羊毛/Lyocell雙層針織物熱濕舒適性能評測

余月琳，邵怡沁，陳慰來

(1.浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，浙江 杭州 310018； 2.京都工藝纖維大學 大學院工藝科學研究科,日本 京都 606-8585)

腳是離心臟最遠的部位，很容易受外界溫度影響，因此織物作為腳部皮膚與外界環境之間的屏障，其熱舒適性非常重要。尤其是在寒冷的冬天，對織物的蓄熱保暖等性能有更高的要求。針織物對于機織物而言，具有彈性好、適形性好、透氣性好等優點。其中采用雙面針織機編織的雙層針織物通常由外層、內層以及連接層構成，質地較為柔軟，彈性和延展性好，能夠緊貼人體，展現人體曲線[1]。除此之外，雙層針織物如使用不同的材料、采用不同的組織結構還能夠獲得性能或外觀上的兩面性，體現出較好的蓄熱保暖性能。

同時，腳的汗腺非常發達，襪子在穿著時的衣下空氣層要遠小于其他服裝，因此需要更好的熱濕舒適性(透氣、吸濕排汗、水氣輸送以及熱傳導等)[2]。這主要取決于液態水的傳輸功能，織物的液態水傳輸功能越好，則襪子的熱濕舒適性越好[3-4]。

近年來隨著人們生活水平的提高和“綠色環保”理念的不斷深入，對服裝的服用安全性和舒適性也提出了更高的要求。化學纖維普遍吸濕性較差，部分產品不能像天然纖維一樣在自然界中降解，而且在服用過程中有可能會引起皮膚過敏等問題，故人們青睞吸濕性好、天然環保、對人體無傷害無刺激的天然纖維。其中羊毛作為天然蛋白質纖維，其織物能夠適應外界環境的溫濕度變化，整體具有良好的透氣性、吸濕性，在紡織服用面料中占有較大的比重[5]。Lyocell纖維因天然可再生的資源優勢、清潔化加工技術以及可降解的環境友好性而被譽為21世紀最具代表性的綠色纖維，Lyocell織物具有良好的吸濕性、抗靜電、穿著舒適等優點[6-7]。

織物熱濕舒適性主要取決于纖維材質、組織結構和不同的傳熱傳濕機制等因素[8-9]。為此本文設計并評測具有蓄熱功能且服用舒適度優異的羊毛/Lyocell雙層緯平針織物以及純Lyocell和純羊毛雙層緯平針織物2種對比樣。首先通過織物透氣性、接觸冷暖感、表面摩擦等性能的測試分析，探討Lyocell和羊毛纖維對服用舒適度的影響；其次根據水滴實驗下各試樣的升溫曲線特征以及水分傳遞過程，分析影響織物濕態蓄熱性能的因素，獲取織物的熱濕傳遞特征。

1 針織物樣品的織造

采用SWG091N2島精電腦橫機(日本島精公司)進行編織，機號10針，以750 dtex 的羊毛和Lyocell紗線為原料，編織時選擇其中1種或者2種紗線按照1∶1配比同時使用，以形成正反面不同材質的效果。原料通過導紗器喂入前后針床，編織完畢后喂入前針床的紗線顯露在織物正面，喂入后針床的紗線顯露在織物反面，通過變換喂入前后針床的原料種類編織不同的緯編雙層平針織物試樣。由于正反兩面的紗線分別從前后針床的不同導紗嘴喂入，形成2個系統，與簡單的雙股添紗單系統編織相比，極大降低了露底的概率。

2 實驗測試

參照GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》在各項測試前對織物進行預處理，溫度20 ℃，相對濕度65% 。其中織物密度測試參照FZ/T 70008—2012《毛針織物編織密度系數試驗方法》，其余指標采用KES進行測定，該系統是目前國際上較為普遍采用的織物手感和風格評定方法，通過KES儀器來測定織物力學量，再根據“變換式”計算手感值，從而定量評定織物品質[10-11]。

2.1 密度測試

織物的密度與纖維種類、紗線線密度密切相關，影響織物的服用性能。將織物以自然松弛的狀態平鋪在桌面上，采用VR-3100光學顯微鏡(日本加藤技研株式會社)選取不同部位進行測量，讀取縱、橫2個方向上5 cm內的線圈數量，每種試樣分別測試3次后取平均值。

