織物中液態水傳輸與快干行為表征

Characterization of liquid water transport and rapid drying behavior in fabrics

摘要：

為了能夠保持運動中大汗淋漓時的舒適狀態，研究液態水在織物中傳輸與快干性能是必要的。文章提出了織物中液態水傳輸與快干評價的指標，即滴水擴散時間、最大面積傳輸耗時、最大傳輸面積、經緯向最大傳輸跨距、蒸發速度等。液態水在織物中的傳輸行為通過觀察其傳輸域變化來反映，呈現出與織物組織、紗線排列密度、紗線線密度、織物厚度、織物平方米質量等結構因素相關的初始階段、增速階段、穩定階段和減緩階段四個時期。通過對10種不同規格織物進行滴水擴散測試和水分蒸發速率測試，織物中液態水傳輸與織物厚度密切相關，織物厚度為液態水的滲漏提供空間但弱化了液態水的鋪展和快干;紗線線密度影響織物表面孔隙，成為影響液態水鋪展蒸發的主要因素;經緯密度通過與紗線線密度的匹配形成對液態水傳輸的影響。研究結果對于高品質運動服裝面料的研發具有重要的指導意義。

關鍵詞：

吸濕快干;圖像處理技術;滴水擴散;蒸發速率;評價指標;多元回歸

中圖分類號：

TS101.923.4

文獻標志碼：

A

文章編號： 10017003（2024）05期數0040起始頁碼08篇頁數

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2024.05期數.006（篇序）

收稿日期：

20230822;

修回日期：

20240410

基金項目：

河南省研究生教育改革與質量提升工程項目（YJS2022JC20）

作者簡介：

李淑靜（1990），女，講師，主要從事功能性面料的研究。通信作者：劉讓同，教授，ranton@126.com。

織物中液態水傳輸與快干行為就是通常所說的吸濕快干，是指當人體劇烈運動產生大量汗液后，可以迅速吸收汗水，并傳導至織物外表面快速揮發，使身體保持干爽舒適的功能性，直接影響人體穿著舒適性和健康狀況。根據當前功能性面料的發展趨勢，吸濕快干已經成為內衣、運動、醫療等領域服裝的一種基本要求，有著廣闊的發展前景［1］。

基于此，如何表征織物中液態水傳輸與快干行為變得越來越重要，事實上也有很多人對織物中液態水傳輸與快干進行過探索。Ramesh等［2］研究浮長均勻分布和單向條紋織物組織形態對吸濕性能的影響，經測定單向條紋織物的傳遞效果高于浮長均勻分布織物;潘菊芳等［3］對織物樣品進行滴水擴散測試，通過記錄織物表面水滴擴散所需的時間和水滴擴散面積來分析纖維組合及組織結構對織物液態水吸濕性能的影響;Jiang等［4］報道一種可以計算芯吸高度的圖像處理技術，以了解織物中水的傳輸，建立了芯吸高度曲線，用初始芯吸速率、最大芯吸高度用于說明水分管理;張紅霞等［5］采用毛細效應和水滴擴散實驗，測試了不同織物結構對吸濕快干面料導濕性能的影響。另外，在表征方法也有不少嘗試。Mesfin等［6］利用熱成像機器視覺系統測量織物水平吸濕和干燥性能，通過跟蹤織物濕區面積隨時間的變化對芯吸和干燥過程進行表征;Nemcokova等［7］采用水分管理儀（MMT）、熱成像和顯微成像系統對針織物的動態水分傳輸進行研究，通過熱成像和圖像分析系統的結合，分析了液滴在樣品表面的動態擴散和紡織品的垂直芯吸行為，研究針織物的結構參數與其液體傳輸性能之間的相互作用;Tang等［8］介紹了一種基于質量分析和圖像分析技術的準確可靠的測試儀，用于表征織物的平面內和平面間芯吸性能，能夠實時直接測量吸水量，監測水的輸送方向，并估計出汗時留在皮膚上的水量，模擬了大汗淋漓狀態;胡倩倩等［9］通過數值模擬方式分析織物結構參數對液態水在織物中的傳輸;盧思童等［10-11］提出了一種新的提取形態特征的分割遺傳算法，分析了液態水在織物中形成的傳輸域圖像具有時變性和邊緣形態復雜性，并利用遺傳算法匹配不同織物圖像中液態水傳輸域的最佳分割閾值。

