織物吸濕快干性能測試方法研究進展

熊晶晶， 傅佳佳， 王文聰， 王鴻博

(江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122)

吸濕快干紡織品是兼具優(yōu)良吸濕性和快速傳導排濕特性的功能紡織品，常用的天然纖維和化學纖維制品都無法完全滿足吸濕快干的功能要求?？蒲腥藛T利用纖維原料物理化學改性、織物組織結構設計和后整理等方式實現(xiàn)織物的吸濕快干功能，并開發(fā)了一系列吸濕快干功能面料，獲得廣泛應用[1]。然而，對吸濕快干類服裝及面料的性能測評尚無統(tǒng)一標準，已有檢測方法不夠精確、重現(xiàn)度差，生產(chǎn)企業(yè)定義產(chǎn)品功能的方式也不同，導致這類服裝及面料質量參差不齊[2]。文中在探討織物濕傳遞機理的基礎上，分析總結測試織物吸濕快干相關性能的常用方法，并介紹幾種國內(nèi)外對相關性能測試提出的新方法、新技術。

1 織物濕傳遞特性

織物的吸濕快干性能主要與織物對水分的吸收和傳輸能力有關，因此，探討織物濕傳遞特性是研究織物吸濕快干性能的重要環(huán)節(jié)。在濕傳遞過程中，通過織物的水分子存在液相和氣相兩種相態(tài)?？椢飳σ簯B(tài)水的傳遞可看成是一個多環(huán)節(jié)的完整過程，包括織物對液態(tài)水的吸收擴散、傳導及水分在織物表面的蒸發(fā)逸散，具體如圖1所示。液態(tài)水接觸織物后，潤濕織物并被吸收，同時在織物內(nèi)部纖維或紗線間的毛細管芯吸作用下向四周擴散，并向織物另一側(滲透面)傳導，傳導到織物滲透面的水分蒸發(fā)逸散到空氣中[3]。

圖1 液態(tài)水濕傳遞過程

氣態(tài)水在織物中的傳遞途徑有兩種：①氣態(tài)水在織物縫隙中由水蒸氣分壓高的一面向分壓低的一面擴散；②氣態(tài)水在織物一側表面及紗線、纖維間的縫隙中凝結后，在微細通道中形成毛細管水并經(jīng)過毛細輸送，在另一側蒸發(fā)到環(huán)境中，與液態(tài)水傳導過程相同[4]。

2 織物吸濕快干性能測試方法

織物的濕傳遞包括織物對液態(tài)水的吸收、傳導和蒸發(fā)逸散以及氣態(tài)水在織物中的擴散過程，它直接影響織物的吸濕導濕性、快干性和透濕性?？椢镂鼭裥栽胶?，越容易被潤濕，吸濕越快；液態(tài)水在織物表面擴散面積越大，速度越快，水分的蒸發(fā)干燥越快，織物快干性能越好[5]。因此，評價織物吸濕快干性能的方法主要是測試織物的透濕性、吸濕導濕性和快干性，再根據(jù)織物的最終用途和功能進行綜合評判。

2.1 織物透濕性測試標準

織物透濕性與人體潛汗狀態(tài)下織物對氣態(tài)水的傳遞有關。人體在一般環(huán)境下即使沒有較大活動量，也會因新陳代謝不斷與外界環(huán)境進行熱濕交換，若皮膚表面產(chǎn)生的濕氣不能及時排出體外，會導致氣態(tài)水凝結成液滴，引起黏連，產(chǎn)生不適感，所以對織物透濕性的測定有助于全面衡量吸濕快干織物的功能性和舒適性[6]。當人體處于顯汗狀態(tài)時，一般不使用透濕性來衡量織物的吸濕快干性能，而是通過測試織物對液態(tài)水的吸收和傳導性能來綜合評定。

國內(nèi)外常用的紡織品透濕性能測試標準見表1。表1的測試標準中主要以透濕率(即在一定的溫度條件下，規(guī)定時間內(nèi)垂直通過單位面積織物試樣的水蒸氣質量)來表征織物透濕性能。

