纖維素纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響

顏奧林 王鴻博 杜金梅 王文聰 傅佳佳

摘要： 為更好地了解纖維素纖維的熱濕性能，開發(fā)舒適性高的織物，文章探究了纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響，綜合評價織物的熱濕舒適性;采用控制變量法，選用線密度均為14.8 tex的5種纖維素纖維紗線，即棉纖維、竹原纖維、莫代爾纖維、棉/竹混紡纖維（50/50）、棉/莫代爾混紡纖維（50/50），織成密度接近的緯平針織物，分別測試了5種試樣的熱阻、濕阻、透氣和透濕等指標(biāo)，選擇主成分分析法對各項(xiàng)測試指標(biāo)分析，建立綜合評價公式，得到因子權(quán)重。結(jié)果表明：纖維種類對織物的熱濕舒適性能影響顯著，在織物相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，莫代爾纖維的熱濕舒適性明顯優(yōu)于其他纖維種類。

關(guān)鍵詞： 纖維素纖維;熱濕舒適性;針織面料;主成分分析;綜合評價

中圖分類號： TS101.923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 10017003（2020）09001705

引用頁碼： 091104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.004（篇序）

Effects of cellulose fiber types on the thermal and moisture comfort of fabrics

YAN Aolin， WANG Hongbo， DU Jinmei， WANG Wencong， FU Jiajia

（a.College of Textiles and Clothing; b.Education Ministry Key Laboratory of Science & Technology for Eco-textiles， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to better understand the heat and humidity properties of cellulose fibers and develop comfortable fabrics， the influence of the type of cellulose fiber on the thermal and wet comfort of the fabric was investigated， and the thermal and wet comfort of the fabric was comprehensively evaluated. The control variable method was used for the experiment. Five different kinds of cellulosic fibers [cotton， bamboo， modal， cotton/bamboo（50/50） and cotton/modal（50/50）] with linear density of 14.8 tex were chosen to weave weft plain knitted fabrics with the similar density. The thermal resistance， moisture resistance， air permeability and moisture permeability of the five samples were tested. Finally， principal component analysis was used to analyze the test indexes， establish the comprehensive evaluation formula and gain the weight of factors. The results showed that the fiber type had a significant effect on the thermal and wet comfort of the fabrics. Under the same structural parameters of the fabrics， the thermal and wet comfort of the Modal fiber was significantly better than that of other fiber types.

Key words：

cellulose fiber; thermal and wet comfort property; knitted fabric; principal component analysis; comprehensive evaluation

收稿日期： 20191209;

修回日期： 20200816

基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0309100）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（JUSRP51907A）

作者簡介： 顏奧林（1997），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ芗徔棽牧稀Ｍㄐ抛髡撸和貘櫜淌冢瑆xwanghb@163.com。

近年來，人們對生活品質(zhì)和生活標(biāo)準(zhǔn)的要求逐漸提高，在紡織品方面具體表現(xiàn)為追求服裝的舒適、健康、休閑和時尚性。根據(jù)舒適度的一般定義，它是指當(dāng)處于不同的溫濕度環(huán)境中，人與環(huán)境之間進(jìn)行不停的能量交換，織物可以使人保持不冷不熱、不悶不潮，心理和生理和諧的愉悅狀態(tài)[1]。舒適性和人類感官知覺之間存在著密切的關(guān)系，因此現(xiàn)代紡織品消費(fèi)者將服裝舒適性視為選擇服裝的第一要求。對于面料的熱濕舒適性能而言，主要表現(xiàn)在面料的透氣、透濕、保溫、導(dǎo)濕等能力。液態(tài)水流動的途徑依靠的是毛細(xì)吸水效應(yīng)[2]。不同的纖維具有不同的截面形狀，而其纖維截面的形狀會對毛細(xì)管的數(shù)量和形狀產(chǎn)生影響;同時纖維的直徑大小也影響著毛細(xì)管的分布情況，因此纖維原料的種類會嚴(yán)重影響其面料的熱濕舒適性。纖維的結(jié)構(gòu)與其性能是互相作用的，纖維的結(jié)構(gòu)會影響纖維的性能，而纖維的性能是其結(jié)構(gòu)的最直接反映。相比較合成纖維，纖維素纖維因其纖維素分子中的葡萄糖剩基含有自由的羥基，可與水分子結(jié)合，纖維的吸濕性較好。當(dāng)考慮織物的熱濕舒適性能時，用纖維素纖維織成的織物，其服用性能更優(yōu)。棉纖維是全世界最大宗的天然紡織原材料，是中國紡織纖維中的重要纖維材料。其多孔結(jié)構(gòu)可以使得水分向原纖區(qū)的非結(jié)晶區(qū)滲透，與自由的纖維素羥基結(jié)合成氫鍵，因此具有優(yōu)良的吸濕性能[3]。竹原纖維是因其吸濕排汗性、抗菌抑菌性、防紫外性等優(yōu)良性能得到了廣大消費(fèi)者青睞。莫代爾纖維因其高強(qiáng)度、低質(zhì)量和高模量而聞名，擁有纖維素纖維和合成纖維的優(yōu)點(diǎn)，可以自然降解，對環(huán)境無污染[4]。

