紡織品吸濕速干性能中水分蒸發速率計算方法探討

朱 銀,趙瑞方,舒桂芳,晏新程

(四川省纖維檢驗局,四川 成都610015)

吸濕速干性是考核服裝舒適性的重要技術指標,尤其是戶外運動服裝、貼身穿著的內衣等,對吸濕排汗性能要求更高,因而吸濕速干性項目的檢測應用越來越廣泛。2008年,國標GB/T 21655.1-2008《紡織品吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》[1]開始實施,越來越多的檢測機構使用該標準來考核服裝的吸濕速干性。

標準GB/T 21655.1-2008包含吸濕性和速干性共5個項目,吸濕性包括吸水率、滴水擴散時間和芯吸高度；速干性包括水分蒸發速率和透濕量。水分蒸發速率項目是考核服裝速干性的重要指標,該標準第8.3條規定了水分蒸發速率的檢測方法,原理是將一定量的三級水滴到10 cm×10 cm的試樣上,并將試樣放置在標準大氣壓環境中懸掛待其蒸發,記錄試樣從滴入水滴至每隔5 min采集實時浸濕試樣的重量,直至兩次稱量重量變化率不超過1%,即可結束稱量。記錄每個時刻的蒸發量,繪制時間-蒸發量曲線圖。通常情況下,在一定時間后,蒸發量會逐漸減緩,通過時間-蒸發量曲線圖可以很直觀地觀察到蒸發量的變化趨勢。標準規定在明顯趨緩點之前的曲線上作最接近直線部分的切線,該切線的斜率即該試樣的水分蒸發速率。

標準GB/T 21655.1-2008未能明確繪制時間-蒸發量曲線圖的具體要求,在檢測過程中,試驗人員一般可采用手繪圖和計算機繪圖2種方法實現。具體操作過程中,在曲線上繪制接近直線的切線隨機性較大,且重現性較差,因此建議檢測人員盡量選用計算機Excel軟件繪圖,既可以提高繪圖效率,同時也可保證時間-蒸發量曲線的精確度。本文以標準中繪制時間-蒸發量曲線圖的具體計算方法進行相關試驗,提出相關探討與建議。

1 水分蒸發速率試驗過程

1.1 儀器設備及制樣

水分蒸發速率項目要求稱量試樣所需精確度為0.001 g的電子分析天平、精確滴水量的滴定管以及表面光滑且不吸水的試驗臺面。需準備5塊平整無褶皺的10 cm×10 cm的試樣,放置在溫濕度為(20±2)℃、(65±3)%標準大氣環境中進行調濕。

1.2 試驗步驟

將制備好的5塊試樣分別稱量并記錄其原始質量,用滴定管吸入適量的三級水,將0.2 ml左右的水輕輕滴到試樣上,立刻稱量滴水潤濕后的試樣,記錄重量m,將潤濕后的試樣垂直懸掛在標準大氣環境中,每隔5 min進行下一次稱量,直至記錄的數據變化率不超過1%,即可停止稱量。將每隔5 min稱量的重量mi記錄完整,以便繪制時間-蒸發量曲線圖。按照公式(1)、公式(2)計算每次稱量的水分蒸發量和水分蒸發率。

式中：Δmi為水分蒸發量(g)；m0為試樣原始質量(g)；m為試樣滴水潤濕后的質量(g)；mi為試樣在滴水潤濕后某一時刻的質量(g)；Ei為水分蒸發率(%)。

2 水分蒸發速率計算方法

標準GB/T 21655.1-2008第8.3條指出正常的時間-蒸發量曲線通常在某點后蒸發量變化會明顯趨緩,在該點之前的曲線上作最接近直線部分的切線,但并沒有規定判斷其變化趨勢的具體條件,最終沒有明確切線兩個端點的具體位置,因而沒有統一確立水分蒸發速率的具體計算方法。根據試驗人員具體操作過程,確定該切線的斜率主要有2種方法：利用Excel軟件作線性擬合以及通過計算相鄰點之間直線斜率平均值。

2.1 利用Excel軟件作線性擬合

按照標準GB/T 21655.1-2008第8.3條測試樣品水分蒸發量,記錄各時間點的稱量重量,測試數據見表1。

表1 水分蒸發量變化圖

依據表1中的測量數據作時間-蒸發量曲線圖(圖1)。按照標準GB/T 21655.1-2008中第8.3.4條規定,水分蒸發量在一定時間后會慢慢趨于平緩,在明顯減緩點之前的曲線上作最接近直線部分的切線,從圖1的時間-蒸發量曲線圖可以觀察到潤濕試樣在20 min后的曲線趨勢明顯減緩,以該時間點為端點作該曲線的切線,利用Excel線性擬合生成趨勢線y=0.007 6x+0.009 2(圖2),該切線斜率K=0.007 6,故水分蒸發速率Ev=0.007 6 g/min×60 min/h=0.46 g/h。