表1 紡織品透濕性能測試標準

2.2 織物吸濕導濕性測試方法

2.2.1垂直芯吸法 垂直芯吸法是常用的直接測試織物吸濕導濕性的方法。測試時，將待測織物試樣剪成長條形，把試樣一端懸掛在鐵架臺上，另一端接觸水面或浸入水中，測量一定時間后水分通過織物毛細作用所爬升的高度，或者測試水跡上升到一定高度所需要的時間，具體如圖2所示。通過芯吸高度或芯吸時間表示織物傳輸水分的能力，一般認為單位時間內(nèi)芯吸高度越高或芯吸時間越短，織物吸濕導濕性能越好。由于織物的結構或顏色會影響肉眼對水跡爬升過程的判斷，測試時通常會在水中加入不影響試驗結果的著色劑，以方便肉眼識別。

圖2 芯吸法

國內(nèi)外常用的測試織物吸濕導濕性能的標準中，運用垂直芯吸法的有GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定第1 部分：單向組合試驗法》[11]，AATCC 197—2013Verticalwickingoftextiles[12]，JIS L 1907—2010Testmethodsforwaterabsorbencyoftextiles[13]，不同標準測試方法略有不同，測試原理基本一致。

2.2.2滴液法 滴液法是將液態(tài)水滴在織物表面，觀察其在織物表面擴散情況，以判斷織物吸濕導濕性的測試方法，具體如圖3所示。測試時有兩種滴水情況：①將一滴水從固定高度滴到織物表面，記錄從水滴接觸織物表面到完全擴散(不再呈現(xiàn)鏡面反射)所需時間，該方法也被稱為滴水擴散時間法，常用來表征織物吸水速度的快慢[見圖3(a)]。②將一定體積的水持續(xù)滴到織物表面，記錄其在織物表面朝各方向擴散的情況，根據(jù)不同時間水分擴散面積或潤濕半徑的變化，得到水分擴散速率曲線，用以實時分析水分在織物表面?zhèn)鲗闆r，這種方法也被稱為水平芯吸法[見圖3(b)][14]。滴液法測試簡便快捷，是被廣泛使用的一種評價織物吸濕快干性能的方法，滴水擴散時間越短，織物對水的吸收速度越快。

圖3 滴液法

國內(nèi)外常用的測試標準中運用滴液法的有GB/T 21655.1—2008，JIS L 1907—2010，AATCC TM 79—2014Absorbencyoftextiles[15]，AATCC 198—2013Horizontalwickingoftextiles[16]。其中，AATCC 198—2013標準中使用的是水平芯吸法，具體測試方法為：在面料上畫一直徑為100 mm的圓，從滴管中釋放 1 mL水到圓中心位置，記錄水潤濕至圓圈邊線時潤濕織物的長度、寬度和時間，再由此計算水分擴散速率。其他幾項標準均使用的是滴水擴散時間法原理。

2.2.3靜態(tài)潤濕法 靜態(tài)潤濕法是將織物在水中浸沒一定時間后取出，測試織物的吸水率或保水率，可以直接反映織物的吸水能力。運用靜態(tài)潤濕法的標準有GB/T 21655.1—2008，JIS L 1907—2010，BS 3449—2012Methodforresistanceoffabricstowaterabsorption(staticimmersiontest)[17]。張婧煒等[18]認為，吸水率側重于考量織物對水分的吸附容納能力，這與吸濕快干織物的特點不完全一致。吸濕快干織物要求具有良好的吸濕性并能將水分迅速排出，若織物對水分的吸附能力過強，可能會阻礙水分的傳遞和蒸發(fā)。

2.2.4液態(tài)水動態(tài)傳遞性能綜合測試 織物液態(tài)水動態(tài)傳遞性能綜合測試采用水分管理測試儀(moisture management tester，MMT)，測試時利用與織物上下兩個表面接觸的同心圓環(huán)傳感器測定水分在織物中的動態(tài)傳遞狀況，其原理是當水分在織物上傳遞時，會使織物電阻發(fā)生變化，因此測得的電阻值變化量可以轉換成織物中水分的擴散情況。利用MMT可在一次測試中同時得到潤濕時間、吸水速率、最大潤濕半徑、液態(tài)水擴散速度、單項傳遞指數(shù)和液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數(shù)等一系列能充分反映織物吸濕導濕性能的指標。

