芋突結構織物制備及其服用性能研究

許多 陳澤 劉可帥 方劍 徐衛林

摘要：受芋頭結構啟發，針對傳統織物呈二維平面結構，難以大量負載功能材料的問題，通過對其進行熱濕定型處理形成不同尺寸的多維“芋突結構織物”，并與未處理的二維結構織物進行表觀結構和服用性能比較。進一步采用超聲縫合方式將具有保暖特性的功能材料封裝至多維芋突結構織物的內部空間中，制備負載大量保暖功能材料的“芋突包埋織物”，并對其保暖性能進行測試。結果表明：經熱濕定型處理后多維芋突結構織物具有良好的保型性，在力學性能基本保持不變的前提下，透氣性和透濕性提高，手感風格有所改變；所制備的芋突包埋織物的保暖材料負載體積可達到1260 cm3/m2，相較未處理的二維織物保暖性能顯著提升。

關鍵詞：芋突結構織物；熱濕定型；結構參數；服用性能；保暖性能

中圖分類號：TS101.923? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）01-0001-09

Study on Preparation and Wearability of Yutu Structure Fabric

XU Duo1，2， CHENZe1， LIU Keshuai1， FANG Jian2， XU Weilin1*

（1. State Key Laboratory of New Textile Materials and Advance Processing Technologies， Wuhan Textile University，Wuhan， 430073， China;2. College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou Jiangsu 215301， China）

Abstract： In order to overcome the defect that traditional two-dimensional fabrics are difficult to load a large nu- mber of functional materials， and to improve the functionality and wearability of the fabric， three-dimensional fabrics with different sizes of Yutu structure were formed by heat moisture setting treatment of two-dimensional fabrics. Furthermore， the apparent structure and wearability of the new fabrics were compared with those of un- treated two-dimensional fabric. Moreover， the functional thermal insulation materials were encapsulated into the three-dimensional space of the fabric by ultrasonic stitching， and the thermal insulation properties of the embed- ded Yutu fabric were tested. The results showed that the Yutu structure of the three-dimensional fabrics after heat and moisture setting treatment was significant and they had good shape retention， air permeability and moisture permeability were improved， and the mechanical properties remained unchanged. The loading volume of the ther- mal insulation material of the embedded Yutu fabric was 1260 cm3/m2. These results demonstrated that the Yutu structure can significantly improve the warmth retention performance of conventional two-dimensional fabrics.

Key words： Yutu fabric; heat and moisture setting; structural parameters; wearability; thermal performance

傳統機織、針織以及非織造織物具有不同的結構特征，因此表現出不同的物理性能和服用性能，導致所應用的領域也有所差異，但這些織物都局限于二維結構，限制了織物性能的提升[1-3]。基于此，大量學者針對這些問題進行了一些研究：一方面，通過對傳統二維織物進行后處理制備特殊結構織物，從而使織物具備獨特的性能。例如，孟碧等[4]通過熱濕處理具有不同熱收縮率紗線所制備的織物從而形成明顯起縐的特殊結構；葛榮德等[5]通過動態調控織造周期內的送經量，形成表面局部凸起的波浪形態織物；宋艷輝等[6]通過織針排列、送紗張力、上機三角等工藝調節，形成表面具有連續凹凸狀的泡泡織物，但是這些織物結構的調控能力差，且制備工藝難、工序多、流程長等問題制約了其發展。另一方面，隨著科技的發展和社會的不斷進步，人們對織物的功能性要求越來越高，因此通過涂敷、浸軋、沉積等方法賦予織物功能性。例如，徐旭凡等[7]利用轉移涂層工藝將聚氨酯與殼聚糖的混合溶液涂敷于織物表面，實現了織物防水、透濕和抗菌功能；宋蓉蓉等[8]利用納米SiOx浸軋處理棉織物，制備出具有優異耐光性的織物；楊輝宇等[9]利用原子層沉積技術在蠶絲織物表面附著一層 TiO2?Al2O3薄膜，使織物具有優異的抗紫外線性能。然而，這些二維織物對功能材料負載量有限，還存在表層的功能性材料牢固性不足的問題，難以滿足人們在特殊領域的應用需求。

