吸濕發(fā)熱針織物的熱濕性能研究

程明麗， 沈 為， 俞 灝， 陸 建

(1.東華大學 紡織學院， 上海 201620；2.上海日舒科技紡織有限公司， 上海 200082)

吸濕發(fā)熱面料的發(fā)熱機理是面料中所含的吸濕發(fā)熱材料通過吸收空氣或人體散發(fā)的濕氣，并與水分子以氫鍵的形式結合，水分子的動能轉化為熱能，或通過熱化反應轉化為液態(tài)水分子而釋放出熱量[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，近幾年我國關于發(fā)熱保暖面料的專利數(shù)量逐漸增加，紅豆、三槍、優(yōu)衣庫、南極人等品牌均研發(fā)了吸濕發(fā)熱針織內衣，吸濕發(fā)熱面料市場需求逐年增加。

吸濕發(fā)熱面料的研發(fā)主要通過改變紗線的混紡組分與混紡比，同時搭配多層組織結構，以獲得面料吸濕發(fā)熱性能的最大化。在紗線的混紡組分上通常采用具有蓄熱能力的纖維和吸濕積分熱較高的纖維。蓄熱纖維如異截面纖維、中空纖維、膨體纖維、表面具有溝槽的纖維，能使紗線儲存足夠多的空氣，降低紗線的導熱系數(shù)，而吸濕積分熱較高的纖維能夠提高紗線的吸濕發(fā)熱性能。針織物的組織結構設計通常采用空氣層組織、半空氣層組織、添紗組織、襯墊組織等以貯存更多的靜止空氣從而發(fā)揮蓄熱功能。如孟家光等[3]采用WARMPLUSA纖維與黏膠纖維混紡并與毛滌棉混紡紗、滌綸低彈絲交織從而開發(fā)空氣層組織面料，其30 min最高升溫值為5.16 ℃，30 min平均升溫值為3.58 ℃。界璐等[4]利用Softworm纖維開發(fā)吸濕發(fā)熱織物,并通過模糊數(shù)學方法得出羅紋半空氣層組織的服用性能最好。方國平等[5]利用儲能吸濕發(fā)熱纖維織造單面緯編襯墊結構織物，其30 min最高升溫值為8.6 ℃，30 min平均升溫值為5.1 ℃，且織物結構穩(wěn)定，彈性、手感優(yōu)良。雷寶玉[6]采用璐奈絲纖維開發(fā)空氣層組織面料，其30 min 最高升溫值為3.5 ℃，且織物具有輕、薄、柔、暖等特點。

EKS纖維與Sunburner纖維分別是由日本東洋紡公司與日本帝人集團開發(fā)的吸濕發(fā)熱纖維[7]，受紡紗技術、纖維性能與成本的影響，這兩種纖維通常需要與其他纖維混紡[8]。為提高最終產品的吸濕發(fā)熱性能、保溫性能及性價比等方面，本文將EKS纖維、Sunburner纖維分別與黏膠纖維、棉纖維、腈綸纖維混紡，開發(fā)出不同混紡組分、混紡比的針織面料，并對纖維與面料的熱濕性能進行測試，探究混紡比、混紡組分對吸濕發(fā)熱面料熱濕性能的影響。

1 試樣制備

1.1 原料規(guī)格

纖維原料規(guī)格與來源如表1所示。

表1 纖維規(guī)格與來源Table 1 Specification and sources of fibers

1.2 紗線設計

所有紗線均采用賽絡紡的方式進行紡制，紗線規(guī)格設計如表2所示。

表2 紗線規(guī)格設計Table 2 Specification design of yarns

1.3 織物的織造與整理

采用機號為E22、筒徑為38.1 cm的BCM/60RG型多功能雙面針織圓機，將表2中的紗線編織成雙羅紋組織結構織物。然后用質量濃度為1 g/L的非離子表面活性劑(曲拉通)溶液[9]對織物進行前處理，浴比為1∶20，處理溫度為60 ℃，處理時間為30 min。前處理后用冷水洗滌，并在100 ℃下進行干燥后，采用圣坦克斯定型機在120 ℃下進行呢毯定型[10]，車速為20 m/min?？椢锏幕窘Y構參數(shù)如表3所示。

表3 織物基本結構參數(shù)Table 3 Basic structure parameters of fabrics

2 試驗方法

2.1 纖維性能測試

(1)纖維形態(tài)結構。利用臺式掃面電子顯微鏡觀察纖維形態(tài)，截面形態(tài)放大倍數(shù)為3 000倍，縱向形態(tài)放大倍數(shù)為5 000倍。

