緯編單導涼感雙面輕薄織物結構設計與性能

姚懿宸, 董智佳, 姚馨馨, 葛美彤

(1.江南大學 針織技術教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122; 2.無錫恒諾紡織科技有限公司,江蘇 無錫 214105)

為積極應對全球溫室效應加劇的氣候變化,中國紡聯在2021國際創新峰會上提出要推動“中國時尚品牌氣候創新碳中和加速計劃”,為了減少制冷設備的使用,實現低碳的衣著生活,涼感面料成為當下節能著裝開發的熱點[1-2]。涼感纖維通常具有較高的導熱系數,能將人體產生的熱量快速導出到外界環境。但常規涼感纖維吸濕性差,難以將人體表面的汗液排出,使人體與織物間產生黏著感[3-4]。緯編雙層織物結構通過形成織物內外層濕潤梯度,將汗液單向地從親膚一側傳導至織物外層,使其在織物外層迅速蒸發,且導出的汗液不會回滲到面料內層,以維持面料與人體皮膚之間微環境的濕熱平衡[5],可以改善織物的導濕透氣性。目前市面上的單面運動面料普遍遮蔽性較差,單向導濕性能有限,難以織造較大的花型;而常規雙面運動面料的平方米質量在170～210 g/m2,且結構較為簡單,難以滿足夏季運動時人們對于面料輕薄干爽的需求。

本文旨在開發系列具有單向導濕功能的輕薄涼感織物,根據單向導濕技術的原理,選用具有涼感性能的聚乙烯(PE)及其復合纖維編織親膚面,滌綸編織織物使用正面,通過組織結構設計使面料有凹凸狀的單側網眼結構,減少面料與皮膚的貼附。最后測試獲得樣品的導濕透濕、接觸涼感等性能,并分析評價不同纖維材料和組織結構對織物綜合性能的影響。

1 織物開發

目前開發夏季運動面料采用的紗線常規線密度為8.33 tex,由于雙面結構難以做到十分輕薄,本文全部采用5.56 tex的紗線,以減小織物厚度,并通過合理配置親疏水紗線達到單向導濕的性能,設計組織結構形成單側網眼,實現面料的凹凸效應。

1.1 原料選擇

目前利用結構設計法實現織物的單向導濕功能主要是依靠纖維原料親疏水性能的差異[6]。聚乙烯(PE)纖維屬于本征型導熱纖維,其高結晶度和取向度能使熱量延纖維軸向快速傳遞,且具有較高的人體紅外透過率和持續的熱傳導能力,穩態接觸涼感有一定的優越性[7-8];聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)皮芯結構復合纖維的皮層組織為高密度聚乙烯,熔點低且柔軟性好;芯層組織為聚丙烯,熔點高、強度高[9],有良好的導熱能力和芯吸能力。

低溫陽離子滌綸是滌綸纖維經陽離子改性,加入親水性基團,降低結晶度,使其吸濕回潮率遠高于普通滌綸;通過超細化紡絲技術制得的超細合成纖維滌綸線密度遠細于普通滌綸紗線,其比表面積大,纖維之間的縫隙較大,形成更密集的毛細孔洞,使纖維的吸濕性和毛細芯吸能力得到極大提高,且纖維束內纖維根數增多,利于吸收和保留更多水分,改善了滌綸的親水性[10]。

因此,選擇PE纖維和PE/PP復合纖維編織內層疏水面;選擇兩種改性滌綸紗線編織外層親水面。紗線具體規格參數如表1所示。

表1 紗線規格Tab.1 Yarn specifications

1.2 工藝方案

采用工藝1和工藝2搭配低溫陽離子滌綸紗線和PE/PP復合紗線制備樣品1和樣品2,采用工藝3、4、5搭配超細纖維滌綸紗線和PE紗線制備樣品3、4、5。其中,工藝1采用滌綸在針盤編織工藝反面和連接層,工藝2、3、4、5都采用涼感纖維在針盤編織工藝反面并編織連接層。基本工藝參數如表2所示。

