羊毛/Lyocell雙層針織物熱濕舒適性能評(píng)測(cè)

余月琳，邵怡沁，陳慰來(lái)

(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)，浙江 杭州 310018； 2.京都工藝?yán)w維大學(xué) 大學(xué)院工藝科學(xué)研究科,日本 京都 606-8585)

腳是離心臟最遠(yuǎn)的部位，很容易受外界溫度影響，因此織物作為腳部皮膚與外界環(huán)境之間的屏障，其熱舒適性非常重要。尤其是在寒冷的冬天，對(duì)織物的蓄熱保暖等性能有更高的要求。針織物對(duì)于機(jī)織物而言，具有彈性好、適形性好、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)。其中采用雙面針織機(jī)編織的雙層針織物通常由外層、內(nèi)層以及連接層構(gòu)成，質(zhì)地較為柔軟，彈性和延展性好，能夠緊貼人體，展現(xiàn)人體曲線[1]。除此之外，雙層針織物如使用不同的材料、采用不同的組織結(jié)構(gòu)還能夠獲得性能或外觀上的兩面性，體現(xiàn)出較好的蓄熱保暖性能。

同時(shí)，腳的汗腺非常發(fā)達(dá)，襪子在穿著時(shí)的衣下空氣層要遠(yuǎn)小于其他服裝，因此需要更好的熱濕舒適性(透氣、吸濕排汗、水氣輸送以及熱傳導(dǎo)等)[2]。這主要取決于液態(tài)水的傳輸功能，織物的液態(tài)水傳輸功能越好，則襪子的熱濕舒適性越好[3-4]。

近年來(lái)隨著人們生活水平的提高和“綠色環(huán)保”理念的不斷深入，對(duì)服裝的服用安全性和舒適性也提出了更高的要求?；瘜W(xué)纖維普遍吸濕性較差，部分產(chǎn)品不能像天然纖維一樣在自然界中降解，而且在服用過(guò)程中有可能會(huì)引起皮膚過(guò)敏等問(wèn)題，故人們青睞吸濕性好、天然環(huán)保、對(duì)人體無(wú)傷害無(wú)刺激的天然纖維。其中羊毛作為天然蛋白質(zhì)纖維，其織物能夠適應(yīng)外界環(huán)境的溫濕度變化，整體具有良好的透氣性、吸濕性，在紡織服用面料中占有較大的比重[5]。Lyocell纖維因天然可再生的資源優(yōu)勢(shì)、清潔化加工技術(shù)以及可降解的環(huán)境友好性而被譽(yù)為21世紀(jì)最具代表性的綠色纖維，Lyocell織物具有良好的吸濕性、抗靜電、穿著舒適等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

織物熱濕舒適性主要取決于纖維材質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)和不同的傳熱傳濕機(jī)制等因素[8-9]。為此本文設(shè)計(jì)并評(píng)測(cè)具有蓄熱功能且服用舒適度優(yōu)異的羊毛/Lyocell雙層緯平針織物以及純Lyocell和純羊毛雙層緯平針織物2種對(duì)比樣。首先通過(guò)織物透氣性、接觸冷暖感、表面摩擦等性能的測(cè)試分析，探討Lyocell和羊毛纖維對(duì)服用舒適度的影響；其次根據(jù)水滴實(shí)驗(yàn)下各試樣的升溫曲線特征以及水分傳遞過(guò)程，分析影響織物濕態(tài)蓄熱性能的因素，獲取織物的熱濕傳遞特征。

1 針織物樣品的織造

采用SWG091N2島精電腦橫機(jī)(日本島精公司)進(jìn)行編織，機(jī)號(hào)10針，以750 dtex 的羊毛和Lyocell紗線為原料，編織時(shí)選擇其中1種或者2種紗線按照1∶1配比同時(shí)使用，以形成正反面不同材質(zhì)的效果。原料通過(guò)導(dǎo)紗器喂入前后針床，編織完畢后喂入前針床的紗線顯露在織物正面，喂入后針床的紗線顯露在織物反面，通過(guò)變換喂入前后針床的原料種類編織不同的緯編雙層平針織物試樣。由于正反兩面的紗線分別從前后針床的不同導(dǎo)紗嘴喂入，形成2個(gè)系統(tǒng)，與簡(jiǎn)單的雙股添紗單系統(tǒng)編織相比，極大降低了露底的概率。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

