不同親疏水性微納米纖維/棉纖維包芯紗織物的導濕性能

彭 蕙，毛 寧，覃小紅

(東華大學a. 紡織面料技術教育部重點實驗室; b. 紡織學院，上海201620)

科技迅速發展的同時，人們對服飾品質的要求也越來越高，不僅追求款式新穎，而且對織物的舒適性有較高要求。棉纖維憑借良好的透氣性、吸濕性以及舒適的手感，成為選擇服飾時的首選面料。但是棉纖維導濕性能差，導致織物上容易存留汗液，粘黏皮膚。棉纖維吸收汗液也會產生溶脹，阻塞纖維之間的氣孔，影響人體與外界環境之間的熱濕轉化，不但影響舒適性，還會產生濕冷感，容易引發感冒。因此，為了滿足人們對穿著舒適性的需求，探究棉織物導濕性是未來的一個重要方向。

棉纖維分子結構中的親水基團羥基，使得棉纖維具有優良的吸濕性，但也導致毛細管效應較弱，使得棉纖維的導濕性能較差。為使棉織物獲得一定的導濕性，目前主要有以下幾種辦法：一是對棉纖維進行疏水整理或化學結構上的改變[1]；二是將棉纖維與導濕性能好的纖維紗線進行混紡或合股[2-4]；三是設計特殊的織物組織結構[5-6]；四是對織物進行整理，以形成織物兩側的濕度梯度[7-8]。但這些方式依然存在較多缺陷。

部分學者從纖維的親疏水性出發制備皮芯結構紗線[9-10]，這是提升棉纖維導濕性的重要手段。纖維的親疏水性能是織物導濕性能的決定因素之一，纖維親水性好，液態水在纖維間更易潤濕擴散，但纖維親水性過高，則會使纖維吸附過多的水分，并難以將其傳輸到織物外層。高吸濕性纖維遇到液態水會發生溶脹，從而減少纖維間的空隙，影響水的傳遞[11]。Wang等[12]研究發現，織物的親疏水整理對其水汽的傳導影響很小，但是對液態水的傳導有很大影響，因此汗液傳導取決于織物的芯吸能力。

汗液傳導的一個重要影響因素是單向導濕性，是指人體出汗后，汗液并不完全在織物內表面擴散，而是通過織物內外層之間的差動毛細效應，使織物從內層到外層不斷導出液態水分，并在織物外表面快速蒸發，最終使汗液從外表面排出，從而保持織物內層的相對干爽[13]。單向導濕織物的制備方法主要有化學法與結構設計法[14]，可從原料選擇[15-16]、編織方式[17]以及染整改性[18]等方面著手。

相比一般直徑的纖維，微納米纖維的直徑更小、長徑比更高、比表面積更大，因此具有更高的表面能和表面活性，表現出小尺寸效應和表面效應[19]。微納米纖維成紗時，小尺寸效應可使紗線內部形成眾多極細的毛細管，毛細管數量增加、壓力上升，將會增強芯吸效應[20-21]；紗線外層較大的比表面積和表面能可使纖維吸附更多的水分子，同時也使水分能夠更快擴散蒸發。但目前，國內外結合傳統纖維與微納米纖維來提升紗線導濕性的研究很少，本文就棉纖維的良好吸濕性與微納米纖維獨特的吸濕、導濕性能，進行微納米纖維包覆棉纖維的包芯紗結構設計，并探究外層不同親疏水性的微納米纖維對包芯紗導濕性的影響。

制備微納米纖維的方法有微乳液法、自組裝法、拉伸法、模板合成法及靜電紡絲法等[22]。其中靜電紡絲技術能夠連續制備聚合物微納米纖維，其原料來源廣、纖維尺度可控，同時能連續成紗，且制造速度快、設備簡單[23]。國際上已有諸多方法制備取向連續的微納米纖維紗線[24-27],本文利用對噴牽引式靜電紡絲技術[28]制備不同親疏水性的微納米纖維/棉纖維包芯紗。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

原料：聚丙烯腈(polyacrylonitrile， PAN)粉末，平均相對分子質量為75 000，上海化學纖維集團；聚氯乙烯(polyvinylchloride， PVC)粉末，平均相對分子質量為80 000，上海化學纖維集團；N,N-二甲基甲酰胺(dimethyl formamide， DMF)，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；棉線，線密度14.5 tex +14.5 tex，東莞正宇有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 紡絲液的制備

