紗線與組織結(jié)構(gòu)對機(jī)織物涼爽性能影響

李勇翰 劉燕 柏志豪 張瑞云 王怡怡 杜立新

摘要：通過優(yōu)選搭配不同功能的涼爽纖維，開發(fā)出一款夏季輕薄涼爽機(jī)織物。選擇滌綸/薄荷纖維混紡紗作為經(jīng)紗，選用不同錦綸纖維作為緯紗，選擇平紋、斜紋、緞紋為織物組織，制備出了12種樣品，探究不同緯紗和織物組織結(jié)構(gòu)對面料熱濕舒適性能的影響。結(jié)果表明，12種樣品中緞紋織物熱濕傳遞性能最好；平紋織物接觸瞬間涼感較好；涼感錦綸確實(shí)增加了織物的涼爽性能，但是在結(jié)構(gòu)較為緊密的組織中濕傳遞性能卻較差；細(xì)旦錦綸的熱濕傳遞性能與涼感錦綸相近，但透氣性能較差；十字形截面錦綸在濕傳遞性能上較好，但是導(dǎo)熱性較差。

關(guān)鍵詞：涼爽織物；熱濕舒適性；錦綸；機(jī)織物

中圖分類號：TS106.5?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2024）01-0080-08

Impact of yarns and weave structures on the coolness of woven fabrics

Abstract∶A lightweight and cooling woven fabric for summer was developed by selecting and combining different cooling fibers. Twelve samples were produced by selecting polyester/mint blended yarn as warp yarn， nylon fiber as weft yarn and plain， and twill and satin as fabric weave to investigate the impact of different weft yarns and fabric structures on the thermal and moisture comfort properties of the fabrics. The results showed that twill and satin fabrics had better thermal and moisture transfer performance; plain weave fabrics provided a good cooling sensation upon contact; cool nylon indeed enhanced the cooling of the fabric， but it showed poor moisture transfer performance in tightly woven structures. Micro-denier nylon had similar thermal and moisture transfer performance to cool-feel nylon but had lower air permeability and cross-sectional nylon had better moisture transfer performance but lower thermal conductivity.

Key words∶cooling fabric; thermal and moisture comfort; nylon; woven

服裝的溫度舒適性來自于人體-服裝-環(huán)境間的熱濕耦合作用，在暑熱的條件下，涼爽紡織品具有良好的微氣候調(diào)節(jié)作用，既可以促進(jìn)人體熱量的散失，還能及時吸收皮膚表面的水分并且傳遞到大氣中，以維持服裝內(nèi)微氣候的溫濕度適中。因此涼爽織物在夏季服裝市場上越來越受到歡迎。

涼爽面料的開發(fā)技術(shù)路線主要有3種：一是使用本身具有涼感的纖維，如賀建國等[1]采用涼感滌綸長絲和普通滌綸長絲，在針織圓機(jī)上制備出兩種雙面組織，實(shí)測接觸瞬間涼感值分別為0.259 W/cm2和0.203 W/cm2，均大于國標(biāo)要求的0.15 W/cm2；或先通過物理或化學(xué)改性制備可實(shí)現(xiàn)涼感功能的纖維，如盧艷萍等[2]利用濕法紡絲法制備出氮化硼/亞麻涼感纖維，測得添加了60%的氮化硼顆粒紡絲液的導(dǎo)熱系數(shù)為0.31 W/（m·K），比未添加氮化硼的溶液的導(dǎo)熱系數(shù)提高了82.2%，制備出了可紡性優(yōu)良的涼感纖維。二是通過織物組織和結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)面料的涼爽效果，如陸艷[3]利用平紋泡泡組織不貼身、空氣流動性好、散熱好的優(yōu)點(diǎn)，采用羊毛/薄荷/天絲混紡紗，制備出了輕薄涼爽的夏季西服面料。三是通過織物的后整理賦予面料涼爽功能，如蔡永東等[4]選用了3種涼感整理劑進(jìn)行復(fù)配，對圣麻/合金鍺織物進(jìn)行涼感整理，整理后面料比未整理前溫度下降了3～4 ℃，水洗10次之后溫度還能下降3 ℃。但是第三種方法獲得的面料隨著洗滌次數(shù)的增加不能保持長久有效的涼爽效果，所以選擇不同功能的涼爽纖維進(jìn)行織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計是獲得涼爽面料的最佳方式。

