單向導濕緯編成形織物的結構設計及其性能

丁玉琴, 董智佳, 叢洪蓮, 葛美彤

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

隨著全民健身和運動休閑潮流的興起,人們對于運動服裝的功能性和舒適性要求也不斷提升。功能性針織物由于其優良的彈性和柔軟貼體等特點常作為運動服裝的首選。運動出汗會極大地影響服裝的熱濕舒適性,組織結構的設計和后整理工序都會對面料的熱濕舒適性能產生較大的影響,因此,服裝織物對于汗液的管理和傳導的研究應運而生。

目前,針對如何將汗液從皮膚側排向織物表面側已有很多研究。達到良好的吸排功能主要有2種途徑:一是利用織物層縱向的浸潤梯度效應,使得液體能夠沿著織物層從親水性弱的一側向親水性強的一側傳導[1];二是利用差動毛細效應,由樹形吸水所啟發,利用織物的芯吸將水分傳導向外側[2]。后者巧妙利用紗線本身的結構,達到流程短、效率高的生產特點,契合綠色紡織品[3]的設計理念。從紗線組件的研發到組織結構的設計,都能夠在一定程度上實現面料的吸排功能。袁魯寧等[4]為研發具有優良調濕控溫性能的立體針織物,提出了立體針織物拓撲優化設計的方法,研究了冬季運動保暖內衣用立體針織物的水分管理性能。王莉等[5]以蝴蝶鱗片的表面形態為靈感,利用不同的紗線配置和組織結構開發,設計了服裝面料并評價了其熱濕舒適性能。

本文基于差動毛細效應,以2種紗線搭配方式,設計了5種單面緯編織物,通過結構表征與性能測試,研究組織結構特點對織物單向導濕功能的影響,從而使不同結構特點的織物在緯編定位成形設計中有合理的布局。

1 導濕機制

從水分接觸貼膚面開始,其導濕能力的好壞體現在水分是否能從貼膚面快速傳導到外表面,避免液體在貼膚面積累產生黏膩等不適感[6]。由于紗線是纖維并列排布形成的集合體,單根纖維自身直徑較小,排列后便形成毛細管?；谛疚?這些毛細管為液體的吸附與傳導提供了空間。單層紗線形成織物芯吸所需要的動力來源是毛細管與液體接觸時形成的彎月形曲面的附加壓力,而當雙層紗線形成織物且外層紗線的單纖密度小于內層紗線的單纖密度時,織物表面層附加壓力將大于內層附加壓力,水分接觸織物就可以從里層向表層運動。這便是差動毛細效應[7],表達式為

式中:ΔP為附加壓力差,Pa;P1、P2分別為通道1和通道2的附加壓力,Pa;γ為液體表面張力,N/m;θ為纖維接觸角,(°);r為纖維的毛細管當量半徑,m。

2種差異性股數的紗線搭配組合,形成差動毛細效應,從而能在一定程度上契合“樹形”[8]芯吸結構,使得織物具有單向導濕的功能。雙層差異化單纖密度紗線傳導水分過程示意圖如圖1所示。

圖1 差異化單纖密度紗線傳導水分過程示意圖

基于以上理論,本文分別采用93.3 dtex(384 f)和92.2 dtex(72 f)的滌綸紗線作為面紗;地紗均采用55.5 dtex(14 f)滌綸紗線。1種地紗和2種面紗形成2組原材料組合,并在每組材料的基礎上設計5種織物結構。由于滌綸織物親水性、染色性欠佳[9],一般服用滌綸織物都會經過助劑整理,因此,本文一方面研究不同結構原料搭配本身產生的性能差異,另一方面研究組織結構對于織物導濕性能的影響。利用紗線結構、織物結構本身的特點得到更好的導濕性能,以結合后整理過程得到服用性能更好的產品。

2 組織設計與性能測試

2.1 結構設計

緯編單面無縫產品在運動服裝領域占據很大的比重。添紗組織常用于單面無縫產品的設計中,包括普通添紗、交換添紗、架空添紗、繡花添紗織物等[10]。添紗組織的線圈與幾何特性基本上與地組織相同,使用2種不同的紗線時可以使得織物兩面具有不同的特點,能夠最大程度發揮2種不同特性紗線的功能。本文設計的5種組織的意匠圖以及織物的線圈結構如圖2所示。