近些年來隨著人們對織物性能需求的不斷提高，具有三維空間結構的立體織物不斷被開發[10-12]，但是立體織物依舊是多層二維結構復合的形式，同時工藝復雜、織物厚重等問題有待進一步提高。因此，急需開發一種具有新型結構的織物，既擁有良好的服用性能，又能負載大量功能材料，可以克服傳統織物存在的功能性缺陷。芋頭表面呈突出形貌、底部中空凹陷，內部具有三維空間，在本文中該結構被定義為“芋突”結構。針對傳統織物結構單一、服用性能難以提升、難以負載大量功能材料等一系列問題，本文提出了具有芋突空間結構織物的制備方法，并通過調控芋突結構尺寸來探究其對織物服用性能的改善，以及對保暖材料的包埋負載能力與保暖性能的影響。基于此，本文研究可為新型功能織物的開發與生產提供依據與指導。

1 芋突結構單元形貌的理論模型

1.1 芋突結構織物理論計算

如圖1（a）所示，首先假設織物表面任意一個不規則芋突單元為不規則半球體，設每個不規則半球體與之相鄰的半球體之間的距離為 l，不規則半球體的高為 h，底面半徑為R，球的半徑為 r 。則每個不規則芋突單元的表面積Sq 可用下列積分公式求得：

其中，（1）式中的α滿足以下公式：

接著對上述公式進行積分并推導后可得此不規則半球體的表面積Sq 和體積Vq：

如圖1（b）所示，假設每個芋突單元之間的距離相等且為 l，那整個織物上芋突單元的總數N 為（每個芋突單元距織物邊緣距離皆為l/2）：

那整個芋突單元在織物上所占底面積Sp為

從而可以得到芋突結構織物的表面積St 為

經過整理可得公式（7）：

同理，此織物具有的芋突空間體積Vt 為

為了更清楚分析不同尺寸下芋突結構織物的表面積和空間體積增加量，我們首先假設實驗織物的長度LX 為250 mm，寬度LY 為200 mm，分別設芋突單元中不規則半球的底面半徑R為2.6 mm、5.4 mm 和8.5 mm，突起高度 h 為2.0 mm、4.2 mm和6.0 mm，芋突單元間距l為2.8 mm、4.0 mm和6.4 mm，則可計算得到芋突結構織物的表面積St1、St2、St3和芋突空間體積 Vt1、Vt2、Vt3分別為

則此時三種結構芋突結構織物的表面積增長率分別達到44%、54%和61%。由此可見，具有芋突結構單元的多維織物有效接觸面積遠遠大于二維織物比表面積，同時可通過改變芋突結構單元形貌尺寸得到具有更大儲存空間的芋突結構織物。

1.2 芋突結構織物包覆功能材料

通過對二維平面織物進行熱濕定型修飾，快速制成了具有表面陣列多維凸起狀結構、底部陣列中空凹陷狀結構的芋突結構織物，然后對織物中芋突狀儲存空間內均勻填埋功能材料，制成了一種可填埋功能材料、具備芋突結構的多維織物面料，如圖2（a）所示，使得織物面料可填埋大量、遠超常規整理負載的功能材料，為織物具備優異的功能性提供良好條件。

如圖2（b）所示，通過與二維織物復合形成閉環，確保內置功能材料在織物面料中始終保持均勻穩定分布，改變了傳統織物的片狀負載空間小、單一形態結構，解決了功能材料難以被有效包埋內置、織物面料表面負載的功能材料易于脫落影響織物手感風格、功能材料難以適應紡織加工要求等技術問題。

2 試驗部分

2.1 實驗材料

芋突結構織物是通過將二維織物熱濕定型處理所制備而來，由于滌綸是用量最大、最具代表性的化學纖維，同時具有良好的熱定型性能，因此優選熱敏感的滌綸織物作為實驗對象，實驗用滌綸機織物的基本參數見表1。同時，熱壓定型板為實驗室自制裝置，如圖3（a），通過調換熱壓定型板表面陣列排布的螺帽型號和間距來實現不同尺寸結構芋突結構織物的制備。另外，用于制備保暖織物的功能材料分別為木棉纖維（纖維細度為1.2 tex、長度為18 mm）和隔熱泡粒（粒徑為0.2 mm）。其中，木棉纖維來自山東奧絨服裝有限公司，隔熱泡粒從邦匯塑料科技有限公司購得，商用保暖棉服由安踏集團提供。

