基于孔徑分布圖的高密織物防水透濕性能

于 磊， 蔡東照， 黃機質

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

高密防水透濕織物[1-2]是一種基于織物組織結構與拒水整理相結合的紡織品。前人通過改變織物密度、紗線直徑等結構參數研究織物的防水透濕性能[3-4]，但通過織物中的孔徑及其分布研究織物防水透濕報道較少[5]。本文基于孔徑分布圖測試并研究織物防水透濕性能。

孔徑分布圖[6]可表示織物中存在的各級孔徑及其百分比。徐廣標等[7-8]研究了精紡毛型織物的孔徑分布特征，探討了織物中孔徑與透氣性的關系發現，平均孔徑、最小孔徑與織物透氣量相關性顯著。吳海軍等[9]分析了保溫材料的孔徑分布圖，研究了孔徑對熱傳遞性能的影響指出，大孔在實際流體的透過中貢獻較大。齊宏進等[10]通過自制實驗裝置測定棉織物中毛細孔徑分布指出，織物的經、緯密對孔徑及分布有顯著的影響。狄劍鋒等[11]測定棉混紡物的毛細孔半徑分布，討論了不同原料、密度對孔徑分布圖中各分布區的影響。Helmut等[5]從孔徑分布圖得出，拒水處理的棉織物，在一定濕度下，纖維會膨脹，堵塞織物中孔隙，孔徑分布圖與透氣、防水的定量關系有待進一步研究。

本文研究采用異收縮滌綸復合絲織物，通過改變熱處理溫度，使復合絲產生蓬松，達到縮小織物中復合絲間的孔徑以增強防水性，同時增加絲內孔隙以提高透濕性的目的，從測試得到的孔徑分布圖中，研究其與織物防水透濕的關系，提出一種新的研究與表征方法。

1 實驗部分

1.1 原 料

異收縮滌綸復合絲平紋織物：其中高低收縮絲的沸水收縮率分別為21.7%和10.2%；高低收縮絲線密度比為1∶1.1。德國RUDOLF CHEMIE 公司生產的RUCO-DRY ECO牌無氟拒水劑。

1.2 實驗儀器

主要有：CFP-1100-AEX型毛細管流動孔隙儀； YG(B)812-120型織物滲水性測定儀；YG601-Ⅱ電腦式織物透濕儀；DGG-9070B型電熱恒溫鼓風干燥箱； DZG-6050D型臺式真空干燥箱；恒溫水浴鍋。

1.3 實驗方法

收縮整理：取4組大小相同的織物，分別在70、80、90、100 ℃的水浴鍋中恒溫處理10 min，然后取出織物樣品。

織物整理：將織物浸軋整理液(帶液率為80%)，于105 ℃下干燥2 min、180 ℃下焙烘1 min得到樣品。

1.4 性能測試

孔徑測試：參照ASTM E1294—89(1999)《過濾材料孔徑特性標準試驗方法》，樣品浸泡在Porewick溶液中5 min后在孔隙儀上測得壓力與流量的變化曲線，通過ASTM標準計算得到孔徑及其分布圖。

耐靜水壓和透濕性：參照GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價靜壓法》和GB/T 12704—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分吸濕法》測試。

2 結果與討論

2.1 收縮整理對孔徑分布圖的影響

織物中的高收縮絲收縮引起低收縮絲拱起，復合絲產生蓬松使絲間孔徑減小，低收縮絲的進一步收縮使絲內孔隙增加，從不同溫度處理的織物孔徑分布圖(如圖1所示)，可研究并表征這一現象。

參照文獻[11]的命名方法，將所測5張圖從右到左劃分為平臺區、緩增區、頂峰區、緩減區，如圖1(a)原樣孔徑分布圖中所標示。本文的平臺區指孔徑分布中的大孔徑區，其中每級孔徑所占百分比基本相同，可表征織物中復合絲間孔徑；頂峰區指孔徑百分數占比最大區，一定條件下可表征復合絲內孔隙；緩增區和緩減區為孔徑變化過渡區。