對于面料的熱濕舒適性，國內(nèi)外的專家學(xué)者對其有相應(yīng)的研究。Wu等[5]對由棉、羊毛、大豆、竹漿等吸濕纖維制成的10種面料進(jìn)行了測試，研究表明這10種面料的熱濕舒適性因纖維種類而異;李東平等[6]測試了珍珠共混再生纖維素纖維、牛奶再生蛋白質(zhì)纖維、黏膠纖維等11種面料的透氣性、透濕性和芯吸性，研究表明珍珠共混再生纖維素纖維針織物的濕傳遞性能最優(yōu);劉林玉等[7]測試分析了11種消防服的熱濕阻，研究表明面料的熱濕阻與其平方米質(zhì)量正相關(guān)。目前為止，關(guān)于面料的熱濕舒適性能的研究，更多的是測試面料的熱濕舒適性指標(biāo)，如透氣透濕性、熱濕阻等，針對每一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較分析，最后得出結(jié)論，而定量分析每一項(xiàng)指標(biāo)在熱濕舒適性中的權(quán)重，綜合評價面料的研究報道較少。其次，由于纖維種類、紗線線密度、面料的組織結(jié)構(gòu)等因素都會影響面料的熱濕舒適性，有的研究學(xué)者在選擇試樣時并沒有遵循控制變量的原則，會導(dǎo)致其測試結(jié)果不太精確。

綜上，本文以纖維素纖維為原料，選用多種纖維原料，設(shè)計(jì)了5種纖維原料不同、其他規(guī)格和組織結(jié)構(gòu)相同的針織面料，通過主成分分析法定量分析比較了其熱濕舒適性，探究纖維素纖維的種類對織物熱濕舒適性的影響。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?材?料

為了排除紗線的線密度及面料的組織結(jié)構(gòu)對其熱濕舒適性能產(chǎn)生的影響，本文選擇使用紗線線密度均為14.8 tex的純棉纖維、竹原纖維、純莫代爾纖維、棉/竹纖維（50/50）、棉/莫代爾纖維（50/50），制成平方米質(zhì)量接近的組織結(jié)構(gòu)均為緯平針的針織面料。

1.2?設(shè)?備

在機(jī)號E 26、筒徑14英寸、路數(shù)12路、總針數(shù)1152枚的TNY-12 F型單面全電腦緯編無縫針織機(jī)（金天梭精密機(jī)械有限公司）上生產(chǎn)緯平針織物，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，以恒定的機(jī)器設(shè)置在相同的環(huán)境下完成所有針織面料的編織過程。

1.3?面料基本性能測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4669—2008《紡織品單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》，采用電子天平測試儀器測試織物的平方米質(zhì)量;參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.2—2009《紡織品厚度的測定》，采用YG（B）141型厚度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）測試織物的厚度;針織物的疏密程度由縱橫密代表，采用Y511型密度分析鏡（溫州大榮紡織儀器有限公司）測試織物的橫縱密。

1.4?面料熱濕舒適性能測試

1.4.1?透氣性測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》，測試儀器為YG461E型透氣儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），其測試條件為：5號噴嘴、試樣大小φ20 cm，每種針織物共進(jìn)行10次測試，取其平均值。

1.4.2?透濕性測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗(yàn)方法》，測試儀器為YG601型織物透濕量儀（寧波紡織儀器廠），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。試樣大小φ70 mm，每份試樣共測試10次，取其平均值。織物每平方米的透濕量計(jì)算公式為：

WVT=24×Δms×t（1）

式中：S為樣品測試面積，m2;Δm為前后兩次稱量的差值，g;t為測試時間，h。

1.4.3?芯吸高度測試

參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，測試儀器為YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。測試30 min時溶液上升的高度，試樣大小分別為經(jīng)向30 cm、緯向5 cm，緯向30 cm、經(jīng)向5 cm。

1.4.4?熱阻、濕阻測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，測試儀器為YG606G型熱阻濕阻測試儀（四川優(yōu)普超純科技有限公司），測試條件：將5種試樣放在恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h，溫度20 ℃，相對濕度65%。試樣大小為50 cm×50 cm，每份試樣共測試3次，取其平均值。

