織物的孔隙特征與透氣透濕性研究

李小倩 劉讓同 耿長軍 胡澤棟 馮 艷

(1.中原工學院，河南鄭州，451191；2.紡織服裝河南省協同創新中心，河南鄭州，451191)

織物中紗線和纖維并非均勻分布，這種非均勻性構造出了大大小小、彎彎曲曲的空間區域，形成孔隙結構。織物內部孔隙的大小及其分布特征直接影響織物的透光、遮光、透水、過濾、透氣、透濕等性能[1-2]。織物孔隙有貫通和閉合之分，介于其間的還有半通孔隙，各種孔隙率的總和是總孔隙率[3]。測試織物孔隙結構的方法有氣體吸附法、壓汞法和圖像法等[4-5]。此前多采用圖像二值法測量織物孔隙率[6-8]，但這種方法只能測試織物的表面孔隙率，對于經緯密大、顏色過深的織物圖像識別具有一定的主觀性，誤差較大。壓汞法可測試的孔徑范圍廣，測試結果不僅可以得到孔隙率，還可以得到織物內部孔徑的大小等參數；汞為非浸潤液體，只能依靠壓力進入織物孔隙中，故利用壓汞法測試的誤差較小，結果較準確[9-10]。本文利用壓汞法分析織物內部的孔隙特征，并探討孔隙率與透氣率、透濕量之間的關系。

1 試驗

1.1 試驗材料與儀器

試驗采用的4種滌綸織物由江蘇某紡織公司提供，其基本結構參數見表1。其中，3#針織物縱密150個線圈/10 cm，橫密200個線圈/10 cm。

試驗儀器有：Keyence vk-x110型激光顯微鏡，AutoPore IV 9500型壓汞式孔隙分析儀，HZK-FA110型電子天平，YG461E-Ⅲ型全自動透氣量儀，W3/031型水蒸氣透過率測試儀，恒溫烘箱等。

表1 織物結構參數

試樣厚度/mm單位面積質量/g·m-2經密/根·(10 cm)-1緯密/根·(10 cm)-11#斜紋織物2#平紋織物3#針織物 4#緞紋織物0.1530.2420.4670.183101.32123.56150.0887.64696690438370288482

1.2 試驗方法

孔隙率測試采用AutoPore IV 9500型壓汞式孔隙分析儀對織物內部的各種孔隙進行測試。在加壓過程中，可以得到浸入織物孔隙中的汞體積與壓力、孔徑等之間的相關曲線，通過分析可以得到織物的孔隙率和孔徑分布等數據[11]。

透氣率測試依據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》。透濕量測試依據GB 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法 杯式法》。

2 結果與分析

2.1 進退汞曲線

通過壓汞試驗可以得到圖1所示的進退汞曲線。

圖1 織物進退汞曲線

從圖1中可以看出，不同織物的進退汞曲線具有相似性，進退汞曲線孔隙滯后環都較大，說明4種織物孔隙結構中貫通孔的比例較大。同時，在進退汞曲線中都出現了兩個拐點，第一個拐點為密封儀在壓汞儀低壓艙時的進汞量，在這個點附近織物的進退汞曲線斜率最大，速率最快，該壓力范圍孔徑大，孔隙較多；在高壓艙中，隨著壓力的增大，汞進入到更微小的孔隙中，當曲線達到第二個拐點后，隨著壓力的不斷增大，織物的進汞量沒有一直增長，最終達到飽和，飽和值即為織物的孔容量。4種織物的孔容量存在差異，很明顯1#斜紋織物的孔容量最小，2#平紋織物的孔容量最大。

2.2 孔隙分布特征

通過壓汞試驗得到圖2所示的孔隙體積增量與孔徑關系曲線圖。為了表征明顯的兩個波峰，分開繪制兩個圖。

(a)第一個曲線波峰

(b)第二個曲線波峰

圖2 孔隙體積增量與孔徑關系圖

該曲線明顯存在兩個波峰，第一個曲線波峰幅度相對比較小，如圖2(a)所示，孔徑在600 nm～10 000 nm之間變化，為纖維之間的孔隙，數量眾多，峰值寬度大，但對于總體積的貢獻率小，峰值高度低。第二個曲線波峰為紗線間孔隙，如圖2(b)所示，其孔徑較大，孔徑在30 000 nm～500 000 nm之間變化，分布沒有纖維間的孔隙廣，但對孔隙總體積的貢獻率大，峰值遠遠高于纖維間的孔隙。

從圖2(a)中可以看出，對于三種機織物，在600 nm～10 000 nm內孔隙體積波峰與孔徑的分布相對比較接近，但平紋出現波峰更早，斜紋滯后，說明在本研究測試試樣中，平紋織物的纖維之間孔隙更小，且三種機織物的孔隙存在差異；針織物的波峰范圍在1 300 nm～12 000 nm，比所有機織物更滯后，且峰值高度最大，說明針織物中纖維之間相對松散，孔隙比機織物大一些。