稱取一定量的PAN粉末與DMF溶液放置于燒杯中，配制質量分數為12%的PAN/DMF溶液，將溶液放在磁力攪拌器上，常溫中速攪拌12 h，靜置以待使用。

稱取一定量的PVC粉末與DMF溶液放置于燒杯中，配制質量分數為14%的PVC/DMF溶液，將溶液放在磁力攪拌器上，常溫中速攪拌12 h，靜置以待使用。

1.2.2 PAN微納米纖維/棉纖維包芯紗和PVC微納米纖維/棉纖維包芯紗制備

利用筆者課題組自主改進的靜電紡絲裝置制備2種包芯紗，該靜電紡絲裝置主要包括：芯紗供應裝置、噴頭及供液裝置、高壓電源、空心金屬桿、金屬圓靶及旋轉收集裝置。從芯紗供給裝置的可旋轉供紗輥上牽引出棉紗，通過張力裝置后從金屬圓靶的中心孔洞引入射流噴射區域，再通過空心金屬桿的中心孔洞牽出。其主要紡紗過程如圖1所示，紡絲參數如表1所示。

圖1 靜電紡絲過程Fig.1 Electrospinning process

表1 紡絲參數

兩個帶有相反電荷的噴絲口呈對稱放置，與空心金屬桿和金屬圓靶方向垂直。當噴絲口噴出聚合物溶液，溶液中的溶劑揮發后留下微納米纖維細絲。空心金屬桿尖端和金屬圓靶圓周的鋒利邊緣誘導出的高密度電荷作用，促使帶電的聚合物細絲在電場力作用下抽長拉細，并沿著空心金屬桿尖端和金屬圓靶搭接，待微納米纖維成膜較穩定后使金屬圓靶旋轉，以對微納米纖維束進行加捻。加捻形成的紡紗三角錐促使微納米纖維取向并緊密地包覆在棉紗上，形成微納米纖維包裹棉纖維的復合包芯紗,再牽引出包芯紗卷繞在軸上進行收集[28]。紡紗過程中通過保持紡絲液流量不變來控制成紗的混合比例，利用金屬圓靶轉速不變來控制捻度，得到結構相同的一定線密度的微納米纖維包芯紗。

1.2.3 PAN微納米纖維/棉纖維包芯紗和PVC微納米纖維/棉纖維包芯紗織物的織造

以棉紗為經紗，以棉紗、PAN微納米纖維/棉纖維包芯紗(下文簡稱PAN包芯紗)和PVC微納米纖維/棉纖維包芯紗(下文簡稱PVC包芯紗)分別為緯紗，織造平紋機織物空白樣和試驗樣，具體上機參數如表2所示。

表2 上機參數

1.3 形貌表征

分別制取PAN包芯紗、PVC包芯紗、包芯紗/棉紗織物樣品，并對上述樣品表面進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察棉紗、PAN包芯紗和PVC包芯紗樣品的表面形態。

1.4 微納米纖維直徑測量

根據測得的SEM圖像，運用Photoshop軟件進行比例尺對比測量，得出包芯紗表面PAN纖維與PVC纖維的直徑分布情況。

1.5 紗線強力測試

利用XL-1A型紗線強伸度儀分別測量棉紗、PAN微納米纖維/棉纖維包芯紗和PVC微納米纖維/棉纖維包芯紗的單紗強力。

1.6 織物經緯密測量

利用織物密度鏡測得織物的經密為420根/10 cm和緯密為400根/10 cm。

1.7 織物導濕性能測試

1.7.1 織物接觸角測試

采用OCA15EC型接觸角測試儀對2種純微納米纖維膜(PAN微納米纖維膜、PVC微納米纖維膜)和3種織物(純棉織物、PAN包芯紗/棉紗織物、PVC包芯紗/棉紗織物)進行水接觸角測試，分別記錄2種微納米纖維膜的水接觸角以及3種織物在0和5 s時的水接觸角。

1.7.2 織物液態水分管理性能測試

將預調濕試樣放入液態水分管理儀的下傳感器上，接觸皮膚面朝上，將NaCl溶液(電導率為(16.0±0.2) mS/cm)滴在織物上表面的中心位置，儀器的上下傳感器分別測量試樣上下表面在各環形內的動態水分變化情況。測試時間為120 s，測試完成后經儀器系統自身計算，得到上下表面環形水分分布圖、上下表面水分含量-時間變化曲線和10個指數，即里層和面層浸濕時間、里層和面層吸水速率、里層和面層最大浸濕半徑、里層和面層液態水分擴散速度、單向傳遞指數以及液態水動態傳遞綜合指數。