通過分析前文的制備方法我們可知，涼感纖維具有高導(dǎo)熱系數(shù)，不會受到使用次數(shù)的影響，涼感效果有較好的持久性，通過合理的織物組織設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)更好的吸濕導(dǎo)濕效果，能夠在夏季炎熱時將人體的熱量和汗液傳導(dǎo)到外界，保證人體涼爽舒適。錦綸纖維在常用纖維中具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)（0.244～0.337 W/（m·K）），同時吸濕性較好，而涼感錦綸中加入了導(dǎo)熱母粒，導(dǎo)熱性進(jìn)一步提高，異形截面錦綸纖維的吸濕導(dǎo)濕性能得到進(jìn)一步提升。因此本文主要選用不同的錦綸纖維，搭配其他涼感纖維和吸濕性纖維，對不同錦綸織物熱濕舒適性能，以及織物組織結(jié)構(gòu)對織物吸濕導(dǎo)濕的影響進(jìn)行研究分析，以期通過簡單易行的方法制備出散熱性能和吸濕導(dǎo)濕性能優(yōu)良的夏季涼爽織物。

1 試樣織造

1.1 紗線

織物所用經(jīng)紗均為滌綸短纖維和薄荷纖維混紡，混紡質(zhì)量比為6：4，混紡紗線密度為60 s（9.72 tex），經(jīng)紗來源于山東魯泰紡織股份有限公司。緯紗選用4種錦綸紗線，緯紗1為普通錦綸70 D/48 F（7.78 tex），緯紗2為涼感錦綸70 D/48 F，緯紗3為十字形錦綸70 D/48 F，緯紗4為細(xì)旦錦綸70 D/136 F，緯紗均來源于福建錦江科技有限公司。

1.2 織物

選用平紋組織、2/1右斜紋組織、5/3經(jīng)面緞紋組織織造12種面料，整理方式為半成品退漿。每種組織為一組，同組面料采用共軸織造保持相同張力，經(jīng)紗均選用滌綸/薄荷纖維混紡紗，緯紗選用上述4種緯紗，結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

2 測試方法

當(dāng)人體處于溫度隨時變化的環(huán)境中時，織物要保證人體-服裝間的微氣候狀態(tài)能使人體獲得熱濕生理性舒適，所以織物應(yīng)該在氣傳遞、熱傳遞、濕傳遞上有不同的能力表現(xiàn)，表征這3種傳遞能力的指標(biāo)分述于下。測試之前所有樣品均在溫度（20±2） ℃，相對濕度65%±2%的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下調(diào)濕48 h。

2.1 透氣性

透氣性是指空氣透過織物的性能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997[5]進(jìn)行測試，在規(guī)定的面積、壓差下，測量一定時間內(nèi)通過試樣的垂直氣流流量，計算透氣速率。

2.2 熱傳遞性能

2.2.1 熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2018[6]進(jìn)行測試。熱阻是指在織物兩側(cè)設(shè)定的溫度差與通過織物有效傳熱面的顯熱熱流的比值，熱流越大，織物熱阻就越低。熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)是同一事物熱傳遞性的互補(bǔ)描述方法。

式中，k是織物的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；d是織物的厚度，m; ‘R是織物的熱阻， （m2·K）/W。

熱阻與體積質(zhì)量間的關(guān)系方程如下[7]

式中，δ是織物的體積質(zhì)量，g/cm3。由式（2）可知織物體積質(zhì)量越小，熱阻越低。

2.2.2 接觸瞬間涼感

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35263—2017[8]將織物與熱檢測板以一定壓力接觸時的最大熱流密度定義為接觸瞬間涼感值qmax，當(dāng)載樣臺和熱檢測板的溫差為15 ℃時，若qmax≥0.15 W/cm2，則樣品具有接觸瞬間涼感性能。

2.3 濕傳遞性能

2.3.1 芯吸高度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01071—2008[9]進(jìn)行測試。垂直懸掛的織物一側(cè)被液體浸潤后，在30 min時水分沿織物上升的高度定義為芯吸高度。

2.3.2 透濕量

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12704.1—2009[10]進(jìn)行測試。在規(guī)定的時間內(nèi)，試樣兩面保持規(guī)定的溫濕度條件下，垂直通過單位面積試樣的水蒸氣質(zhì)量定義為透濕量。