圖2 5種組織結構意匠圖與線圈圖

使用無縫內衣機配套的PHOTON軟件繪制織物的結構模板圖。PHOTON軟件中織物的結構圖用不同的顏色表示每路2個選針器的工作方式,因此結合程序設定,需要將意匠圖與上機結構圖對應起來。結構圖中白色代表添紗編織,面紗、地紗均成圈;灰色代表地紗成圈,面紗浮線;黑色代表面紗、地紗均浮線。最后使用Digraph3plus軟件進行工藝程序設計,通過編譯得出程序文件用于上機織造。

基于添紗編織,對比5種織物的特點。將5種織物中包含的編織動作特點概括為3類,如圖3所示。均勻結構表示面紗、地紗均成圈,如F1;單一結構表示地紗成圈、面紗不成圈,如F3;松散結構表示面紗、地紗不連續成圈,如F2和F4;而F5中3種結構特點均有包含。在區域面積相同時,可以分別研究每種編織特點對于組織功能的影響。

圖3 不同線圈結構歸類

2.2 樣品制備

采用SM8-TOP2 MP2型圣東尼單面無縫機進行編織,機號為E28針/(2.54 cm),筒徑為38.1 cm,總針數為1 344 針?？椩煜聶C后進行預縮處理,使織物性質接近于成品。經過處理后5種組織樣品的基本信息如表1所示。組合1:地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線,面紗為93.3 dtex(384 f)滌綸紗。組合2:地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線;面紗為92.2 dtex(72 f)滌綸紗。

表1 織物基本工藝參數

在相同的上機條件下,包括機速、送紗方式和機上密度等,將同一種原料的5種組織在同一筒子上分段排布,一體織造,目的是使下機后,同種原料的5種組織坯布的下機密度相近。相同原料不同組織中,由于添紗結構的不同,線圈墊紗的差異導致用紗量不同,使得面密度發生變化,因此,需要研究組織結構的不同帶來的整體功能的差異。

2.3 性能測試

采用JC2000DM型接觸角測量儀(北京中儀科信科技有限公司),每次注射5 μL液體,觀察93.3dtex(384 f)、92.2 dtex(72 f)和55.5 dtex(14 f)3種紗線的接觸角隨時間的變化,即從液體接觸紗線表面到沿著紗線擴散整個過程的變化。

根據FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》,采用實驗室自組裝儀器測量芯吸高度,準備尺寸為2.5 cm×30 cm的面料試樣,垂直懸掛,并固定在試樣架上,使試樣一端2 cm浸在液體中,在規定時間內記錄液體沿著試樣長度方向攀升的高度。

采用紫色水溶色素、小容量膠頭滴管和固定裝置,進行織物的滴水擴散實驗,試樣尺寸為10 cm×10 cm,水滴體積為0.2 mL,記錄滴水40 s后液體在織物貼膚面擴散的狀態,研究其液體擴散規律。

根據GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分:動態水分傳遞法》,采用Q290型MMT水分測試儀(標準集團(香港)有限公司)測試樣品的水分管理性能。測試液體是0.9%的氯化鈉溶液,用于模擬汗液。測試液輸送針管位于上部環形排列傳感器中心,模擬人體皮膚出汗。在液體浸潤擴散的過程中,相鄰環之間的電阻變化能反應出水分在織物上下2層的擴散情況,由此得到上下層潤濕時間、上下層吸濕速率、上下層液體擴散速度、累積單向傳遞指數、整體液態水動態傳遞指數(OMMC),從而用于衡量織物的水分管理性能。