參照GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》在各項(xiàng)測(cè)試前對(duì)織物進(jìn)行預(yù)處理，溫度20 ℃，相對(duì)濕度65% 。其中織物密度測(cè)試參照FZ/T 70008—2012《毛針織物編織密度系數(shù)試驗(yàn)方法》，其余指標(biāo)采用KES進(jìn)行測(cè)定，該系統(tǒng)是目前國(guó)際上較為普遍采用的織物手感和風(fēng)格評(píng)定方法，通過(guò)KES儀器來(lái)測(cè)定織物力學(xué)量，再根據(jù)“變換式”計(jì)算手感值，從而定量評(píng)定織物品質(zhì)[10-11]。

2.1 密度測(cè)試

織物的密度與纖維種類、紗線線密度密切相關(guān)，影響織物的服用性能。將織物以自然松弛的狀態(tài)平鋪在桌面上，采用VR-3100光學(xué)顯微鏡(日本加藤技研株式會(huì)社)選取不同部位進(jìn)行測(cè)量，讀取縱、橫2個(gè)方向上5 cm內(nèi)的線圈數(shù)量，每種試樣分別測(cè)試3次后取平均值。

2.2 厚度測(cè)試

織物的厚度取決于紗線的線密度、織物組織結(jié)構(gòu)和緊度等，會(huì)影響其體積、質(zhì)量、蓬松性和保暖性。采用KES-G5便攜式壓縮測(cè)試儀(日本加藤技研株式會(huì)社)，將試樣置于試樣臺(tái)后按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，即迅速進(jìn)行初始設(shè)定(間隙設(shè)定)，并自動(dòng)開(kāi)始?jí)嚎s測(cè)試，通過(guò)記錄器可獲取壓縮特性的曲線，將曲線導(dǎo)入分析軟件Igor進(jìn)行積分處理后可獲取織物的厚度數(shù)據(jù)。每種試樣分別測(cè)試3次后取平均值。

2.3 透氣性能測(cè)試

采用KES-F8-AP1透氣性測(cè)試儀(日本加藤技研株式會(huì)社)評(píng)估試樣的透氣性能。將樣品夾在儀器透氣孔處的壓板下，隨后氣泵送入一定壓力的空氣至透氣孔并釋放到大氣中，用半導(dǎo)體差壓計(jì)測(cè)試在一個(gè)循環(huán)10 s內(nèi)由試樣造成的壓力損失，從而獲取透氣阻抗R，R越小則透氣性能越好。每種試樣的正反面分別測(cè)試5次后取平均值。

2.4 冷暖感性能測(cè)試

參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》，采用KES-F7-II型精密瞬間熱物性測(cè)試儀(日本加藤技研株式會(huì)社)，測(cè)試各試樣的接觸冷暖感。該指標(biāo)相當(dāng)于衣物與肌膚接觸的瞬間，肌膚向衣物傳遞的最大熱流量，其數(shù)值越大，織物的冷感越強(qiáng)，反之暖感越強(qiáng)[12]。首先將溫度傳感器放置在熱源臺(tái)(BT-Box)上使其溫度上升并保持在30 ℃；其次將織物放在恒溫試樣臺(tái)上(20 ℃)，將傳感器從熱源臺(tái)上取下，迅速在織物表面平行移動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。試樣臺(tái)外側(cè)的防護(hù)加熱器可防止側(cè)向熱泄露，同時(shí)板下方的防護(hù)加熱器可防止向下的熱量散失。測(cè)試完畢將傳感器放回?zé)嵩磁_(tái)重新調(diào)溫，每種試樣的正反面分別測(cè)試5次后取平均值。

2.5 表面摩擦性能測(cè)試

采用動(dòng)摩擦平均因數(shù)(MIU)、摩擦因數(shù)平均偏差(MMD)和表面粗糙度(SMD)3個(gè)測(cè)試指標(biāo)綜合表征織物表面性能。其中MIU和MMD采用KES-SE摩擦感測(cè)試儀(日本加藤技研株式會(huì)社)測(cè)定，通過(guò)鋼絲組成的測(cè)試頭可模仿人的大拇指指紋與織物表面接觸，測(cè)試過(guò)程中測(cè)試頭與因預(yù)加張力而壓緊的織物產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，速度為1 mm/s。