2 結果與討論

2.1 PAN包芯紗與PVC包芯紗的SEM圖分析

2.1.1 紗線軸向外觀表征

PAN包芯紗表面形態及微納米纖維直徑分布如圖2所示。圖2(a)顯示，包芯紗表面是微納米纖維，且紗線頭尾端顯示2種纖維的直徑存在差異。就紗線主干而言，最外層表面有少部分纖維貼服稍雜亂，大多數纖維沿軸向并帶一定捻度包裹在棉纖維表面，整根紗線表面較為光滑。圖2(b)顯示，紗線外層PAN微納米纖維排列整齊且光滑，毛羽浮絲較少，制得的纖維細度較均勻，取向性較好。圖2(b)右上角直徑分布圖顯示，纖維主體直徑差異較小，集中分布在350～500 nm，平均直徑為400 nm。

(a) PAN包芯紗

(b) 包芯紗表面的PAN微納米纖維

PVC包芯紗表面形態及微納米纖維直徑分布如圖3所示。圖3(a)顯示，PVC包芯紗的表面有少量串珠，但不影響纖維整體的包裹性和取向性，對整個包芯紗的皮芯結構影響也很小。圖3(b)顯示，少數微納米纖維間產生黏連，纖維細度略微不勻，這是由此類材料射流拉伸不穩定所引起的，但多數纖維的表面還是光滑伸直的，排列也較為整齊。圖3(b)右上角直徑分布圖顯示，纖維直徑落差較大，為300～1 000 nm，其中較粗部分纖維是由紡絲過程中未拉伸開所導致，多數纖維直徑集中在300～600 nm，直徑為500 nm的纖維數量最多，纖維平均直徑為609 nm。

綜合來看，試驗制得的2種包芯紗外觀成形良好，外層的微納米纖維直徑都在幾百納米，且緊密包覆于內層棉紗上。2種包芯紗的表面形態和包芯結構是一致的，外層微納米纖維的直徑差異也較小。

(a) PVC包芯紗

(b) 包芯紗表面的PVC微納米纖維

2.1.2 紗線徑向截面表征

PAN包芯紗和PVC包芯紗的截面SEM圖如圖4所示。由圖4可知，2種包芯紗最外圍處極細的微納米纖維緊密結合在一起，而芯紗部分棉纖維間的排列則相對松散，由此確定微納米纖維緊密結合成膜并包覆在中心較松散的棉紗周圍。皮層紗與芯紗間存在一界面分隔處，這有利于內層粗纖維與外層細纖維在水分傳遞過程中形成差動效應，從而促進水分的傳遞。相對整根紗線來說，微納米纖維層的厚度較小，一層微納米纖維近似于一根棉纖維的直徑，因此基本不改變整根紗線的直徑。結合紗線軸向與徑向SEM圖可知，制得的包芯紗結構基本符合試驗預期。

(a) PAN包芯紗截面SEM圖

(b) PVC包芯紗截面SEM圖

2.2 PAN包芯紗和PVC包芯紗強力分析

利用XL-1A型紗線強伸度儀測量純棉紗、PAN包芯紗和PVC包芯紗的單紗強力，測試曲線如圖5所示。

圖5 單紗強力比較Fig.5 Single yarn strength comparison

由圖5可知，微納米纖維的包裹對棉紗的拉伸斷裂特征無明顯影響。多次測量得到紗線強力的平均值，即純棉紗為341.0 cN，PAN包芯紗為365.9 cN, PVC包芯紗為355.8 cN。PAN包芯紗和PVC包芯紗的強力均大于純棉紗，說明微納米纖維的加入提高了紗線的強力。此外，PAN微納米纖維和PVC微納米纖維在棉纖維表面的取向排列，有效改善了棉紗中的弱結，提高了紗線總強力。PAN包芯紗外層的微納米纖維的取向性和均勻性均優于PVC包芯紗，因此PAN微納米纖維的加入對棉紗強力的提升比PVC微納米纖維大。由此可知，微納米纖維的加入能夠增強棉紗強力，并且于織造有利。

2.3 PAN包芯紗/棉紗織物與PVC包芯紗/棉紗織物SEM圖分析

包芯紗/棉紗織物的SEM圖如圖6所示。由圖6(a)和(c)可知，PAN包芯紗/棉紗織物與PVC包芯紗/棉紗織物的經紗(棉紗)與緯紗(微納米纖維包芯紗)存在明顯差異，表現為經紗纖維排列松散，尾部突出，使得紗線條干較差，而緯紗結構較為緊密，外層微納米纖維的包裹使紗線條干較均勻，且表面幾乎無毛羽。圖6(b)和(d)顯示，織物表面微納米纖維基本伸直平行，說明織造過程中對其形態破壞較少，且其與經紗中的棉纖維有著截然不同的形態。觀察到圖6(d)中PVC織物緯紗表面有少量串珠，這是由纖維成形過程中拉伸不穩定所致，但成形良好的微納米纖維數量遠多于串珠，因此可忽略其對織物導濕性能的影響。