3 結果與分析

3.1 紗線浸潤性能

液體從接觸織物到蒸發主要分為4個過程:吸附、浸潤、擴散、蒸發。不同體積密度的紗線在接觸液體后的擴散效果是不同的。圖4分別示出93.3 dtex(384 f)、92.2 dtex(72 f)和55.5 dtex(14 f)3種紗線從液滴接觸紗線到擴散整個過程中的接觸角隨時間的變化。93.3 dtex(384 f)紗線從水滴滴落到擴散的整個過程用時2 s,在3種紗線中擴散最快,原因在于其紗線股數多,紗線內部蓬松,且表面孔隙較大,液滴接觸紗線表面快速滲入孔隙并沿著紗線徑向傳導。液滴接觸55.5 dtex(14 f)紗線到最終擴散開所用時間最長,說明紗線內部孔隙數量少,液體通道較少,無法在短時間內容納液體使之傳導,因此,在2～4 s之間時紗線接觸角較大,但是整體變化速率較小,所以用55.5 dtex(14 f)紗線可以在一定程度上阻止液體反滲。

圖4 不同紗線接觸角隨時間的變化

3.2 織物芯吸高度

每種織物不同方向的芯吸高度測試結果如表2所示。

表2 織物試樣芯吸高度測試結果

觀察表2數據,組合1中每種組織縱向、橫向芯吸高度均高于組合2,佐證了55.5 dtex(14 f)地紗搭配93.3 dtex(384 f)面紗形成的差動毛細效應顯著,形成的織物對水分的傳導效果優于55.5 dtex(14 f)紗線搭配92.2 dtex(72 f)紗線形成的織物。除此之外,每組織物的縱向芯吸高度均高于橫向,說明芯吸在圈柱方向上的傳導效果好于沉降弧方向。其原因在于:一方面,無論是組合1還是組合2,5種織物組織的縱密均略大于橫密,因此,縱向有更多的圈柱參與到水分的傳導;另一方面,從微觀尺度分析,縱向纖維排列形成的毛細管更有利于水分的傳導,因此,進一步研究該方向上纖維之間毛細管的規律特點有助于設計性能更優的單向導濕織物。

3.3 織物滴水擴散效果

對組合1每種組織的織物進行可視化滴水擴散實驗,觀察其擴散形狀,以驗證液體在不同方向上的傳導情況,滴水后擴散40 s的形狀如圖5所示。水分擴散后最終形成近似橢圓形的痕跡,長軸均處于織物縱向。初步推測由于圈柱方向紗線排布平直,內部孔隙較為規整[11],液體易于傳導。該結果與芯吸高度實驗得到的結果相吻合。

圖5 5種織物滴水擴散40 s后示意圖

3.4 液態水分管理性能

每種織物的液態水分管理測試結果如表3所示。組合1的各項數據換算為等級表示均在3級以上,達到GB/T 21655.2—2019中所要求的吸濕排汗性能。第1組底層浸濕時間小于1 s,底層液體擴散速度大于16 mm/s,浸潤與擴散性能均優于組合2?？梢钥闯?在55.5 dtex(14 f)地紗搭配93.3 dtex(384 f)面紗形成的織物中,汗液產生后能夠快速從貼膚面向外表面傳導,有著優異的導濕性能。與此同時,組合1底層最大擴散半徑與上層最大擴散半徑的差值大于組合2。說明液體能夠在93.3 dtex(384 f)紗線的表面層持續擴散且反滲效果不明顯。在相同原料搭配下的5種組織中,組合1的上下層浸濕時間、上下層吸汗速度與上下層最大擴散半徑差值均比較小,說明汗液產生后不能快速傳導和擴散,且不同組織導濕性能的差異規律不明顯。但組合1中,液體在不同的組織中存在傳導規律差異。1-F1織物的上下層浸濕時間、上下層吸汗速度與上下層最大擴散半徑差值均大于其它結構,且液態水動態傳遞綜合指數(OMMC)達到了0.898。同時含有松散組織和單一組織的1-F5上下層浸濕時間、上下層吸汗速度與上下層最大擴散半徑差值和液態水動態傳遞綜合指數(OMMC)最小。這說明正反兩面都排列規整的平紋組織單向導濕能力較好,而其它織物含有松散結構和單一結構,正面排列相對較為規整,但是反面存在的浮線結構中,紗線排列疏松,形成的毛細管不緊密,不利于汗液的傳導。

