣（模擬皮膚）的干重GF1，第2層試樣的干重GF2，模擬皮膚初始含水量GW0，則：

2 結(jié)果與分析

2.1 單層織物水傳遞動態(tài)性能分析

水通過芯吸條傳遞到織物上，會以芯吸條接觸部位為中心在織物平面內(nèi)擴散，并不斷向外界環(huán)境蒸發(fā)。為分析織物動態(tài)吸水與擴散性能，提取了潤濕圖像面積、平均潤濕半徑、水分在織物平面內(nèi)的擴散速度、織物的吸水量及吸水速度5個指標(biāo)進(jìn)行分析。并用織物表面的水分蒸發(fā)速度評價織物的快干性能。

獲取1～6#試樣在2、4、6、8、10 min不同時間點的拍攝圖像，用Photoshop提取潤濕面積，結(jié)果見圖3。

1#和3#織物的潤濕面積比其他幾種織物大，10 min時1#潤濕面積為215.78 cm2，平均潤濕半徑為8.29 cm，3#潤濕面積為167.45 cm2，平均潤濕半徑為7.30 cm，其他4種潤濕面積均小于60 cm2，平均潤濕半徑在1.84 cm～4.19 cm之間。其中1#為超細(xì)纖維仿麂皮絨面料、3#為改性滌綸（Coolmax）面料，導(dǎo)濕性能明顯優(yōu)于普通純棉或棉混紡織物（2#、4#、5#和6#試樣）。潤濕面積基本與時間呈正線性相關(guān)，液態(tài)水在1#～6#織物平面內(nèi)的平均擴散速度分別為0.367、0.073、0.293 、0.059、0.092、0.021 cm2/s。

由圖4可知1#～6#織物平均吸水速度分別為0.073、0.040、0.156、0.031、0.075、0.017 g/min，其中，3#為異型纖維織物，具有優(yōu)良的導(dǎo)濕性，吸水速度最快，6#織物吸水速度最慢。

單層織物水分蒸發(fā)量與時間的關(guān)系曲線如圖5所示，在初始芯吸階段，織物吸水量少，潤濕面積小，從而水分蒸發(fā)量少，蒸發(fā)速度緩慢;300 s以后蒸發(fā)量基本呈線性增加，其中1#、3#改性滌綸蒸發(fā)速度較快，2#、4#、6#試樣由于織物厚度較厚，液態(tài)水從織物反面?zhèn)鬟f到正面所需時間長，因而蒸發(fā)速度較慢。300s后1#～6#試樣平均蒸發(fā)速度分別為0.075、0.007、0.083、0.003、0.030、0.010 g/min。

2.2 織物層間水傳遞動態(tài)性能分析

當(dāng)織物覆蓋于潤濕的織物上，織物是呈片狀潤濕的，不同于單點潤濕水以潤濕點為中心向四周擴散，織物層間水傳遞可以模擬人體大量出汗時衣服被汗?jié)竦那樾巍１疚囊噪p層織物間水傳遞為例進(jìn)行分析，將第1層織物作為模擬皮膚，由于出汗皮膚應(yīng)具有保水量大，有較好的吸水性和水?dāng)U散性，因此根據(jù)2.1的分析3#織物具有優(yōu)良的導(dǎo)濕性能且保水量大，適合作為模擬皮膚進(jìn)行層間水傳遞實驗。雙層織物條件下，水分蒸發(fā)量與時間的關(guān)系如圖6所示，第10 min時刻的水分總蒸發(fā)量、第2層試樣的含水量、模擬皮膚的含水量與10 min內(nèi)模擬皮膚的水分轉(zhuǎn)移量見表2。

如圖6所示，雙層織物條件下，所測試樣在10 min內(nèi)水分蒸發(fā)量與時間基本呈正線性關(guān)系。1#～6#平均蒸發(fā)速度分別為0.206、0.132、0.251、0.141、0.126、0.14 g/min，1#、3#織物蒸發(fā)相對較快，2#、4#、5#、6#織物蒸發(fā)相對較慢且速度較接近。由表2可以看出，模擬皮膚上轉(zhuǎn)移掉的水分一部分被試樣織物吸收，一部分蒸發(fā)到空氣中，因此水分總蒸發(fā)量與第2層試樣含水量之和等于模擬皮膚上水的轉(zhuǎn)移量，并根據(jù)模擬皮膚初始含水量計算出水分轉(zhuǎn)移率。3#織物水的轉(zhuǎn)移率最高，水的轉(zhuǎn)移量最多，皮膚上殘余水量最少，因此水的轉(zhuǎn)移率可以用來評估織物層間水傳遞性能，水的轉(zhuǎn)移率越高，水從皮膚表面滲出的越多，提供的濕感越少，人體感覺越舒適。

3 結(jié) 論

a）搭建了具有芯吸導(dǎo)水功能的顯性模擬出汗裝置，利用重力測量和圖像分析方法實現(xiàn)了織物平面內(nèi)芯吸性能測試和層間水傳遞測試。該裝置的優(yōu)點包括：能夠直接和實時監(jiān)測吸水量和蒸發(fā)量，可以連續(xù)供水模擬大量出汗。

b）織物的吸濕和快干性能可以通過一系列參數(shù)進(jìn)行全面描述，包括：潤濕面積、平均潤濕半徑、水分在織物平面內(nèi)的擴散速度、吸水速度、蒸發(fā)速度。潤濕面積、平均潤濕半徑、水分在織物平面內(nèi)的擴散速度、吸水速度等指標(biāo)可以評價織物的動態(tài)吸濕性 能;織物的快干性能由織物表面的蒸發(fā)速度而定。

c）水分的轉(zhuǎn)移率可以用來評估織物層間水傳遞性能，水的轉(zhuǎn)移率越高，皮膚濕感越小，穿著舒適性越好。

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