1.4.5?保暖性測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》，測試儀器為YG 606 D型保溫儀（溫州大榮紡織儀器有限公司），測試條件：溫度20 ℃±0.1 ℃，相對濕度65%±2%，試樣大小為30 cm×30 cm。

2?運(yùn)用主成分分析評價

面料的規(guī)格參數(shù)及其熱舒適性能如表1、表2所示。采用SAS軟件，將1#～5#試樣的熱濕舒適性能的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，P值均小于顯著性水平0.05，因此纖維種類之間的相互作用具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。5種試樣的性能指標(biāo)各不相同，每個單項(xiàng)指標(biāo)在綜合性能都有著獨(dú)自的作用，如果僅憑借其中某一個指標(biāo)進(jìn)行評價，雖然可以產(chǎn)生排序，但是其結(jié)果只反映了某一個側(cè)面，無法做到全面評價其熱濕舒適性的優(yōu)劣，因此需要采取數(shù)據(jù)分析的方法對試樣進(jìn)行綜合評價。采用主成分分析可以使多個彼此相關(guān)的因子使用線性組合的方式降低因子的維度，問題因此更加簡單直觀。主成分分析就是簡單轉(zhuǎn)換各個影響因子之間相關(guān)聯(lián)的一種評價方式。通過使用正交變換的方法，把互相之間存在相關(guān)關(guān)系的變量轉(zhuǎn)變成無相關(guān)性的變量，這組無相關(guān)性的變量為主成分，在分析過程時，各個變量會轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的得分因子，以得分因子組成函數(shù)作為權(quán)重[8]。

衡量織物熱濕傳遞性的測試指標(biāo)有：濕阻、熱阻、透氣率、透濕量、緯向芯吸高度、經(jīng)向芯吸高度和保溫率[9]。對所有測試指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將每一個測試變量減去總變量，得到的差值除以該測試變量，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表3所示。將標(biāo)準(zhǔn)化變量建立數(shù)據(jù)庫，輸入代碼進(jìn)行編程，執(zhí)行程序，可得樣本相關(guān)矩陣的特征值表和樣本相關(guān)矩陣的特征向量表，即可得方差貢獻(xiàn)、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率和特征值及對應(yīng)的特征向量（表4、表5）。

3?結(jié)果與分析

3.1?面料性能分析

透氣性可以間接地反映面料的舒適性和服用性，纖維的橫截面形狀及纖維間抱合緊密程度、面料中紗線的緊密程度會影響面料的透氣性[10]。由表2中透氣率數(shù)據(jù)可知，4#面料的透氣性最佳。由于5種面料紗線的線密度相同，因此影響面料透氣性的主要影響因素為纖維的截面形狀和纖維間的空隙。莫代爾纖維的橫截面是啞鈴形狀[11]，纖維沒有中腔，有皮芯結(jié)構(gòu)，并且由于其長度、細(xì)度及均勻度優(yōu)于棉纖維和竹原纖維，所以其紗線中纖維間抱合更加緊密、紗線表面的毛羽較少，因此紗線及其對應(yīng)織成的織物間的空隙大，對空氣流動的阻力小。所以4#面料的透氣性最好，5#次之。面料的透濕性包括了水的氣相傳遞和液相傳遞，即水蒸氣的傳遞和液態(tài)水傳遞[12]。纖維的吸濕作用大部分產(chǎn)生在非結(jié)晶區(qū)[13]。在5種試樣中，棉纖維為纖維素I型，從微觀結(jié)構(gòu)看是多孔物質(zhì)，纖維內(nèi)部及纖維之間存在較多空隙，可以更好地吸收水分，所以1#面料的透濕性最好，而莫代爾纖維的公定回潮率是13%，所以5#面料的透濕性能次之1#面料。