從以上研究狀況看，織物中液態水的傳輸和快干已經成為一個研究熱點，使吸濕快干性能本身規律越來越清晰，表征手段也越來越準確和多樣化。但由于織物中液態水的傳輸與快干影響因素多，研究結果對于實際產品開發指導性有待進

一步強化。為此，本文借助圖像處理技術進行滴水擴散測試和水分蒸發速率測試［12］，準確提取水分傳輸數據，研究織物的吸濕快干性能，然后利用多元回歸分析吸濕快干性能的影響因素，從而指導吸濕快干面料的開發。

1" 實" 驗

1.1" 材料與儀器

織物：10種不同規格的滌綸機織物（江蘇東昉紡織科技有限公司），其結構參數如表1所示。

儀器：BASLER acA2500-14gm工業攝像頭（深圳市杰智通科技有限公司），圖像處理軟件（自行開發），Dragon LAB移液器（大龍興創實驗儀器北京股份公司），HZK-FA110電子天平（福州華志科學儀器有限公司）。

1.2" 測" 試

1.2.1" 實驗條件

保持恒定的溫濕度，溫度控制在20 ℃左右、相對濕度在65%左右。對10種不同結構參數的織物進行測試，每種織物測5塊試樣，試樣尺寸為10 cm×10 cm。根據國標GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕快干性的評定第1部分：單項組合試驗法》來判定面料的吸濕快干性能。

1.2.2" 織物滴水擴散實驗

室溫條件下將織物平放在樣本夾持器上，在樣品兩端施加一定張力使織物伸展，避免褶皺。利用移液器將10 μL的液態水滴在織物表面，移液器滴管口距離樣品表面1 cm左右，確保液滴落在相機視野中心位置，滴水后迅速撤離移液器。由計算機控制相機采集織物表面液態水傳輸圖像，并將實時監測畫面顯示在計算機上。通過觀察織物表面液態水傳輸域變化來反應織物表面液態水的傳輸情況。

1.2.3" 水分蒸發速率實驗

將織物平放于HZK-FA110電子天平上（精確到0.001 g），確保織物表面平整。用移液器將10 μL液態水滴在織物表面，用電子天平測量織物重量變化。

1.3" 表征指標

1.3.1" 滴水擴散時間

滴水擴散時間是指液態水接觸到織物表面后進行表面鋪展或滲透織物內部，直到潤濕區域消失過程所消耗的時間，可反應織物內部層間水分的傳遞問題和液態水的揮發性能，滴水擴散時間短表明液態水在織物層間傳遞快或揮發快。液態水在織物表面擴散一定時間后，傳輸域面積達到最大所需時間即為傳輸域最大面積耗時。

1.3.2" 液態水最大傳輸面積和經緯向最大傳輸跨距

液態水在織物中傳輸所能達到的最大傳輸域面積就是最大傳輸面積，面積越大說明織物表面傳遞性能越好;傳輸域所能傳輸的最大尺寸即最遠距離投影到經緯方向，所得即為經緯向最大傳輸跨距。

1.3.3" 液態水最大傳輸速度

液態水在織物中傳輸后最大傳輸跨距或面積與所用時間之比。

1.3.4" 液態水蒸發速度

單位時間液態水的減少量即為蒸發速度，用Re表示，通過下式計算：

Re=m1-m2t0（1）

式中：m1為滴水潤濕后織物的質量，g;m2為測試結束時織物的質量，g;t0為水分蒸發耗時，h。

2" 結果與分析

2.1" 滴水擴散時間

對10種不同規格參數的織物進行滴水擴散測試，記錄液態水接觸織物表面至其潤濕區域消失所需時間和液態水在織物表面擴散到最大面積所需時間。根據國標GB/T 21655.1—2008中吸濕快干評價標準中滴水擴散時間規定，當t機織類≤5 s時織物具有良好液態水傳輸性能，如表2所示。表2中5#和6#織物的滴水擴散時間都小于等于6 s，很顯然這2種織物基本接近液態水傳輸性能的良好標準。

