吸濕排汗針織面料設計及熱濕舒適性評價

李 慧，宋曉霞

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

吸濕排汗功能是保持針織服裝穿著舒適性的重要功能[1]。具有吸濕排汗功能的纖維截面大多為異形結構，存在眾多微孔或溝槽[2]。這些微孔或溝槽使纖維具有毛細管芯吸效應，而這種效應可以使纖維迅速吸收皮膚表面的汗水從織物外層蒸發(fā)。影響針織服裝熱濕舒適性的因素有很多，如纖維性能、紗線結構、織物組織結構等[3]。其中纖維性能對面料熱濕舒適性的影響占主要地位，并在很大程度上決定了面料的吸濕排汗效果；織物組織結構會影響面料和水的接觸面積、傳導速率、傳導距離以及蒸發(fā)面積，進而影響面料的熱濕舒適性，合理利用組織結構可以增強面料的吸濕導濕能力。此外，有研究表明[4]，在針織面料上添加不同間距的挑孔，可以增加衣下空氣，從而進一步提高針織面料的熱濕舒適性。文中通過改變面料的紗線、組織結構和挑孔間距，利用正交實驗設計開發(fā)了9 塊吸濕排汗面料，并通過測試面料的熱濕性能指標，探究紗線原料、組織結構和挑孔間距對面料服用性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 為滿足針織面料的吸濕排汗功能，選擇竹纖維、cooldry、coolplus與棉混紡紗線，混紡質量比均為50∶50，紗線規(guī)格為58 tex。 混紡紗線均由東莞市內森奎音紡織科技有限公司生產。

1.1.2儀器 LE104E/02電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司制造；YG751B型電腦式恒溫恒濕箱、YG747型通風式快速八籃恒溫烘箱、YG871-Ⅱ型毛細管效應測定儀、YG461E-Ⅲ型全自動透氣量儀、YG606D型平板式織物保溫儀，均由寧波紡織儀器廠制造。

1.2 面料設計

竹纖維的吸放濕性及透氣性良好，是夏季針織服裝首選紗線之一[5]。cooldry纖維與coolplus纖維的橫截面均呈“十”字形[6-7]，具有良好的吸濕排汗功能。組織結構設計是改善織物吸濕排汗性能的有效因素[8]，因此可以選擇線圈大小均勻且織物表面平整的緯平組織、透氣性和彈性好的3×1浮線抽條組織以及不卷邊的2×2正反針組織。孫岑文捷[9]和SUN C等[4]研究發(fā)現具有通風孔設計的服裝能提高服裝的熱濕舒適性。因此在針織面料上增加挑孔設計(挑孔是電腦橫機通過移圈工藝形成的孔洞)可以使面料達到較好的吸濕排汗效果，但是需要保證單位面積面料內的挑孔面積率，將挑孔間距分別設為1.0，1.5，2.0 cm。

實驗條件滿足3因素3水平，若不考慮交互作用，選用L9(34)正交表設計并安排實驗[10]。具體實驗設計見表1。

表1 面料設計方案

水在面料中的傳遞過程基本上由潤濕—吸濕—擴散—蒸發(fā)4個步驟組成，其中：①潤濕過程是水分對纖維和面料表面的潤濕。②吸濕過程即水分吸附于纖維、面料表面和內部的過程。由于棉纖維中含有大量的親水基團，有助于潤濕和吸濕，同時cooldry與coolplus纖維截面異型化，增大了水與纖維的接觸比表面積，因此，其具有良好的吸濕效果。③擴散過程指面料中的水分由面料的內表面向外表面擴散的過程，其主要依靠纖維內部的孔洞、纖維表面的溝槽以及纖維之間的空隙所產生的毛細效應完成擴散。因竹纖維內部呈高度中空，毛細管效應極強，且cooldry與coolplus纖維表面又有細溝槽，因此有利于水汽的傳輸。④蒸發(fā)過程即面料吸收的水分向外層空間蒸發(fā)從而實現面料的速干過程。通過在面料上進行挑孔設計可以增加衣下空氣，加快空氣對流速度，使水分快速蒸發(fā)。

依據表1中的面料設計方案，利用Stoll電腦橫機織造了9 塊面料試樣。文中實驗設計的吸濕排汗針織面料后續(xù)將用于開發(fā)春秋季節(jié)外穿的貼體針織上衣，所用電腦橫機針距為14針，屬于細針距電腦橫機，且電腦橫機可以通過收放針的方式編織與人體相適應的成型衣片，下機后不需要裁剪，只需簡單縫合即可。對開發(fā)的針織面料進行基本參數測定，測量結果見表2。

表2 面料基本參數測量結果

由表2可知，試樣3#，6#，9#的厚度較厚，組織結構均為正反針，其余面料的厚度相差不大；在組織結構相同的條件下，cooldry與棉混紡織物的面密度最小，coolplus與棉混紡織物的面密度最大；在紗線原料相同的情況下，3×1浮線抽條組織織物的質量最輕。