(2)纖維回潮率。參照GB/T 6503—2017《化學纖維 回潮率試驗方法》，使用通風式八籃烘箱進行測試，每種纖維測試3次。

(3)纖維吸濕積分熱。采用量熱器法測量纖維的吸濕積分熱[10]。將纖維放入烘箱中烘干至恒重后放入干燥皿中，置于20 ℃的環(huán)境中靜置2 h使纖維溫度平衡。將一定量的去離子水同樣置于20 ℃的環(huán)境中至溫度平衡后，稱取100 g去離子水置于量熱器中，并使用溫度計測量其溫度(記為t1)，隨后稱取5 g干燥纖維置于量熱器中，攪拌均勻并測量混合物的最高溫度(記為t2)，每種纖維測試3次。纖維的吸濕積分熱由式(1)[11]計算而得。

(1)

式中：Q為纖維的吸濕積分熱，J/g；m1為去離子水的質量，g；m2為纖維質量，g；c為水的比熱容，J/(kg·K)。

2.2 織物性能測試

(1)織物回潮率。參照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》，使用通風式八籃烘箱進行測試，每種織物測試3次。

(2)織物透氣性能。參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，使用YG461型全自動透氣性測試儀進行測試，每種織物測試10次。

(3)織物透濕性能。參照GB/T 12 704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，使用FX3180-CM15型織物透濕率分析儀進行測試，每種織物測試3次。

(4)織物芯吸性能。參照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，測試過程中每隔300 s記錄一次芯吸高度，測試總時間為1 800 s，每種織物測試3次。

(5)織物保暖性能。參照GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗方法 平板法》，使用YG606型織物熱阻儀進行測試，試樣預熱時間為40 min，試樣測試時間為40 min，總測試時間為80 min，每種織物測試3次。

(6)織物吸濕發(fā)熱性能。參照GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗方法》，將織物烘干至恒重后，放入干燥皿中并置于20 ℃的環(huán)境中至溫度平衡，隨后置于溫度為20 ℃、相對濕度為90%的恒溫恒濕箱中，使用溫度傳感器測試織物吸濕發(fā)熱性能，每種織物測試3次。

3 結果與討論

3.1 纖維性能結果與分析

3.1.1 纖維形態(tài)結構

不同發(fā)熱纖維的SEM圖如圖1所示。由圖1可知：EKS纖維、Sunburner纖維、腈綸纖維的橫向截面形狀相似，都呈圓形或近圓形；在縱向表面形態(tài)上，EKS纖維和腈綸纖維的縱向表面都具有溝槽，且腈綸纖維相比KES纖維，前者溝槽呈現(xiàn)長而深的形態(tài)，后者溝槽分布得更加多、淺、均勻，Sunburner纖維縱向表面光滑，但是有突出的現(xiàn)象。

圖1 不同發(fā)熱纖維的橫向截面和縱向表面SEM圖Fig.1 SEM images of cross-section and longitudinal surface of different heat generating fibers

3.1.2 纖維回潮率與吸濕積分熱

纖維回潮率與吸濕積分熱測試結果如表4所示。由表4可知，EKS纖維與Sunburner纖維回潮率分別是常規(guī)腈綸纖維的14.44、22.15倍。因為EKS纖維與Sunburner纖維均以聚丙烯腈為基底，接枝共聚大量的—COOH、—OH等親水基團，使得纖維具有強吸濕性[12]。另外，Sunburner纖維回潮率較EKS纖維高出53.42%，這主要與接枝共聚基團的數(shù)量與極性有關。

表4 纖維熱濕性能Table 4 Fiber thermal and moisture properties

纖維吸濕積分熱是影響織物吸濕發(fā)熱性能的重要因素，通常情況下，纖維回潮率越大，其吸濕積分熱越大[13]。由表4可知，EKS纖維、Sunburner纖維的吸濕積分熱分別是常規(guī)腈綸纖維的11.24、12.28倍，即EKS纖維與Sunburner纖維均具有較大的吸濕積分熱，兩者為理想的吸濕發(fā)熱材料。此外，棉纖維與黏膠纖維相比，前者吸濕積分熱僅為后者的42.45%，兩者相差較大。

3.2 織物熱濕性能結果與分析

3.2.1 織物回潮率

織物回潮率測試結果如表5所示。A1、A2、A3、A4等4種織物中腈綸纖維的質量分數(shù)相同，因此織物回潮率的差異主要來源于其余兩種混紡纖維的種類及纖維的質量分數(shù)。

