涼感面料開發及其吸濕涼感機制研究

張青松， 張迎晨， 邱振中， 吳紅艷， 張志茹， 張夏楠

(1. 中原工學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2. 新鄉市(中國紡織科學研究院)中原分院， 河南 新鄉 453002；3. 亞琛應用技術大學 應用化學學院， 北萊茵-威斯特法倫州 52428德車)

夏季服裝現有吸濕快干功能已無法滿足人們的需要，尤其是在大運動量、大量出汗的情況下，現有的服裝面料的導濕、導熱效果有限，于是單向導濕面料、涼感面料應運而生。現有涼感面料的開發主要是圍繞提高面料的導熱率，增加接觸瞬間涼感進行的。人體與衣物之間存在微環境，皮膚產生的汽態水和液態水正是通過這個微環境運動到面料內部，進一步排放到外界環境中。在炎熱的夏季或者在高強度的運動過程中，皮膚出汗量較大，如果汗液無法快速排出，就會影響汽態水的傳導，給人體帶來悶熱和不適感。織物帶來的接觸瞬間涼感是短暫的，只有持續的涼感才更具備研究價值和現實意義。

現有涼感面料的開發與測試主要集中在幾方面：將具有高導熱率的納米礦石粉加入紡絲原液制得涼感纖維，并且在紡絲過程中改變噴絲孔的形狀，制得異形截面涼感玉石纖維，由其做成的面料既具備高導熱性也具備吸濕快干性，大大提高了織物的涼感；但是這種方法工藝復雜，紡絲難度大，對設備和工藝條件的要求較高，而且加入礦石顆粒物會降低纖維的力學性能[1-3]。使用高吸濕纖維做涼感面料，可得到具有吸濕、速干功能的產品，但是這種面料的接觸涼感有限，只有在少量出汗時其涼感效果才得以體現，大量出汗時，汗液無法被及時排出體外，面料吸濕后緊緊貼在身上，會產生悶熱感[4-6]。 現有的涼感面料結構設計不合理，不具備單向導濕、單面鎖水的特點，面料吸收汗液后，汗液無差別地存在面料的內外兩側[7-8]。冰涼絲、涼感織物等新興紡織品正在慢慢占領夏季服裝面料的市場，但是目前織物涼感性能的檢測手段尚不成熟，有研究提到織物中含有的水分會影響織物的涼感性能，但是汗液進入織物內部是如何影響織物涼感性能的并未得到證實[9]。

本文首先采用涼感聚乙烯纖維和棉纖維，設計開發涼感、單向導濕、導水、單面鎖水的針織牛仔面料，并對面料的性能進行測試分析；其次，搭建能夠驗證水分對織物涼感影響過程的測試裝置。最后，運用搭建的測試裝置對開發的涼感針織牛仔面料以及其他幾款夏季常用面料進行測試分析，對適合大運動量、大量出汗條件下使用的涼感面料的開發提出合理建議。

1 涼感針織牛仔面料的開發

1.1 原料的選擇

新型涼感聚乙烯功能纖維，中國紡織科學研究院；賽絡緊密紡純棉紗線，常州市三苗紡織有限公司。氨綸，杜邦公司。面料：密路毛圈織物，稀路毛圈織物，棉蓋絲汗布織物，純棉平紋織物，雙面提花織物。

1.2 實驗儀器設備

染聯合機，常州牛仔設備廠；三針道單面緯編針織大圓機，紹興鴻駿機械有限公司；8～10箱定形機，立信門富士紡織機械有限公司；HB902C型織物防紫外線透過和防曬保護儀，天津尼科斯測試技術有限公司；Basler acA1600-20gm GigE型工業相機，寶視納視覺技術(北京)有限公司；Computar H0514-MP2 工業鏡頭，CBC公司；艾睿光電T3Pro手機熱像儀，艾睿光電科技有限公司；計算機，中國惠普有限公司；可視化織物涼感測試裝置，實驗室自制。

1.3 織造工藝

1.3.1 單面涼感稀路毛圈織造工藝

地組織采用20.0 tex靛藍賽絡緊密紡紗線、8.3 tex 氨綸紗線；毛圈用33.3 tex/(96 f)涼感聚乙烯長絲，交織比例為60.7∶19∶20.3。針織大圓機選用三針道單面緯編機針織大圓機，機號為20針/(25.4 mm)； 筒徑為863 mm。

