雷 敏,李毓陵,馬顏雪,程隆棣,周 峰
(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)
紡織品的水分傳輸性能對織造、后整理加工過程至關(guān)重要。同時(shí),一些功能性紡織品如運(yùn)動服、衛(wèi)生防護(hù)紡織產(chǎn)品也對材料本身的吸濕-導(dǎo)濕-散濕性能有特殊要求。對于服用紡織品而言,其水分管理性能已經(jīng)成為判定穿著舒適性的基本指標(biāo)之一。在熱環(huán)境中運(yùn)動時(shí),因皮膚表面汗液引起的不舒適性要遠(yuǎn)大于皮膚表面溫度[1],如果汗液不能及時(shí)通過織物傳遞到外界大氣中,皮膚與織物間微氣候中的濕度會有上升趨勢。這種濕度的增加阻礙了汗液的蒸發(fā),繼而人體感到悶熱、黏膩[2]。此外,由于水氣被“緊鎖”在紡織品內(nèi)部,濕含量太高而蒸發(fā)太慢,會對人體造成不同程度的傷害,如含濕的紡織品與皮膚間的摩擦因數(shù)較高,還會給穿著者帶來水泡[3-4]、褥瘡[5]的苦惱,因此,研究紡織品內(nèi)水分傳遞的機(jī)制并進(jìn)行相應(yīng)的檢測就顯得尤為重要。
具有良好水分傳輸性能的纖維或面料,既能通過纖維的吸附將汗液從皮膚表面撥離[6],又能使汗液通過紡織品內(nèi)部的通道向外層轉(zhuǎn)移,最終汗液從表面蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樗畾鈹U(kuò)散至大氣,紡織品能在此過程中迅速干燥[7]??椢镏械乃謧鬏敋v經(jīng)3個(gè)階段:吸濕、導(dǎo)濕和散濕。3個(gè)階段相輔相成,且交互影響。顯然,水分從紡織品中擴(kuò)散到大氣的能力,即紡織品的散濕性能,決定了紡織品能否快速干燥,即快干性能。但目前的研究多集中在紡織品的吸濕-導(dǎo)濕性能,鮮有研究紡織品的散濕性能,更無專門針對散濕性能的檢測方法,因此,市場上雖然源源不斷地出現(xiàn)一些標(biāo)稱具有良好水分管理性能的織物,但其實(shí)際應(yīng)用效果卻不盡如人意[8]。
為此,探究影響織物散濕性能的主要因素,歸類與對比相關(guān)測試方法并指明研發(fā)的方向,是非常有必要的一項(xiàng)工作。本文對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述,探究了影響紡織品散濕性能的因素,包括出汗速度、溫度、濕度在內(nèi)的環(huán)境因素;以及纖維組成、纖維形貌、織物結(jié)構(gòu)在內(nèi)的內(nèi)部因素。然后從散濕性能測試的國際標(biāo)準(zhǔn)及測量指標(biāo)、室溫散濕測試、加熱散濕測試3個(gè)方面,分析了不同檢測方法的特點(diǎn)、適用范圍及最新研究進(jìn)展,研究了現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)與方法的優(yōu)勢與局限性。最后提出了進(jìn)一步提升紡織品散濕性能檢測的有效性、合理性和完整性的研究方向。
在不同穿著場景下人體對織物“吸濕-導(dǎo)濕-散濕”性能的要求不盡相同,如表1所示。其中散濕是紡織品水分管理過程中的最后一步,也是相關(guān)研究最少的一步。有良好吸濕導(dǎo)濕性能的紡織品如果不具備快速散濕的性能,水分仍然被鎖在紡織品內(nèi)部,人體會感到悶熱、黏膩、不舒適。因?yàn)榧徔椘穼λ值奈?、?dǎo)、散是一連續(xù)過程,但散濕速率顯著比吸導(dǎo)濕速率低,所以散濕速率成為吸濕快干的控制因素[9];因此,對紡織品的散濕機(jī)制進(jìn)行分析,對散濕性能進(jìn)行檢測與表征就顯得尤為重要。
表1 人體對織物水分管理性能的需求Tab.1 Requirement of human body for fabrics moisture management