2.2 試樣制備

為初步探究與分析不同尺寸結構芋突結構織物對織物物理性能和服用性能的改善，將制備得到的不同尺寸結構的芋突結構織物和原織物進行物理性能和服用性能對比。

將滌綸織物裁剪至250 mm×200 cm的尺寸后置入自制熱壓定型板內固定，通過螺母緊度來調控對織物的定型壓力，通過采用不同尺寸結構的熱壓定型板來調控所制備的芋突結構織物形貌結構。如圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）所示，通過不同尺寸結構的熱壓定型板分別設置方案A、方案B和方案C三種形態結構芋突結構織物的定型處理方案。其中芋突定型裝置的結構參數：定型壓力為4 MPa，設置濕度為90%，設置溫度為160℃ ， 加熱時間為20min。

在得到多維芋突結構織物后，進一步將保暖功能材料均勻置入不同結構尺寸芋突結構織物的儲存空間內，再利用超聲縫合方式將二維織物與芋突結構織物復合達到有效閉合、穩固包覆保暖材料于織物內，形成大量負載保暖材料的包埋態芋突結構織物。其中，保暖功能材料為木棉纖維和隔熱泡粒，按照芋突結構織物的尺寸結構對應置入不同數量的保暖材料。根據公式（8），方案A內可填埋460 cm3/m2的保暖材料，方案B與方案 C功能材料的填埋量依次為1080 cm3/m2和1260 cm3/m2。此外，超聲縫合線寬=0.5 mm，超聲縫合點間距=0.1 mm。

2.3 芋突結構織物服用性能測試

2.3.1 織物表觀結構測試

使用iphone12和RH2000全自動3D 數碼顯微鏡分別對3組不同尺寸結構芋突結構織物的局部截面形態結構和芋突結構單元微觀結構進行拍攝記錄，對比處理前后織物的形貌結構特征。

2.3.2 織物保型性能測試

使用DK5619A單軸按鍵壽命試驗機，以60次/min的按壓速度對3組織物表面芋突結構單元進行10000次的按壓回彈測試。將直徑為50mm 的1kg砝碼置于3組不同尺寸結構芋突結構織物表面標記位置，通過砝碼質量對芋突結構進行重壓，24 h 后觀察標記位置芋突結構變化。使用 SW-12A織物水洗牢度儀，根據水洗牢度測試標準“AATCC TM61-2013”，采用10個鋼珠在40℃下進行45分鐘洗滌，任取織物上五個位置計算水洗前后芋突結構織物平均厚度。

2.3.3 織物力學性能測試

使用 YG（B）026-250型電子織物強力機，根據織物拉伸強力測試標準“GB/T 3923.1-2013”，以200mm/min的拉伸速度對原織物和3組芋突結構織物進行測試，每組樣品沿緯向各測試5次，取平均值。使用YG02011彈子式頂破儀，根據織物頂破強力測試標準“GBT 19976-2005”，選用直徑為25mm的球型頂桿并按300mm/min的速度進行測試，每組織物取不同部位測試5次，取平均值。

2.3.4 織物透氣、透濕性測試

使用YG461E-III全自動透氣量儀，根據織物透氣性標準“GB/T 5453—1997”，以100 pa壓差、20 cm2尺寸對每組織物不同位置進行5次測試，取平均值。使用YG601H電腦型織物透濕儀，根據織物透濕性標準“GB/T 12704.1-2009”，以38±2℃溫度、50±2%的相對濕度、0.5 m/s的氣流速度對織物5個不同部位進行測試，取平均值。

2.3.5 織物手感風格測試

使用PhabrOmeter 3織物手感風格儀對處理前原織物和處理后的3組不同結構尺寸的滌綸織物的柔軟度、光滑度、硬挺度指標進行對比，以1個壓重盤、試樣直徑為170 mm 對每組織物不同位置進行5次測試，取平均值。

