仿松球葉片結(jié)構(gòu)面料的制備及其調(diào)濕性能

胡亦雯, 唐 虹, 唐天一, 魏書濤

(1. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 江蘇 南通 226019; 2. 對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)劍橋國際學(xué)校, 北京 100029; 3. 三六一度(中國)有限公司, 江蘇 蘇州 215000)

近年來,舒適性成為衡量服裝質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,運(yùn)動服尤其注重?zé)釢袷孢m性[1]。當(dāng)人體因環(huán)境溫度過高或劇烈運(yùn)動等導(dǎo)致體溫過高時,通過排汗來降低體溫。服裝作為人體的第2層皮膚,需要及時地傳熱導(dǎo)濕從而調(diào)節(jié)人體的熱平衡,否則會產(chǎn)生熱應(yīng)激(包括皮疹、中暑、熱射病等)[3-4],從而嚴(yán)重影響人體健康甚至危及生命。熱量/水分在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中傳遞[2],服裝可為人體提供一個便攜式微環(huán)境[3],通過冷卻衣下空氣層可實(shí)現(xiàn)更好的降溫效果。研究表明,使用個人冷卻裝置后,即使在高達(dá)30 ℃的室內(nèi)仍然能保持人體良好的熱濕舒適性[5]。

為實(shí)現(xiàn)快速幫助人體降溫的目的,一般通過改良服裝系統(tǒng)或開發(fā)新面料來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的水冷服、風(fēng)冷服以及添加半導(dǎo)體的調(diào)溫服[6-7],通過在服裝上增加冷卻設(shè)備或材料來實(shí)現(xiàn)降溫,但因其質(zhì)量增加了人體的負(fù)擔(dān),且無法根據(jù)人體的熱濕狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的輕型吸濕排汗面料和相變調(diào)溫面料,也很難同時進(jìn)行導(dǎo)濕散熱[7-9],因此,迫切需要開發(fā)一種更加有效的導(dǎo)濕織物,可以根據(jù)穿著者實(shí)時身體熱濕狀態(tài)自動進(jìn)行導(dǎo)濕散熱以保持熱濕舒適性[10]。

近年來,仿生設(shè)計被大量應(yīng)用在面料結(jié)構(gòu)上以賦予其特定的功能,通過模仿自然界生物的微觀結(jié)

構(gòu)設(shè)計出更加高效的智能紡織品?！八汕蛐?yīng)”是由松球葉片特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成,其縱向截面為三明治結(jié)構(gòu),松球葉片由內(nèi)層的纖維和外層的鞏膜組成,其中,纖維的吸濕膨脹系數(shù)(0.06±0.02)明顯低于鞏膜的吸濕膨脹系數(shù)(0.20±0.04)[12-13],這種結(jié)構(gòu)使得松球葉片的外層在吸水后的伸長率遠(yuǎn)大于內(nèi)層葉片閉合;葉片外層在失水后的收縮率大于外層松球葉片張開。

本文參照仿生松球葉片隨空氣濕度變化而自動張開閉合的特性,開發(fā)了一款可對水分響應(yīng)的仿松球葉片的新型功能面料[11],仿松球葉片結(jié)構(gòu)能隨人體出汗而自動張開散熱,皮膚干燥時仿葉片結(jié)構(gòu)自動閉合防止熱量過度流失。仿松球葉片面料以溶脹率較高的聚氨酯涂層為主動層[13-14],以吸濕后不變形的滌綸/氨綸針織物為從動層,研究仿松球葉片面料結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片單元縱橫比、葉片方向、涂層附著率)與面料調(diào)濕性能(葉片張開時間、張開角度、張開速度和有效張開率)之間的關(guān)系[15-16],找出最優(yōu)的仿松球葉片面料的結(jié)構(gòu)參數(shù),最大程度上使穿著者快速恢復(fù)熱平衡狀態(tài),這將為使用仿松球葉片面料來探究與濕度相關(guān)的研究提供理論參考和新的應(yīng)用空間。

1 仿松球葉片面料制備

1.1 仿松球葉片面料結(jié)構(gòu)