國內(nèi)外諸多學(xué)者將紡織品的水分散發(fā)問題加以簡化,將其視作非飽和多孔介質(zhì)(內(nèi)含氣相、液相、固相)的傳質(zhì)傳熱問題[10-14]。從微觀上看,蒸發(fā)就是水分子在多孔介質(zhì)(濕區(qū))與外界環(huán)境(干區(qū))相接觸的表面上汽化,該表面也稱作是自由表面。多孔介質(zhì)靠汽化來降低內(nèi)部的水分含量,該過程分為2步:第1步,多孔介質(zhì)由于存在大量不同孔徑的孔隙而形成毛細(xì)壓力差,水分在毛細(xì)壓力差的帶動下由內(nèi)部擴(kuò)散至自由表面;第2步,自由表面上,位于孔隙彎液面的水分壓力大于環(huán)境中的水蒸氣分壓,汽化蒸發(fā)開始[11],蒸發(fā)的氣體擴(kuò)散形成努森流[15]和表面流,再促使水分遷移直至干燥結(jié)束[12]。從宏觀上看,紡織品的散濕過程分為3個(gè)階段。第1階段為加速散濕階段,紡織品從皮膚表面吸收水分并迅速傳導(dǎo)至外表面,與周圍大氣形成含濕梯度,由于水分的吸導(dǎo)濕速率的限制,紡織品表面的含水量是逐步上升的,而初期的含水會以吸收水方式存在,故此階段的散濕速率呈現(xiàn)逐步上升趨勢;第2階段為恒速散濕階段,由于紡織品的吸導(dǎo)濕速率遠(yuǎn)大于散濕速率,因此在紡織品表面會迅速形成吸附水并保持含濕量相對穩(wěn)定,從而保持恒定的散濕速率;第3階段為降速散濕階段,皮膚表面的水分完全吸掉后,紡織品表面的含濕量會逐步下降,吸收水比例升高,與周圍大氣間的含濕梯度下降,此階段的散濕速率也就會相應(yīng)下降。歸納而言,織物水分的散發(fā)速度取決于內(nèi)部與外部2個(gè)因素。
織物組成與結(jié)構(gòu)是內(nèi)部因素。Four等[16]指出,在干燥環(huán)境相同的情況下,干燥速率取決于紡織品原料本身吸濕量的多少。纖維大分子中,親水基團(tuán)是影響纖維吸濕的最重要因素。其中,羥基(—OH),酰胺基(—CONH—),氨基(—NH2),羧基(—COOH)等親水基團(tuán)易與水分子以氫鍵結(jié)合,構(gòu)成吸收水,在散濕過程中破壞氫鍵需要較大的能量,故含大量親水基團(tuán)的纖維其散濕速率較慢[17]。Wang等[18]發(fā)現(xiàn),與吸收相同含量的水分的棉織物相比,羊毛織物的干燥時(shí)間更長。而Hassan等[19]證實(shí)標(biāo)稱有快干功能的化纖并不具備好的快干特性,其水分蒸發(fā)速率甚至低于羊毛織物。纖維的結(jié)構(gòu)與形態(tài)也有影響,Schick[20]和Yasuda等[21]指出,異形纖維縱向產(chǎn)生的溝槽可以提高導(dǎo)濕性,溝槽的芯吸效應(yīng)有助于吸濕排汗。王金花[22]發(fā)現(xiàn),纖維異形后增加了比表面積,而在比表面積相同時(shí),纖維的相互堆砌程度越小,干燥速率越大。纖維表面具有凹坑、孔隙;紗線中纖維之間存在的縫隙,纖維的排列方式;織物中紗線之間存在的間隙,紗線的排列方式等,使得織物的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化。Wang等[23]研制出一種具有樹狀仿生分層結(jié)構(gòu)的快干織物,上中下層形成遞減的表面能梯度,各層形成貫通的孔隙結(jié)構(gòu),蒸發(fā)層具有最大的表觀蒸發(fā)面積,促使水氣快速蒸發(fā)。Dai等[24]通過在織物表面嵌入帶有親水性內(nèi)表面的圓錐形微孔陣列,促使水分在毛細(xì)驅(qū)動力的帶動下定向傳輸,圓錐面也增大了水分蒸發(fā)面積,實(shí)現(xiàn)高效水分傳輸功能。此外織物結(jié)構(gòu)[25],疏水整理[26],孔隙大小[27]等也對織物的散濕能力有所影響。