織物滴水擴散時間受到多個因素的影響，通過數據分析發現，織物滴水擴散時間與織物組織結構之間存在一定的關聯性，包括紗線排列密度、紗線線密度、織物厚度、織物平方米質量等組織結構因素，不同的組織結構會對織物滴水擴散時間產生影響。

2.2" 液態水傳輸行為

2.2.1" 液態水傳輸域的典型形態

液態水滴在織物表面，在織物表面張力作用下沿紗線間迅速傳輸，形成灰度明顯變化的水印部分，即為傳輸域，區別于未吸水的部分。

圖1給出了2#和5#織物不同時刻表面液態水傳輸狀態，描述了織物表面液態水的傳輸過程。2#織物為斜紋組織，經緯密度差異較大，經向很緊密，液態水主要沿織物緯向傳輸，形成明顯的平面單向傳輸性能，最終形成的液態水傳輸域形狀更加接近于較扁的橢圓。5#織物為平紋組織，經緯紗線排

列密度接近，液態水沿織物經緯方向傳輸速度相同，最終形成一個以水滴為中心的圓形區域。

通過攝像頭可以獲取液態水在織物表面的傳輸形態圖片，但要提取其中的特征數據還需要對采集的圖像進行分割［10］處理，如圖2所示。獲取織物表面液態水傳輸域的像素面積，經過量化處理，轉化為實際的物理面積，然后計算傳輸域的面積和尺寸，如表2所示。

由表1和表2可以看出，織物中液態水傳輸性能與其基本結構參數密不可分。一般來說，當紗線排列密度較大時，織物緊密，表面孔隙率小。如4#織物，使得液態水不易滲漏，在表面不易傳輸，形成的最大傳輸面積只有24.24 mm2，明顯較小。當排列密度較小時，織物相對松散，如3#、10#織物，織物表面的孔隙大，液態水在重力作用下向內部滲漏，同時在毛細力作用下液態水在平面內迅速傳遞，使傳輸域的面積增大，最大傳輸面積超過了500 mm2。

織物的組織結構也同樣影響著織物表面液態水沿經緯向傳輸跨距。通常情況下，織物的組織結構越緊密（如4#織物），織物表面液態水沿經緯向傳輸跨距就越小，因為液態水在織物表面的傳輸受到組織結構中紗線間隙的限制。相反，織物的組織結構越松散（如8#織物），紗線間隙越大，液態水在織物表面沿經緯向傳輸跨距就越遠。此外，織物厚度和紗線線密度等因素也會對液態水在織物表面沿經緯向傳輸跨距產生影響。

2.2.2" 傳輸域面積時變曲線

織物中液態水傳輸域面積隨時間而變，這種變化能夠很好地反映液態水在織物中的傳輸過程。通過圖像處理可以繪制織物表面液態水傳輸域面積的時變曲線，液態水在織物表面的傳輸過程存在明顯的傳輸和快干兩個階段，如圖3（a）所示。在傳輸階段，液態水在織物表面擴散、滲透，并逐漸在織物表面形成一個顏色加深的傳輸域，曲線拐點出現在傳輸域面積達到最大值時的時間點。在快干階段，液態水的蒸發速度會增加，傳輸域面積越大，蒸發面積越大，蒸發速度越快，但隨著蒸發的進行傳輸域的面積會逐漸減小并最終消失。

圖3給出了1#、3#、8#和10#織物表面液態水傳輸域面積時變曲線。從時變曲線的形態看，3#織物傳輸速度最快，達到最大傳輸面積耗時3.1 s，傳輸面積為520.18 mm2;1#織物傳輸速度較快，達到最大傳輸面積耗時6.7 s，傳輸面積為113.52 mm2;8#織物傳輸速度稍快，達到最大傳輸面積耗時16.0 s，傳輸面積為306.79 mm2，水分傳輸有一個時間過程;而對于10#織物，液態水傳輸速度快，達到最大傳輸面積耗時52.0 s，傳輸面積大，達到528.91 mm2，揮發水分的面積大。

