基于吸濕發(fā)熱纖維的毛型面料開(kāi)發(fā)

葛露露，崔 沂，張瑞云,2，紀(jì) 峰

(1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 2.東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心，上海 201620)

吸濕發(fā)熱材料通過(guò)吸收空氣中或人體所散發(fā)的水蒸氣，將其轉(zhuǎn)化成液態(tài)放熱以達(dá)到保暖的目的。具備優(yōu)良吸濕發(fā)熱功能的纖維是秋冬季保暖服裝的優(yōu)選材料，在當(dāng)前追求兼具外觀時(shí)尚性和著裝舒適性的紡織服裝領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[1]。目前市場(chǎng)上已有多種類型的吸濕發(fā)熱纖維材料，包括日本東麗公司開(kāi)發(fā)的Softwarm纖維(超細(xì)腈綸與粘膠纖維復(fù)合制備)[2]、日本旭化成株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的Thermogear纖維(超細(xì)旦腈綸與銅氨絲復(fù)合制備)[3]、東洋紡開(kāi)發(fā)的N38纖維(高度交聯(lián)的聚丙烯酸酯類纖維)[4]、上海正家牛奶絲科技有限公司開(kāi)發(fā)的易熱寶纖維(改性聚丙烯腈纖維)[4-5]等。

將吸濕發(fā)熱纖維應(yīng)用于功能紡織品開(kāi)發(fā)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[6-8]。東洋紡開(kāi)發(fā)的EKS纖維(亞丙烯酸鹽系纖維)，通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)將氨基、羧基等高親水基團(tuán)引入到聚丙烯酸分子制備得到，具有明顯的吸濕發(fā)熱效果[4,9]；舒熱絲纖維是上海潔宜康化工科技有限公司自主研發(fā)的改性聚丙烯酸類纖維，纖維大分子上較多的丙烯酸、丙烯酸鈉和丙烯酰胺等基團(tuán)使纖維具有吸濕發(fā)熱的功能。利用EKS纖維和舒熱絲纖維的吸濕發(fā)熱功能，可以開(kāi)發(fā)冬季吸濕發(fā)熱面料。但目前由于成本高、紗線力學(xué)性能和可紡性尚未完全達(dá)到要求，使得紡制EKS或舒熱絲純紡功能紗線的條件還不成熟，因此目前主要以開(kāi)發(fā)EKS纖維、舒熱絲纖維與羊毛、腈綸等的混紡紗及織物為主，相應(yīng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目前還在探索階段[10-12]。

羊毛由于質(zhì)輕、柔軟、卷曲等優(yōu)良品質(zhì)是制備保暖服裝的理想材料，然而其表面的鱗片層結(jié)構(gòu)阻礙了羊毛織物快速吸濕的能力，使其吸濕發(fā)熱率低，如能有效引入具備吸濕發(fā)熱效果的纖維材料，與羊毛混紡或交織，能在一定程度上改善純毛面料的保暖性和熱濕舒適性。

本文以EKS纖維、舒熱絲纖維為功能材料主體，與羊毛纖維、Thermolite纖維(改性滌綸)[13]、天絲(纖維素纖維)[14]等混紡，紡制不同混紡比的紗線，并設(shè)計(jì)織造了相應(yīng)的織物。通過(guò)對(duì)織物的熱濕舒適性進(jìn)行測(cè)試和分析，探討紗線、織物成分和結(jié)構(gòu)對(duì)織物吸濕發(fā)熱和保暖性的影響，為吸濕發(fā)熱和保暖功能面料的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 纖維結(jié)構(gòu)與性能分析

1.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描電鏡對(duì)普通腈綸、EKS纖維和舒熱絲纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，3種纖維的縱、橫截面掃描電鏡照片見(jiàn)圖1、2、3。

圖1 腈綸纖維掃描電鏡照片(×3 000)

圖2 EKS纖維掃描電鏡照片(×3 000)

圖3 舒熱絲纖維掃描電鏡照片(×3 000)

從圖1～3可以看出，相對(duì)于普通腈綸纖維，EKS纖維和舒熱絲纖維的橫截面更傾向于圓形，且纖維外表面粗糙，沿軸向布滿長(zhǎng)短不一、深淺不勻的溝槽，尤其舒熱絲纖維的外表面沿軸向的溝槽特別明顯。粗糙的表面結(jié)構(gòu)可提升纖維的表面能，并結(jié)合親水基團(tuán)的作用，有利于表面吸附水分子；表面沿軸向分布的溝槽一定程度上可增加纖維集合體的芯吸效應(yīng)，從而提高結(jié)構(gòu)體對(duì)水分的吸附和快速傳遞能力，有利于發(fā)揮纖維的吸濕發(fā)熱性能。