在圖2(b)表征的大孔隙中，大孔隙數量存在4#緞紋織物>2#平紋織物>1#斜紋織物的趨勢，而3#針織物的大孔明顯較機織物的大且多。

采用霍多特 B B孔隙分類法對織物孔隙進行分類，即：微孔(<10 nm)、過渡孔(10 nm～100 nm)、中孔(100 nm～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。根據所測得的數據及圖2分析可知：織物中以大孔為主。從圖2(a)中可知，2#平紋織物的孔徑在3 000 nm～4 000 nm時達到峰值，孔徑數目最多，其余三種織物孔隙體積峰值在孔徑為4 000 nm～5 000 nm范圍內發生突變,急劇增長并達到一個峰值，峰值高度為2#平紋織物>4#緞紋織物>1#斜紋織物>3#針織物。2#平紋織物的過渡孔與中孔數目相當，占比均為7.69%，其余織物的過渡孔占比為0；這是因為滌綸的縱向形態表面光滑，纖維表面沒有孔洞存在，橫截面為圓形，截面光滑平整，沒有孔隙，所以總孔隙只包括纖維間與紗線間的孔隙。

2.3 織物孔隙率

通過壓汞試驗可以得到表2所示測試結果。由表2可知，1#斜紋織物的孔隙率、總孔面積和孔容相比其他織物小，2#平紋織物的平均孔徑遠遠小于其余三種織物，4種織物的骨架密度相差較小。

根據表2的數據，1#斜紋織物的孔隙率最小，2#平紋織物次之，3#針織物與4#緞紋織物的孔隙率差別不大。

表2 壓汞法測試織物孔隙結果

試樣孔隙率/%總孔面積/m2·g-1孔容/mL·g-1平均孔徑/nm骨架密度/g·mL-11#斜紋織物2#平紋織物3#針織物 4#緞紋織物45.668 958.483 264.967 465.289 40.1760.6530.2600.2900.684 01.084 41.835 01.297 015 546.246 639.3928 239.1617 885.111.228 91.299 11.010 61.450 2

用顯微鏡觀察織物結構形貌如圖3所示。1#斜紋織物經緯密大，結構緊密，孔隙率較其他三種織物明顯小。2#平紋織物的經緯密雖然與1#斜紋織物相差不大，但經緯密不及斜紋，結構也不及斜紋織物的緊密，孔隙率較1#斜紋織物大。3#針織物的線圈密度遠小于機織物，結構相對疏松，孔隙率較大。4#緞紋織物的經緯紗在織物中形成一些單獨、互不連接的組織點，布面幾乎全部由經紗或緯紗覆蓋，經緯紗交織的次數更少，結構疏散，孔隙率較大。

(a)1#斜紋織物

(c)3#針織物

2.4 透氣率透濕量與孔隙率的關系

透氣率與透濕量的測量數據見表3。可以看出，透氣率與孔隙率的相關性比較明顯，總體呈正相關，隨著孔隙率的增大，透氣率也逐漸增強；斜紋的孔隙率最低，透氣性能最差，緞紋的孔隙率最高，透氣性能最好。透濕量與孔隙率也有一定的相關性，但織物的透濕量的大小并不總是與織物的孔隙率大小保持一致性，1#斜紋織物的孔隙率小于2#平紋織物，但透濕量卻優于2#平紋織物。織物的透濕并不只是通過織物間的孔隙，還有纖維自身吸收水氣在織物另一側逸出，以及水氣分子凝結通過毛細管作用傳遞，在水氣壓低處蒸發，所以透濕量并不總是與織物的孔隙率保持一致。

表3 透氣率透濕量與孔隙率的測量數據

試樣透氣率/mm·s-1透濕量/g·[m2·(24 h)]-1孔隙率/%1#斜紋織物2#平紋織物3#針織物 4#緞紋織物 51.99 55.931 509.331 806.332 485.2442 451.4293 584.4493 327.45045.668 958.483 264.967 465.289 4

3 結論

(1)織物的進退汞曲線孔隙滯后環比較大，說明織物中的孔隙之間的連通性較好。

(2)織物的孔隙體積增量與孔徑關系曲線圖存在兩個波峰，第一波峰表征纖維之間的孔隙，其孔徑在600 nm～10 000 nm之間變化，數量眾多，峰值寬度大，但對于孔隙總體積的貢獻率小；第二波峰為紗線間孔隙，在30 000 nm～500 000 nm之間變化，孔徑相對較大，對孔隙總體積的貢獻率大，峰值遠遠高于纖維間的孔隙。總孔隙包括纖維間與紗線間的孔隙。

(3)透氣率與孔隙率總體呈正相關，隨著孔隙率的增大，透氣率也逐漸增強；透濕量與孔隙率具有一定的相關性，但透濕并不只是通過織物間的孔隙，還有纖維自身吸收水汽在織物另一側逸出，以及水汽分子凝結通過毛細管作用傳遞，在水汽壓低處蒸發，所以透濕性并不總是與織物的孔隙率保持一致。