圖1(b)為原樣70 ℃收縮后孔徑分布圖，對比圖1(a)和(b)，原樣經70 ℃處理后，平臺區孔徑分布范圍由66 μm減小到50 μm，占比由18.1%減小到了12.3%，說明平臺區部分大孔縮小；而頂峰區孔徑分布范圍、孔徑百分比和最大孔徑都沒有明顯的變化，說明70 ℃時原樣中孔徑沒有產生實質性減小。

圖1(c)為原樣于80 ℃下收縮后孔徑分布圖，對比圖1(b)可看出，4個區段孔徑分布范圍和最大孔徑都明顯減小，說明80 ℃處理后孔徑產生實質性減小。

溫度升高到90 ℃，樣品孔徑分布如圖1(d)所示，平臺區與緩增區的孔徑百分比明顯減小，而頂峰區與緩減區的明顯增加，說明織物中的高收縮絲收縮引起低收縮絲拱起，復合絲產生蓬松使絲間大孔減小，低收縮絲的進一步收縮使絲內小孔隙增加。

圖 1 不同處理溫度的孔徑分布圖Fig.1 Different processing temperatures of pore size distribution. (a) Original sample fabric; (b) 70 ℃; (c) 80 ℃; (d) 90 ℃; (e) 100 ℃

溫度升高到100 ℃的孔徑分布見圖1(e)，平臺區范圍可看成90 ℃的平臺區、緩增區、頂峰區3個區的合并，范圍減小到只有21 μm，百分比只有8.9%；而2 μm的頂峰區百分比高達76.8%；最大孔徑從73.8 μm大幅減小到31.1 μm。圖1(e)結果表明，原樣達到沸水收縮溫度時復合絲間孔徑大幅減小，絲內小孔比例大幅增加。

2.2 孔徑分布圖積分對織物透濕性的影響

孔徑分布圖下面積可認為是不同孔徑的孔數之和，與織物透濕量密切相關。為此，將孔徑分布圖采用高斯曲線模擬。設模擬函數為f(x)，函數曲線見圖1。函數f(x)在最小孔徑T與最大孔徑M之間的面積S為：

式中，A、y0、w、xc為常數，由模擬函數給出。

表1示出MatLab軟件計算得出的各區域積分面積，與實測透濕量值比較作圖，結果見圖2。圖中表明，透濕量與總積分面積正相關，而從表1可看出，緩增區與頂峰區占總積分面積比例最大，而且從圖2中也可看出，緩增區與頂峰區的積分面積也與透濕量呈正相關，說明孔徑分布圖中緩增區和頂峰區對透濕性起主導作用。

表1 積分區域面積參數Tab.1 Integral area parameters

圖2 總積分面積與透濕量關系圖Fig.2 Relationship between area and water vapour transmission rate

2.3 孔徑分布圖與織物防水性的關系

Laplace方程研究了滲透壓力與孔徑的關系，孔徑越小，滲透所需的壓力越大。將織物中的微孔簡化為圓形毛細管，則毛細管Laplace方程如下式

式中：△p為滲透所需壓力；γLA為20 ℃時水的表面張力0.072 5 N/m；θ為接觸角；r為孔隙半徑。若將織物表觀接觸角145°與最大孔徑31.1 μm代入上式計算發現，Laplace方程計算得出的耐水壓值4.1 kPa大于實測值3.9 kPa，推測是因為當織物受到一定的水壓時，織物表面會發生擠壓，孔徑變大，導致實測耐水壓值偏小。

3 結 論

1)高密防水透濕織物的孔徑分布圖呈現左偏不對稱分布，從右至左分為表征織物中復合絲間孔徑的平臺區、緩增區、表征復合絲內孔隙的頂峰區、緩減區。隨著復合絲的收縮，各區域有合并的趨勢，原樣收縮最大的孔徑分布圖表明此時復合絲間的孔徑大幅減小，絲內小孔比例大幅增加。

2)孔徑分布圖中緩增區和頂峰區也就是小孔的量對透濕性起主導作用。

3)孔徑分布圖中平臺區也就是復合絲間的大孔對織物的防水性影響最為顯著。

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