由于標準中并沒有明確切線選取的具體的2個端點,也有部分試驗人員在所有測試點中截取最接近直線的曲線來確定最終的線性擬合趨勢線(圖3),從曲線圖可以明顯觀察出潤濕試樣從5 min至20 min蒸發量趨勢最接近直線,因而最終截取該時間段曲線作線性擬合[2],該趨勢線y=0.006 7x+0.023(圖4),該切線斜率K=0.006 7,故水分蒸發速率Ev=0.006 7g/min×60 min/h=0.40 g/h。

從圖2和圖4中的斜率可以觀察出相同的試驗數據,可能由于試驗人員對標準的理解不同,導致所繪制的切線不一致,所計算出的切線斜率也產生變化,水分蒸發速率的檢測結果發生了偏離。

圖1 各時間點時間-蒸發量曲線圖

圖2 Excel線性擬合的水分蒸發速率

圖3 截取最趨近于直線的各測試點

圖4 在截取的曲線上作線性擬合

2.2 計算相鄰點之間直線斜率平均值

標準GB/T 21655.1-2008第8.3.4條的注規定“如果實際曲線中有與所作切線吻合部分,可以用該部分曲線中不少于4個點間實測值計算水分蒸發速率(即不小于3個計算值),再求其平均值表示該試樣的結果”。從時間-蒸發量趨勢圖觀察潤濕試樣從5 min至20 min蒸發量趨勢曲線(圖5)部分相吻合,因此以截取的這4個時刻點作為計算水分蒸發速率的數值。

在確定截取吻合部分的所有時刻點后,依次計算出4個時刻點每兩個相鄰點之間的斜率,計算4個時刻點的水分蒸發速率見表2。每個時刻點的斜率計算方法見圖6中4個點的橫縱坐標值,直線斜率k=(y2-y1)/(x2-x1)。計算出5 min至20 min時刻點所有斜率后求平均值為0.008,水分蒸發速率E′v=0.008 g/min×60 min/h=0.48 g/h。

表2 水分蒸發速率變化圖

從以上數據可以看出,按照標準要求的方法對同一組數據利用Excel軟件作線性擬合和通過計算相鄰點之間直線斜率平均值得出的水分蒸發速率數值是不一致的。

3 水分蒸發速率計算方法建議

根據試驗人員在實際操作過程中具體遇到的問題,針對標準要求的水分蒸發速率項目的測試方法做出如下建議：

圖5 曲線上吻合部分截取4個點

圖6 截取4個點的橫縱坐標值

(1)標準中未能明確指出測試數據繪制圖表的形式,一般有手繪圖和計算機繪圖2種。標準規定水分蒸發速率所測試樣的數量為5塊,且每塊試樣需要記錄從原始重量至浸濕試樣每隔5 min的變化數值,記錄數據繁多,同時所需記錄的時刻點數量還具有不確定因素,因而導致手工繪圖存有較大劣勢,其隨機性較大,且重現性差。因此,建議在做時刻點蒸發量趨勢圖的時候選用計算機繪制,便于精確的數據統計,易于觀察測試數據的離散性,時間-蒸發量曲線的再現性和精確度也更好。

(2)不同的服裝由于其性能的差異,所測得時刻點蒸發量的斜率變化也各有不同,該標準未明確統一需要截取的2個時刻點端點的具體位置,因此在試樣時刻點蒸發量數據相似的情況下,可能會由于不同的試驗人員在曲線上截取的時刻點不同而導致計算出差異較大的斜率,得出偏離的水分蒸發速率結果。建議標準能明確時間-蒸發量曲線上趨勢減緩的具體計算規則,增加相關附錄內容對水分蒸發速率的計算方法做出更詳細的解釋,盡量采取圖表范例進行詳細備注。

(3)建議標準對曲線趨勢減緩后所需截取的某一時刻端點做出相應說明,應盡量避免直觀的通過目光來選取,盡可能以計算各個時刻點斜率的標準偏差來考慮數據的離散性,從計算出的數據上來剔除曲線減緩后的蒸發量的時刻點,而不是單純的僅用目光來篩選所需的時刻點,這樣更易于保證檢測結果的準確性和一致性。

4 結語

隨著生活水平日益提升,消費者對服裝舒適性能的要求也越來越高,水分蒸發速率項目是考核服裝速干性的重要技術指標,速干性直接反映服裝排汗性能,因此越來越多的企業重視服裝吸濕速干性項目的檢測。

對于標準GB/T 21655.1-2008的研究能夠有效地指導在實際操作過程中水分蒸發量統計,易于精確地繪制時間-蒸發量曲線圖。針對標準中水分蒸發速率切線的確定做出了相應的測試,計算時間-蒸發量曲線上相鄰時刻點斜率標準偏差進行離散性分析,篩選出有效的時刻點,然后在這些時刻點的曲線上最接近直線部分繪制切線,計算出最終的水分蒸發速率。計算之后篩選的點能夠有效地規避試驗人員在測試數據相同的情況下,避免由于主觀觀察原因選擇不同的曲線,保證檢測結果的準確性和一致性。通過這些檢測方法的研究與探討,對試驗人員今后的實際檢測操作具有現實指導意義。