由圖6(b)和(d)還可知，棉纖維直徑約為18.2 μm，與微納米纖維直徑0.4和0.6 μm相差兩個數量級，即2種纖維的毛細管等效半徑差距亦很大。由毛細管的附加壓強公式[29]可知，毛細管等效半徑越小，毛細管中的附加壓強越大，而微納米纖維的毛細管等效半徑遠小于棉纖維，因此微納米纖維間的芯吸效應遠強于棉纖維，水分在微納米纖維間的流動更快。同時，在徑向即在微納米纖維層與棉纖維層的接觸界面，纖維的直徑差異將形成空隙梯度，形成差動毛細效應，引導水分的流動。

(a) PAN包芯紗/棉紗織物

(b) PAN包芯紗/棉紗織物經緯紗交界處

(c) PVC包芯紗/棉紗織物

(d) PVC包芯紗/棉紗織物經緯紗交界處

2.4 織物導濕性能分析

2.4.1 織物水接觸角分析

純PAN微納米纖維膜、純PVC微納米纖維膜、純棉織物、PAN包芯紗/棉紗織物和PVC包芯紗/棉紗織物的水接觸角測試結果如圖7所示。從圖7(a)和(b)可看出，純PAN微納米纖維膜的水接觸角為36.6°，表現出親水性，純PVC微納米纖維膜的水接觸角為133.8°，表現出疏水性。圖7(c)、(d)、(e)是3種織物在0和5 s時的水接觸角。在織物剛接觸水滴(即0 s)時，3種織物的水接觸角大小關系為純棉織物(142.7°)>PVC包芯紗/棉紗織物(142.2°)>PAN包芯紗/棉紗織物(136.7°)，即接觸水滴瞬間，PAN包芯紗/棉紗織物的瞬時浸潤性強于另外2種織物，而PVC包芯紗/棉紗織物與純棉織物的水接觸角相差無幾，說明緯紗表面存在的微納米纖維結構增大了親水性PAN織物的初始吸濕速率，而對疏水性PVC織物影響不大。5 s后，純棉織物水接觸角為96.6°，PAN包芯紗/棉紗織物水接觸角為92.2°，PVC包芯紗/棉紗織物水接觸角為129.3°，表明水滴在織物表面的初步浸潤過程中，織物中緯紗的微納米纖維包芯結構能略微加速其在親水性PAN織物表面的潤濕過程，而PVC織物由于其緯紗表面微納米纖維的疏水性，減緩了水滴滲透進織物的過程。由此可見，當織物緯紗表面存在由微納米纖維形成的極細孔徑通道時，織物對水分的傳遞作用是由微納米纖維的性質來決定的。

(a) 純PAN微納米纖維膜

(b) 純PVC微納米纖維膜

(c) 純棉織物

(d) PAN包芯紗/棉紗織物

(e) PVC包芯紗/棉紗織物

2.4.2 織物液態水分管理性能分析

3種織物(純棉織物、PAN包芯紗/棉紗織物和PVC包芯紗/棉紗織物)在120 s內的液態水分管理儀測試圖像如圖8所示。圖8反映了織物的水分傳輸能力，包括織物上下表面吸水率隨時間變化的曲線，以及有效潤濕的直觀圖，其中黑色部分是沒有潤濕的部分，藍色區域顯示了織物的吸水區域，且顏色越深、面積越大表示水分含量越多。

(a) 純棉紗織物

(b) PAN包芯紗/棉紗織物

(c) PVC包芯紗/棉紗織物

圖8(a)顯示，純棉紗織物上表面有潤濕，下表面有極少量的水分滲透，表明大多數水應是停留在上表面或是被棉纖維吸收溶脹。圖8(b)顯示，在22 s左右PAN包芯紗/棉紗織物上表面的水分迅速滲透到了下表面，織物上表面幾乎無水分殘留，下表面含水量較大，且含水面積較大。圖8(c)顯示，PVC包芯紗/棉紗織物的上表面水分含量一直處于較高水平，且下表面無水分，表明沒有水滲透過織物，由此可知PVC微納米纖維的疏水特性使得大多數水停留在織物上層。試驗結果表明，水分在織物中滲透傳導時，相對于純棉紗織物，親水性PAN包芯紗能加速水分傳輸，而疏水性PVC包芯紗會阻礙水分傳輸。