1.2 纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

采用X射線衍射對(duì)3種纖維進(jìn)行結(jié)晶度測(cè)試，測(cè)得普通腈綸、EKS纖維和舒熱絲纖維的結(jié)晶度分別為52.66%，27.14%，22.45%。EKS纖維和舒熱絲纖維之間結(jié)晶度差距不大，而普通腈綸的結(jié)晶度為2種吸濕發(fā)熱纖維的2倍左右。EKS纖維和舒熱絲纖維中無(wú)定形區(qū)域多，對(duì)水分子的吸納空間多，從而利于發(fā)揮纖維的吸濕發(fā)熱效能。

1.3 纖維分子結(jié)構(gòu)

采用傅里葉變換紅外-拉曼光譜儀分析普通腈綸、EKS纖維和舒熱絲纖維3種試樣的官能團(tuán)。3種纖維紅外光譜圖見(jiàn)圖4。

圖4 3種纖維紅外光譜圖

紅外光譜分析表明，相對(duì)于普通腈綸纖維，EKS纖維和舒熱絲纖維含有較大量的親水基團(tuán)，EKS纖維所含親水基團(tuán)量最多，顯示2類纖維具有吸濕發(fā)熱功能的內(nèi)在原因。普通腈綸大分子中雖含有—CN，但大部分排列規(guī)整，不利于水分子進(jìn)入。纖維中含有親水基團(tuán)的量、吸附水分子強(qiáng)度和排列結(jié)構(gòu)是影響纖維吸濕發(fā)熱性能的重要因素。

1.4 纖維基本性能

對(duì)纖維的外觀形態(tài)和基本物理性能進(jìn)行測(cè)試，3種纖維基本性能見(jiàn)表1。

表1 纖維基本性能

由表1可知，EKS纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量較低；舒熱絲纖維由于單絲線密度是腈綸和EKS纖維的3倍，使得其單絲斷裂強(qiáng)度和初始模量較??；同時(shí)，舒熱絲纖維的斷裂伸長(zhǎng)率僅為腈綸的二分之一，柔韌性相對(duì)較弱。EKS纖維和舒熱絲纖維的拉伸性能相對(duì)較弱，純紡難度大。EKS纖維和舒熱絲纖維的回潮率比腈綸高15～20倍，吸濕量較大。

1.5 纖維吸濕發(fā)熱性能

參照GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》，分別測(cè)試腈綸、EKS和舒熱絲3種纖維的散纖維集合體的吸濕發(fā)熱性能。首先將3種纖維試樣放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘燥3 h，溫度為105 ℃,然后稱取3種纖維各10 g，裝入網(wǎng)格袋放入含有干燥劑的干燥皿中。將密封的干燥皿置于20 ℃環(huán)境中冷卻2 h，最后在恒溫恒濕箱(溫度20 ℃，相對(duì)濕度90%)內(nèi)采用溫度傳感器測(cè)量3種纖維的溫度，3個(gè)傳感器探頭分別測(cè)量3種纖維試樣溫度，另一個(gè)探頭測(cè)量箱內(nèi)溫度作為空白對(duì)照，在測(cè)量時(shí)間1 h內(nèi)，每隔12 s測(cè)量1次，得到3種纖維溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，繪制3種纖維吸濕發(fā)熱升溫曲線,見(jiàn)圖5。

圖5 3種纖維吸濕發(fā)熱升溫曲線

從圖5可以看出，在溫度20 ℃，相對(duì)濕度90%的環(huán)境中，相對(duì)于腈綸纖維，EKS纖維和舒熱絲纖維的升溫效果非常顯著，EKS纖維的最大升溫值比腈綸高約8 ℃，舒熱絲纖維的最大升溫值比腈綸高約10 ℃。這主要是因?yàn)樵?種纖維單位時(shí)間內(nèi)吸濕量明顯多，使得單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量明顯高于腈綸纖維。

2 基于EKS纖維的毛型面料

2.1 混紡紗線設(shè)計(jì)

為開(kāi)發(fā)吸濕發(fā)熱保暖性織物，以及研究纖維原料對(duì)吸濕發(fā)熱織物保暖性的影響，將EKS纖維、羊毛纖維、Thermolite纖維和天絲纖維采用不同比例混合試紡，并參考羊毛纖維與功能化學(xué)纖維的混紡相關(guān)研究[15]，根據(jù)試紡效果選擇紗線規(guī)格，見(jiàn)表2。其中3#純羊毛紗線為對(duì)照樣。