表5 織物回潮率Table 5 Moisture regain of fabrics

由表5可知，對比含棉纖維織物的回潮率與含黏膠纖維織物的回潮率，A1織物的回潮率較A2織物低15.36%，A3織物的回潮率較A4織物低24.13%；對比含Sunburner纖維織物的回潮率與含EKS纖維織物的回潮率，A1織物的回潮率較A3織物高29.84%，A2織物的回潮率較A4織物高16.39%。另外對比A4織物與A5織物的回潮率，可以看出EKS纖維的質量分數(shù)降低10個百分點，織物回潮率降低21.55%?？傮w而言，織物中吸濕纖維種類與質量分數(shù)對織物回潮率的影響均較大。

3.2.2 織物透氣性能與透濕性能

織物的透氣性能與透濕性能測試結果如表6所示。

表6 織物透氣、透濕性能

由表6可知，織物的透氣量大小關系依次為A5>A4>A3>A2>A1。對比含棉纖維織物與含黏膠纖維織物的透氣量，A1織物的透氣量較A2織物降低6.73%，A3織物的透氣量較A4織物降低13.74%。一方面，織物經(jīng)過整理后，A1織物與A3織物的厚度、面密度均較A2織物和A4織物大；另一方面，黏膠纖維表面為鋸齒狀，其透氣性能高于棉纖維。再對比含Sunburner纖維織物與含EKS纖維織物的透氣量，A1織物的透氣量較A3織物降低7.76%，A2織物的透氣量較A4織物降低14.69%。這主要是因為織物的透氣量與纖維比表面積的平方成正比[11]，而EKS纖維表面存在孔隙，因此其比表面積較表面光滑的Sunburner纖維大，進而使得織物的透氣量更大。A5織物與A4織物相比，EKS纖維的質量分數(shù)減少10個百分點，織物透氣量僅增加0.68%，因此EKS纖維與腈綸纖維的質量分數(shù)的調整，對織物的透氣性能影響不大。

此外，織物的透濕量的大小關系依次為A5>A4>A3>A2>A1，與透氣性能相似，織物的透濕性能與織物孔隙的大小與數(shù)量有關，此外也與織物的吸濕性能有關[14]。對比含棉纖維織物與含黏膠纖維織物的透濕量，A1織物的透濕量較A2織物降低1.76%，A3織物的透濕量較A4織物降低2.94%。對比含Sunburner纖維織物與含EKS纖維織物的透濕量，A1織物的透濕量較A3織物降低1.86%，A2織物的透濕量較A4織物降低3.04%。由此表明，含黏膠纖維織物與含EKS 纖維織物的透濕性能優(yōu)于含棉纖維織物與含Sunburner纖維織物。而A5織物的透濕量比A4織物的透濕率量高0.48%，即EKS纖維與腈綸纖維的質量分數(shù)的調整，對織物透濕性能的影響也不大?？傮w而言，紗線的纖維組分種類與質量分數(shù)對織物的透濕性能的影響均較小。

3.2.3 織物芯吸性能

織物芯吸性能測試結果如圖2所示?？椢镌谇?00 s的芯吸速度明顯高于后1 500 s的芯吸速度，這主要是因為隨著織物芯吸高度的增加，織物中水的重力不斷增加，因此織物的芯吸速度不斷下降。同時，對比含棉纖維織物與含黏膠纖維織物的芯吸高度，A1織物的縱向、橫向芯吸高度較A2織物分別降低 22.35%與15.27%，A3織物的縱向、橫向芯吸高度較A4織物分別降低48.90%與35.34%，表明含黏膠纖維織物的芯吸高度高于含棉纖維織物。對比含Sunburner纖維織物與含EKS纖維織物的芯吸高度，A1織物的縱向、橫向芯吸高度較A3織物分別提高55.29%與39.27%，A2織物的縱向、橫向芯吸高度較A4織物分別提高2.20%與6.28%，表明含Sunburner纖維織物的芯吸高度高于含EKS纖維織物。這主要是因為黏膠纖維的吸濕性能高于棉纖維，Sunburner纖維的吸濕性高于EKS纖維，且黏膠纖維表面為鋸齒結構，有利于水的傳導。對比A4、A5織物的芯吸高度，EKS纖維的質量分數(shù)減少10個百分點，A5織物的縱向、橫向芯吸高度分別降低3.21%和0.79%，表明EKS纖維質量分數(shù)的減少雖使得織物的芯吸性能下降，但影響較小。

圖2 織物芯吸性能Fig.2 Wicking performance of fabrics

3.2.4 織物保暖性能

織物的熱阻與導熱系數(shù)間存在如式(2)[11]的關系，受紗線性質不同的影響，在經(jīng)過前處理與熱定型后織物厚度不同，為排除織物厚度帶來的影響，采用織物的導熱系數(shù)比較織物的保暖性。