表3列出了對應于圖8水分傳遞曲線的3種織物的水分傳輸數據，通過6個參數分析了每種織物上下表面的潤濕性和水分傳輸能力。其中，單向傳遞指數和液態水動態傳遞綜合指數代表織物的整體水分單向傳輸能力，研究表明，這兩項指數越大，表示水分的單向傳輸能力越強。由表3可知：PAN包芯紗/棉紗織物中的上表面無水分，表明液態水均已滲透進織物，且織物下表面的吸濕速率很快，液態水動態傳遞綜合指數最優；PVC包芯紗/棉紗織物上表面的潤濕時間和吸收速率均略小于純棉織物，說明緯紗中存在的疏水性PVC微納米纖維阻礙了水分在織物表面的潤濕，使其上表面吸濕速率降低，同時使水分沿經紗方向集聚。相比純棉織物，PVC包芯紗/棉紗織物加速了水在織物內部的擴散，并且其液態水擴散速率大于純棉織物，而且也沒有水滲透過織物。

3種織物性能測試結果對應的液態水分管理性能評級如表4所示，其中5.0級為最優。

表3 織物液態水分管理性能測試結果

表4 織物液態水分管理性能評級

由表4可知，PAN包芯紗/棉紗織物上表面的液態水潤濕時間與吸收速率評級均低于另2種織物。這是由于織物中的棉纖維分子結構中含有大量氫鍵，有利于吸收擴散水分；而PAN包芯紗/棉紗織物中的緯紗由PAN微納米纖維包裹在棉紗表面而制成，表面親水的微納米纖維能迅速吸水，并沿紗線徑向的皮芯層間空隙傳遞，同時織物經紗(棉紗)與緯紗(包芯紗)間存在差動毛細管效應，緯紗表層的微納米纖維產生更大的毛細壓力并從經紗中吸水，使得織物吸收的水分大多迅速沿織物緯紗徑向傳遞，在織物層面鋪展較慢，從而形成織物上表面潤濕時間長、吸濕速率較低的特點。因此，PAN包芯紗/棉紗織物的液態水單向傳遞指數與液態水動態傳遞綜合指數表現最佳，分別為5.0級和4.5級，即織物具有良好的單向導濕能力，且差動毛細效應使液態水不可逆地從棉纖維層自動流向PAN微納米纖維層排出。PVC包芯紗/棉紗織物緯紗表面的PVC微納米纖維形成疏水性微孔，使大量水流向親水性的棉紗經紗，對液態水在織物中的傳輸沒有起到很好的引導作用。綜上可知，親水性PAN包芯紗的包芯結構能有效改善紗線的導濕性能，并能夠賦予織物單向導濕性，疏水性PVC包芯紗的包芯結構對液態水在織物中的傳遞無積極作用。

3 結論與展望

(1) 本文利用改進的靜電紡絲裝置，通過控制靜電紡絲參數，制備了連續且條干較均勻的PAN包芯紗和PVC包芯紗。對2種包芯紗進行SEM圖觀察與直徑測量，發現制得的PAN微納米纖維與PVC微納米纖維成形良好，直徑分布在幾百納米級，且PAN微納米纖維的直徑分布更集中。同時微納米纖維與芯紗在截面上形成明顯直徑差異界面層。

(2) 通過對2種包芯紗與純棉紗進行強力測量發現，強力大小順序為PAN包芯紗>PVC包芯紗>純棉紗。利用2種包芯紗/棉紗織物和純棉紗織物進行水接觸角和液態水分管理測試后發現：相比純棉紗織物，5 s后PAN包芯紗/棉紗織物的水接觸角最小，PVC包芯紗/棉紗織物的水接觸角最大；PAN包芯紗/棉紗織物液態水單向傳遞性能提高了4級，PVC包芯紗/棉紗織物對液態水傳遞無積極作用。

(3) 親水性PAN包芯紗能夠有效改善紗線的導濕性能，并賦予其織物單向導濕性，疏水性PVC包芯紗對紗線的導濕性能無明顯改善。

(4) 不同于傳統的改性與編織結構或多層結構設計，微納米纖維包芯紗織物充分利用了微納米纖維極細的直徑帶來的特殊結構效應，且操作方便簡單。親水性PAN包芯紗/棉紗織物可為導濕排汗速干服裝的開發提供一種新思路，疏水性PVC包芯紗也可應用于防水面料或其他方面的應用開發。