圖1示出稀路毛圈組織編織工藝圖，穿紗方式如圖所示。圖2示出稀路毛圈組織上機圖，織針按如圖所示的規律排列，三角配置如圖所示。

圖1 稀路毛圈組織編織工藝圖

圖2 稀路毛圈組織上機圖

1.3.2 單面涼感密路毛圈織造工藝

采用20.0 tex靛藍賽絡緊密紡紗線，8.3 tex氨綸紗線，毛圈用33.3 tex/(96 f)涼感聚乙烯長絲交織，交織比例為50.4∶15.8∶33.8。針織大圓機選用三針道單面緯編機針織大圓機，機號為20針/(25.4 mm)； 筒徑為863 mm。

圖3示出密路毛圈組織編織工藝圖。圖4示出密路毛圈組織上機圖。針筒針為4針道，織針規律排列如圖所示。

圖3 密路毛圈組織編織工藝圖

圖4 密路毛圈組織上機圖

1.4 后整理

1)定形：針架寬度為162 cm，烘箱溫度為80 ℃， 車速為40 m/min，超喂率為22%～40%。

2)水洗：酶洗[10]。

2 實驗部分

2.1 可視化裝置的搭建

現有的織物涼感測試儀無法表現面料的含濕量、水分的吸收與面料熱傳導的關系。在此基礎上，本文搭建了織物涼感測試平臺，其中包含工業相機、熱成像相機、熱源、光源等元件。工業相機用于分析織物吸濕、導濕的速度，熱成像相機用于分析織物的熱傳導過程。可視化織物涼感測試裝置原理如圖5所示。可視化織物涼感測試裝置實物如圖6所示。

圖5 可視化織物涼感測試裝置原理圖

圖6 可視化織物涼感測試裝置實物圖

2.2 模擬實驗

本文在前人研究的基礎上搭建了織物涼感可視化測試裝置，主要特點是可直觀、全方位地觀察織物導熱過程，并且將水分對織物熱量傳導過程的影響考慮在內，盡可能地模擬人體皮膚與紡織品接觸時，熱量、水分轉移的過程，更加準確地把握紡織品的涼感性能。具體實驗步驟如下：

1)首先對樣品進行預調濕，使樣品處于溫度為(20±2)℃、濕度為(65±5)%環境中至少24 h。

2)開啟手機熱像儀，并設置參數、選定測溫區域和測溫點。

3)觀察測溫區域的溫度是否達到35 ℃，如果不是則調節熱源板使溫度達到預定值。

4)開啟錄像功能，然后將待測樣品放在熱源板上進行測試，觀察測溫區域和測溫點的溫度變化，待溫度保持不變或者經過特定的時間后結束測試。等到測試條件與第1次測試前相同后再進行下次測試。

5)記錄并整理數據。

開啟熱源板和熱像儀，將熱源板的溫度調節到35 ℃，在設置中選取要測溫的范圍并畫出測溫線。待溫度穩定在35 ℃左右時，開啟錄像功能，然后將待測樣品放在恒溫熱源上，通過對視頻文件的分析可得到樣品表面實時溫度數值，記錄特定時間間隔的溫度值并繪成曲線，可對樣品未吸水時的溫度變化趨勢進行分析，以此來模擬人體未出汗情況下服裝面料的散熱效果。

面料測試時的正面測試指的是含有涼感絲的一面與熱源板接觸，測試另一面的溫度變化。在實際應用中，含有涼感聚乙烯長絲的一面為內側，與皮膚接觸；另一面為外側，多為吸濕性較好的纖維組成，與外界環境接觸。通過對5種面料樣品熱傳導性能的測試與分析為進一步研究水對面料熱傳遞性能的研究提供支持。

為模擬服裝面料吸收人體的汗液以后導熱性能的變化，在恒溫熱源板的溫度穩定以后，用吸管吸取0.2 mL的溫水滴在熱像儀所示的中心位置，在中心位置沿橫向設置3個溫度記錄點，沿縱向設置3個溫度記錄點。溫水的溫度應稍高于35 ℃，然后開啟錄像模式。幾秒鐘后，待水滴的溫度降到35 ℃左右，即與熱源板溫度相同后將樣品面料平鋪在水滴上，以此模擬面料吸收汗液的情況，記錄面料吸水以后水滴中心位置溫度數值的變化并進行分析。

2.3 性能測試

2.3.1 吸濕快干性測試

根據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》，以吸水率、滴水擴散時間評價樣品面料吸濕性能，以蒸發速率評價樣品面料的快干性能。