采用KES-SE-SR表面粗糙度測(cè)試儀(日本加藤技研株式會(huì)社)測(cè)定SMD，測(cè)試頭在動(dòng)力設(shè)備的帶動(dòng)下與被測(cè)織物產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，連接的傳感器可以感知因織物表面粗糙不平產(chǎn)生的上下位移波動(dòng)，進(jìn)而量化評(píng)估織物表面的粗糙程度。

選取織物的縱向和橫向進(jìn)行正反兩面的摩擦性能測(cè)試，每種試樣分別測(cè)試5次后取平均值。

2.6 熱濕舒適性測(cè)試

為了探究2種織物的熱濕舒適性，搭建了一個(gè)熱濕性能測(cè)量系統(tǒng)，與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)織物表面溫度變化，在測(cè)量過(guò)程中，熱像儀實(shí)時(shí)顯示織物表面溫度的高低轉(zhuǎn)變和液態(tài)水滴在織物上的擴(kuò)散變化情況。熱濕性能測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖1，將樣品置于標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中預(yù)處理4 h后，剪成12 cm×12 cm大小的尺寸，隨后置于30 ℃的恒溫試樣臺(tái)上。用移液管將100 μL溫度為6 ℃的水滴滴在試樣表面，試樣上方的紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水滴在試樣上的傳遞過(guò)程并每隔1 s記錄試樣表面溫度變化，每種試樣的總體記錄時(shí)間為5 min，紅外熱像儀的溫度記錄范圍為23.4～31.4 ℃。

圖1 熱濕性能測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic illustration of thermal-wet performance test system

3 結(jié)果與討論

不同試樣的組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。試樣1#正反面均為L(zhǎng)yocell，整體成圈質(zhì)量較高，歪斜現(xiàn)象少，圈干與圈弧之間的孔隙均勻，紗線軌跡清晰可見(jiàn)；試樣2#正面為羊毛、反面為L(zhǎng)yocell，成圈質(zhì)量有所降低；試樣3#正反面均為羊毛，成圈效果不及試樣1#和2#，歪斜現(xiàn)象明顯增加，部分紗線軌跡因重疊而較難區(qū)分。

圖2 3種試樣的組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Stich structure of three samples. (a) Front view of sample 1#; (b) Back view of sample 1#;(c) Front view of sample 2#; (d) Back view of sample 2#; (e) Front view of sample 3#; (f) Back view of sample 3#

3.1 織物基本性能

織物的冷暖感與成分、厚度、縱橫密等因素密切相關(guān)。3種雙層緯平針織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，3種試樣的縱橫密接近，這是由于選用的2種紗線線密度相近且在同一設(shè)備上以相同的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行編織，此外該組織的圈柱在縱向上的投影小于圈弧在橫向上的投影這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致面料的縱密大于橫密。在織物的厚度上，純羊毛織物的厚度要大于羊毛/Lyocell雙層織物，純Lyocell織物的厚度最小，即羊毛占比的增長(zhǎng)帶動(dòng)了厚度的上升，這是由于羊毛表面的毛羽含量較多，加壓測(cè)試厚度時(shí)數(shù)值會(huì)偏大。

表1 3種試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of three samples

透氣性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯捎猛辉暇幙椂傻目椢?，其正反兩面的透氣阻抗幾乎相同，而正反面不同材質(zhì)的織物其透氣阻抗差異較為明顯。氣體主要通過(guò)織物的孔隙穿過(guò)試樣，結(jié)合圖2中3種試樣的組織結(jié)構(gòu)可知，純Lyocell織物的透氣阻抗正反兩面幾乎相同，因此織物正反兩面透氣性能接近，存在的微小差異可能是通過(guò)織物四周進(jìn)入前氣室的空氣量不同引起的；羊毛/Lyocell 2種原料編織的織物，其正反面透氣性差異相比純Lyocell織物明顯增加，反面的透氣阻抗高于正面，這是羊毛紗線的毛羽結(jié)構(gòu)和織物表面的粗糙度差異導(dǎo)致的。