仿松球葉片面料由主動層涂層和從動層織物2層組成的復(fù)合面料組、以及開設(shè)在復(fù)合面料組上的若干個弧形切口構(gòu)成[11,17],且若干個弧形切口均勻間隔設(shè)置。主動層為吸濕后膨脹率大的親水性高分子聚合物聚氨酯涂層(織物背面);從動層為吸濕膨脹率小的滌綸/氨綸緯平針織物[18]。從動層在面料吸濕后與主動層形成長度差,從而使得葉片根據(jù)環(huán)境濕度大小自動張開閉合,短時間內(nèi)可有效減少穿著者因大流量出汗帶來的的悶熱不適,其結(jié)構(gòu)及吸濕過程如圖1所示。

圖1 仿松球織物結(jié)構(gòu)及吸濕過程Fig. 1 Structure and moisture absorption process of pine cone-like fabric.(a)Before moisture absorption; (b)After moisture absorption

1.2 面料結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用面密度為180 g/m2的滌綸/氨綸(95/5)緯平針織物,揭陽市唐氏紡織有限公司;聚氨酯(分析純),德國巴斯夫公司;四氫呋喃(≥99.5%), 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。稱取10 g聚氨酯原料和200 g四氫呋喃溶劑,常溫下將其置于錐形瓶中振蕩直至完全溶解。使用該涂層液在16個尺寸為12 cm×12 cm的試樣上進(jìn)行均勻刷涂,各樣片涂層附著量差異不超過5 g/m2,并分別切割出4×4個半橢圓形葉片。

1.2.1 葉片縱橫比

葉片縱橫比為葉片單元中葉片開口縱向尺寸與橫向尺寸之比,實(shí)驗(yàn)設(shè)計不同縱橫比的葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示,分別為80%、65%、50%、35%,對應(yīng)尺寸分別為7 mm×5.5 mm、7 mm×4.5 mm、7 mm×3.5 mm、 7 mm×2.5 mm,葉片方向與從動層面料經(jīng)向保持一致。

圖2 不同縱橫比的葉片結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of blade structure with different aspect ratios

1.2.2 葉片方向

葉片方向?yàn)槿~片開口方向與從動層面料經(jīng)向方向的夾角角度。不同開口方向的葉片結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。當(dāng)葉片尺寸為7 mm×4.5 mm時,實(shí)驗(yàn)設(shè)計葉片開口方向分別為0°、22.5°、45.0°、67.5°、90.0°。

圖3 不同開口方向的葉片結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of blade structure with different opening directions

1.2.3 涂層附著率

涂層附著率為涂層質(zhì)量與從動層面料質(zhì)量之比。當(dāng)葉片尺寸為7 mm×4.5 mm時,涂層附著率為44.4%、55.6%、66.7%、77.8%、88.9%,對應(yīng)的涂層附著量分別為80、100、120、140、160 g/m2,葉片方向與從動層面料經(jīng)向保持一致。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 測試裝置

仿松球針織物調(diào)濕性能取決于葉片隨濕度變化的敏感程度,調(diào)濕性能參數(shù)包括葉片張開時間、張開角度、張開速度和有效張開率,實(shí)驗(yàn)在溫度為(26±2) ℃、相對濕度為(55±3)%、風(fēng)速小于1 m/s的室內(nèi)進(jìn)行[19]。自制的測試裝置包括水蒸氣發(fā)生、面料濕交換和導(dǎo)濕性能檢測3部分,圖4示出仿松球葉片面料調(diào)濕性能測試平臺。首先,將仿松球面料粘貼在固定架上使面料主動層朝向加濕器,調(diào)整激光點(diǎn)置于任意仿松球葉片中心位置,同時打開加濕器、攝像裝置和激光測距傳感器。該加濕器的出水量為0.014 mL/s,與面料之間的距離設(shè)定為4 cm(參考夏季服裝常見空氣層厚度[20]);激光測距傳感器的精度為1 mm,與面料之間的距離為l0,頻率為 10次/s, 攝像機(jī)記錄葉片張開角度頻率為4 s/次。實(shí)驗(yàn)開始后仿松球葉片隨濕度累積而彎曲,使得激光測距傳感器測試的距離減小,此時的實(shí)時距離記為l。