2.3.2 冷感性能測試

本文研究使用數據是由委托的SGS(通標標準技術服務(上海)有限公司)參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的測和評價》對織物的瞬間接觸涼感進行測試后提供。

3 結果與分析

3.1 面料吸濕性能分析

影響織物吸濕性能的因素主要有纖維中是否含有親水基團、纖維的橫截面形狀、纖維的表面結構、纖維的線密度、紗線的結構、織物組織結構以及后整理工藝等。本文中設計的2款面料采用相同規格的紗線、織造設備和后整理工藝，唯一不同的是織物的組織結構、毛圈密度有差異。表1顯示出這2款面料的吸濕性能是有一定差異的，因此，這里差異主要是由面料的組織結構不同引起的。

織物組織結構的特點是貼膚面為毛圈結構，另一面為靛藍賽絡緊密紡棉紗線形成細的毛細管；氨綸長絲介于內外層之間，形成較粗的毛細管，用于傳遞表里之間的水分；吸濕性能稍差一些的毛圈層形成更粗大的毛細管。從面料的空間結構來看，由內而外形成了由大到小的間隙梯度以及由小到大的吸濕梯度，織物的內外表面就形成了壓力差，在壓力差的作用下，織物內表面吸收到的水分會不斷地流向外表面，而且外表面的液態水是很難流到內表面的。

在面料上滴1滴水可發現，起始水珠在面料表面呈球形，隨即水珠即以極快的速度擴散開來，最終在面料的反面形成明顯近似圓形的擴散區域。而且，水明顯是依托布的棉紗的吸水，在織物間的空隙中逐步擴展到背面，聚乙烯毛圈中的水被導到棉紗部分。將滴水區域放大進行觀察，如圖7所示。圖7(a) 比較光滑明亮的為聚乙烯長絲束，比較暗的為棉紗線；由圖7(b)可以看出，面料吸濕后水分主要分布于棉紗線之間，而聚乙烯紗線中含有的水分非常少。由結果和分析可知該面料具有單向導濕、單面鎖水的效果。

圖7 面料吸濕前與吸濕后水分分布對比

3.2 面料快干性能分析

表1示出織物吸濕快干性能測試結果。可知，面料的吸濕性指標和快干性指標均達到了標準的要求，都具有較優異的快干性。經過40 min的干燥時間，面料全部殘水率都低于標準的13%。蒸發速率都大于標準的0.18 g/h，其中，水洗后的面料其吸濕性和快干性都有所提高，殘水率更是達到4%，水分蒸發速率更是大于1.57 g/h。并且水洗后，牛仔紗、聚乙烯長絲、氨綸交織涼感吸濕快干抗紫外線衛衣面料的揮發速率有不斷增強的趨勢。面料具有較好的快干性的原因也是由面料的材料配置和結構決定的，外表面的棉紗吸濕能力強，水分則會集中在外表面，當一部分水分蒸發以后，更有利于內表面含有的少量水分轉移到外表面，從而增加水分的蒸發面積，提高蒸發速度。氨綸絲在面料內部就相當與一個水分轉移通道，由于吸濕梯度的存在，水分只能從內表面轉移到外表面，加快面料內部水分的揮發。

表1 織物吸濕快干性能測試結果

3.3 面料涼感性能

表2示出面料瞬間涼感測試結果，可看出，2款面料無論水洗與否，qmax值測試結果均大于標準值(0.15 W/cm2)，說明這2款面料均具有良好的涼感效果。經水洗以后面料的qmax值達到0.162 W/cm2和0.181 W/cm2，比原來的瞬間涼感值有所提升，說明水洗工藝對面料的接觸瞬間涼感有一些影響。表1的結果顯示，水洗以后面料的吸濕性能明顯得到提升，由此可推斷面料水洗后涼感值的提升與吸濕性能的改變有關。水的導熱性遠遠大于普通纖維，在同等測試條件下，吸濕性好的樣品會吸收空氣中更多的水分，面料的含水量提高以后，其導熱性能會大幅提升，在涼感測試結果上表現為涼感值的提高。有關含水量對面料導熱性能的影響，后面章節會詳細介紹。

表2 面料瞬間接觸涼感測試結果

面料剛與皮膚接觸時，面料的溫度低于皮膚溫度，皮膚會感到突然的涼感，經一定時間以后，直接與皮膚接觸面料的溫度與皮膚溫度相同。但是面料的外表面未與皮膚直接接觸，而是直接與外界環境接觸，身體產生的熱量通過導熱性較好的聚乙烯纖維傳遞到棉纖維和氨綸上去，進而傳遞到外界環境中去。這個過程與面料導濕的過程是一樣的，人體汗液帶有一定量的熱量，水分的傳輸會帶動熱量的傳輸，產生持續涼感。由此可看出，這2款面料無論是對于水傳輸還是熱量傳輸都具有一定的合理性，主要由面料的纖維種類和組織結構特點決定的。