3 結(jié)果與分析

3.1 透氣性

氣流穿過織物的路徑有3條，主要通過紗線間的間隙，其次是紗線內(nèi)纖維間的孔隙和纖維內(nèi)部的孔隙。如圖1所示，織物透氣性按從大到小排序?yàn)榫劶y、斜紋、平紋。這是因?yàn)?，對?種不同組織來說，隨著織物組織浮長線的增加，紗線交織次數(shù)減少，紗線間間隙也隨之增加。

3種組織中十字形截面織物和細(xì)旦織物透氣性均有所減小。十字形截面的纖維由于表面的溝槽結(jié)構(gòu)加大了紗線纖維間孔隙的復(fù)雜程度，當(dāng)氣流從織物中穿過，氣流分子與纖維間的碰撞增多，流速減慢，進(jìn)而透氣率減小[11]，說明纖維截面異形化會影響織物的透氣性。細(xì)旦多孔錦綸紗線內(nèi)纖維根數(shù)多，相同粗細(xì)的紗線，其纖維的覆蓋面積大，因此紗線內(nèi)纖維間的間隙最小，當(dāng)氣流通過時會受到較大的阻力，因此透氣率較小，說明較細(xì)的纖維會影響織物的透氣性。涼感錦綸在熔融紡絲時加入了亞納米粒徑的玉石母粒，當(dāng)氣流通過時會受到母粒的阻礙，影響織物透氣率。

3.2 熱傳遞性能

3.2.1 熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)

織物熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果如圖2所示，緞紋織物熱阻最低，平紋織物和斜紋織物相差不大。體積質(zhì)量是單位體積的織物所具有的質(zhì)量，體積質(zhì)量越小，織物結(jié)構(gòu)越松散，孔隙率越大。而存在于織物紗線之間和紗線內(nèi)纖維之間的孔隙組成了織物傳導(dǎo)熱量的空氣通道，當(dāng)空氣流動時，增加了對流導(dǎo)熱，會帶走大量的熱量?？椢锟紫堵试酱?，流動的空氣就會越多，因此熱阻越低。根據(jù)表1緞紋織物的體積質(zhì)量明顯小于平紋和斜紋，因此緞紋織物的熱阻較低。

川端季雄[12]對多種纖維的熱阻進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)纖維橫向熱阻和軸向熱阻的比值為2.91～41.67，由此可見熱流在織物進(jìn)行傳遞時具有各向異性，并且主要沿著纖維或者紗線的軸向傳遞。熱量主要通過機(jī)織物中的傳熱通道進(jìn)行傳遞，不同機(jī)織物組織由于交織長度和交織次數(shù)不同，導(dǎo)致熱量在織物中傳遞時的通道數(shù)目和通道長度不同，通道越長，熱阻越大，通道數(shù)越多，熱阻越低。對于平紋、斜紋、緞紋組織來說，通道長度是相近的，區(qū)別在于通道數(shù)目。一個組織單元內(nèi)通道數(shù)目按從大到小排序?yàn)榫劶y、斜紋、平紋，各組織的熱阻為各條通道熱阻的并聯(lián)，并聯(lián)的通道個數(shù)越多，熱阻越小[13]。因此緞紋的熱阻最低。

由圖2可知，4種織物導(dǎo)熱系數(shù)從大到小排序?yàn)闆龈绣\綸織物、細(xì)旦錦綸織物、普通錦綸織物、十字形截面錦綸織物。對于不同材料相同組織結(jié)構(gòu)的織物來說，涼感錦綸中添加了高導(dǎo)熱系數(shù)的母粒，在4種紗線中導(dǎo)熱系數(shù)最高，有更好的熱傳遞性能，說明涼感母粒的添加有利于織物導(dǎo)熱系數(shù)的提高；細(xì)旦錦綸紗線內(nèi)纖維根數(shù)為其他紗線的2.8倍，相同的空間內(nèi)導(dǎo)熱纖維根數(shù)多，靜止空氣含量少，傳導(dǎo)熱量較多，導(dǎo)熱系數(shù)高，說明細(xì)度小的纖維比細(xì)度大的纖維具有更好的熱傳導(dǎo)性能；十字形截面錦綸因?yàn)槔w維縱向存在溝槽結(jié)構(gòu)，因此紗線中纖維與纖維間容易儲存靜止空氣，影響織物傳導(dǎo)熱量，說明圓形截面纖維比異形化截面纖維具有更好的導(dǎo)熱性能。