圖4 仿松球葉片面料調(diào)濕性能測試平臺Fig. 4 Testing platform of moisture conductivity of pine ball blade cone-like fabric

2.2 調(diào)濕性能參數(shù)

仿松球面料的調(diào)濕性能包括:葉片的張開時間t,s;張開角度θ,(°);張開速度v,(°)/s;有效張開率I,%;實(shí)驗(yàn)參數(shù)以16個葉片的平均值計量。激光測距儀按周期為0.1 s進(jìn)行連續(xù)測距,當(dāng)距離l0-l>0時,說明仿松球葉片張開;當(dāng)距離l0-l<0時,即仿松球葉片完全張開導(dǎo)致光點(diǎn)穿過面料,設(shè)對應(yīng)的時間t為張開時間,此時葉片張開角度為θ(見圖5)。

圖5 葉片張開角度Fig. 5 Blade opening angle

張開速度為張開角度與時間的比值,每4 s測算以此的瞬時張開速度作為參考值。葉片面積有效張開率I為有效張開面積S占原切割面積S0的比值(見圖6)。

(1)

(2)

圖6 葉片有效張開率Fig. 6 Opening ratio of effective area of blade

葉片張開時間越短、最大張開角度越大、張開速度和有效張開率越大,表明葉片張開性能越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片縱橫比對調(diào)濕性能影響

葉片縱橫比與張開角度的關(guān)系如圖7所示。可以看出:仿松球葉片的張開時間隨尺寸比例的減小逐漸增加,在46～51 s的范圍內(nèi)波動;葉片張開角度隨尺寸比例的減小先增大后減小,在80.15°～87.13°的范圍內(nèi)波動。當(dāng)葉片縱橫比為50%時,仿松球葉片面料的完全張開角度達(dá)到最大87.13°。

圖7 葉片縱橫比與張開角度的關(guān)系Fig. 7 Relationship between blade aspect ratio and opening angle

葉片縱橫比與平均張開速度及瞬時速度的關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯?隨著葉片縱橫比的減小,仿松球葉片的平均張開速度先增加后減小,在 1.56～1.8(°)/s的范圍內(nèi)波動。當(dāng)比例為65%時,仿松球面料的平均張開速度達(dá)到最大為1.80(°)/s,與縱橫比80%(p<0.01)、縱橫比35%(p<0.01)、縱橫比30%(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時速度隨時間增長呈先增大后減小的趨勢,在20 s左右時達(dá)到頂峰,其中葉片縱橫比為65%的樣片最大為2.45(°)/s,隨著時間增加瞬時速度均逐漸減小,最終為1.25(°)/s左右。

圖8 葉片縱橫比與平均張開速度及瞬時速度的關(guān)系Fig. 8 Relationship between blade aspect ratio and average opening speed and instantaneous speed

葉片縱橫比與有效張開率的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯?仿松球葉片的有效張開率隨葉片縱橫比的減小而先增加后減小,整體在73%～92%的范圍內(nèi)波動。當(dāng)葉片縱橫比為65%和50%時,葉片有效張開率無顯著性差異(p=0.616>0.05),與縱橫比為80%和35%的樣片進(jìn)行比較,葉片有效張開率在統(tǒng)計學(xué)上存在顯著性差異(p<0.05)。因此當(dāng)葉片縱橫比為65%和50%時,仿松球面料的葉片張開率達(dá)到最大為92%。

圖9 葉片縱橫比與有效張開率的關(guān)系Fig. 9 Relationship between blade aspect ratio and effective opening ratio

從上述葉片縱橫比對仿松球面料調(diào)濕性能的影響實(shí)驗(yàn)中可以看出,隨著仿松球葉片縱橫比的減小,其張開時間逐漸增加,完全張開角度、張開速度和有效張開率都呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象,葉片縱橫比的變化對仿松球葉片的有效張開率影響較大,對張開時間和張開角度相對影響較小。當(dāng)葉片尺寸比例為65%時性能最佳,此時仿松球葉片尺寸為7 mm×4.5 mm。 當(dāng)葉片縱橫比例過大時,其葉片長度較長導(dǎo)致張開后曲率較大[22],一定程度上會影響張開角度和面積;當(dāng)比例過小時,其葉片過短導(dǎo)致該涂層伸長率減小,2層材料間的內(nèi)應(yīng)力減小[23-24],從而影響仿松球面料的張開性能。