皮膚-織物-大氣微環(huán)境為外部因素。皮膚-織物-大氣微環(huán)境影響因素包括溫度、濕度以及出汗速度。Fohr[10]和Pan等[11]認(rèn)為含濕紡織品本身有一定溫度,周圍環(huán)境溫度越高,則向紡織品傳遞熱量的速度越快,也加快了水分的散失速度。同時(shí),過高的溫度會降低周圍環(huán)境的相對飽和濕度,增加空氣與紡織品的濕度梯度,促進(jìn)散濕速率的提高。外界環(huán)境水蒸氣分壓與其濕度有關(guān),大氣濕度越高,則水蒸氣分壓越高,與含濕織物形成的濕度梯度越小,不利于水分子的蒸發(fā)擴(kuò)散。Weder等[28]在相對空氣濕度為30%、50%、80%和95%,溫度為30 ℃的固定環(huán)境下研究水蒸氣分壓對各種材料水分傳輸特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于低排汗速率(50、75 g/h),干燥時(shí)間差異不大,但在較高的相對濕度和較低的排汗率的情況下,水分無法完全蒸發(fā),而是被存儲在織物中。散濕過程中,紡織品內(nèi)部蒸發(fā)的水分子會在自由表面形成飽和的蒸汽層,自由表面的水分蒸發(fā)會因飽和蒸汽層的存在而被抑制??椢锉砻鎻?qiáng)制對流的空氣可除去飽和水蒸氣層而加快干燥。其中:織物水平方向空氣可帶走織物表層的水氣;垂直方向空氣可通過織物內(nèi)部的各級孔隙結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)制對流,帶走內(nèi)部水氣。因此,在研究過程中,風(fēng)速與風(fēng)向也要作為主要影響因素考量。
綜上所述,有眾多因素交互影響紡織品散濕性能,在設(shè)計(jì)散濕性能測試方法時(shí),應(yīng)將這些因素作為主要外加條件,以適應(yīng)具體的應(yīng)用場景,得到更為準(zhǔn)確的測試結(jié)果。
目前國際上存在著多種紡織品散濕性能的測試方法,但不同的國家、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)商用于檢驗(yàn)與交流的產(chǎn)品散濕性指標(biāo)并不統(tǒng)一,且各方法之間存在原理上的差異,引起了比較分析上的困難,表2示出5個(gè)測試指標(biāo)之間的差異。國內(nèi)外學(xué)者也在通用的散濕性能測試方法原理上進(jìn)行改進(jìn),使得測試方法與條件更接近于實(shí)際應(yīng)用場景。目前織物散濕性能的測試方法主要分為室溫干燥測試和加熱干燥測試。不同測試方法測量的指標(biāo),以及測試過程中對散濕性能主要影響因素的考慮如表3所示。
表2 織物散濕性能測試指標(biāo)Tab.2 Test indexes of fabrics moisture evaporating property
表3 織物散濕性能測試方法的對比Tab.3 Comparison of evaluation method for fabrics moisture evaporating property
2.1.1 透濕杯法
透濕杯法根據(jù)所用計(jì)量成分可分為蒸餾水法和干燥劑法。在透濕杯中倒入適量蒸餾水或干燥劑(無水硅膠或無水氯化鈣);然后蓋上樣品,使得水面與布面之間維持一定的距離,確保測試中不漏水;24 h后稱量,并計(jì)算織物透濕量[29]。Woodruf等[30]和Wang等[31]的研究表明,透濕量主要與材料的親、疏水性,緊度和厚度有關(guān)。但該方法僅考察了是氣相水在織物內(nèi)部的擴(kuò)散情況,不存在織物吸濕導(dǎo)濕的過程,與實(shí)際情況不符,并不具有代表性。
2.1.2 滴水稱量法