3.4 毛圈織物正反面吸濕性差異

將0.2 mL的溫水滴滴在熱源板上，將樣品平鋪在上面，用工業相機記錄水分擴散到外表面且達到最大擴散面積所用的時間和最大擴散面積，以內表面(毛圈所在面)朝下(與熱源板接觸)為正面，反之為反面，結果如表3所示。

表3 水分擴散時間和擴散面積

由表可知，涼感毛圈織物正面吸水的時間比反面長，正面吸水后擴散到另一面的擴散面積比較大。這主要是由棉紗線和聚乙烯紗線的吸濕性差異決定的，聚乙烯毛圈吸水主要靠毛細效應完成，棉紗線吸水主要靠親水基團吸水完成。總體來說，水分由面料的內表面(毛圈面)運動到外表面所需時間長，但在外表面擴散的面積較大；水分從外表面運動到內表面的時間短，但是在內表面擴散的面積小。水分由內表面擴散到外表面比較容易，反之較難，這也正說明了開發的涼感針織牛仔面料具有單向導濕、單面鎖水的特點。

3.5 樣品吸濕前后熱傳遞效果測試

分別對5種樣品進行測試，首先將面料直接放在熱源板上測試并記錄溫度變化；然后在熱源板上滴一滴溫水，觀察并記錄織物吸水后溫度變化，對織物吸水前后的溫度變化趨勢進行繪圖分析，結果如圖8所示。

圖8 織物吸水前后溫度變化趨勢圖

圖中曲線代表樣品吸水前后溫度變化趨勢。各織物吸濕前后的溫度變化趨勢不盡相同。在未吸濕的情況下，織物與熱源板接觸后，其表面溫度先是急劇上升，這種狀態大都集中在接觸發生后的10 s內，10 s以后進入緩慢上升階段。其中，密路毛圈組織和稀路毛圈組織由急劇上升階段到緩慢上升階段的過程比較平緩；棉蓋絲汗布、純棉和雙提花組織由急劇上升階段進入緩慢上升階段的過程相對突然一些。

在熱源板上滴溫水滴的目的在于模擬皮膚出汗的情況，與面料未吸“汗”時相比，面料吸“汗”后溫度上升的速度更快，高度更高。這是因為“汗液”本身帶有一定的熱量，面料與熱源板接觸時不僅僅從熱源板上吸取熱量，還從“汗液”中吸取熱量，而且面料具有吸濕性，水分的擴散直接加大了面料與熱源的接觸面積，加快了熱量向面料轉移的速度，因此面料吸水后溫度上升的速度更快。帶有與熱源溫度相同的水在面料轉移的過程中熱量損失的速度是比較慢的，只有運動到織物表面與外界環境接觸時才會快速散失熱量。

當面料吸水表面溫度上升到最高點后會突然開始下降，而且溫度下降的速度也是先急劇下降然后平緩下降。帶有一定熱量的水運動到織物表面，水的蒸發面積大大增加，并且與溫度相對較低的外界環境接觸，水中含有的熱量快速轉移到外界環境中去，這是引起樣品織物的表面溫度急劇下降的主要原因。

3.6 水分擴散對不同面料熱傳導性能的影響

本文所選的5種面料其棉纖維和涼感聚乙烯纖維的含量均不相同，棉纖維的含量越多則面料的吸濕效果越好，涼感聚乙烯纖維的含量越多則面料的導熱效果越好。圖9示出5種不同面料與熱源板接觸后的表面溫度變化規律，圖10示出5種不同面料吸水后，吸水中心點的溫度變化規律。

圖9 各樣品吸水前表面溫度變化趨勢對比

圖9反映的各織物溫度變化曲線規律比較明顯，純棉織物溫度上升的幅度最高，稀路毛圈織物表面溫度上升的幅度最小。由圖10可知，織物吸水以后溫度變化趨勢有一定差異，密路毛圈組織與稀路毛圈組織吸水后，水滴中心的溫度變化趨勢在前30 s 內差異較為明顯，雖然都是先急劇上升然后緩慢上升且溫度急劇上升持續的時間大致相同，但是稀路毛圈組織水滴中心的溫度上升的更高一些，二者溫差為3～4 ℃。

