聚酰亞胺纖維及其織物保暖性能研究

洪 杰 劉梅城 龔蘊玉 姜 生 徐海燕

（1.江蘇工程職業技術學院，江蘇南通，226001；2.泉州師范學院，福建泉州，362000）

聚酰亞胺纖維是一類在主鏈上含有酰亞胺環的高分子聚合物，并因其芳香結構的穩定性，具有諸多優異性能，如優異的力學性能、耐高溫、耐低溫、耐化學性能等。在過濾、阻燃、防護等領域有廣泛的應用，同時在近些年基于該纖維具有優異的保溫隔熱性能這一特點，亦將其開始應用于民生領域［1?2］，如將聚酰亞胺纖維與其他原料混紡，推出設計時尚的毛衣產品［3?4］。

在當前已公開的文獻中，楊莉等制取了一系列的聚酰亞胺針織物，通過比對認為其保暖隔熱性能顯著優于羊毛織物，并就針織結構及度目值對保暖性能的影響進行了分析［5］。方國平等將聚酰亞胺短纖（又稱軼綸95）紡成18 tex純聚酰亞胺短纖紗，再制成針織汗布，其保溫率達78%，但基于實際使用考慮，將聚酰亞胺短纖與其他纖維混紡，分別制取了安芙麗/聚酰亞胺/棉/麻賽爾30/30/20/20 14.5 tex混紡紗和安芙麗/聚酰亞胺/棉40/30/30 18 tex混紡紗，制取的系列針織物的保溫率均在35%以上［6］。謝焓等制取了聚酰亞胺纖維絮片、聚酰亞胺與中空滌綸混合絮片，其保暖性遠高于近似單位面積質量的羊絨纖維絮片和竹炭纖維絮片［7］。劉艷春等對聚酰亞胺織物進行羧基化改性后，綜合考慮熱阻和濕阻，認為織物的保暖性能沒有明顯下降［8］。在楊軍杰等的文中也提及用聚酰亞胺短纖制取的絮片保暖性整體優于滌綸、羊絨絮片［9］。在劉朝等的文中則設計制取了一種聚酰亞胺、錦綸、氨綸三組分褲襪，經測試其保溫率達40.2%［10］。

在聚酰亞胺短纖產品保暖性能研究中，多為針織物和絮片類，對于機織物及其填充結構類產品的設計及保暖性能系統研究較少。本研究將在前期以聚酰亞胺14.5 tex短纖紗制取機織物的基礎上［11］，進行雙層單填充結構和三層雙填充結構設計，并填充不同的纖維［12］，對聚酰亞胺短纖織物填充結構的保暖性能進行較為系統的研究。

1 試驗方案

1.1 試驗用材料

所用聚酰亞胺織物組織為平紋，為了后續設計填充結構中避免填充纖維的鉆出，設計經緯密度為524根/10 cm×394根/10 cm（133根/英寸×100根/英寸），幅寬為40 cm，織造使用的為SGA 598型全自動劍桿織樣機。同時制取了織物組織結構參數相同的純棉織物，所用純棉14.5 tex紗為南通紡織控股集團紡織染有限公司生產。

在本研究填充結構中所使用的各類纖維基本情況見表1。

表1 用于填充結構的纖維基本情況

1.2 填充結構設計與測試

在獲得聚酰亞胺織物后，先對織物保暖性能進行測試，而后進行了雙層單填充結構設計，在對雙層單填充結構的保暖性能進行測試后，再進一步進行了三層雙填充結構設計，具體的填充結構設計方案及纖維填充量見表2［13］。在填充結構中填充纖維時，注意要確保纖維填充均勻，同時盡量避免壓縮纖維，以使得所填充纖維在結構中處于充分蓬松狀態。各填充結構層間采用四周縫合。在表2聚酰亞胺和鴨絨、鵝絨組合的三層雙填充結構中，采取的是單填充聚酰亞胺和單填充鴨絨、單填充鵝絨組合形成雙填充的方式。

表2 聚酰亞胺織物及其填充結構設計方案

對織物及其填充結構保暖性能進行測試時，所采用的標準為GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發熱板法）》。制樣尺寸為30 cm×30 cm，所用儀器為溫州市大榮紡織儀器有限公司生產的YG（B）606E型織物保溫性能測試儀。

2 結果分析

2.1 織物保暖性能

所制取聚酰亞胺織物的保暖性能測試結果見圖1。從圖1中可知，相比純棉織物，聚酰亞胺織物的保暖性能優異，其熱阻值為純棉織物的2.33倍。這是由于纖維結晶度高、結構有序則導熱系數越大［14］，棉的結晶度在 70% 及以上［15?16］，而聚酰亞胺短纖的結晶度只有不到20%［17］，因此聚酰亞胺的導熱系數低于棉的導熱系數，所以聚酰亞胺織物的保暖性優于純棉織物。

圖1 織物的熱阻值

在將聚酰亞胺織物通過疊合平鋪為雙層、三層時，通過圖1可知其熱阻值提高顯著，分別為單層時的2.79倍和3.93倍，而非簡單的2倍或3倍于單層織物的關系，保暖性能更加優異。這主要是一方面織物層數增加，會使熱阻值提高，另一方面在處理為雙層、三層時，在測試中雖然力求織物處于平整狀態，但層間仍會存有一定的空隙，由此靜止的導熱系數僅0.026 W/（m·℃）的空氣的存在，會有助于其保暖性能的進一步提升。這也表明聚酰亞胺織物適于開發設計用于防寒保暖類的填充結構產品。