2.3.6 織物保暖性能測試

使用 YG606G 平板式保溫儀，根據織物保溫性標準“GB/T 5453-1997”，采用平板式保溫儀法，試樣尺寸為35 cm×35 cm，以35±2℃表面溫度、65±2%的相對濕度、1 m/s 的氣流速度對包埋保暖材料的芋突結構織物5個不同部位進行測試，取平均值。

3 結果分析

3.1 織物表觀結構及保型性對比分析

由圖4織物的微觀結構可見，芋突結構織物表面存在半球狀凸起結構，不同方案中呈現的芋突形貌有所區別。此外，芋突結構織物中交錯的紗線直徑變細，孔隙略有增大，這可能是由于熱定型過程中對滌綸紗線造成了二次牽伸，使得紗線間的排列發生變化。

在圖5相同的拍攝倍數下可以觀察到，方案 A 中陣列排布的芋突單元更加密集，方案 C 的芋突單元由于直徑較大所以排列較少，方案 B 介于兩者之間。同時，三種方案織物中任意芋突單元經10000次的按壓回彈后依舊保持良好的表觀結構（小圓框內），并且在1 kg 砝碼24 h 的重壓后同樣能恢復到原有的織物形態（大圓框內），由此可以認為此方法制備的芋突結構織物具有優異的結構穩定性。

另外，作者又通過另一角度，即水洗后織物厚度的變化來判斷芋突結構織物的結構穩定性。由表2可以看出，芋突結構織物經過1次水洗后織物厚度基本不變，仍能保持穩定的結構。而芋突結構織物在10次水洗后織物厚度略有下降，這可能是在長時間水洗過程中發生了形變，一定程度上影響了織物的保型性。

3.2 織物力學性能對比分析

芋突結構織物的力學性能對比結果如表3所示，經熱定型后形成的芋突結構織物的各向力學性能有所下降。這可能是熱處理造成滌綸紗線結構的劣化，導致拉伸過程中強力利用率下降，并且芋突結構使得織物中各項紗線張力不勻、拉伸時所受應力不一致，易產生強力弱節影響織物整體強力。同時，芋突結構織物的拉伸伸長率隨著芋突單元尺寸的增大而增大，這說明芋突結構賦予織物較好的延展性，在拉伸過程中紗線有更多的空間進行滑移[13]。此外，當織物由正面頂破時強力不同，芋突結構織物的頂破強力都低于原織物，并且隨著織物比表面積的增加而下降（原織物：323.8 N＞方案A：312.5 N＞方案 B：310.6 N＞方案C：302.0 N），說明芋突結構織物在頂破過程中由于芋突結構的影響導致應力分布不均、織物局部受力集中。

3.3 織物手感風格對比分析

表4為芋突結構織物手感風格性能測試結果，可以看出芋突結構織物與原織物相比具有較好的柔軟性和硬挺度，但是光滑度相對下降。由此可見，芋突結構有效改善織物的形變能力，更加密集的芋突單元排布賦予織物更優異的柔軟性（方案A：55.7＞方案B：51.9＞方案C：49.7＞原織物：43.7），同時密集的排列增加了織物表面粗糙度，惡化了其表面光潔平整性，造成光滑度下降，并且芋突結構織物的柔軟度、硬挺度改善程度與其比表面積大小成反比。另外，芋突結構改變了織物局部的彎曲剛度、撓曲性，織物局部間模量的差異增加了其內摩擦效應，從而導致織物的硬挺度增大[14]。

如表5所示，芋突結構織物的透氣率明顯大于原織物，且透氣率隨著芋突結構織物比表面積的增加而增大（方案 C：702.5 mm/s＞方案 B：637.4 mm/s＞方案 A：615.0 mm/s＞原織物：496.0 mm/s）。同時可以發現方案 C芋突結構織物的透濕量遠大于原織物的1634.3 g/（m2·24h），方案B和A的芋突結構織物透濕量也隨其比表面積的增大而隨之提高。這說明了織物比表面積以及孔隙率的增大減少了對空氣與濕汽流通的阻力[15]，織物的芋突結構提供了空氣與濕汽進行界面交換的空間，使芋突結構織物具備良好透氣、透濕性能。