滴加定量水稱量是一簡單、易行、普遍的測試方法,它是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(65±3)%)條件下每隔一定時(shí)間測定固定水量的干燥速度,繪制時(shí)間和蒸發(fā)量曲線,在曲線中截取趨勢較平直的一段計(jì)算其斜率,即為該測試樣品的蒸發(fā)速率,簡稱為WER法,國內(nèi)外眾多研究者利用此方法來研究紡織品的干燥特性[32-37]。Fangueiro等[34]在相同濕度為(65±3)%,溫度為(20±2) ℃和(33±2) ℃條件下測試功能性雙面針織物的干燥特性,研究發(fā)現(xiàn),在此種方法下芯吸能力和回潮率在織物的干燥過程中起重要作用,在低回潮率的情況下,芯吸能力好的織物具有更高的蒸發(fā)速率。Saricam等[37]用WER法測試不同規(guī)格的滌綸機(jī)織物,發(fā)現(xiàn)影響織物干燥速率的主要因素有織物的水分?jǐn)U散率與毛細(xì)管空間大小。該測試方法雖然簡單易行,并在科學(xué)研究和商業(yè)檢測上具有通用性,但其不足之處在于其中的人工操作太多,織物在頻繁的稱量過程中會受到不穩(wěn)定人為因素的影響,如移動樣品會產(chǎn)生細(xì)微的空氣對流,織物上的水分在織物移動過程中會沾到容器上等等,這些因素都會對實(shí)驗(yàn)造成誤差,影響實(shí)驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性。
2.1.3 模擬出汗法
在實(shí)際情況中,皮膚是源源不斷出汗的,而且吸濕總是發(fā)生在紡織品的水平面上。
張才前等[38]等根據(jù)電阻法檢測原理,在織物內(nèi)部插入多根探針,檢測汗液各個(gè)方向上的擴(kuò)散情況,可同時(shí)評價(jià)織物5個(gè)方向上液滴的擴(kuò)散與蒸發(fā)情況,并有效揭示出織物內(nèi)部的水分傳遞現(xiàn)象,具有自動化程度高的優(yōu)點(diǎn)。但由于插針數(shù)和針距的問題,實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度問題有待提高。
為了表征織物在水平方向和豎直方向上的水分傳輸性能,Tang等[39]在水平芯吸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種自發(fā)芯吸水分傳輸測試儀。該測試儀器有一個(gè)密封裝置以防止測試過程中水分的散濕。除此之外,給水方法也變成了在織物反面定速滴水以模仿皮膚真實(shí)出汗情況??椢镎嫔戏降恼障嘌b置用以實(shí)時(shí)記錄水分在織物正面的擴(kuò)散狀態(tài),使得測試更加科學(xué)有效。
Tand等[40]為了探究出汗速度對紡織品內(nèi)部水分傳輸?shù)挠绊?,根?jù)實(shí)際用途,研發(fā)出一種強(qiáng)制水流導(dǎo)濕測試儀,它是基于質(zhì)量和圖像分析技術(shù)的一種水流速可控的測試方法,通過注射器模擬不同的出汗速度,可以評價(jià)水在紡織品垂直方向和水平方向的傳輸情況,是一種精確、可靠、高效、適應(yīng)性廣的測試方法。實(shí)驗(yàn)表明,紡織品的吸濕和導(dǎo)濕能力與出汗速度息息相關(guān)。
上述2種方法雖能模擬實(shí)際的出汗方式以及標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的出汗速度,但缺少定量的織物散濕性能測試,測試方法不具備通用性。
常溫干燥測試法操作簡單易行,但測試時(shí)間長且沒有模擬實(shí)際應(yīng)用的場景。在穿著過程中紡織品是與皮膚相接觸的,所以在模擬皮膚溫度的條件下測試紡織品的干燥速度和濕阻才是合理有效的。
2.2.1 加熱干燥法
加熱干燥法從加水量的角度可分為加定量水干燥和完全浸潤干燥。