(2)

式中：λ為織物導熱系數(shù)，W/(m·K);R為織物熱阻，K·m2/W；d為織物厚度，m。

織物保暖性測試結果如表7所示。由表7可知，織物的導熱系數(shù)的大小關系依次為A3>A1>A4>A5>A2。A1織物的導熱系數(shù)較A2織物高7.93%，A3織物的導熱系數(shù)較A4織物高7.56%，表明含棉纖維織物的保暖性能較含黏膠纖維織物差；A1織物的導熱系數(shù)較A3織物低5.57%，A2織物的導熱系數(shù)較A4織物低5.90%，表明含EKS纖維織物的保暖性較含Sunburner纖維織物差。A4織物的導熱系數(shù)較A5織物高3.09%，表明隨著EKS纖維質量分數(shù)的降低，織物的保暖性能增高。這主要是因為黏膠纖維的保暖性較棉纖維強，Sunburner纖維的保暖性較EKS纖維強，且EKS纖維的保暖性能不及腈綸纖維[15]。

表7 織物保暖性能Table 7 Thermal retention property of fabrics

3.2.5 織物吸濕發(fā)熱性能

織物的吸濕發(fā)熱曲線和性能測試結果分別如圖3和表8所示?？椢锏奈鼭癜l(fā)熱性能主要與纖維組分、干燥織物面密度等有關，通常情況下，織物所含的發(fā)熱纖維越多，纖維的吸濕積分熱越大，干燥織物的面密度越大，織物的吸濕發(fā)熱性能越強[16]。

圖3 織物吸濕發(fā)熱曲線Fig.3 Moisture-absorption and heat-generating curves of fabrics

表8 織物吸濕發(fā)熱性能

由圖3可知，5種織物均在200 s時達到最高升溫值，在達到最高升溫值后，含Sunburner纖維織物的降溫速率明顯高于含EKS纖維織物，但含Sunburner纖維織物在600～800 s的時間段重新小幅度升溫，并在1 400 s時再次降溫。由表8可知，A1織物與A3織物、A2織物與A4織物的30 min最高升溫值基本相同，A1織物的30 min平均升溫值為A3織物的94.09%，A2織物的30 min平均升溫值為A4織物的98.12%。這主要是因為Sunburner纖維雖然具有較高的吸濕積分熱，但其回潮率較高，使得干燥織物面密度較含EKS纖維織物小[17-18]，因此兩者的最高升溫值基本相同，并且達到最高升溫值后，含Sunburner纖維織物的溫度下降速率明顯高于含EKS纖維織物，因此含EKS纖維織物的平均升溫值高于含Sunburner纖維的織物。另外，A1織物的30 min最高升溫值為A2織物的72.48%，A3織物的30 min最高升溫值為A4織物的72.27%，A1織物的30 min平均升溫值為A2織物的83.73%，A3織物的30 min平均升溫值為A4織物的87.32%，表明含棉纖維織物的吸濕發(fā)熱性能較含黏膠纖維織物差，這主要是受到棉纖維與黏膠纖維吸濕積分熱差異的影響。A4織物與A5織物相比，前者的30 min最高升溫值和30 min平均升溫值分別高8.92%和34.81%，表明EKS纖維質量分數(shù)的減少使得織物的吸濕發(fā)熱性能變差，這主要是因為EKS纖維的吸濕積分熱高于腈綸纖維[19]。

4 結 論

(1)EKS纖維與Sunburner纖維具備強吸濕性、高吸濕積分熱，且Sunburner纖維的吸濕積分熱高于EKS纖維。

(2)在相同混紡比下，含黏膠纖維織物的透氣性能、透濕性能、保暖性能、芯吸性能與吸濕發(fā)熱性能均優(yōu)于含棉纖維織物，含Sunburner纖維織物的芯吸性能、保暖性能優(yōu)于含EKS纖維的織物，而透氣性能、透濕性能低于含EKS纖維織物。在標準條件下調濕完成的織物，含Sunburner纖維織物的吸濕發(fā)熱性能并不優(yōu)于含EKS纖維的織物?？傮w而言，纖維組分對織物的透濕性能影響較小，對其他性能的影響較大。

(3)在黏膠纖維質量分數(shù)不變的情況下，EKS纖維質量分數(shù)的降低使得織物回潮率、芯吸性能、吸濕發(fā)熱性能降低，使得織物的透氣性能、透濕性能、保暖性能增強，其中對織物芯吸性能、透氣性能、透濕性能的影響較小。