3.5 織物保暖性能對比分析

包埋態芋突結構織物的超聲點焊縫合線如圖6所示，通過致密的縫合確保芋突空間內負載的保暖功能材料不會脫落且分布均勻。

包埋了保暖材料的芋突結構織物保暖性能測試結果如表6所示。表中可以發現，無論是包埋木棉纖維還是隔熱泡粒，芋突結構織物的保暖性能顯著高于原織物，其中包埋木棉纖維的芋突結構織物保溫率分別提高112.4%，191.7%和225.9%；包埋隔熱泡粒的芋突結構織物保溫率分別提高77.3%，167.6%和201.0%，并且保暖材料的負載率隨著芋突空間體積的增大而增加，保暖率因此也隨之顯著提高，克羅值、傳導系數與不同方案芋突結構織物中保暖材料儲存空間的大小分別成正比與反比。并且同方案下，包埋木棉纖維的芋突結構織物保暖性要優于包埋隔熱泡粒的芋突結構織物，這說明隔熱泡粒的粒徑限制了其在芋突結構織物儲存空間內的有效填埋，隔熱泡粒間存在間隙減少了對溫度流失的保護[16]，而木棉纖維可以均勻且充分的置于芋突結構織物的儲存空間內。

3.6 織物保暖性能實際應用

基于上述研究結果，將包埋隔熱泡粒的芋突結構織物設計并制做成保暖背心（圖7）。通過對比試驗人員在穿戴該保暖背心和商用保暖棉服時的體表溫度，來驗證芋突結構織物在實際應用中的個人熱管理性能。結果表明，在12℃的環境溫度下芋突結構織物保暖背心具有更優異的保暖性能，可為新型的保暖面料開發提供有效參考。

4 結論

本文研制了芋突結構織物，并包埋大量保暖材料，通過與原織物進行對比得到以下結論：

（1）本文通過熱濕定型處理制備了具有芋突結構的新型織物，并且可以根據需要有效調控芋突結構的尺寸。

（2）芋突結構織物具有良好的結構穩定性、延展性，其力學性能略低于原織物；芋突結構織物的手感風格有所改變，在柔軟度、硬挺度方面要優于原織物，此外，芋突結構織物的透氣性、透濕汽性顯著優于原織物，并隨著織物比表面積的增加而增大。

（3）包埋態芋突結構織物中保暖材料的負載率隨著芋突狀儲存空間體積的提升而增加，同時保暖性能也隨之提高。

綜上所述，本研究開發的芋突結構織物制備技術有利于改善織物的服用性能，提高織物的功能化特征。除保暖材料外，還可以通過填埋吸附材料、制冷材料、吸音材料、防輻射材料等實現多功能紡織品的開發，為未來新型功能織物面料的生產提供參考。

參考文獻：

[1]張陳恬， 趙連英， 顧學鋒.中空咖啡碳聚酯纖維/棉混紡緯平針織物的服用性能[J].紡織學報， 2021， 42（3）：102-109.

ZHANG Chentian， ZHAO Lianying， GU Xue- feng. Wearability of hollow coffee carbon polyes- ter/cotton blended weft plain knitted fabric [J]. Journal of Textile Research， 2021， 42（3）：102-109.

[2]王璐， 丁笑君， 夏馨，等. SiO2氣凝膠/芳綸非織造布復合織物的防護功能[J].紡織學報， 2019， 40（10）：79-84.

WANG Lu， DING Xiaojun， XIA Xin， et al. Protec- tive function of SiO2 aerogel hybrid/aramid non- wovens fabric [J]. Journal of Textile Research， 2019， 40（10）：79-84.

[3]陳麗麗， 樓利琴， 傅雅琴.木棉纖維/棉混紡織物結構參數對其保暖透氣性影響[J].紡織學報， 2018， 39（6）：47-51.

CHEN Lili， LOU Liqin， FU Yaqin. Effect of struc- tural parameters of kapok fiber/cotton blended fab-ric on heat retention and air permeability [J]. Jour- nal of Textile Research， 2018， 39（6）：47-51.

