紡織材料吸濕發(fā)熱性能影響因素的研究

狄宏靜，陳惠敏，李 杰，王海廣

（江蘇省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210007）

傳統(tǒng)的保暖服裝蓬松、臃腫，既不便于活動，又缺乏美感。隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對服裝實用功能的要求趨向多元化。近年來，吸濕發(fā)熱功能性紡織品逐漸走進人們的日常生活。目前，國內(nèi)的吸濕發(fā)熱研究主要集中在3個方面，分別為新型纖維織物研發(fā)、檢測方法研究以及吸濕發(fā)熱影響因素研究，其中以前兩者居多。新型吸濕發(fā)熱纖維和面料的研發(fā)包括蛋白/纖維素纖維、混紡腈綸與再生纖維素纖維、毛型織物、絨面織物等，在針織內(nèi)衣、襯衫、襪子等產(chǎn)品中應(yīng)用較廣[1-2]。檢測方法研究主要集中于現(xiàn)有兩種方法的差異性比較以及檢驗過程中的影響因素分析[3]。吸濕發(fā)熱影響因素的研究少見且不全面。《吸濕發(fā)熱內(nèi)衣的性能研究和影響因素分析》[4]研究了水洗程序、纖維質(zhì)量分數(shù)和平方米干燥質(zhì)量對針織內(nèi)衣吸濕發(fā)熱性能的影響。現(xiàn)有吸濕發(fā)熱性能測試標(biāo)準主要有FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》[5]和GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗方法》[6]兩項。考慮樣品的多樣性和標(biāo)準的適用范圍，本研究選擇國家標(biāo)準GB/T 29866—2013《紡織品吸濕發(fā)熱性能試驗方法》進行吸濕發(fā)熱性能的測試，該標(biāo)準的適用范圍為各類紡織品及其制品。通過測試不同類型材料的吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)，分析影響材料吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素，為產(chǎn)品性能的提升提供參考。

1 吸濕發(fā)熱原理

吸濕發(fā)熱性能是指纖維大分子的極性基團吸引環(huán)境中的水分子并與之結(jié)合，水分子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使試樣溫度升高的性能。目前，關(guān)于吸濕發(fā)熱材料的發(fā)熱機理主要有兩種理論。

1.1 動能轉(zhuǎn)化為熱能

吸濕發(fā)熱材料通過吸收空氣中具有較高動能的水分子，使水分子由動態(tài)轉(zhuǎn)化為靜態(tài)，根據(jù)能量守恒定理，動能轉(zhuǎn)化為熱能。

1.2 液化反應(yīng)

氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)會產(chǎn)生熱量，吸濕發(fā)熱材料通過吸收人體散發(fā)的汗氣或空氣中的水蒸氣，將氣態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水而放出熱量。

2 測試

2.1 測試方法

2.1.1 吸濕發(fā)熱

每種材料由兩塊60 mm×100 mm的試樣制備組合試樣，如圖1所示。試驗有效面積為15 mm×85 mm，試樣里層相貼合，沿著三邊縫合成一有插口袋狀。將干燥試樣置于一定溫濕度（溫度為20 ℃，相對濕度為90%）的試驗箱中，試樣因吸濕致溫度發(fā)生變化，記錄一定時間內(nèi)試樣隨時間的溫度變化，溫度升高以某一時刻點的溫度與實時空白探針溫度的差值表示，以最高升溫和平均升溫 （30 min內(nèi)每隔1 min采集的溫度升高值的平均值）表征材料的吸濕發(fā)熱性能。

圖1 吸濕發(fā)熱性能測試組合樣品制作

2.1.2 熱阻

依據(jù)GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗方法 平板法》[7]，將試樣置于恒溫測試板進行測試，測試板、熱護環(huán)及底板均以電熱控制保持恒溫35 ℃，試樣處于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環(huán)境中，通過加熱功率計算熱阻值。織物正反兩面的溫差與垂直通過試樣的單位面積熱流量之比稱為熱阻。

2.1.3 回潮率

依據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》，在紡織品標(biāo)準大氣（溫度為 20 ℃，相對濕度為65%）調(diào)濕條件下，測得紡織材料中水的質(zhì)量，回潮率以試樣烘前質(zhì)量與烘干質(zhì)量（105 ℃）的差數(shù)對烘干質(zhì)量的百分率表示。

2.2 儀器及材料

本試驗用到的儀器有日本大榮恒溫恒濕試驗箱、UF 55型烘箱、溫度巡檢儀。本試驗的樣品包括20種機織、針織、絨類織物以及9種填充絮片材料。

2.3 方案設(shè)計

分別測試各類材料的纖維質(zhì)量分數(shù)、克重、回潮率、最高升溫值、平均升溫值、熱阻等指標(biāo)。以數(shù)據(jù)和圖表的形式，分析各類材料吸濕發(fā)熱性能的影響因素。