2.2 厚度測試

織物的厚度取決于紗線的線密度、織物組織結構和緊度等，會影響其體積、質量、蓬松性和保暖性。采用KES-G5便攜式壓縮測試儀(日本加藤技研株式會社)，將試樣置于試樣臺后按下啟動開關，即迅速進行初始設定(間隙設定)，并自動開始壓縮測試，通過記錄器可獲取壓縮特性的曲線，將曲線導入分析軟件Igor進行積分處理后可獲取織物的厚度數據。每種試樣分別測試3次后取平均值。

2.3 透氣性能測試

采用KES-F8-AP1透氣性測試儀(日本加藤技研株式會社)評估試樣的透氣性能。將樣品夾在儀器透氣孔處的壓板下，隨后氣泵送入一定壓力的空氣至透氣孔并釋放到大氣中，用半導體差壓計測試在一個循環10 s內由試樣造成的壓力損失，從而獲取透氣阻抗R，R越小則透氣性能越好。每種試樣的正反面分別測試5次后取平均值。

2.4 冷暖感性能測試

參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》，采用KES-F7-II型精密瞬間熱物性測試儀(日本加藤技研株式會社)，測試各試樣的接觸冷暖感。該指標相當于衣物與肌膚接觸的瞬間，肌膚向衣物傳遞的最大熱流量，其數值越大，織物的冷感越強，反之暖感越強[12]。首先將溫度傳感器放置在熱源臺(BT-Box)上使其溫度上升并保持在30 ℃；其次將織物放在恒溫試樣臺上(20 ℃)，將傳感器從熱源臺上取下，迅速在織物表面平行移動進行測試。試樣臺外側的防護加熱器可防止側向熱泄露，同時板下方的防護加熱器可防止向下的熱量散失。測試完畢將傳感器放回熱源臺重新調溫，每種試樣的正反面分別測試5次后取平均值。

2.5 表面摩擦性能測試

采用動摩擦平均因數(MIU)、摩擦因數平均偏差(MMD)和表面粗糙度(SMD)3個測試指標綜合表征織物表面性能。其中MIU和MMD采用KES-SE摩擦感測試儀(日本加藤技研株式會社)測定，通過鋼絲組成的測試頭可模仿人的大拇指指紋與織物表面接觸，測試過程中測試頭與因預加張力而壓緊的織物產生相對運動，速度為1 mm/s。

采用KES-SE-SR表面粗糙度測試儀(日本加藤技研株式會社)測定SMD，測試頭在動力設備的帶動下與被測織物產生相對運動，連接的傳感器可以感知因織物表面粗糙不平產生的上下位移波動，進而量化評估織物表面的粗糙程度。

選取織物的縱向和橫向進行正反兩面的摩擦性能測試，每種試樣分別測試5次后取平均值。

2.6 熱濕舒適性測試

為了探究2種織物的熱濕舒適性，搭建了一個熱濕性能測量系統，與標準測試方法相比，其優點在于該系統可以動態監測織物表面溫度變化，在測量過程中，熱像儀實時顯示織物表面溫度的高低轉變和液態水滴在織物上的擴散變化情況。熱濕性能測量系統見圖1，將樣品置于標準大氣環境中預處理4 h后，剪成12 cm×12 cm大小的尺寸，隨后置于30 ℃的恒溫試樣臺上。用移液管將100 μL溫度為6 ℃的水滴滴在試樣表面，試樣上方的紅外熱像儀實時監測水滴在試樣上的傳遞過程并每隔1 s記錄試樣表面溫度變化，每種試樣的總體記錄時間為5 min，紅外熱像儀的溫度記錄范圍為23.4～31.4 ℃。

圖1 熱濕性能測量系統示意圖Fig.1 Schematic illustration of thermal-wet performance test system

3 結果與討論

不同試樣的組織結構見圖2。試樣1#正反面均為Lyocell，整體成圈質量較高，歪斜現象少，圈干與圈弧之間的孔隙均勻，紗線軌跡清晰可見；試樣2#正面為羊毛、反面為Lyocell，成圈質量有所降低；試樣3#正反面均為羊毛，成圈效果不及試樣1#和2#，歪斜現象明顯增加，部分紗線軌跡因重疊而較難區分。