[4]孟碧， 謝光銀.高收縮滌綸絲高花縐織物開發[J].上海紡織科技， 2015， 43（6）：54-56.

MENG Bi，XIE Guangyin. The development of high shrinkage polyester crepe fabric [J]. Shang- hai Textile Science & Technology， 2015， 43（6）：54-56.

[5]葛榮德， 范曉， 王新.機織波浪織物生產方法[P].中國專利：CN200610037933.3.2011-04-13.

GE Rongde， FAN Xiao， WANG Xin. Production method of woven wave fabric[P]. China， ZL200610037933.3.2006-01-19.

[6]宋艷輝， 李志民.天絲泡泡縐面料的編織工藝[J].針織工業， 2006，（5）：12.

SONG Yanhui， LI Zhimin. Knitting technology of Tencel crepe fabric [J]. Knitting Industries， 2006，（5）：12.

[7]徐旭凡.多功能聚氨酯涂層織物的制備及性能[J].紡織學報， 2006， 27（3）：71-73.

XU Xufan. Manufacture and performance of poly- urethane coated multi-functional fabrics [J]. Jour- nal of Textile Research， 2006， 27（3）：71-73.

[8]宋蓉蓉.基于納米SiOx浸軋的高效反射織物及耐光性研究[D].上海：東華大學， 2012.

SONG Rongrong. Study on the high reflective fab- ric and its light-fastness by using nano SiOx pad-ding [D]. Shanghai： Donghua University， 2012.

[9]YANG H， YU Z， LI K， et al. Facile and EffectiveFabrication of Highly UV- Resistant Silk Fabrics with Excellent Laundering Durability， and Ther- mal and Chemical Stabilities[J]. ACS Applied Ma- terials& Interfaces， 2019， 11（30）：27426-27434.

[10]陳利， 李嘉祿， 李學明.三維編織中紗線的運動規律分析[J].復合材料學報， 2002， 19（2）：71-74. CHEN Li， LI Jialu， LI Xueming. Analysis of the yarn movement in 3D braids [J]. Acta MateriaeCompositaeSinica， 2002， 19（2）：71-74.

[11]孫穎， 劉俊嶺， 鄭園園， 等.碳/芳綸混編三維編織復合材料拉伸性能[J].紡織學報， 2018， 39（2）：49-54.

SUN Ying， LIU Junling， ZHENG Yuanyuan， et al. Tensile properties of carbon-aramid hybrid 3- D braided composites [J]. Journal of Textile Re- search， 2018， 39（2）：49-54.

[12]徐藝榕， 孫穎， 韓朝鋒， 等.復合材料用三維機織物成型性的研究進展[J].紡織學報， 2014， 35（9）：165-172.

XU Yirong， SUN Ying， HAN Chaofeng， et al. Re- search progress of formability of three- dimen- sional woven fabrics for composites [J]. Journal of Textile Research， 2014， 35（9）：165-172.

[13]HATICE K. Optimization of stretch and recovery properties of woven stretch fabrics[J]. Textile Re- search Journal， 2017， 87（5）：582-592.

[14]許多， 衛江， 梅劍香， 等.柔潔紡粘膠強捻紗及其織物性能[J].紡織學報， 2019， 40（10）：48-55.

XU Duo， WEI Jiang， MEI Jianxiang， et al. Prop- erties of soft- spun viscose hard- twist yarn and fabric thereof [J]. Textile Research Journal， 2019， 40（10）：48-55.

[15]?IVA Z， ALES H， KRSTE D. Prediction of one- layer woven fabrics air permeability using porosi- ty parameters[J]. Textile Research Journal， 2012， 82（2）：117-128.

[16]裴鑫， 姜茜， 林佳弘， 等.中空滌綸/不銹鋼/竹炭保溫透濕材料的開發及性能研究[J].材料導報， 2017， 31（22）：55-59.

PEI Xin， JIANG Qian， LIN Jiahong， et al. Devel- opment and performance of a hollow polyester/ stainless steel/bamboo charcoal composites used in heat insulation and moisture permeable fabric [J]. Materials Reports， 2017， 31（22）：55-59.

（責任編輯：胥朝陽）