液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合測試標準中最早推出的是美國AATCC 195—2009Liquidmoisturemanagementpropertiesoftextilefabrics[19]，后成為吸濕快干紡織品在國際市場中常用的性能評價標準之一，經(jīng)不斷更新和完善，已于2017年推出該測試標準的最新版本。中國也于2009年推出測試評定標準GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕速干性的評定第2部分：動態(tài)水分傳遞法》。

以上幾種測試織物吸、導濕性的方法中，垂直芯吸法可以直接觀察到液體在織物中沿條帶方向的傳輸擴散情況，便于比較液體在不同織物中的傳輸能力，但對于液體較少的情況(如人體體表汗液的傳導)并不適用。潤濕法可以反映織物的吸濕能力，但不適用于吸濕快干類織物的性能評價測試。滴液法測試原理和方法簡單，關鍵在于提高測試結果的精準性，而液態(tài)水動態(tài)管理測試儀是通過一臺儀器、一次測試得到多項指標，測試流程短、步驟少，但測試儀設備成本和技術要求較高，測試數(shù)據(jù)在穩(wěn)定性方面有一定缺陷，在實際推廣使用過程中受到限制。

2.3 織物快干性測試方法

織物的快干性可用于表征織物被滴濕或浸濕后快速變干的能力，通常以水分蒸發(fā)速率或干燥速率表示。常用的測試方法為稱重法，參照GB/T 21655.1—2008，在水滴被完全吸入織物后，將試樣懸掛于標準大氣壓環(huán)境中，每隔5 min稱取一次質量，直至連續(xù)兩次稱取質量的變化率不超過1%，根據(jù)織物質量變化情況，得到時間-蒸發(fā)量變化曲線，并計算水分蒸發(fā)速率；日本標準JIS L 1096—2010Testingmethodsforwovenandknittedfabrics[20]中，是將織物全部浸漬在水中后取出，懸掛滴干，記錄織物從不再滴水至干燥到恒重狀態(tài)所需的時間。由于不同原料、不同組織結構的織物吸水能力有所不同，在使用稱重法比較不同織物水分蒸發(fā)速率快慢時，應考慮到原料、組織結構對織物吸附水分能力的影響。

上述標準中推薦使用的測試方法較為簡便，但是在測試服用織物快干性能時，其測試環(huán)境與織物最終應用環(huán)境差別較大，需進一步完善測試條件。

標準AATCC 199—2013Dryingtimeoftextiles：moistureanalyzermethods[21]中，利用水分分析儀自帶的加熱裝置可將潤濕的面料加熱到人體溫度(37 ℃)或其他溫度，然后測定試樣達到干重或其他要求的測試終點時所需的干燥時間，以表征織物的干燥性能[22]。標準AATCC 201—2014Dryingrateoffabrics:heatedplatemethod[23]中，采用熱板法進行測試。在設備頂端用風扇滿足風速要求，放置試樣的金屬板可加熱至37 ℃，測試時通過紅外熱電偶探頭檢測織物被浸濕處的溫度變化，設備自動記錄并得到織物溫度隨時間變化的曲線，當織物溫度與初始溫度相同并保持穩(wěn)定時結束測試，根據(jù)曲線圖可以得到織物的干燥速率。水分分析儀法和熱板法進一步模擬了織物的最終使用條件，測試結果可靠度高，但對設備要求也較高。

3 織物吸濕快干性能新型測試方法

在采用滴水擴散時間法測試時，一般是通過人眼觀察液滴在織物表面被吸收的情況，但織物對水分的吸收時間較短，很難準確計時，此外對于一些顏色較深的織物，液滴在織物表面的變化肉眼不易察覺。在采用芯吸法觀察水滴擴散情況時，測試人員對芯吸高度的讀取和芯吸水滴擴散面積的計算會受人為因素的影響，測試過程需提高實驗儀器的自動化水平和精度。研究人員利用織物吸濕后干濕區(qū)域顏色、溫度等變化情況，將各種電傳感技術、熱傳感技術和圖像處理技術等運用到織物吸濕快干相關性能的測試中。