表2 紗線規(guī)格

2.2 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用1#和2#混紡紗，以2/2斜紋為織物組織，設(shè)計(jì)單層和雙層織物，以同組織結(jié)構(gòu)的單層純羊毛面料(A3)作為對(duì)照組，基于EKS纖維設(shè)計(jì)的織物規(guī)格見(jiàn)表3。

表3 基于EKS纖維設(shè)計(jì)的織物規(guī)格

2.3 KES混紡織物保暖性能測(cè)試分析

2.3.1 織物透氣性

按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》試驗(yàn)方法，采用YG461E透氣性測(cè)試儀測(cè)試5種織物的透氣率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 織物透氣率測(cè)試結(jié)果

從圖6可以看出，采用同種紗線的織物，雙層織物的透氣性好于單層織物，雖然雙層織物表觀厚度大、經(jīng)緯向密度高，但織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗線要分置到雙層，則每一層沿布面切向的緊密程度明顯小于單層織物，孔隙沿布面法向的尺寸大于單層織物，織物整體結(jié)構(gòu)孔隙率大、緊密度低，導(dǎo)致雙層織物透氣性明顯好于單層織物。

對(duì)于單層織物，在紗線線密度和織物經(jīng)緯向密相同的條件下(表3)，由于Thermolite中空纖維的體積密度小于天絲纖維，含Thermolite纖維的紗線直徑大，對(duì)織物覆蓋度高，使得織物整體結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率低，因此透氣性低。含有天絲纖維的織物與純羊毛織物的透氣性差距不明顯。

2.3.2 織物熱阻

按照GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗(yàn)方法 平板法》試驗(yàn)方法，測(cè)量5種織物的熱阻值和克羅值，織物熱阻測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 織物熱阻測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出，雙層結(jié)構(gòu)織物A4、A5由于表觀厚度大，孔隙率高，含靜止空氣多，因此保暖性好，熱阻值和克羅值都高于相應(yīng)的單層織物。此外，A4、A5織物由于上下表面間距大，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，單位面積織物可容納靜止空氣多，因此保暖性好，熱阻值和克羅值都高于相應(yīng)的單層織物。

在單層織物中，純羊毛織物A3的克羅值最小，說(shuō)明EKS纖維的引入，以及天絲和Thermolite纖維的配合使用，對(duì)于提升羊毛織物保暖性起到了積極作用。含天絲的織物A1和含Thermolite纖維的織物A2的保暖性差異不明顯，在靜止和接近靜止的氣流環(huán)境中，2類纖維對(duì)面料保暖的作用效果接近。

2.4 KES混紡織物吸濕發(fā)熱性能測(cè)試分析

2.4.1 織物透濕性

按照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》試驗(yàn)方法，對(duì)5種織物的透濕性能進(jìn)行測(cè)試，織物透濕率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 織物透濕率測(cè)試結(jié)果

織物透濕性既與織物結(jié)構(gòu)中孔隙部分體積占織物結(jié)構(gòu)總體積的百分率以及孔隙的幾何形態(tài)有關(guān)，也受纖維類型的影響。從圖7可以看出，對(duì)于同種紗線織物，單層織物的透濕率高于雙層織物。雖然雙層織物透氣性好，有利于水蒸氣穿過(guò)，但雙層織物厚度大，水分子穿過(guò)織物的通道長(zhǎng)，纖維有更多機(jī)會(huì)接觸和吸附水蒸氣，對(duì)通道中水分子通行的阻礙也較大。

單層織物之間的透濕性差異較小。含Thermolite纖維的織物A2透濕率測(cè)試值稍高于織物A1、A3?？椢锿笣裥院糜兄谒肿酉蚩椢飪?nèi)部擴(kuò)散，有利于織物吸濕發(fā)熱。

2.4.2 織物吸濕發(fā)熱性能

按照GB/T 29866—2013試驗(yàn)方法，測(cè)試5種織物的溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，織物吸濕發(fā)熱升溫曲線見(jiàn)圖8。

圖8 織物吸濕發(fā)熱升溫曲線

通過(guò)與空白對(duì)照組數(shù)據(jù)比較，得到織物30 min內(nèi)最大升溫值和平均升溫值，見(jiàn)表5。

表5 織物30 min內(nèi)最大升溫值和平均升溫值 ℃

從圖8和表5可以看出，在紗線線密度和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的情況下，羊毛/Thermolite/EKS混紡織物A1和羊毛/天絲/EKS混紡織物A2的吸濕發(fā)熱性能都明顯高于同規(guī)格參數(shù)的純羊毛織物A3。