3.2 葉片方向?qū)φ{(diào)濕性能影響

葉片方向與張開角度的關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯?仿松球葉片的張開時間隨葉片方向的增加逐漸減小,各樣片葉片張開時間在24～47 s的范圍內(nèi)波動;葉片張開角度隨葉片方向的增加而逐漸減少,在9.07°～81.02°的范圍內(nèi)波動,且仿松球葉片方向與布料經(jīng)向夾角越大,葉片張開角度和張開時間的降幅越大。當(dāng)葉片方向?yàn)?°時,仿松球面料的張開角度達(dá)到最大81.02°。

圖10 葉片方向與張開角度的關(guān)系Fig. 10 Relationship between blade direction and opening angle

葉片方向與平均張開速度及瞬時速度的關(guān)系如圖11所示。可以看出,隨著葉片方向的增加,仿松球葉片的平均張開速度逐漸減小且降幅明顯,在0.38～1.72(°)/s的范圍波動,當(dāng)葉片方向?yàn)?°時,仿松球面料的平均張開速度達(dá)到最大為1.72°/s,與葉片方向22.5°(p<0.01)、葉片方向45°(p<0.01)、葉片方向67.5°(p<0.01)、葉片方向90°(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時速度隨時間增加而先增大后減小,在15～20 s左右達(dá)到頂峰,其中葉片方向?yàn)?°的樣片最大為2.27(°)/s,隨著時間增加瞬時速度均逐漸減小,最終除葉片方向?yàn)?°的樣片外各樣片的葉片瞬時速度均低于1(°)/s。

圖11 葉片方向與平均張開速度及瞬時速度的關(guān)系Fig. 11 Relationship between blade direction and average opening speed and instantaneous speed

葉片方向與有效張開率的關(guān)系如圖12所示?？梢钥闯?仿松球葉片的有效張開率隨葉片方向的增加而減小,在0%～90%的范圍內(nèi)波動。將各試樣的有效張開率進(jìn)行對比,在統(tǒng)計學(xué)上均存在顯著性差異(p<0.01),可見隨著葉片方向的增加,仿松球葉片面料的有效張開率降幅尤為明顯。當(dāng)葉片方向?yàn)?°時,仿松球葉片面料的有效張開率達(dá)到最大為90%,當(dāng)葉片方向?yàn)?0°時有效張開率接近于0。

圖12 葉片方向與有效張開率的關(guān)系Fig. 12 Relationship between blade direction and effective opening rate

從上述葉片方向?qū)Ψ滤汕蛉~片面料調(diào)濕性能的實(shí)驗(yàn)中可看出,隨著仿松球面料葉片方向的增加,除葉片張開時間逐漸減短以外,仿松球葉片的其余各項(xiàng)張開性能逐漸減小且降幅尤為明顯,當(dāng)葉片方向?yàn)?°時葉片有效張開率最佳,即當(dāng)仿松球葉片與面料經(jīng)向一致時可達(dá)到面料最佳性能。這是由于使用的面料為緯平針織布料,其緯向的彈性會遠(yuǎn)大于經(jīng)向彈性,而彈性過大則會一定程度上與涂層吸濕伸長相抵消[25],從而影響仿松球面料的張開性能。

3.3 涂層附著率對調(diào)濕性能影響

涂層附著率與張開角度的關(guān)系如圖13所示。可以看出:仿松球葉片面料的張開時間隨涂層附著率的增加而逐漸增加,各試樣的張開時間在44～51 s的范圍內(nèi)波動;張開角度隨涂層附著率的增加先增大而后減小,總體在73.63°～85.59°的范圍內(nèi)。當(dāng)涂層附著率為66.7%時,仿松球葉片面料的張開角度達(dá)到最大為85.59°。另外,當(dāng)涂層附著率為88.9%時葉片出現(xiàn)反卷現(xiàn)象(干燥狀態(tài)下葉片初始張開角度小于-1°)。