1.3 熱濕舒適性能測試

1.3.1面料回潮率測試 參照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》標準[11]，將試樣放在恒溫恒濕箱24 h后第一次稱重，記為M1，隨后將試樣放入烘箱進行烘干，30 min后取出稱重，記為M2，根據公式計算回潮率。

1.3.2面料透濕性測試 參照GB/T 12704.2—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第2部分：蒸發(fā)法》標準[12]，把盛有一定溫度的蒸餾水并覆蓋面料試樣的透濕杯放置在恒溫恒濕實驗室內，根據一定時間內透濕杯質量變化計算出試樣透濕率。

1.3.3面料芯吸性能測試 參照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》標準[13]，將試樣垂直浸入毛細管效應測定儀的恒溫水槽中，記錄規(guī)定時間內液體在織物表面上升的高度。

1.3.4面料透氣性測試 參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》標準[14]，在規(guī)定的壓差條件下，使用透氣量儀測試一定時間內垂直通過試樣給定面積的氣流流量，從而計算出透氣率。

1.3.5面料熱傳遞性能測試 參照GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》標準[15]，將試樣覆蓋在織物保溫儀上，由微電腦測定出實驗板在一定時間內保持溫度恒定所需的加熱時間，最終在顯示屏上輸出保溫率、熱阻和傳熱系數。

2 結果與討論

2.1 面料回潮率性能

回潮率是指紡織材料中所含水分的質量占紡織材料干重的百分比[16]。回潮率是反映紡織材料吸濕能力的重要指標，回潮率越大，說明面料的吸濕性越好。織物回潮率測試結果如圖1所示。由圖1可知，試樣1#，2#，3#的回潮率最好，這是由于竹纖維的橫截面上充滿了孔隙，纖維內部呈中空狀態(tài)，可快速吸收和蒸發(fā)水分。另外，棉纖維中含有大量的親水基團，能夠吸附水分子，具有良好的吸濕性。因此，試樣4#，5#，6#的回潮率大于試樣7#，8#，9#的回潮率，說明織物回潮率主要與紗線原料有關。

圖1 織物回潮率Fig.1 Moisture regain of fabrics

2.2 面料透濕性能

織物透濕性的評價指標是透濕率，透濕率是指在試樣恒溫恒濕條件下，規(guī)定時間內垂直通過單位面積試樣的水蒸氣質量。面料的透濕性直接關系到面料排汗的能力[17]，文中實驗采用蒸發(fā)法測試織物的透濕性，測試結果如圖2所示。

圖2 織物透濕率Fig.2 Moisture permeability of fabrics

由圖2可知，試樣6#的透濕性最好，這是由于2×2正反針組織在編織過程中是前后床交替編織，并在織物表面形成凸起，組織結構較為松散；同時試樣6#的挑孔間距為1 cm，單位面積內的挑孔數量較多，減少了水汽在織物間傳遞的阻力。試樣8#的組織結構為3×1浮線抽條組織，織物透濕性也較好。試樣7#的透濕性最差，緯平組織相對于3×1浮線抽條組織而言結構較緊密，且試樣7#的挑孔間距為2 cm，單位面積內的挑孔數量較少，從而影響了織物的透濕性。經分析發(fā)現，對織物透濕率影響較大的是挑孔間距和組織結構。

2.3 面料芯吸性能

芯吸性能是指在纖維毛細管附加引力的作用下，織物中的水分沿著纖維毛細管移動的能力。文中實驗通過測量織物浸水30 min后的芯吸高度表征織物的芯吸能力，芯吸高度越高，表明織物的導濕性能越好。芯吸高度測試結果如圖3所示。

圖3 織物芯吸高度隨時間變化趨勢Fig.3 Trend of fabric wicking height over time

由圖3可知，試樣1#，2#，3#的導濕性最好，其中試樣2#在5～10 min內芯吸速率較快，10 min之后芯吸速率較平緩，30 min時芯吸高度最高；試樣7#和8#的導濕性次之；試樣4#，5#，6#和9#的導濕性較差，其中試樣5#和9#在30 min時的芯吸高度相同；試樣6#的導濕性最差。在紗線原料相同條件下，3×1浮線抽條組織織物的導濕性最好，緯平組織導濕性次之，2×2正反針組織導濕性最差，說明紗線原料和組織結構對織物芯吸性能影響較大。

2.4 面料透氣性能

透氣性是評價織物熱濕舒適性的是一個重要指標[18]，文中實驗用透氣率來表示織物的透氣性，透氣率本質上即氣體的流動速度[19]。實驗測試結果如圖4所示。

圖4 織物透氣率Fig.4 Air permeability of fabrics

由圖4可知，試樣2#和8#的透氣性較好，3×1浮線抽條組織的結構較疏松，空氣易從浮線位置通過織物。試樣4#和7#的透氣性較差，緯平組織結構緊密，增加了空氣阻力，從而影響織物的透氣性。但由于試樣4#的挑孔間距較小，單位面積內挑孔數量多，增加了空氣的傳輸，所以試樣4#的透氣性優(yōu)于試樣7#，說明織物組織結構和挑孔間距對織物透氣性能影響較大。