圖10 樣品吸水后溫度變化趨勢對比

圖9與圖10相比存在明顯差異，吸水之前純棉織物的溫度最高，毛圈織物的溫度最低，但是吸水以后純棉織物的表面溫度最低，毛圈織物的表面溫度最高。決定這一變化的唯一變量是水的介入，由此可見水進入面料以后對面料的散熱過程產生了很大影響。5種面料中吸濕性最好的是純棉面料，在吸濕前后，純棉面料的溫度變化也是最大的，這恰恰證明了水對面料涼感性能的影響遠大于纖維的種類。首先，水的介入會填充面料內部的孔隙，將孔隙中的空氣趕出，面料中的靜止空氣減少了，其導熱性自然會得到提高；其次，水進入面料內部后也成了導熱介質的一部分，由于水的導熱系數遠高于普通纖維的導熱系數，所以面料的導熱性能因水的介入得到了大幅提升。根據這個現象也可判斷出面料的吸濕性，即純棉織物、棉蓋絲織物和雙面提花織物的吸濕性比毛圈織物好。

以熱源板代替人體皮膚，將熱源板的溫度調整到35 ℃左右，在熱源板上滴1滴溫度稍高于熱源板的溫水，然后將面料輕輕蓋在上面，用熱像儀記錄整個變化過程，結果如圖11所示。圖中紅色溫度標識是水滴的溫度，黃色的溫度標識是中心點溫度，其他綠色的標識是在水滴周圍設置溫度檢測點。圖11(b) 是將面料蓋在熱源板上，水滴剛剛開始擴散的圖片，圖11(c)為水滴擴散一段時間后的圖片，圖片上邊緣的藍色條狀區域為熱源板的邊界。

圖11(b)中出現圓和圓環的原因是，水滴被吸收以后開始迅速擴散，隨著水分的擴散，水的蒸發散熱面積逐漸增大，已經散開的水分充分與空氣接觸，熱量迅速傳到空氣當中去，使得該區域溫度下降。水滴中心區域的水分還未來得及擴散，仍然處于織物內部未與空氣接觸，來不及將熱量傳到空氣當中去，因此溫度下降得慢。除此之外，已經散開的水分除將自身帶有的熱量傳到外部環境之外，還加快了其所在區域纖維的熱傳導，使得溫度進一步降低。圖11(c)中明顯出現了1個圓和2個圓環，由水滴中心向外，溫度先降低再升高。產生這種現象的原因是水滴由中心區域向外擴散，越往外水分含量越少，而熱源板一直穩定地輸出熱量，最外的圓環區域散熱速度小于吸熱速度，所以溫度稍有上升；內圓環的水分含量依然比較多，散熱速度大于吸熱速度，所以內圓環區域的溫度最低；中心區域的水還沒來得及擴散，再加上熱源板持續供熱，因此中心區域呈現溫度比2個圓環區域溫度高的圓形區域。由此可見，水分對面料導熱性能的影響比較大，在設計涼感面料時應當考慮面料的吸濕和散濕能力，面料及時將人體產生的汗液吸收并擴散到表面也是面料產生涼感的關鍵。

圖11 水滴的擴散過程

4 結 論

1)采用線密度為20.0 tex靛藍賽絡緊密紡棉紗線、33.3 tex/(96 f)涼感聚乙烯長絲、8.3 tex氨綸，在20針/(25.4 mm)的單面針織大圓機上，開發出的涼感針織牛仔衛衣面料具有較優異的吸濕快干性和接觸涼感。

2)經實驗和分析可知，開發的2款涼感針織面料具備單向導濕和單面鎖水的特點。

3)面料吸濕以后導熱能力顯著提升，降溫效果明顯，使面料的穩態涼感性能得到提升。在設計涼感面料時，合理的選用具有高吸濕、導濕功能的纖維有助于獲得更好的涼感效果。

4)水分對面料穩態涼感的影響大于纖維的導熱性能，面料的吸濕性能越好，其穩態涼感效果就越好。在設計涼感面料時，將涼感纖維和高吸濕纖維合理地搭配使用，更有利于同時提升面料的接觸涼感和穩態涼感。

5)水滴被樣品面料吸收以后，會在面料的表面擴散成有規律的溫度分布區域，合理設置涼感面料的結構，增大面料的吸濕、散濕性能更加有利于面料傳導熱量，從而提升面料的穩態涼感效果。