圖3 3種試樣的透氣阻抗Fig.3 Air permeability impedance of three samples

3種試樣的冷暖感測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，Lyocell含量越高的織物，接觸冷暖感越高。這主要是由于Lyocell作為再生纖維素纖維，其熱導(dǎo)系數(shù)為0.072，比羊毛0.053略高；其次，由于羊毛織物表面成圈起伏較大，測(cè)試過(guò)程中面接觸轉(zhuǎn)為點(diǎn)接觸的概率上升，致使最大瞬態(tài)熱流量減小，即測(cè)得的接觸瞬間冷感小。

圖4 3種試樣的接觸冷暖感Fig.4 Contact instant cold and warm feeling of three samples

3種雙層緯平針織物的表面摩擦性能結(jié)果見(jiàn)表2，由表示出不管是正反面還是縱橫向，MIU大小基本呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即3#試樣>2#試樣>1#試樣，可見(jiàn)加入的羊毛成分越多，織物越不平滑。對(duì)于羊毛織物，由于紗線毛羽較多，在織物中受擠壓程度越高，織物表面單位面積的突出點(diǎn)增多，摩擦織物時(shí)的實(shí)際接觸面積增加，從而使得表面平均摩擦因數(shù)增大。此外，由于試樣為平針結(jié)構(gòu)，正面以圈柱為主，反面以屈曲幅度更大的圈弧為主，這種結(jié)構(gòu)差異性導(dǎo)致織物在橫向上，反面的摩擦因數(shù)大于正面；在縱向上，正面的摩擦因數(shù)大于反面；在正面，縱向的摩擦因數(shù)大于橫向；在反面，橫向的摩擦因數(shù)大于縱向。

表2 織物的表面摩擦性能Tab.2 Surface friction properties of fabrics

圖5 水滴在織物表面的熱成像Fig.5 Thermal images of water droplets on fabric surface

3.2 熱濕傳遞性能

水滴在織物上時(shí)，通過(guò)2種方式穿過(guò)織物：一種是利用織物組織結(jié)構(gòu)的孔隙透過(guò)；另一種是利用芯吸效應(yīng)轉(zhuǎn)移至織物組織表面[13]。水滴在織物表面后的熱成像見(jiàn)圖5，其中右側(cè)圖柱表示不同顏色對(duì)應(yīng)的溫度。每列代表不同試樣在水滴下的第1、5、15、30 s時(shí)和第1、2、3、4、5 min時(shí)的熱濕狀態(tài)，使用的2種纖維本身導(dǎo)熱系數(shù)較小，而水的導(dǎo)熱系數(shù)較大，纖維吸水后導(dǎo)熱系數(shù)增大。同時(shí)，水滴到織物上后，纖維分子鏈上強(qiáng)親水性的極性基團(tuán)與水分子通過(guò)氫鍵相結(jié)合，釋放熱量，并在水珠周圍形成一圈溫度較高的熱圈。

純Lyocell織物上的水滴擴(kuò)散均勻，邊緣更為圓滑，這是由于Lyocell作為纖維素纖維，親水性比其他纖維更高，毛細(xì)現(xiàn)象更強(qiáng)，且表面摩擦小使其更易擴(kuò)散與滲透。純羊毛織物中由于羊毛為蛋白質(zhì)纖維，水滴剛開(kāi)始1 min在羊毛纖維上形成水珠，隨后依靠水珠自身重力和張力通過(guò)織物間的孔隙慢慢滲透擴(kuò)散，水珠分布擴(kuò)散不均勻。此外，純Lyocell織物上恒溫設(shè)備會(huì)快速感應(yīng)到低溫水，加熱設(shè)備增大開(kāi)度，因此織物整體溫度快速增加，顏色變紅；而羊毛織物水滴擴(kuò)散不均勻?qū)е潞銣卦O(shè)備感應(yīng)相對(duì)較慢。

羊毛/Lyocell雙層針織物的正面透濕性能大于反面透濕性能，這是由于測(cè)試該織物正面的透濕性能時(shí)，羊毛層通過(guò)平針結(jié)構(gòu)的孔隙將液態(tài)水傳送到與恒溫板相接觸的Lyocell層中去，隨后通過(guò)Lyocell層的快速導(dǎo)熱將織物整體溫度增加；而測(cè)試該織物反面的透濕性能時(shí)，測(cè)試面Lyocell纖維吸濕之后水珠快速平鋪擴(kuò)散，下面的羊毛層影響水分進(jìn)一步傳遞，因此水滴溫度持續(xù)較低?？梢?jiàn)雙層不同材料針織物的吸濕性能具有單向?qū)裥?，織物上?層形成導(dǎo)濕梯度。