3.2.2 接觸瞬間涼感

圖3為織物的接觸瞬間涼感qmax測試結(jié)果。如圖3所示，緞紋組織qmax值最小，斜紋略高于平紋。3種不同組織物均具有優(yōu)良的接觸瞬間涼感效果，其中最小值高于標(biāo)準(zhǔn)值176%?？椢飳?dǎo)熱系數(shù)是決定瞬間接觸涼感最主要的因素，導(dǎo)熱系數(shù)越大，織物與探頭接觸時瞬間熱流量就越大，qmax就越大?？椢镒鳛槎嗫撞牧?，導(dǎo)熱系數(shù)不僅僅只與本身的組成材料有關(guān)，還與織物孔隙中的靜止空氣的含量有關(guān)。

對于不同組織結(jié)構(gòu)相同材料的織物來說，緯紗浮長線越短，織物交織結(jié)構(gòu)越緊密，儲存的靜止空氣就會越少，同時織物表面就會越平整，與接觸冷暖感測試儀探頭的接觸面積越大，qmax越大；緯紗浮長線越長，緯紗與探頭接觸面積越大，因?yàn)榫暭唽?dǎo)熱系數(shù)高于經(jīng)紗，qmax越大。對于緞紋來說，緯紗浮長線最長，雖然與探頭接觸面積增大，但儲存的靜止空氣太多，并且布面不如平紋平整，前者占據(jù)主導(dǎo)因素，因此qmax最低。平紋雖然經(jīng)緯組織點(diǎn)間隔分布，但是交織結(jié)構(gòu)緊密，表面平整，儲存靜止空氣較少，同時經(jīng)紗也有接觸涼感效果，因此接觸涼感比緞紋好。斜紋浮長線長短介于平紋、緞紋之間，兩個因素綜合作用，接觸涼感最好。

紗線對織物接觸瞬間涼感的影響同紗線對織物導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律一致。

3.3 濕傳遞性能

3.3.1 芯吸高度

芯吸高度可以表征織物傳遞水分的能力，如圖4結(jié)果所示，不同組織結(jié)構(gòu)的芯吸性能具有顯著差異，芯吸高度從高到低排列為緞紋織物、斜紋織物、平紋織物。芯吸高度越高說明織物傳導(dǎo)液態(tài)水能力越強(qiáng)，斜紋和緞紋織物均滿足國標(biāo)要求的機(jī)織物芯吸高度≥90 mm，吸濕性能優(yōu)良?？椢镏械目紫秾σ簯B(tài)水的傳遞、轉(zhuǎn)移、輸送有決定性影響[14]，對于不同組織結(jié)構(gòu)相同材料的織物來說，緞紋組織交織點(diǎn)次數(shù)少，浮長線更長且分布密集，使得織物紗線間的縫隙孔洞更疏松，水分更容易進(jìn)入到織物內(nèi)部，傳輸更加容易，毛細(xì)效應(yīng)更加明顯，芯吸高度更高。

圖4結(jié)果所示，對于任意織物來說，經(jīng)向芯吸高度大于緯向芯吸高度。因?yàn)榻?jīng)紗中含有薄荷纖維，使得經(jīng)紗親水性更好，與液態(tài)水接觸后接觸角更小，毛細(xì)管壓力大，水分自身內(nèi)聚力小于纖維與水分間的附著力[15]，水分容易沿著毛細(xì)管上升，芯吸高度高。

對于不同材料相同組織結(jié)構(gòu)的織物來說，不同緯紗制備織物的芯吸能力從大到小排序?yàn)椋菏中谓孛驽\綸、普通錦綸、涼感錦綸、細(xì)旦錦綸。這是因?yàn)?，十字形截面錦綸纖維沿縱向有4條溝槽，增強(qiáng)了纖維的毛細(xì)管效應(yīng)，使得水分遷移傳輸更加容易，因此芯吸高度最高，說明纖維截面的異形化有利于織物形成更強(qiáng)的毛細(xì)管效應(yīng)。圓形截面紗線織成的織物的毛細(xì)張力是由纖維間的孔隙產(chǎn)生的，細(xì)旦錦綸紗線內(nèi)纖維間孔隙較小，因此織物的毛細(xì)效應(yīng)較差，芯吸高度更低。涼感錦綸纖維中添加了不吸水的玉石顆粒，紗線親水性變差，影響了紗線傳導(dǎo)液態(tài)水的能力，因此織物芯吸高度較低。