AATCC 201標(biāo)準(zhǔn)中的熱板法為加定量水干燥,包含有一中心帶圓孔的金屬板,用于滴0.2 mL水;在圓孔上方的紅外熱電偶探頭用來檢測圓點(diǎn)處的面料溫度。為模擬人體溫度,金屬板可加熱至37 ℃,頂端風(fēng)扇提供1.5 m/s的模擬風(fēng)速[8]。Wang等[18, 41]使用熱板法研究織物表面溫度在蒸發(fā)過程中的變化,研究發(fā)現(xiàn),滴加水后溫度突然下降,然后保持穩(wěn)定,隨后回升與環(huán)境達(dá)到平衡,從而在溫度-時(shí)間曲線中形成凹形。此外,當(dāng)織物的回潮率增加或模擬風(fēng)速降低時(shí),織物需要更長的時(shí)間才能完成釋放過程。在風(fēng)速較高的情況下,由于加快了蒸發(fā)速度,因此在水分釋放過程中顯示出較低的表面溫度。與吸收相同含量的水分的棉織物相比,羊毛織物完成水分釋放過程的時(shí)間更長,熱能消耗較高,因此其表面溫度低于棉織物的表面溫度。采用熱板法表征含濕織物散濕性能時(shí)存在無法稱量和與實(shí)際出汗情況不符的不足,這給客觀評價(jià)織物的快干性能帶來了困難;但在傳感器上加裝制熱設(shè)備會使測量數(shù)據(jù)波動,具有一定的困難,因此,一些學(xué)者致力于利用熱板法探索表征織物散濕性能的新途徑。
Chau等[42-43]在改進(jìn)了出水模式和進(jìn)氣方式的基礎(chǔ)上,研制出一種基于質(zhì)量感應(yīng)的恒溫干燥速率儀,增加了數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)、自動定量給水管、水分?jǐn)U散面積圖像處理裝置等,并設(shè)定了消極空氣梯度差,既加快了實(shí)驗(yàn)速度,同時(shí)又大大減少了人為因素對實(shí)驗(yàn)的干擾,并在測量水分蒸發(fā)速率指標(biāo)的同時(shí)新增了一項(xiàng)水分?jǐn)U散面積指標(biāo)的測定。為從原理上改善測試方法,Hassan等[19]將樣品在滴加了親水劑的去離子水中浸泡5 min后稱量,隨即將其置于離心機(jī)中甩干30 s,最后在(105±2) ℃的烘箱中干燥直至樣品質(zhì)量不變。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),一些標(biāo)稱有快干功能的產(chǎn)品并不具備好的快干特性,其水分蒸發(fā)速率甚至低于羊毛織物;不過該方法的加熱溫度太高,與實(shí)際應(yīng)用場景還是有一些不符。
含濕紡織品在干燥過程中存在恒速散濕階段和降速散濕階段,為了定量地測量這2個(gè)階段,Ip等[13-14]試圖通過多孔介質(zhì)傳質(zhì)的理論解釋微觀層面紡織品的蒸發(fā)機(jī)制,用質(zhì)量密度、流動黏度、熱導(dǎo)率、氣體擴(kuò)散率等建立一種非線性分析模型,定性分析了含濕紡織品干燥過程中的熱質(zhì)傳遞;并在不同溫度和氣流速度條件下定量分析,但實(shí)際上在干燥環(huán)境相同的情況下,干燥速率取決于紡織品原料本身吸濕量的多少[16]。棉、毛、麻等天然纖維相較于合成纖維,在洗滌或者穿著過程中吸收更多的水分,自然會消耗更長的時(shí)間干燥。此外,述方法中僅在織物表面滴加極少量的水,且傾向于測試吸濕性能好的紡織品,水分很快就在織物表面擴(kuò)散并蒸發(fā),并不能真實(shí)地揭示其散濕特性。與其說這種方法測試了紡織品的“快干性能”,倒不如說表征了紡織品的水分管理能力,與實(shí)際應(yīng)用場景仍存在一定偏差。
2.2.2 仿人體法