圖13 涂層附著率與張開角度的關(guān)系Fig. 13 Relationship between coating attach rate and opening angle

涂層附著率與葉片平均張開速度及瞬時速度的關(guān)系如圖14所示?？梢钥闯?仿松球葉片的平均張開速度隨涂層附著率的增加而先增大后減小,波動范圍為1.5～1.82(°)/s。當(dāng)涂層附著量比例為66.7%時,仿松球面料的平均張開速度達(dá)到最大為1.82(°)/s,與涂層附著率44.4%(p<0.01)、涂層附著率55.6%(p<0.01)、涂層附著率77.8%(p<0.01)、涂層附著率88.9%(p<0.01)的樣片相比存在顯著性差異。各樣片瞬時張開速度隨時間增加而先增大后減小,在15～20 s左右達(dá)到頂峰,其中涂層附著率為66.7%的樣片最大為2.44(°)/s,隨著時間增加各樣片瞬時張開速度均逐漸減小,最終為1.25(°)/s左右。

圖14 涂層附著率與平均張開速度及瞬時張開速度的關(guān)系Fig. 14 Relationship between coating attach rate and average opening speed and instantaneous speed

涂層附著率與有效張開率的關(guān)系如圖15所示?？梢钥闯?仿松球葉片的有效張開率隨涂層附著率的增加而先增大后減小,在77%～93%的范圍內(nèi)波動。涂層附著率為66.7%與涂層附著率為44.4%(p<0.01)、涂層附著率為55.6%(p<0.01)、涂層附著率為77.8%(p<0.05)、涂層附著率為88.9%(p<0.01)均存在顯著性差異。因此當(dāng)涂層附著率為66.7%時,仿松球面料的葉片有效張開率達(dá)到最大為93%。

從上述涂層附著率對仿松球面料調(diào)濕性能的影響實(shí)驗(yàn)中可知,隨著仿松球面料涂層附著率的增加,仿松球葉片張開時間逐漸增加,張開角度、平均速度和有效張開率都呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象,其中涂層附著率對仿松球葉片的有效張開率和張開速度影響較大。當(dāng)涂層附著率為66.7%時性能最佳,涂層過薄時雖然張開時間較短,但過少的涂層附著量不足以使從動層面料達(dá)到最大張開角度[22],張開速度也會較慢;涂層過厚時不僅吸濕時間長導(dǎo)致張開時間增加,涂層自身的質(zhì)量也會影響其張開性能。

4 結(jié) 論

仿松球面料對濕度的調(diào)節(jié)功能與葉片的張開性能密切相關(guān),葉片的張開時間越短、張開角度越大、張開速度越大、有效張開率越高,仿松球葉片的張開性能越好,則面料的調(diào)濕功能最佳。為達(dá)到最佳葉片張開性能,研究了仿松球葉片縱橫比、葉片方向和涂層附著率對葉片張開性能的影響。

根據(jù)仿松球面料結(jié)構(gòu)因素對濕度調(diào)節(jié)性能的影響實(shí)驗(yàn),仿松球葉片方向的改變對葉片各項(xiàng)張開性能的影響最大,隨著葉片方向與面料經(jīng)向方向的夾角角度的增大,仿松球葉片的各項(xiàng)性能都急速下降直至葉片完全不張開,即完全喪失調(diào)濕功能;仿松球葉片縱橫比和面料涂層附著率的改變對葉片的有效張開率影響較大,其次是對葉片張開速度有一定的影響,對葉片的張開時間和張開角度的影響較小。當(dāng)仿松球葉片縱橫比為65%,葉片方向與從動層面料經(jīng)向方向保持一致,且涂層附著率為66.7%時,仿松球面料的葉片性能達(dá)到最佳,其張開時間為 47 s, 張開角度為85.59°,平均張開速度達(dá)到1.82(°)/s,有效張開率達(dá)到93%。在后續(xù)的仿松球服裝的制作中,需要將上述結(jié)論應(yīng)用到服裝的制作中,而仿松球葉片在服裝上的具體放置位置及放置密度還需要進(jìn)一步的研究。