圖2 3種試樣的組織結構Fig.2 Stich structure of three samples. (a) Front view of sample 1#; (b) Back view of sample 1#;(c) Front view of sample 2#; (d) Back view of sample 2#; (e) Front view of sample 3#; (f) Back view of sample 3#

3.1 織物基本性能

織物的冷暖感與成分、厚度、縱橫密等因素密切相關。3種雙層緯平針織物的結構參數測試結果見表1。可以看出，3種試樣的縱橫密接近，這是由于選用的2種紗線線密度相近且在同一設備上以相同的組織結構進行編織，此外該組織的圈柱在縱向上的投影小于圈弧在橫向上的投影這一結構特點導致面料的縱密大于橫密。在織物的厚度上，純羊毛織物的厚度要大于羊毛/Lyocell雙層織物，純Lyocell織物的厚度最小，即羊毛占比的增長帶動了厚度的上升，這是由于羊毛表面的毛羽含量較多，加壓測試厚度時數值會偏大。

表1 3種試樣的結構參數Tab.1 Structural parameters of three samples

透氣性測試結果見圖3。可以看出，采用同一原料編織而成的織物，其正反兩面的透氣阻抗幾乎相同，而正反面不同材質的織物其透氣阻抗差異較為明顯。氣體主要通過織物的孔隙穿過試樣，結合圖2中3種試樣的組織結構可知，純Lyocell織物的透氣阻抗正反兩面幾乎相同，因此織物正反兩面透氣性能接近，存在的微小差異可能是通過織物四周進入前氣室的空氣量不同引起的；羊毛/Lyocell 2種原料編織的織物，其正反面透氣性差異相比純Lyocell織物明顯增加，反面的透氣阻抗高于正面，這是羊毛紗線的毛羽結構和織物表面的粗糙度差異導致的。

圖3 3種試樣的透氣阻抗Fig.3 Air permeability impedance of three samples

3種試樣的冷暖感測試結果見圖4。可以看出，Lyocell含量越高的織物，接觸冷暖感越高。這主要是由于Lyocell作為再生纖維素纖維，其熱導系數為0.072，比羊毛0.053略高；其次，由于羊毛織物表面成圈起伏較大，測試過程中面接觸轉為點接觸的概率上升，致使最大瞬態熱流量減小，即測得的接觸瞬間冷感小。

圖4 3種試樣的接觸冷暖感Fig.4 Contact instant cold and warm feeling of three samples

3種雙層緯平針織物的表面摩擦性能結果見表2，由表示出不管是正反面還是縱橫向，MIU大小基本呈現相同的趨勢，即3#試樣>2#試樣>1#試樣，可見加入的羊毛成分越多，織物越不平滑。對于羊毛織物，由于紗線毛羽較多，在織物中受擠壓程度越高，織物表面單位面積的突出點增多，摩擦織物時的實際接觸面積增加，從而使得表面平均摩擦因數增大。此外，由于試樣為平針結構，正面以圈柱為主，反面以屈曲幅度更大的圈弧為主，這種結構差異性導致織物在橫向上，反面的摩擦因數大于正面；在縱向上，正面的摩擦因數大于反面；在正面，縱向的摩擦因數大于橫向；在反面，橫向的摩擦因數大于縱向。

表2 織物的表面摩擦性能Tab.2 Surface friction properties of fabrics

圖5 水滴在織物表面的熱成像Fig.5 Thermal images of water droplets on fabric surface

3.2 熱濕傳遞性能

水滴在織物上時，通過2種方式穿過織物：一種是利用織物組織結構的孔隙透過；另一種是利用芯吸效應轉移至織物組織表面[13]。水滴在織物表面后的熱成像見圖5，其中右側圖柱表示不同顏色對應的溫度。每列代表不同試樣在水滴下的第1、5、15、30 s時和第1、2、3、4、5 min時的熱濕狀態，使用的2種纖維本身導熱系數較小，而水的導熱系數較大，纖維吸水后導熱系數增大。同時，水滴到織物上后，纖維分子鏈上強親水性的極性基團與水分子通過氫鍵相結合，釋放熱量，并在水珠周圍形成一圈溫度較高的熱圈。