暖體假人(Manikin)是一種從20世紀(jì)40年代逐步發(fā)展的生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)器械,國外相繼有ADAM、SAM、NEWTON、JUN、KEM暖體假人問世,國內(nèi)有Walter、LD-1 型服裝保溫儀問世[44]。最新的第4代暖體假人Walter可以做出行走、攀爬等動作和呼吸等生理活動,并可以真實(shí)模擬人體不同部位的出汗情況[45]。它能夠更加全面地反映人體、服裝和環(huán)境的熱濕交換過程,并對服裝的熱濕傳遞性能做出綜合評價(jià),非常便捷、快速、可重復(fù)性強(qiáng)[46]。加入了皮膚溫度、出汗速度、皮膚濕度,更加適應(yīng)了主觀生理評價(jià)。研究者利用暖體假人研究發(fā)現(xiàn),面料結(jié)構(gòu)[47]、服裝合體性[48]、織物水分含量[48]、皮膚表面溫度[49]、風(fēng)速[50]均對結(jié)果產(chǎn)生重要影響。但通過暖體假人獲得的服裝總濕阻是人體在著裝不同部位濕阻的加權(quán)平均值,無法代表面料的濕阻值,有一定的局限性[51]。
出汗暖體軀干是一種采用電加熱式金屬圓筒制成的皮膚溫度模擬儀,形似人體軀干,它由軀干實(shí)體部分和測量與控制部分組成,可在穩(wěn)態(tài)下測量體表、環(huán)境和軀干體內(nèi)的溫濕度數(shù)值及變化率,并且可分別得到在穩(wěn)定平衡狀態(tài)、熱濕通量恒定狀態(tài)、非穩(wěn)定散濕狀態(tài)情況下的織物濕阻。出汗暖體軀干常被用于研究紡織品的蒸發(fā)冷卻效率問題。研究者研究了冷卻效率與其他參數(shù)如濕度[28]、出汗速度[28]、織物厚度、吸濕相[52]以及與皮膚的蒸發(fā)距離[53]、服裝內(nèi)外層[54]配合之間的關(guān)系,但該裝置無法運(yùn)動,不能測量動態(tài)條件下的面料熱濕阻。
織物的散濕性能受其本身構(gòu)成與結(jié)構(gòu)的影響,也被皮膚-織物-大氣微環(huán)境制約;同時(shí)其檢測也存在測試標(biāo)準(zhǔn)人工誤差大、各方法間的交互性差、無法模擬真實(shí)人體溫度、散濕概念定義模糊的不足。本文從室溫散濕測試及加熱散濕測試2個(gè)方面概括了紡織品散濕性能檢測的研究進(jìn)展,存在著一定的局限。為了提升紡織品散濕性能檢測的有效性、合理性和完整性,建議在以下幾方面進(jìn)行深入研究。
1)揭示紡織品散濕過程中的傳質(zhì)傳熱機(jī)制。含濕紡織品的干燥是一多孔介質(zhì)傳質(zhì)傳熱過程,但由于織物本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,導(dǎo)致此研究多停留在實(shí)驗(yàn)測試階段,且重點(diǎn)放在吸濕、導(dǎo)濕過程,因此從理論與實(shí)驗(yàn)的角度研究散濕過程將有助于相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。
2)搭建專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺和測量儀器。由于現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn)與研究多集中于定量、定性地分析紡織品吸濕-導(dǎo)濕過程,一些儀器設(shè)備并不是檢測散濕性能所專用的,這也是未來進(jìn)行合理、穩(wěn)定紡織品舒適性能測評的基礎(chǔ)。
3)建立全面的紡織品散濕性能評價(jià)體系。紡織品的吸濕-導(dǎo)濕-散濕的性能均存在相互關(guān)聯(lián)和內(nèi)在制約。對于不同種類的紡織品,這種關(guān)聯(lián)與制約的表現(xiàn)不同。對于特定的紡織品來說,其水分管理性能之間的作用機(jī)制并不明確,需建立合理科學(xué)的綜合評價(jià)體系來為熱濕舒適性紡織品的開發(fā)提供參考與支撐。