表2 基本工藝參數Tab.2 Basic process parameters

工藝1的花型通過連接處的編織將線圈固定,跨越橫列的線圈將網眼兩側收縮拉緊,使網眼呈現梨形,且呈單面,形成工藝正面,即親膚面的凹凸結構。工藝3與工藝1選針形成的網眼結構類似,但由于采用上針隔行全成圈的組織結構,兩面均較為平滑。工藝2、4、5采用集圈編織連接層,形成滌綸面的單側網眼。繪制結構意匠圖,如圖1所示;并結合互聯網針織CAD系統IKDS繪制線圈結構模擬圖和側視圖,如圖2所示。

圖1 意匠圖Fig.1 Pattern grid

圖2 線圈結構模擬圖和側視圖Fig.2 Coil structure simulation diagram and lateral view

1.3 后整理

1.3.1 染 色

聚乙烯吸濕染色性較差,染色時在滌綸編織面上色。該系列面料為吸濕排汗功能性面料,采用ICC吸濕排汗整理劑(魯道夫化工有限公司),增強織物滌綸面的親水性和吸濕性。該整理劑適合超細纖維織物的功能整理,賦予織物柔軟、涼爽手感。

1.3.2 定 型

由于聚乙烯材質不耐高溫,熱定型溫度不能超過115 ℃。經整理定型后,量得成品基本規格如表3所示。

表3 成品基本規格參數Tab.3 Basic specifications of finished products

2 測試設計

2.1 導濕透濕性能測試

2.1.1 單向導濕性及速干性

1) 芯吸高度。根據FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》測試織物的芯吸高度,分別測量經緯向數據各3組求平均值,作為評價其吸濕性能的指標。

2) 液態水分管理。根據標準GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕的評定 第2部分:動態水分傳遞法》中的相關指標,選用MMT液態水分管理測試儀,測試5組數據求平均值。

3) 滴水擴散面積。用滴管吸2 mL的有色溶液,在距離織物親膚面2 cm的高度連續滴5滴,靜待40 s,拍攝其擴散形態,并利用Imagej軟件計算其不規則面積。

2.1.2 透濕性

衡量服裝舒適性的一個重要指標就是紡織面料的透濕性能,按照GB/T 12704—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法》,選用YG601H-Ⅱ織物透濕儀進行測試,測試3組數據求平均值。

(1)

式中:WVT為每平方米每24 h的透濕量;m1為第一次稱量試驗組合體質量;m2為第二次稱量試驗組合體質量;S為試樣試驗面積;t為試驗時間。

2.2 透氣性測試

夏季服裝要求面料有良好的透氣性。依據GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》,選用YG461E-Ⅲ全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠),在樣布不同部位測試10次,求平均值。

2.3 接觸涼感性測試

根據GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測和評價》,Q-Max值≥0.15 W/cm2,可視為接觸瞬間涼感性能面料。采用平板式織物保溫儀法來測量織物的導熱系數以表征織物的接觸涼感[11]。選用YG606D型平板式織物保溫儀(寧波紡織儀器廠),測得保溫率、導熱系數、克羅值,并計算Q-Max值以表征織物接觸涼感。

3 結果與分析

3.1 基本參數

由圖3可見,厚度和平方米質量成基本呈正相關。選用紗線相同時,工藝2、4、5采用集圈結構編織連接層,支撐性更強,得到的樣品厚度較大。工藝1、3的結構連接點更密集,織物親水層和疏水層連接更緊密,因而其樣品厚度較小。