3.1 電學方法

電學方法的工作原理：織物被水潤濕后，織物濕區(qū)的電阻或電容發(fā)生變化，且與干燥狀態(tài)時相差較大，因此利用電傳感器測試織物電阻或電容的變化，即可反映出織物水分含量的變化，從而得到織物的水分擴散情況。MMT即利用多個電傳感器測定電阻變化，以反映水分擴散情況。HU J Y等[24]在織物上下兩表面分別放置6個等距離的同心圓環(huán)，通過計算機記錄相鄰圓環(huán)之間的電阻值變化，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理后可以得到織物含水量的變化，從而測得水分在織物上的傳導速率。張才前等[25]依據(jù)電阻法檢測原理，將多根探針沿不同方向插入織物內(nèi)部，并將模擬汗液經(jīng)注液管注入織物，記錄液滴遷移至各探針的時間，并測試探針間電壓隨時間的變化，利用強大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成長時間的數(shù)據(jù)監(jiān)測，檢測液滴在織物上擴散及蒸發(fā)的性能，以解決傳統(tǒng)儀器無法同時測試汗液在織物上擴散及蒸發(fā)性能的問題。

3.2 光譜分析法

與傳統(tǒng)測試方法相比，光譜分析法可以實現(xiàn)水分在紡織品中傳輸?shù)娜S可視化和量化監(jiān)測，直接了解水分的傳遞位置及其在織物層內(nèi)的擴散情況。LEE J H等[26]使用分光光度計測量織物干燥部分和潤濕部分的顏色深度差異，以反映織物吸水量變化，將織物潤濕至最大吸水量的10%～90%，研究不同吸水量與顏色特征之間的相關性?；貧w分析表明，吸水量與反射特性(K/S值、明度、色差)呈顯著的線性關系(p< 0.05)。

X射線斷層掃描技術也被用于紡織品中水分分布情況的檢測。WEDER M等[27]利用 X射線斷層掃描儀(μCT)研究多層織物在實際使用條件下的水分分布情況，測量時可在不影響織物其他性能的情況下跟蹤水分輸送的動態(tài)，并對織物層內(nèi)的水分進行定量描述。BIRRFELDER P等[28]利用μCT探究織物結構和紗線細度對織物芯吸作用的影響，開發(fā)了一種快速獲得高分辨率投影的新方法，在潤濕織物過程中，每隔一定時間對織物試樣進行掃描并繪制放射圖像，通過計算樣品厚度方向上的平均含水量，繪制織物平面內(nèi)水分分布半徑隨時間變化的圖像，以直接反映織物中水分瞬時變化情況。KEISER C等[29]在低熱輻射條件下，利用X射線斷層掃描技術對多層消防服織物中水分的傳遞和蒸發(fā)過程進行定量研究，用μCT技術代替稱重，觀察各層織物內(nèi)水分含量的變化。

3.3 光學圖像法

光學圖像技術在織物親水性測試中已有廣泛應用。利用接觸角測試儀的攝像頭捕捉水滴與織物接觸時的圖像，經(jīng)計算機處理提取輪廓信息，得到織物與水滴之間的夾角，通過接觸角的大小反映織物的親水性能。滴液法測試中，通過高速攝影機捕捉織物接觸角的動態(tài)變化，測試織物的吸水時間，可提高織物吸濕性能測試結果的準確度和可信度；同時，攝像機可記錄水分在織物表面擴散情況，利用圖像處理技術提取水分擴散輪廓特征，計算出擴散面積的變化，以面積變化速率表示水分擴散速率，從而準確反映織物的吸濕導濕性能。

HASSAN M M等[30]在比較羊毛織物和含Coolmax纖維織物的快干性能時，通過測定各織物試樣接觸角的動態(tài)變化，比較不同類型織物的吸水速度。結果顯示，表面含有Coolmax纖維的織物接觸角(°)均在3 s內(nèi)變?yōu)?，而羊毛織物的接觸角變化很慢。RAJA D等[31]采用人工測量、Photoshop圖像處理和MATLAB軟件嵌入式圖像處理(EIAS)3種方法測定織物吸水率、吸水速率以及水分在織物表面的擴散量。結果表明，利用Photoshop和EIAS圖像分析方法可以測量織物的吸濕速率并客觀評價總吸濕能力，圖像處理分析方法與人工測量的結果相關性好，且測試速度快，精度高。

