紡織材料吸濕發(fā)熱性能影響因素的研究

狄宏靜，陳惠敏，李 杰，王海廣

（江蘇省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210007）

傳統(tǒng)的保暖服裝蓬松、臃腫，既不便于活動(dòng)，又缺乏美感。隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)服裝實(shí)用功能的要求趨向多元化。近年來(lái)，吸濕發(fā)熱功能性紡織品逐漸走進(jìn)人們的日常生活。目前，國(guó)內(nèi)的吸濕發(fā)熱研究主要集中在3個(gè)方面，分別為新型纖維織物研發(fā)、檢測(cè)方法研究以及吸濕發(fā)熱影響因素研究，其中以前兩者居多。新型吸濕發(fā)熱纖維和面料的研發(fā)包括蛋白/纖維素纖維、混紡腈綸與再生纖維素纖維、毛型織物、絨面織物等，在針織內(nèi)衣、襯衫、襪子等產(chǎn)品中應(yīng)用較廣[1-2]。檢測(cè)方法研究主要集中于現(xiàn)有兩種方法的差異性比較以及檢驗(yàn)過(guò)程中的影響因素分析[3]。吸濕發(fā)熱影響因素的研究少見(jiàn)且不全面?！段鼭癜l(fā)熱內(nèi)衣的性能研究和影響因素分析》[4]研究了水洗程序、纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平方米干燥質(zhì)量對(duì)針織內(nèi)衣吸濕發(fā)熱性能的影響?，F(xiàn)有吸濕發(fā)熱性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》[5]和GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》[6]兩項(xiàng)?？紤]樣品的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，本研究選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29866—2013《紡織品吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行吸濕發(fā)熱性能的測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為各類(lèi)紡織品及其制品。通過(guò)測(cè)試不同類(lèi)型材料的吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)，分析影響材料吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素，為產(chǎn)品性能的提升提供參考。

1 吸濕發(fā)熱原理

吸濕發(fā)熱性能是指纖維大分子的極性基團(tuán)吸引環(huán)境中的水分子并與之結(jié)合，水分子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使試樣溫度升高的性能。目前，關(guān)于吸濕發(fā)熱材料的發(fā)熱機(jī)理主要有兩種理論。

1.1 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能

吸濕發(fā)熱材料通過(guò)吸收空氣中具有較高動(dòng)能的水分子，使水分子由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化為靜態(tài)，根據(jù)能量守恒定理，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。

1.2 液化反應(yīng)

氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)會(huì)產(chǎn)生熱量，吸濕發(fā)熱材料通過(guò)吸收人體散發(fā)的汗氣或空氣中的水蒸氣，將氣態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水而放出熱量。

2 測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

2.1.1 吸濕發(fā)熱

每種材料由兩塊60 mm×100 mm的試樣制備組合試樣，如圖1所示。試驗(yàn)有效面積為15 mm×85 mm，試樣里層相貼合，沿著三邊縫合成一有插口袋狀。將干燥試樣置于一定溫濕度（溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為90%）的試驗(yàn)箱中，試樣因吸濕致溫度發(fā)生變化，記錄一定時(shí)間內(nèi)試樣隨時(shí)間的溫度變化，溫度升高以某一時(shí)刻點(diǎn)的溫度與實(shí)時(shí)空白探針溫度的差值表示，以最高升溫和平均升溫 （30 min內(nèi)每隔1 min采集的溫度升高值的平均值）表征材料的吸濕發(fā)熱性能。

圖1 吸濕發(fā)熱性能測(cè)試組合樣品制作

2.1.2 熱阻

依據(jù)GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗(yàn)方法 平板法》[7]，將試樣置于恒溫測(cè)試板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試板、熱護(hù)環(huán)及底板均以電熱控制保持恒溫35 ℃，試樣處于溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%的環(huán)境中，通過(guò)加熱功率計(jì)算熱阻值?？椢镎磧擅娴臏夭钆c垂直通過(guò)試樣的單位面積熱流量之比稱(chēng)為熱阻。

2.1.3 回潮率

依據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定 烘箱干燥法》，在紡織品標(biāo)準(zhǔn)大氣（溫度為 20 ℃，相對(duì)濕度為65%）調(diào)濕條件下，測(cè)得紡織材料中水的質(zhì)量，回潮率以試樣烘前質(zhì)量與烘干質(zhì)量（105 ℃）的差數(shù)對(duì)烘干質(zhì)量的百分率表示。

2.2 儀器及材料

本試驗(yàn)用到的儀器有日本大榮恒溫恒濕試驗(yàn)箱、UF 55型烘箱、溫度巡檢儀。本試驗(yàn)的樣品包括20種機(jī)織、針織、絨類(lèi)織物以及9種填充絮片材料。

2.3 方案設(shè)計(jì)

分別測(cè)試各類(lèi)材料的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、克重、回潮率、最高升溫值、平均升溫值、熱阻等指標(biāo)。以數(shù)據(jù)和圖表的形式，分析各類(lèi)材料吸濕發(fā)熱性能的影響因素。

3 影響因素分析

3.1 回潮率

各類(lèi)材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示?；爻甭蕦?duì)吸濕發(fā)熱性能的影響如圖2所示。