在相同的時間內(nèi)，若面料的芯吸高度越高，那么其芯吸速率就越大，對應(yīng)的導(dǎo)濕性就會越好。由表1可知，5種面料的縱密均明顯比橫密大，因此面料的經(jīng)向紗線相對于緯向更加密集，水分傳遞的速率更快，因此表2中5種面料的經(jīng)向芯吸高度都比其緯向芯吸高度大;在纖維的經(jīng)向方向，產(chǎn)生的毛細(xì)管數(shù)量更多，且其形狀呈經(jīng)向分布，水分子更快地在經(jīng)向傳導(dǎo)，芯吸效果更為明顯[14]。由于棉的透濕性極好，毛細(xì)管大，因此棉纖維面料的芯吸高度僅為0.3 mm;莫代爾纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)為縱向表面上有溝槽[11]，更有利于水分的傳導(dǎo)，因此4#面料和5#面料的芯吸高度遠(yuǎn)大于其他面料，而5#面料的原料為莫代爾纖維與棉纖維的混紡，棉纖維的毛細(xì)管大芯吸效果差，所以5#面料的芯吸高度比4#面料低。織物的保溫率也是關(guān)系到熱濕舒適性的重要指標(biāo)，面料自身的厚度、平方米質(zhì)量及纖維的蓬松度是影響保溫率的重要影響因素。由表1的平方米質(zhì)量和厚度可知，4#面料的平方米質(zhì)量和厚度最大，且由于莫代爾纖維均勻的細(xì)度和光滑的表面，成紗時纖維接觸更加緊密，對纖維間流動空氣的阻力更大，因此其保暖性最佳。通常，織物的熱阻與厚度成正比，即織物越厚，其熱阻越大[15]。由表1織物的規(guī)格參數(shù)可知，4#面料最厚，所以4#面料的熱阻在5種試樣中最大;濕阻大小代表了織物傳遞水蒸氣的能力，一般而言，濕阻越小水蒸氣更容易傳遞。相比于其他纖維素纖維，竹原纖維由于表面存在很多細(xì)小的溝紋和些許裂痕[16]，織物能夠在較短的時間內(nèi)吸收水蒸氣，因此2#面料的濕阻最小。

3.2?主要因素分析

從SAS主成分分析結(jié)果可知，表4給出了每個主成分對應(yīng)的貢獻(xiàn)率，其中主成分Z1的貢獻(xiàn)率為57.33%，主成分Z2的貢獻(xiàn)率為27.95%，由累計(jì)貢獻(xiàn)率可知前兩個主成分已提取了8527%的方差，其總貢獻(xiàn)率大于85%，因此選擇主成分的個數(shù)為2。用特征值歸一化后作為權(quán)重進(jìn)行多指標(biāo)綜合。由表5特征向量的分析結(jié)果可知主成分Z1、主成分Z2的得分，即：

Z1=0.41X1+0.048X2+0.468X3-0.107X4+0.46X5+0.474X6+0.403X7（2）

Z2=0.312X1+0.526X2-0.232X3+0.662X4-0.141X5-0.085X6+0.326X7（3）

面料熱濕舒適性綜合得分由主成分Z1、主成分Z2按照方差貢獻(xiàn)率的比例組成，即評價公式為：

Z=57.33%85.27%Z1+27.95%85.27%Z2（4）

整理可得綜合評價公式：

Z=0.378X1+0.205X2+0.238X3+0.145X4+0.263X5+0.291X6+0.377X7（5）

由綜合評價公式可知，影響因子X前面的系數(shù)即為權(quán)重，因此對于其他規(guī)格相同僅原料不同的面料而言，影響面料熱濕舒適性的因子權(quán)重最大的為熱阻，權(quán)重最小的為透濕量。將5個樣品各個測試指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化變量帶入綜合評價的函數(shù)公式中，得分結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，面料舒適性得分排序?yàn)椋?#莫代爾纖維>5#棉/莫代爾纖維（50/50）>3#棉/竹纖維（50/50）>1#棉纖維>2#竹原纖維。4#和5#得分較高，這兩者均含有莫代爾纖維。在面料的評價體系中，透氣率、緯向芯吸高度、經(jīng)向芯吸高度、保溫率和透濕量為正指標(biāo)，濕阻、熱阻為逆指標(biāo)。正指標(biāo)表明該指標(biāo)與該主成分作用同向，反之則逆向[17]，因此得分公式的評價值越高，則說明該樣品的透濕性和透氣性越好，芯吸能力越強(qiáng)，對應(yīng)的濕阻和熱阻小，面料可以較快地將內(nèi)層的水分傳遞至外層，使得面料能夠快速地恢復(fù)成干爽狀態(tài)。

4?結(jié)?論

本文以5種不同原料的纖維素纖維紗線織成的織物為材料，探究了紗線原料對織物熱濕舒適性的影響，并得到以下結(jié)論：

1）用SAS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到熱濕舒適性綜合評價的公式和影響因子權(quán)重比例。影響面料熱濕舒適性的因子權(quán)重依次為熱阻、保溫率、緯向芯吸、經(jīng)向芯吸、透氣率、濕阻、透濕量。

2）5種面料的熱濕舒適性優(yōu)異依次為純莫代爾纖維、棉/莫代爾纖維（50/50）、棉/竹纖維（50/50）、純棉纖維、竹原纖維。

3）探究纖維素纖維種類的熱濕舒適性能的優(yōu)異，對開發(fā)設(shè)計(jì)熱濕舒適性高的面料、消費(fèi)者選購產(chǎn)品提供了一定的理論指導(dǎo)和參考意義。

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