國內(nèi)學者對圖像處理技術在織物吸濕導濕性能測試中的應用也有一定研究。姜曉云等[32]、詹永娟等[33]基于垂直芯吸法和圖像處理技術，介紹一種織物液態(tài)水傳遞性能的自動檢測裝置，在織物垂直芯吸過程中，通過COSM圖像采集裝置不斷采集試樣圖像，經(jīng)“織物垂直芯吸自動識別系統(tǒng)”處理以后，輸出試樣的芯吸高度值，實現(xiàn)對織物液態(tài)水傳遞過程的自動檢測，并通過MATLAB程序圖像處理技術對成像時的徑向桶形畸變進行修正，得到畸變圖像和拍攝物體間的準確對應關系，解決了垂直拍攝芯吸高度圖像所產(chǎn)生的徑向畸變帶來的測試誤差問題。趙兵等[34]利用單反數(shù)碼相機視頻記錄液滴在棉防護織物中動態(tài)擴散的全過程，采集不同時間的織物圖像，并運用MATLAB軟件進行圖像處理，編程計算出織物在相應時間內(nèi)的吸水面積、吸水速度及最大吸水面積。研究得出，圖像法測試結果精確度高、誤差小，可代替稱重法測試織物的導濕性。

3.4 紅外成像技術

織物吸水后被潤濕部分的溫度與干燥狀態(tài)相比變化較大，紅外成像技術可利用紅外熱像儀測得織物干濕區(qū)域溫度差異，根據(jù)溫度變化反映織物中水分含量的變化，并進一步得到水分在織物中的傳遞情況。熱傳感成像技術在確定深色或圖案較復雜的織物干濕區(qū)域界線時比圖像處理技術有效，準確度更高。NIEDERMANN R等[35]使用紅外攝像機記錄吸濕后的織物在干燥過程中的表面溫度變化，從而確定織物干燥時間點。DERLER S等[36]在研究吸濕對醫(yī)用床單摩擦系數(shù)的影響時，利用紅外攝像機識別水分蒸發(fā)的位置來定義干濕區(qū)域的界限。DEMA M等[37]提出一種熱成像視覺系統(tǒng)，用于測量織物水平芯吸和干燥性能，在整個潤濕和干燥過程中自動分析紅外相機所跟蹤的濕區(qū)域面積變化，所提取的特征反映了水分在織物表面的擴散情況和干燥過程。

以上幾種目前研究較多的新型測試方法均基于滴液法，以比較織物被潤濕前后干濕區(qū)域的差異。電阻法可以在一臺測試儀器上測量織物動態(tài)導濕、排濕情況，但測試結果穩(wěn)定性較差；圖像處理技術測試織物導濕性能直觀且準確，但當測試有色面料或者印花面料時，干濕區(qū)域不易分離。且該方法對圖像采集裝置要求較高，應用推廣還有一定困難；而光譜掃描技術和熱成像技術能直接觀察織物動態(tài)濕傳遞過程，可精準測試織物的導濕排濕性能，但成本高，實際測試中應用較少。

4 結語

織物的吸濕快干性能直接影響織物的熱濕舒適性，是評價服用類織物面料舒適性的重要指標之一。傳統(tǒng)測試方法對實驗設備要求較低，但測試步驟繁雜、準確度較低；對織物吸濕快干性能的評價也存在諸如評價指標多，部分評價標準和評價指標合理性有待考察的問題。近年來，眾多研究者通過合理選取評價指標和不斷優(yōu)化傳統(tǒng)測試方法細節(jié)，在完善織物吸濕快干性能測試和評價方法方面有一定突破，但在提升測試方法的穩(wěn)定性、一體化和數(shù)字智能化等方面還存在欠缺，需要進一步研究。