3.3.2 透濕量

織物透濕性指的是濕氣透過織物，將汗液傳導(dǎo)到外界，是人體出汗散熱時織物維持服裝-皮膚間微氣候熱濕平衡的能力。如圖5結(jié)果所示，緞紋透濕性最大。由織物透氣、芯吸結(jié)果分析可知，織物孔隙從大到小排序?yàn)榫劶y、斜紋、平紋，因此對于不同組織結(jié)構(gòu)相同材料的織物來說，緞紋透濕量最大，并且滿足國標(biāo)要求機(jī)織物透濕量≥8 000 g/（m2·d），速干性能優(yōu)良。

對于不同材料相同組織結(jié)構(gòu)的織物來說，平紋織物普通錦綸A1透濕量大于涼感錦綸A2，斜紋織物普通錦綸B1透濕量大于涼感錦綸B2，而緞紋織物普通錦綸C1透濕量小于涼感錦綸C2，原因可能是涼感錦綸在熔融紡絲時加入了亞納米粒徑的玉石母粒，使得纖維內(nèi)孔隙變多，水分更加容易通過孔隙透過織物，因此透濕量大于普通錦綸，但是平紋和斜紋織物交織較為緊密，經(jīng)紗吸濕膨脹會擠壓緯紗，密閉孔隙，導(dǎo)致濕氣阻力和通道阻力增加[14]，織物透濕量下降。

平紋織物普通錦綸A1透濕量大于十字形截面錦綸A3，斜紋織物透濕量排序?yàn)槠胀ㄥ\綸B1透濕量大于十字形截面錦綸B3，而緞紋織物普通錦綸C1透濕量小于十字形截面錦綸C3，原因可能是十字形截面錦綸纖維沿縱向有4條溝槽，增強(qiáng)了纖維的毛細(xì)管效應(yīng)，使得纖維吸濕性增強(qiáng)，不利于織物的透濕。但緞紋織物中紗線交織次數(shù)少，紗線間孔隙大，濕氣主要從紗線間的間隙通過，因此纖維的影響可以忽略。

4 結(jié)論

為研究組織結(jié)構(gòu)和不同緯紗對織物熱濕舒適性的影響，選擇4種不同的錦綸作為緯紗，選擇滌綸/薄荷纖維混紡紗作為經(jīng)紗，選擇3種簡單組織，制備出了12種織物，對其氣傳遞、熱傳遞和濕傳遞性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，組織結(jié)構(gòu)和紗線成分對熱濕舒適性有明顯影響。

對于同種紗線不同組織結(jié)構(gòu)來說，緞紋組織交織點(diǎn)次數(shù)少，浮長線更長且分布密集，織物孔隙更多，因此透氣性、導(dǎo)熱系數(shù)、芯吸、透濕量均是最優(yōu)，平紋組織交織結(jié)構(gòu)緊密，表面平整，接觸瞬間涼感較好。斜紋處于兩者之間。對相同組織結(jié)構(gòu)不同紗線的織物進(jìn)行分析，涼感錦綸確實(shí)增加了織物的涼爽性能，但是在結(jié)構(gòu)較為緊密的組織中濕傳遞性能卻較差；細(xì)旦錦綸的熱濕傳遞性能與涼感錦綸相近，但透氣性能較差；十字形截面錦綸在濕傳遞性能上較好，但是由于纖維之間會儲存空氣導(dǎo)熱性又較差。

整體來看，涼感錦綸織造的斜紋織物和細(xì)旦錦綸織造的斜紋織物的接觸瞬間涼感最好，人體與織物接觸后能瞬間獲得冰涼的感覺。涼感錦綸織造的緞紋織物和細(xì)旦錦綸織造的緞紋織物的熱濕舒適性最好，當(dāng)人體出汗時汗液能夠及時導(dǎo)出蒸發(fā)并且?guī)ё呷梭w熱量。

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