在紗線線密度相同的情況下，雙層織物A4、A5的吸濕發(fā)熱升溫效果優(yōu)于單層織物A1、A2，一方面因?yàn)閱挝幻娣e的雙層織物紗線量大，吸濕放熱量大，同時(shí)因?yàn)殡p層織物結(jié)構(gòu)疏松、孔隙部分占有的體積比大，涵納的靜止空氣阻止熱量逸散，因此使得雙層結(jié)構(gòu)織物的升溫值高于單層織物。其中含天絲的雙層織物A4吸濕發(fā)熱升溫效果最好，最大升溫值可達(dá)到10.2 ℃，平均升溫值達(dá)到5.0 ℃，明顯高于雙層織物A5和單層織物A3。

3 基于舒熱絲纖維的毛型面料

3.1 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將舒熱絲纖維與羊毛和天絲混紡，經(jīng)過(guò)預(yù)紡紗試驗(yàn)，最終選用混紡比例為50%羊毛、30%天絲和20%舒熱絲的混紡紗，單紗線密度為25 tex。為同時(shí)滿足生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)需求，將2根單紗合股進(jìn)行織造[16]。設(shè)計(jì)8種不同組織結(jié)構(gòu)織物，織物規(guī)格見(jiàn)表6。

表6 基于舒熱絲纖維設(shè)計(jì)的織物規(guī)格

3.2 舒熱絲混紡織物保暖性能測(cè)試分析

3.2.1 織物透氣性

按照GB/T 5453—1997試驗(yàn)方法，采用YG461E透氣性測(cè)試儀對(duì)8種織物透氣率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

圖9 織物透氣率測(cè)試結(jié)果

從圖9可以看出，在所用紗線相同的情況下，雙層結(jié)構(gòu)機(jī)織物和針織物因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙部分體積占比明顯大于經(jīng)緯紗緊密排列的單層結(jié)構(gòu)機(jī)織物，所以透氣率明顯高于單層結(jié)構(gòu)機(jī)織物。

結(jié)構(gòu)中孔隙體積占比大的織物，因可涵納靜止空氣多，在靜止、流速低的空氣中可以有效降低內(nèi)外熱交換，形成保暖層結(jié)構(gòu)；然而在大風(fēng)天氣，或人體運(yùn)動(dòng)幅度大時(shí)，織物結(jié)構(gòu)中孔隙尺寸過(guò)大不利于保暖。

從表6、圖9可以看出，在機(jī)織物中，平紋組織織物透氣性差，緞紋織物透氣性最好。在針織物中，1+1羅紋織物的透氣性最好，1+1雙羅紋織物的透氣性最差。

3.2.2 織物熱阻

按照GB/T 35762—2017試驗(yàn)方法，測(cè)量8種織物的熱阻值和克羅值，織物熱阻測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 織物熱阻測(cè)試結(jié)果

從表7可以看出，羊毛/天絲/舒熱絲混紡機(jī)織物B1～B5的熱阻值和克羅值都明顯高于等面密度的純羊毛機(jī)織面料A3，說(shuō)明具有吸濕發(fā)熱效果的舒熱絲和天絲纖維的加入，對(duì)于提升純羊毛機(jī)織物的保暖性起到了積極作用。

針織物B6～B8的厚度、面密度都比機(jī)織物高，但從表7可以看到，針織物的熱阻值和克羅值都低于機(jī)織物。對(duì)于3種針織物B6～B8，1+1雙羅紋織物B8的克羅值最大，緯平針針織物B6的克羅值最小。

對(duì)于機(jī)織物來(lái)說(shuō)，雙層結(jié)構(gòu)織物B4的熱阻值和克羅值相對(duì)單層結(jié)構(gòu)織物(B1～B3，B5)沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于單層機(jī)織物，在經(jīng)向密度相同條件下，緞紋織物克羅值最小，斜紋織物克羅值最大。