2.2 雙層單填充結構保暖性能

以聚酰亞胺織物為基礎，根據表2方案所設計的各種雙層單填充結構產品的保暖性能測試結果見圖2。

圖2 雙層單填充結構的熱阻值

通過圖2可看出，整體上填充羽絨時的雙層單填充結構其保暖性能最優，填充聚酰亞胺短纖的次之，填充常規粘膠纖維的相對最小。與此同時對各填充結構的厚度進行了測量，填充物分別是粘膠1.5 dtex×38 mm、聚酰亞胺2.2 dtex×38 mm、聚酰亞胺2.2 dtex×51 mm、聚酰亞胺1.6 dtex×51 mm、鴨絨、鵝絨時，厚度分別為13 mm、17 mm、14 mm、17 mm、19 mm、21 mm。

在圖2所示的各種雙層單填充結構中以填充羽絨的保暖性能最優，這是因為一方面羽絨在三類填充纖維中的導熱系數最小，另外一方面，從填充結構厚度上看，填充羽絨時其整體最為蓬松，因此填充結構中所含靜止空氣也更多。而鵝絨相比鴨絨，其絨核較小，絨枝較長，絨小枝也較長而細且分布較密，另外絨小枝中的節點小而多且分布更均勻，這均有助于結構的蓬松和保暖，因此填充鵝絨時其厚度會更厚熱阻值也更高［18］。

相比在保暖性次之的填充聚酰亞胺短纖結構中，可看出所填充聚酰亞胺短纖的線密度和長度均會對填充結構的保暖性能產生影響，根據圖2中的結果認為填充用的聚酰亞胺短纖以偏細、偏短為宜。這是因為在其他條件相同之下，填充的纖維相比越細，則其比表面積更大，可使得填充結構中含有更多的靜止空氣，而空氣的導熱系數小，使得保暖性能得以提升。而對于纖維長度，在相同填充量、相同纖維線密度時，纖維越短，在纖維集合體內的纖維總根數越多，因此填充結構空間中所含靜止空氣被劃分為更細密的小空間，使得空氣流動性減小，對流傳導性下降，因此其保暖性能更優［19］。

而粘膠因其導熱系數在所填充的三大類纖維中最大，雖然所用的粘膠相對細短，然而粘膠纖維的彈性較差，由測試的厚度值可知其填充后較為密實，因此纖維集合體中存有的靜止空氣也更少，使得填充結構產品的保暖性能相比最差。

2.3 三層雙填充結構保暖性能

在雙層單填充結構基礎上所設計的三層雙填充結構產品其保暖性能測試結果見圖3。結合圖2和圖3，可知在填充量保持為9 g不變的情況下，三層雙填充結構的保暖性能進一步提升。這是因為一方面聚酰亞胺織物層數有增加，另一方面增加了一層織物使阻隔空氣流動的效應更好，均有助于保暖性能提升，但同時織物層數的增加會使三層雙填充結構中的下層受壓增大，使得其中所填充纖維集合體變得相對密實，不利于結構保暖性的提升，但綜合之下層數增加和阻隔效應作用更為顯著，使得最終的保暖性能進一步提升。

圖3 三層雙填充結構的熱阻值

在三層雙填充結構中將填充量加大至18 g時，從圖3可看到填充結構產品的保暖性能更加優越。對于填充18 g粘膠的三層雙填充結構，其保暖性能優于雙層單填充結構中填充9 g鴨絨這一設計。同時在三層雙填充結構中，以雙層單填充結構中保暖性能最優的一種聚酰亞胺短纖（2.2 dtex×38 mm）與羽絨進行了組合設計，從圖3中可知其也取得了優異的保暖性能。其中填充（聚酰亞胺+鴨絨）9 g和（聚酰亞胺+鵝絨）9 g組合的保暖性能均已優于雙層單填充結構中填充9 g鴨絨這一設計。

當前市場上羽絨的價格是聚酰亞胺短纖的2倍～3倍，而粘膠短纖價格不足聚酰亞胺短纖的五分之一，在結合用料成本考慮之下，采取這一組合結構設計，實現了以低成本取得優異保暖性能的效果。通過保暖制品的原料、結構的組合設計，從對保暖性的需求和價格層面上，滿足不同地區、人群和成本考慮的消費者，實現了差異化消費。而對于部分不適或不習慣于羽絨的群體［20］，也是一個很好的選擇。同時采用這樣的多層結構設計，還可以避免出現單層填充量過大時產生的纖維團聚現象，有利于優異保暖性的獲取。

3 結論

（1）聚酰亞胺織物保暖性能優異，熱阻值為組織結構參數相同的純棉織物的2.33倍，在處理為雙層和三層時，其保暖性能更為優異，為單層時的2.79倍和3.93倍。

（2）雙層單填充結構中，以填充羽絨的保暖性能最優，聚酰亞胺短纖的次之，常規粘膠纖維的相對最小。所填充聚酰亞胺短纖，其纖維偏細、偏短更有利于優異保暖性能的獲取。

（3）三層雙填充結構其保暖性優于雙層單填充結構，且其可設計性更好，能更好滿足多元化需求。