3 影響因素分析

3.1 回潮率

各類材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。回潮率對吸濕發(fā)熱性能的影響如圖2所示。

由圖2可知，機織、針織、起絨和絮片4類材料整體上最高升溫、平均升溫隨著回潮率的增大呈現(xiàn)上升的趨勢。圖2（a）中機織棉織物的回潮率相近，最高升溫與平均升溫也沒有大幅度變化，最高升溫在6.3~6.8 ℃，平均升溫在1.5~1.8 ℃。圖2（b）中克重接近的樣品11和樣品8的回潮率分別為0.8%、9.3%，最高升溫分別為2.0、8.8 ℃，平均升溫分別為0.6、3.0 ℃，回潮率對升溫影響明顯。7號樣品、8號樣品在對應(yīng)的回潮率數(shù)值上出現(xiàn)了最高升溫下降的情況，雖然這兩個樣品的回潮率高，但是7號樣品克重低于11、10、5號樣品，8號樣品克重低于12號樣品，因此，最高升溫有所下降。6號樣品的克重雖然低于8號樣品，但回潮率高，整體上升溫最高。圖2（c）中起絨類面料的組織結(jié)構(gòu)和克重相近的樣品18、13、15，回潮率分別為0.4%、1.9%、3.3%，最高升溫分別為2.0、4.1、5.5 ℃，平均升溫分別為0.7、1.3、1.8 ℃。在相同條件下，回潮率越高，升溫越大。根據(jù)斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)估計最高升溫、平均升溫與回潮率的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示，最高升溫、平均升溫與回潮率相關(guān)性顯著。

表2 相關(guān)性分析

圖2 回潮率對吸濕發(fā)熱性能的影響

3.2 熱傳遞性能

由表1可知，6號樣品黏纖的最高升溫最高，達到了10.2 ℃；平均升溫最高的是20號樣品，達到了7.0 ℃。最高升溫值最大的樣品并非平均升溫值也最高，因為平均升溫計算的是30 min內(nèi)每隔1 min溫度升高的平均值，而最高升溫值是材料在某一時刻達到的溫度最高值。平均升溫除了與回潮率相關(guān)，還與樣品在30 min內(nèi)的熱量傳遞性能相關(guān)，影響樣品熱量傳遞性能的因素主要有材料的克重和結(jié)構(gòu)。

表1 各類材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測試結(jié)果

3.2.1 克重

選擇不同的克重規(guī)格，纖維成分分別為大豆蛋白纖維50%/黏纖30%/滌綸20%、大豆蛋白纖維30%/黏纖50%/滌綸20%、羊毛100的絮片材料，分別測試吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，在相同的回潮率條件下，克重越大，熱阻值越高，最高升溫和平均升溫越高，可見材料的吸濕發(fā)熱性能與克重成正比，與材料的熱量傳遞性能成反比。

表3 絮片材料吸濕發(fā)熱性能相關(guān)指標(biāo)測試結(jié)果

最高升溫與平均升溫增長的趨勢如圖3所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，材料的回潮率并非完全與升溫呈現(xiàn)同步增長的趨勢，升溫受回潮率和克重的雙重影響。圖3中的樣品7和樣品8，當(dāng)材料的克重不變或降低時，材料的回潮率對升溫起作用。樣品3和樣品6，當(dāng)回潮率下降時，材料的克重對升溫起作用，克重與回潮率出現(xiàn)了峰谷對應(yīng)互補，使得材料的最高升溫持續(xù)增加，同時平均升溫小幅度變化。

圖3 克重、回潮率對吸濕發(fā)熱性能的影響

3.2.2 結(jié)構(gòu)

材料的緊密程度、絨毛密度等因素影響產(chǎn)品的熱量傳遞性能，從而影響吸濕發(fā)熱性能。由表1可知，10號樣品的克重高于17號樣品，兩者的回潮率相當(dāng)，由于前者是疏松的針織結(jié)構(gòu)、后者是緊密的針織絨類，前者的熱量傳遞較快，最高升溫和平均升溫指標(biāo)均顯著低于后者。樣品16和17均為滌綸/黏纖起絨織物，回潮率相近，但16號樣品的絨毛較密，克重大于17號樣品，最高升溫和平均升溫都顯著高于17號樣品。

4 結(jié)語

紡織材料的吸濕發(fā)熱性能主要與回潮率、熱量傳遞性能有關(guān)。一方面，在相同條件下，材料的回潮率越大，最高升溫和平均升溫越大，吸濕發(fā)熱性能越好；另一方面，當(dāng)織物的回潮率相近時，織物的吸濕發(fā)熱性能與熱量傳遞性能成反比。

對于樣品較薄的棉機織物，最高升溫一般為6.3~6.8 ℃，平均升溫為1.5~1.8 ℃。針織內(nèi)衣產(chǎn)品受纖維成分和回潮率的影響，最高升溫范圍為2.0~10.2 ℃，平均升溫在0.6~3.7 ℃。毛絨密度和材料松緊結(jié)構(gòu)是影響針織絨類產(chǎn)品吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素。對于絮片型材料，克重及回潮率的相互作用是影響材料吸濕發(fā)熱性能的關(guān)鍵因素。

新產(chǎn)品的開發(fā)一方面要盡可能提升產(chǎn)品的吸濕性能，另一方面應(yīng)通過結(jié)構(gòu)、厚度、克重等參數(shù)的合理設(shè)計，減少織物的熱量傳遞。例如，選擇回潮率高的纖維（如黏纖、棉）或者提升其混紡比例，可以有效提升針織內(nèi)衣產(chǎn)品的吸濕發(fā)熱性能，增加起絨密度或者設(shè)計雙面起絨可以提升絨類產(chǎn)品的吸濕發(fā)熱性能，提高吸濕纖維的混紡比例和增加產(chǎn)品的厚度可以有效提升絮片材料的吸濕發(fā)熱性能。