表3 MMT水分管理實驗結果

每種織物的累積單向傳遞能力測試結果如圖6所示。從原料的搭配看,面紗為93.3 dtex(384 f)(組合1)的組織評級均高于面紗為92.2 dtex(72 f)(組合2)的組織;在相同的原料組合下,不同組織的累積單項傳遞能力等級排序為:F1>F4>F3>F2>F5。F1的各項數據均優于F3,說明單一結構織物的導濕性能沒有均勻結構優越。F4的整體液態水分吸收能力為5級,F2的為4級,導濕性能較好。而F4整體水分吸收擴散能力與F2相當,其它數據F1優于F2和F4,說明松散結構會對織物的導濕性能產生負面影響,但是F2和F4的數據差異并不是很大,因此,不同線圈數量與不同位置的浮線對于添紗織物導濕性能的影響還需作進一步研究。

圖6 累積單向傳遞能力

4 數值計算與驗證

液體在針織物中的傳導受多方面因素的影響。為驗證液體受紗線單纖密度的影響,以及研究不同組織結構對于織物導濕性能的影響,需要將整體吸水-導水組件進行一定的簡化。圖7示出織物截面處紗線中纖維排布的毛細管流通模型,在此將紗線看成均勻三角排列模型。采用CU-6型纖維細度儀(北京和眾視野科技有限公司)測量3種紗線的纖維直徑。

圖7 織物截面紗線排布形成毛細孔隙示意圖

根據下式計算孔隙的毛細管當量面積S,從而得到每種紗線的毛細管當量半徑。

式中:d為纖維的直徑,μm;r為紗線孔隙的毛細管當量半徑,μm。

表4示出3種紗線的纖維直徑與模型毛細管當量半徑計算結果。經過計算得到不同紗線搭配后的毛細壓差ΔP,55.5 dtex紗線搭配93.3 dtex(384 f)(組合1)紗線形成的毛細壓差為16.647 4 kPa,55.5 dtex紗線搭配92.2 dtex/(72 f)紗線(組合2)的毛細壓差為5.282 4 kPa,佐證了差異性股數紗線搭配后所具有顯著的差動毛細效應。

表4 3種紗線纖維直徑與模型的毛細當量半徑

織物面內的水分擴散可以應用哈根·泊肅葉方程進行分析[12],標準流體力學表示法下的哈根·泊肅葉方程為

式中:ΔP為毛細管壓力差,Pa;L為毛細管長度,m;μ為動黏度,Pa·s;Q為體積流量,m3/s。液體在管內的體積流量與壓差成正比,與管徑的4次方成反比。如表4所示,高股數紗線的排布所形成的毛細管管徑顯著小于普通紗線,壓力差較大,因此體積流率較大。說明高股數紗線的配置對液體的擴散與流動能形成有效的管理,當液體傳導到高股數一側后,能迅速沿著紗線內部毛細管的排列擴散開,避免液體聚集反滲,防止加劇穿著時的黏膩潮濕感。

5 結 論

本文基于差動毛細效應,以55.5 dtex(14 f)滌綸紗線作地紗,搭配2種規格面紗,設計5種不同的針織組織,利用圣東尼單面無縫機織造織物并進行了熱濕性能的測試,根據導濕機制模型進行毛細管當量的計算和比較,得到如下主要結論。

1)當面紗為93.3 dtex(384 f)滌綸紗線,地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線時,所得織物芯吸高度、液態水動態傳遞綜合指數、累積單向傳遞能力均優于面紗為92.2 dtex(72 f)滌綸紗線的組合,說明面紗采用93.3 dtex(384 f)滌綸紗線、地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗錢的組織具有更好的單向導濕能力。

2)在相同紗線配置下,組織結構的設計對于織物導濕性能有一定的影響。均勻結構相比于松散結構和單一結構有更好的水分傳導性能,但液體在3種結構中的擴散規律還需要進一步研究。

3)5種組織中,全部為均勻結構的F1織物單向導濕性能最好,適合于出汗量較大的部位,例如前胸、后背處;含有松散結構的F2、F4織物導濕性能較好,適合于過渡結構;F3、F5織物輕薄透氣,適合于腋下、側面等位置。5種組織均可通過圣東尼單面無縫機進行工藝設計與實現,為實現一次成形且具備不同功能區域的單向導濕夏季運動服裝的開發提供了理論與實驗依據。