因此在選用原料確定的情況下，織物結(jié)構(gòu)只有同時(shí)滿足面密度大、結(jié)構(gòu)緊密度高才能對(duì)保暖性的提升有顯著效果。

3.3 舒熱絲混紡織物吸濕發(fā)熱性能測(cè)試分析

3.3.1 織物透濕性

按照GB/T 12704.1—2009試驗(yàn)方法，測(cè)試8種織物的透濕率，結(jié)果如圖10所示。

圖10 織物透濕率測(cè)試結(jié)果

從圖10可以看出，采用同種紗線，織物組織結(jié)構(gòu)是影響其透濕性的主要因素。針織物的透濕性比機(jī)織物好。

三原組織結(jié)構(gòu)機(jī)織物，緞紋織物的透濕性最好，平紋織物最差；對(duì)于同樣組織結(jié)構(gòu)的機(jī)織物，雙層結(jié)構(gòu)織物的透濕性明顯好；緊密度大、面密度大的單層斜紋織物B3透濕性最差。

對(duì)于針織物，緯平針針織物B6的透濕性最好，1+1雙羅紋織物最差。

3.3.2 織物吸濕發(fā)熱性能

按照GB/T 29866—2013，對(duì)8種織物進(jìn)行測(cè)試，繪制吸濕發(fā)熱升溫曲線，如圖11所示。

圖11 織物吸濕發(fā)熱升溫曲線

通過(guò)與空白對(duì)照組數(shù)據(jù)比較，得到織物30 min內(nèi)最大升溫值和平均升溫值，見(jiàn)表8。

表8 織物30 min內(nèi)最大升溫值和平均升溫值 ℃

從圖11、表8可以看出，采用25 tex×2羊毛/天絲/舒熱絲(50/30/20)紗線織造的8種不同組織結(jié)構(gòu)的織物，在GB/T 29866—2013規(guī)定的環(huán)境條件下，針織物的吸濕發(fā)熱升溫效果好于機(jī)織物，且針織物升溫速率快；升溫效果最好的織物B8最高升溫值達(dá)到12.3 ℃，平均升溫值達(dá)到6.5 ℃。

在單層機(jī)織物中，在經(jīng)向密度相同的條件下，斜紋織物的升溫效果最好，平紋織物最差；對(duì)于同種組織結(jié)構(gòu)的機(jī)織物，雙層織物的吸濕發(fā)熱效果更好。在針織物中，1+1雙羅紋織物的升溫效果最好，緯平針針織物吸濕發(fā)熱效果最差。

因此，在采用相同紗線的條件下，織物單位面積所含紗線量多且單位面積織物中能涵納濕氣的孔隙體積大，則織物的吸濕發(fā)熱效果更好。

4 結(jié) 論

①以EKS為功能纖維，開(kāi)發(fā)羊毛/天絲/EKS混紡織物和羊毛/Thermolite/EKS混紡織物，吸濕升溫效果最好的織物其最高升溫值可達(dá)到10.2 ℃，平均升溫值達(dá)到5.0 ℃，吸濕發(fā)熱效果明顯好于純羊毛織物。天絲和Thermolite纖維的選用對(duì)織物吸濕發(fā)熱、保暖的效果產(chǎn)生影響。

②采用羊毛/天絲/舒熱絲混紡紗設(shè)計(jì)織造不同類型的織物，升溫效果最好的織物最高升溫值達(dá)到12.3 ℃，平均升溫值達(dá)到6.5 ℃?？椢锝Y(jié)構(gòu)對(duì)織物吸濕發(fā)熱保暖效果有明顯影響；從吸濕發(fā)熱保暖的角度看，機(jī)織物中雙層結(jié)構(gòu)織物最好；三原組織機(jī)織物中斜紋織物最好；針織物中1+1雙羅紋織物最好。通過(guò)比較，舒熱絲纖維混紡織物的升溫效果好于EKS纖維混紡織物。

③開(kāi)發(fā)的機(jī)織物中，除了純羊毛織物，EKS、舒熱絲纖維混紡機(jī)織物均滿足FZ/T 73036—2010 《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》毛機(jī)織物發(fā)熱保暖面料評(píng)價(jià)指標(biāo)：發(fā)熱面料最高升溫值≥3 ℃，30 min平均升溫值≥1.8 ℃；保暖面料克羅值≥0.19，透氣率≥80 mm/s。開(kāi)發(fā)的3種舒熱絲纖維混紡針織物均滿足吸濕發(fā)熱升溫指標(biāo)：最高升溫值≥4.0 ℃，平均升溫值≥3.0 ℃。

④在纖維成分和環(huán)境條件一致的條件下，織物的吸濕發(fā)熱效果與織物單位面積所含紗線量以及織物中所含孔隙的體積比及孔隙的分布特征有關(guān)。在吸濕發(fā)熱、保暖性面料的開(kāi)發(fā)中，需結(jié)合產(chǎn)品用途和具體需求綜合地考慮原料選擇和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。