2.5 面料熱傳遞性能

織物的熱傳遞性能是指織物從高溫方向向低溫方向傳熱的性能。織物的熱傳遞性能主要通過織物的保暖率、傳熱系數以及熱阻來描述[20]。實驗測試結果見表3。

表3 織物熱傳遞性能

由表3可知，組織結構為2×2正反針的試樣熱傳遞性能較好，正反針組織結構的線圈在表面形成的凸起，減少了與保溫板之間的接觸面積，且正反針組織的彈性較大，正反兩面形成孔隙，部分熱量從透氣孔散發(fā)出去。其中試樣3#的熱傳遞效果最好，說明織物熱傳遞性能受紗線原料的影響。對比試樣2#和8#、4#和7#，發(fā)現挑孔間距對織物熱傳遞性能也有一定影響。

2.6 面料熱濕舒適性能綜合評價

根據上述實驗測試結果可以看出,9塊面料在各方面的性能優(yōu)劣不同，很難根據面料的某一項指標做出整體熱濕舒適性評價[21]。因此，文中引用灰色關聯(lián)度分析法對面料熱濕舒適性進行綜合評價。

2.6.1灰色關聯(lián)度模型的建立 灰色關聯(lián)分析實際上是一種態(tài)勢分析，是比較其他數列與參考數列的接近程度[22]。灰色關聯(lián)度模型建立過程如下：

建立數列：

設X0={x0(k)|k=1，2，…，n}為參考序列；Xi={xi(k)|k=1，2，…，n}(i=1，2，…，m)為比較序列。

對數據進行初值化處理：

(1)

求絕對差值：

(2)

求關聯(lián)系數：

ξi(k) =(a+ρA)/(Δi(k)+ρA) ，

(3)

求等權關聯(lián)度：

(4)

式中：n為測試指標總數。

求權重關聯(lián)度：

(5)

式中：ωk為權重系數，根據各指標所做的貢獻不同考慮權重，求出權重關聯(lián)度。

2.6.2關聯(lián)度求解與分析 將針織物的熱濕指標看作一個灰色系統(tǒng)，確定參考數列X0=(12.71，734.98，14.5，2 671，60.11)；參考序列一般是由所有指標的極值構成[24]。以9 塊面料熱濕性能測試值構成的數列為比較數列，記Xi=[xi(1)，xi(2)，…，xi(5)]，i= 1，2，3，…，9，即xi(1)為回潮率，xi(2)為透濕率，xi(3)為芯吸性高度，xi(4)為透氣率，xi(5)為傳熱系數。各個指標的參數因量綱不同，數值差異很大，因而，根據式(1)對數據進行初值化處理。處理后各數據見表4。

表4 初值化后各指標測試數據

表5 等權關聯(lián)度和加權關聯(lián)度

由表5可知，兩種關聯(lián)度秩位排序存在較小差異，竹棉織物的排序較靠前，而含cooldry和coolplus纖維織物的排序相對靠后，說明織物的熱濕舒適性主要與紗線原料有關。試樣2#和8#為浮線抽條組織，試樣3#和6#為2×2正反針組織，這幾種織物的熱濕舒適性關聯(lián)度排序靠前。試樣4#和7#為緯平組織，熱濕舒適性排序靠后，說明組織結構對織物的熱濕舒適性也有明顯影響。同時試樣1#也是緯平組織，但是紗線原料為竹棉混紡紗線，試樣1#的關聯(lián)度排序靠前說明紗線原料對織物的熱濕舒適性有一定的影響。對比試樣5#和8#、6#和9#，發(fā)現挑孔間距也會影響織物的熱濕舒適性。面料的某些熱濕性能比較突出，也會使面料的整體熱濕舒適性提高。如試樣2#在透氣、芯吸方面占有優(yōu)勢，試樣3#在吸濕、熱傳遞方面較好，所以這兩者整體的熱濕舒適的排位分別為1和2；試樣6#的透濕率較大，其熱濕舒適性也比較靠前。

3 結 語

1)通過測試面料的熱濕性能，發(fā)現紗線原料、組織結構和挑孔間距對織物的回潮率、透濕率、透氣性、芯吸和熱傳遞性能有不同程度的影響。其中織物的回潮率主要與紗線原料有關，織物的透濕率和透氣性能主要受到挑孔間距及組織結構的影響，織物芯吸性能主要受到紗線原料和組織結構的影響，挑孔間距對織物熱傳遞性能也有一定的影響。

2)采用灰色關聯(lián)度分析法對9塊吸濕排汗針織面料的熱濕舒適性能進行綜合評價。實驗結果表明，試樣2#的熱濕綜合性能最佳，其次是試樣1#和3#。

3)最優(yōu)試樣2#的組合形式為50/50竹棉混紡紗，3×1浮線抽條組織，挑孔間距1.5 cm。因此，未來在設計夏季吸濕排汗功能服裝時，可以考慮適當增加3×1浮線抽條組織的使用面積，在面料上增加挑孔間距為1.5 cm的小孔，提高針織服裝整體的熱濕舒適性。