圖3 厚度與平方米質量之間的關系Fig.3 Relation between thickness and weight in grams

3.2 導濕透濕性能

3.2.1 單向導濕性及速干性

1) 芯吸高度。經測試得到經緯向芯吸高度,如圖4所示。織物經向的芯吸高度均優于緯向芯吸高度,是由于織物縱向的毛細孔隙貫通性比橫向好,毛細效應更明顯[12]。樣品1和樣品2的毛細芯吸能力主要由PE/PP皮芯結構復合纖維提供,樣品3、4、5的毛細芯吸能力主要由超細纖維滌綸提供。樣品2的芯吸高度優于樣品1,由于樣品2連接層采用皮芯結構纖維,有利于水分的傳導,織物芯吸高度更高。比較后三種工藝,連接層均采用PE纖維,而樣品3由于厚度較小,其芯吸效果顯著降低。

圖4 經緯向芯吸高度Fig.4 Latitude and longitude core suction height

2) 液態水分管理評價。MMT液態水分管理測試儀測試得到內外層含水量/時間變化曲線和液態水分管理相關指數,如圖5、圖6所示。

圖5 內外層含水量/時間變化曲線Fig.5 Water content/time curve of inner and outer layers

圖6 液態水分管理相關指數Fig.6 Indexes related to liquid water management

PP纖維的回潮率小于0.03%,幾乎不吸濕,而PE纖維的回潮率在0.1%～0.2%,略高于PP纖維,所以由PE/PP復合的纖維吸濕性略高于純PE纖維。

當液體滴在測試面時,由于PE纖維的疏水性,水分在纖維間擴散,經連接層紗線的毛細效應傳導到親水層。樣品1和樣品2親水層含水量始終高于疏水層,且差異明顯,水分傳導快速有效。樣品3持續導濕效果欠缺,由于厚度小,且單側網眼處顯露親水性紗線,使得單向導濕指數呈負值。

3) 速干性。最大浸濕半徑和液態水擴散速度是表征織物速干性的重要指標。由表4和圖7可見,對比樣品1和樣品2,PE/PP復合纖維編織連接層時,毛細效應好,導水速率快,液體還未在疏水層擴散即傳導到親水層被其吸收。因此,樣品的疏水層最大潤濕半徑小于樣品1,速干性能較好;對于后三種工藝,樣品4的網眼間有滌綸浮線顯露,導水速率相對較快。

表4 速干性相關表征指標Tab.4 Characterization indexes related to rapid drying

圖7 親膚面滴水擴散形態Fig.7 Droplet diffusion pattern of skin-friendly surface

3.2.2 透濕性

影響織物透濕性的主要因素是水氣通過織物的傳遞途徑,包括水氣從面料孔隙擴散,以及通過纖維的親水性和毛細效應使水分擴散到水氣壓較低的一側擴散或蒸發[13]。試驗所得數據如圖8所示,再根據表4測得數據,樣品1、2親水纖維的吸水速率低于樣品3、4、5,但由于樣品1在親膚面形成了較大的單側網眼,利于水氣向親水面透過,而樣品2、3、4、5形成的網眼均在滌綸面,水氣無法直接接觸親水層,透濕性能明顯低于樣品1。對于采用相同紗線的后三種樣品,樣品4前后層采用集圈連接,且連接點較少,不利于水氣擴散,透濕量較低。

圖8 透濕量Fig.8 Moisture transmission

3.3 透氣性

影響織物透氣性的因素主要是織物組織結構的緊密程度及孔隙大小和分布。試驗得到的數據如圖9所示,根據組織設計,樣品1的網眼較樣品2大,則其獲得的透氣率更加優異。相較于樣品1和樣品2,樣品3前后層連接較為緊密,其厚度和平方米質量更小,減少了氣流透過的路徑,利于織物透氣。樣品4和樣品5添加浮線或集圈組織,結構疏松,且網眼花型相對小而密集,透氣性較好。

圖9 透氣率Fig.9 Ventilation rate

3.4 接觸涼感性能

織物的熱傳遞性能是反映織物導熱、隔熱等性能的重要基礎。纖維性質、織物結構、厚度等均會對其熱傳遞性質產生影響[14]。導熱系數越大,越有利于將皮膚產生的熱量傳導到外界,帶給人體接觸涼感。測試結果如表5所示,根據試驗測量所得數據及Q-Max與導熱系數的轉化關系(式(2))得到圖10。