由圖2可知，機(jī)織、針織、起絨和絮片4類(lèi)材料整體上最高升溫、平均升溫隨著回潮率的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。圖2（a）中機(jī)織棉織物的回潮率相近，最高升溫與平均升溫也沒(méi)有大幅度變化，最高升溫在6.3~6.8 ℃，平均升溫在1.5~1.8 ℃。圖2（b）中克重接近的樣品11和樣品8的回潮率分別為0.8%、9.3%，最高升溫分別為2.0、8.8 ℃，平均升溫分別為0.6、3.0 ℃，回潮率對(duì)升溫影響明顯。7號(hào)樣品、8號(hào)樣品在對(duì)應(yīng)的回潮率數(shù)值上出現(xiàn)了最高升溫下降的情況，雖然這兩個(gè)樣品的回潮率高，但是7號(hào)樣品克重低于11、10、5號(hào)樣品，8號(hào)樣品克重低于12號(hào)樣品，因此，最高升溫有所下降。6號(hào)樣品的克重雖然低于8號(hào)樣品，但回潮率高，整體上升溫最高。圖2（c）中起絨類(lèi)面料的組織結(jié)構(gòu)和克重相近的樣品18、13、15，回潮率分別為0.4%、1.9%、3.3%，最高升溫分別為2.0、4.1、5.5 ℃，平均升溫分別為0.7、1.3、1.8 ℃。在相同條件下，回潮率越高，升溫越大。根據(jù)斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)估計(jì)最高升溫、平均升溫與回潮率的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示，最高升溫、平均升溫與回潮率相關(guān)性顯著。

表2 相關(guān)性分析

圖2 回潮率對(duì)吸濕發(fā)熱性能的影響

3.2 熱傳遞性能

由表1可知，6號(hào)樣品黏纖的最高升溫最高，達(dá)到了10.2 ℃；平均升溫最高的是20號(hào)樣品，達(dá)到了7.0 ℃。最高升溫值最大的樣品并非平均升溫值也最高，因?yàn)槠骄郎赜?jì)算的是30 min內(nèi)每隔1 min溫度升高的平均值，而最高升溫值是材料在某一時(shí)刻達(dá)到的溫度最高值。平均升溫除了與回潮率相關(guān)，還與樣品在30 min內(nèi)的熱量傳遞性能相關(guān)，影響樣品熱量傳遞性能的因素主要有材料的克重和結(jié)構(gòu)。

表1 各類(lèi)材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 克重

選擇不同的克重規(guī)格，纖維成分分別為大豆蛋白纖維50%/黏纖30%/滌綸20%、大豆蛋白纖維30%/黏纖50%/滌綸20%、羊毛100的絮片材料，分別測(cè)試吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，在相同的回潮率條件下，克重越大，熱阻值越高，最高升溫和平均升溫越高，可見(jiàn)材料的吸濕發(fā)熱性能與克重成正比，與材料的熱量傳遞性能成反比。

表3 絮片材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

最高升溫與平均升溫增長(zhǎng)的趨勢(shì)如圖3所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，材料的回潮率并非完全與升溫呈現(xiàn)同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，升溫受回潮率和克重的雙重影響。圖3中的樣品7和樣品8，當(dāng)材料的克重不變或降低時(shí)，材料的回潮率對(duì)升溫起作用。樣品3和樣品6，當(dāng)回潮率下降時(shí)，材料的克重對(duì)升溫起作用，克重與回潮率出現(xiàn)了峰谷對(duì)應(yīng)互補(bǔ)，使得材料的最高升溫持續(xù)增加，同時(shí)平均升溫小幅度變化。

圖3 克重、回潮率對(duì)吸濕發(fā)熱性能的影響

3.2.2 結(jié)構(gòu)

材料的緊密程度、絨毛密度等因素影響產(chǎn)品的熱量傳遞性能，從而影響吸濕發(fā)熱性能。由表1可知，10號(hào)樣品的克重高于17號(hào)樣品，兩者的回潮率相當(dāng)，由于前者是疏松的針織結(jié)構(gòu)、后者是緊密的針織絨類(lèi)，前者的熱量傳遞較快，最高升溫和平均升溫指標(biāo)均顯著低于后者。樣品16和17均為滌綸/黏纖起絨織物，回潮率相近，但16號(hào)樣品的絨毛較密，克重大于17號(hào)樣品，最高升溫和平均升溫都顯著高于17號(hào)樣品。

4 結(jié)語(yǔ)

紡織材料的吸濕發(fā)熱性能主要與回潮率、熱量傳遞性能有關(guān)。一方面，在相同條件下，材料的回潮率越大，最高升溫和平均升溫越大，吸濕發(fā)熱性能越好；另一方面，當(dāng)織物的回潮率相近時(shí)，織物的吸濕發(fā)熱性能與熱量傳遞性能成反比。

對(duì)于樣品較薄的棉機(jī)織物，最高升溫一般為6.3~6.8 ℃，平均升溫為1.5~1.8 ℃。針織內(nèi)衣產(chǎn)品受纖維成分和回潮率的影響，最高升溫范圍為2.0~10.2 ℃，平均升溫在0.6~3.7 ℃。毛絨密度和材料松緊結(jié)構(gòu)是影響針織絨類(lèi)產(chǎn)品吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素。對(duì)于絮片型材料，克重及回潮率的相互作用是影響材料吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素。

新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)一方面要盡可能提升產(chǎn)品的吸濕性能，另一方面應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)、厚度、克重等參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，減少織物的熱量傳遞。例如，選擇回潮率高的纖維（如黏纖、棉）或者提升其混紡比例，可以有效提升針織內(nèi)衣產(chǎn)品的吸濕發(fā)熱性能，增加起絨密度或者設(shè)計(jì)雙面起絨可以提升絨類(lèi)產(chǎn)品的吸濕發(fā)熱性能，提高吸濕纖維的混紡比例和增加產(chǎn)品的厚度可以有效提升絮片材料的吸濕發(fā)熱性能。