純Lyocell織物上的水滴擴散均勻，邊緣更為圓滑，這是由于Lyocell作為纖維素纖維，親水性比其他纖維更高，毛細現象更強，且表面摩擦小使其更易擴散與滲透。純羊毛織物中由于羊毛為蛋白質纖維，水滴剛開始1 min在羊毛纖維上形成水珠，隨后依靠水珠自身重力和張力通過織物間的孔隙慢慢滲透擴散，水珠分布擴散不均勻。此外，純Lyocell織物上恒溫設備會快速感應到低溫水，加熱設備增大開度，因此織物整體溫度快速增加，顏色變紅；而羊毛織物水滴擴散不均勻導致恒溫設備感應相對較慢。

羊毛/Lyocell雙層針織物的正面透濕性能大于反面透濕性能，這是由于測試該織物正面的透濕性能時，羊毛層通過平針結構的孔隙將液態水傳送到與恒溫板相接觸的Lyocell層中去，隨后通過Lyocell層的快速導熱將織物整體溫度增加；而測試該織物反面的透濕性能時，測試面Lyocell纖維吸濕之后水珠快速平鋪擴散，下面的羊毛層影響水分進一步傳遞，因此水滴溫度持續較低。可見雙層不同材料針織物的吸濕性能具有單向導濕性，織物上下2層形成導濕梯度。

織物的導熱能力與纖維種類、紗線結構和織物結構相關，是結構參數的多元函數。在這里水滴溫度主要是由熱濕導決定，以Lyocell和羊毛2種材料為代表，以試樣中水滴點的最低溫度為準，3種雙層緯平針織物的水滴溫度變化見圖6。

圖6 3種雙層緯平針織物的水滴溫度變化Fig.6 Temperature changing of three double-sided weft plain knitted fabrics

由圖6看出，純Lyocell織物在開始1 min內升溫速度比較快，正反面的升溫現象幾乎一致。純羊毛織物升溫速度明顯比較慢，正面在2 min左右才升到最高溫，隨后溫度逐漸平緩；反面的溫度傳導速率慢于正面，這可能是由于正反面線圈結構不同導致的。Lyocell/羊毛雙層織物結合了2種材料的性能特點，同時由于2種材質的親水性不同具有單向導濕性能，因此出現的溫度變化也不一致：反面的升溫一開始快于反面，隨后慢于正面，最終趨于平衡。在大多數狀態下熱濕傳導是一個共同傳遞的耦合互動過程，是導熱、毛細流動、滲透、分子擴散、蒸發凝結等的聯合作用。

織物的濕傳導受其導熱性能、溫度的影響，纖維材料的大分子取向結晶度變化使其產生不同的潤濕熱。而織物熱傳遞時，其導濕性有時起決定性的作用，與圖5相互印證。

4 結 論

本文通過試織Lyocell、羊毛、羊毛/Lyocell 3種雙層緯平針織物，對其厚度、縱橫密、透氣性、接觸冷暖感、表面粗糙度、熱濕傳導性能進行測試分析，得出以下結論：

①在基本性能上，采用相同紗線線密度時，3種織物的縱密均大于橫密；羊毛占比越大，織物厚度越大；純Lyocell和純羊毛織物正反兩面透氣阻抗十分接近，而羊毛/Lyocell雙層織物由于羊毛的毛羽更多、表面粗糙產生的孔隙差異導致正面透氣阻抗要小于反面。

②從表面摩擦性能來看，羊毛纖維在織物表面單位面積的突出點較多，不管是在正反面還是縱橫向，平滑度均為純Lyocell織物>羊毛/Lyocell雙層織物>純羊毛織物。結合平針結構正反面的差異性，最終織物在緯向上，反面的摩擦因數大于正面；在縱向上，正面的摩擦因數大于反面；在正面，縱向的摩擦因數大于橫向；在反面，橫向的摩擦因數大于縱向。

③水滴在面料上時，纖維分子鏈上強親水性的極性基團與水分子通過氫鍵相結合散發熱量，因此水珠周圍會形成1圈溫度較高的熱圈。其中Lyocell纖維親水性優于羊毛，毛細現象強，吸水后溫度均勻擴散，而羊毛纖維吸水后水滴通過自重和張力滲透，分布不均勻。羊毛/Lyocell雙層緯平針織物具有單向導濕性，上下2層形成一個導濕梯度，其導濕性對織物熱傳遞起了決定性的作用。