織物的導(dǎo)熱能力與纖維種類、紗線結(jié)構(gòu)和織物結(jié)構(gòu)相關(guān)，是結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元函數(shù)。在這里水滴溫度主要是由熱濕導(dǎo)決定，以Lyocell和羊毛2種材料為代表，以試樣中水滴點(diǎn)的最低溫度為準(zhǔn)，3種雙層緯平針織物的水滴溫度變化見(jiàn)圖6。

圖6 3種雙層緯平針織物的水滴溫度變化Fig.6 Temperature changing of three double-sided weft plain knitted fabrics

由圖6看出，純Lyocell織物在開(kāi)始1 min內(nèi)升溫速度比較快，正反面的升溫現(xiàn)象幾乎一致。純羊毛織物升溫速度明顯比較慢，正面在2 min左右才升到最高溫，隨后溫度逐漸平緩；反面的溫度傳導(dǎo)速率慢于正面，這可能是由于正反面線圈結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。Lyocell/羊毛雙層織物結(jié)合了2種材料的性能特點(diǎn)，同時(shí)由于2種材質(zhì)的親水性不同具有單向?qū)裥阅?，因此出現(xiàn)的溫度變化也不一致：反面的升溫一開(kāi)始快于反面，隨后慢于正面，最終趨于平衡。在大多數(shù)狀態(tài)下熱濕傳導(dǎo)是一個(gè)共同傳遞的耦合互動(dòng)過(guò)程，是導(dǎo)熱、毛細(xì)流動(dòng)、滲透、分子擴(kuò)散、蒸發(fā)凝結(jié)等的聯(lián)合作用。

織物的濕傳導(dǎo)受其導(dǎo)熱性能、溫度的影響，纖維材料的大分子取向結(jié)晶度變化使其產(chǎn)生不同的潤(rùn)濕熱。而織物熱傳遞時(shí)，其導(dǎo)濕性有時(shí)起決定性的作用，與圖5相互印證。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)試織Lyocell、羊毛、羊毛/Lyocell 3種雙層緯平針織物，對(duì)其厚度、縱橫密、透氣性、接觸冷暖感、表面粗糙度、熱濕傳導(dǎo)性能進(jìn)行測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

①在基本性能上，采用相同紗線線密度時(shí)，3種織物的縱密均大于橫密；羊毛占比越大，織物厚度越大；純Lyocell和純羊毛織物正反兩面透氣阻抗十分接近，而羊毛/Lyocell雙層織物由于羊毛的毛羽更多、表面粗糙產(chǎn)生的孔隙差異導(dǎo)致正面透氣阻抗要小于反面。

②從表面摩擦性能來(lái)看，羊毛纖維在織物表面單位面積的突出點(diǎn)較多，不管是在正反面還是縱橫向，平滑度均為純Lyocell織物>羊毛/Lyocell雙層織物>純羊毛織物。結(jié)合平針結(jié)構(gòu)正反面的差異性，最終織物在緯向上，反面的摩擦因數(shù)大于正面；在縱向上，正面的摩擦因數(shù)大于反面；在正面，縱向的摩擦因數(shù)大于橫向；在反面，橫向的摩擦因數(shù)大于縱向。

③水滴在面料上時(shí)，纖維分子鏈上強(qiáng)親水性的極性基團(tuán)與水分子通過(guò)氫鍵相結(jié)合散發(fā)熱量，因此水珠周圍會(huì)形成1圈溫度較高的熱圈。其中Lyocell纖維親水性優(yōu)于羊毛，毛細(xì)現(xiàn)象強(qiáng)，吸水后溫度均勻擴(kuò)散，而羊毛纖維吸水后水滴通過(guò)自重和張力滲透，分布不均勻。羊毛/Lyocell雙層緯平針織物具有單向?qū)裥?，上?層形成一個(gè)導(dǎo)濕梯度，其導(dǎo)濕性對(duì)織物熱傳遞起了決定性的作用。