Q-Max=λ×T

(2)

式中:Q-Max為織物瞬間涼感熱流量,W/cm2;λ為導熱系數,W/(m2·℃);T為溫度,℃。

表5 熱傳遞性能測試結果Tab.5 Heat transfer performance test results

圖10 Q-Max值Fig.10 Q-Max value

樣品1、樣品2和樣品3的Q-Max值達到了GB/T 35263—2017認定的接觸涼感性能基本要求,采用PE/PP皮芯結構復合紗線的涼感性能較為顯著,其中樣品1的接觸涼感性能最優。對于樣品3、4、5,由于樣品3的平方米質量和厚度均較小,其導熱性能更優良,接觸涼感較好。

3.5 綜合評價

通常情況下織物越厚,連接層支撐能力越強,導濕能力越好,親膚面越干爽,單向導濕效果越佳。而本文開發系列織物擬應用于夏季運動服裝,輕薄的材質更加柔軟貼膚,能減輕人體負擔,提高透氣透濕性能。綜合考慮以上因素,再對其進行綜合評價。

采用客觀賦權的變異系數法,根據實驗所測的各項性能數據(表6),計算各性能指標的權重[15]。由于織物要求越輕薄越好,因此將平方米質量和厚度標準化,取其倒數,根據下式計算各性能所占權重。

(3)

表6 性能測試數據匯總Tab.6 Summary of performance test data

根據表7所得各項性能指標的權重值,計算織物的綜合評價指數Y。其中,各項性能占比排序為:單向導濕性能>接觸涼感性能>透氣性能>透濕性能>織物平方米質量=芯吸高度>厚度。

Y=0.203y1+0.418y2+0.107y3++0.111y4+
0.064y5+0.064y6+0.033y7

(4)

式中:Y為綜合評價指數;yi為標準化后的第i項性能指標,其中y1為Q-Max,y2為單向導濕指數,y3為透濕量,y4為透氣率,y5為平方米質量倒數,y6為芯吸高度,y7為厚度倒數。

經計算得到如圖11所示的綜合評價指數。樣品綜合性能由優至劣排序為:1>5>2>3>4。由于樣品1采用連續多路的成圈,在親膚面形成較大的單側網眼,透濕透氣效果得到提升,且呈現凹凸效果,面料的干爽和接觸涼感優異;樣品2由于連接層支撐較好,厚度和平方米質量均較大,利于織物單向導濕。樣品3表面平滑,凹凸效果不明顯,因為連接處較多,厚度相對減小,最為輕薄;樣品4、樣品5通過集圈跨越多個橫列同樣形成單側的網眼,但在疏水一側,且雖然網眼循環較密集,但花型較小,凹凸效果不明顯。

表7 樣品7個性能指標權重值Tab.7 Weight values of seven performance indexes of the samples

圖11 綜合評價指數Fig.11 Comprehensive evaluation index

4 結 論

本文設計了一系列涼感聚乙烯緯編雙面織物的開發流程,并結合互聯網針織CAD系統IKDS對織物結構進行了模擬,通過改變紗線配置和編織工藝,探究其對織物相關性能的影響,為夏季運動面料的開發提供新的思路。通過對試驗結果的分析整理,應用客觀賦權的變異系數法對織物主要功能性賦權計算,對其綜合性能進行評價,表明紗線種類、紗線配置及織物組織結構等對織物的接觸涼感、單向導濕性等熱濕舒適性的影響較為顯著。

1) 采用PE/PP皮芯結構復合纖維編織親膚面的織物整體的接觸涼感優于采用純PE紗線的織物。

2) 親膚面形成較大的單側網眼時,有明顯的凹凸效果,可以減少面料與皮膚的貼附面積,且顯著提高其單向導濕、透氣和接觸涼感性能,同時能滿足織物輕薄的需求。

3) 連接層采用芯吸效果好的異形纖維或超細纖維可以提高織物的芯吸性能,改善織物導濕透濕能力。

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