2.3" 織物中液態水蒸發

液態水蒸發會引起織物質量變化，反過來織物質量變化可以在一定程度上說明液態水在織物表面潤濕之后蒸發的快慢。用移液器把10 μL液態水滴在織物表面，使用電子天平測量50 min內織物的質量變化。蒸發速率結果如表2所示。

液態水滴在織物表面后蒸發就開始進行，導致織物質量逐漸減少。通過記錄織物質量隨時間變化，得到織物質量變化曲線，如圖4所示。曲線的形狀和斜率可以反映出水分的蒸發速率和速干性能。

織物質量變化過程可以分為以下幾個階段：

1） 初始階段：實驗開始時，織物表面的液態水還沒有鋪展傳輸，水分揮發面積只是水滴的表面積，水分會從織物表面蒸發出來，但因為蒸發面積小，導致織物質量變化相對緩慢。

2） 增速階段：隨著時間的推移，液態水在織物表面迅速傳輸而增大潤濕面積，這也意味著水分的蒸發面積增加，水分失重增加，質量變化也會逐漸加速，進入快干階段。在傳輸域面積最大時水分失重也達到最大。

3） 穩定階段：在傳輸域面積達到最大值后，水分迅速揮發，但潤濕面積的縮小會有一個延緩，因為液態水可能不斷補充潤濕，這時水分的蒸發速度達到穩定，質量變化也穩定在最高階段。

4） 減緩階段：隨著液態水揮發的進行，能夠補充潤濕的水分逐漸減少，已經潤濕的水分蒸發使傳輸域逐漸回縮，傳輸域面積越來越小，再也看不到水分潤濕的傳輸域。這個時候不代表水分已經全部蒸發，只是視覺上的干燥，實際上可能有一小部分的水分成為了織物的吸附水，也是織物表面水分含量與周圍環境的水氣壓達到的一種平衡，但并不影響對快干的判斷。

由圖4可以看出，3種織物試樣的含水率變化可以在一定程度上說明相同質量的液態水滴入織物表面潤濕之后，水分蒸發速率的快慢。2#織物為斜紋組織，液態水質量時變曲線四階段變化非常明顯，而1#、3#織物為平紋組織，曲線中有些階段不是很明顯，可能是平紋組織較多的組織點會影響液態水傳輸的初始狀態，導致初始階段的缺失而直接進入失重增速階段，說明織物本身所固有的屬性對織物快干性能有很大影響。從水分蒸發速率看，3#織物試樣最快，2#織物試樣次之，1#織物試樣的初始水分蒸發速率最慢，這是因為2#和3#織物經緯密度存在一定差異，使得液態水能更多地向緯紗方向傳輸，增大在織物表面的潤濕面積。滴入織物表面的液態水經過四階段揮發仍然會有一部分變成織物的吸附水，圖4顯示1#和2#織物中的吸附水在30%左右，3#織物則在20%左右，雖然三者的原料都是滌綸，但由于織物結構差異導致吸附水的差異，最終影響液態水在織物中的快干行為。

2.4" 液態水傳輸與織物結構關系分析

織物中液態水傳輸受織物組織、紗線排列密度、紗線線密度、織物厚度和平方米質量等因素的影響，影響規律相對比較復雜，不僅無法用確定的數學表達式描述，而且這些因素之間存在相互作用，因此采用多元回歸方法進行分析。通過回歸分析，建立單個性能指標Y（分別為滴水擴散時間t、最大傳輸面積A、經向跨距Bj、緯向跨距Bw、蒸發速率Re）與各個影響因素間（分別為平方米質量G、經紗線密度Nj、緯紗線密度Nw、經密Pj、緯密Pw、厚度T）的多項式模型，探究織物結構各參數對液態水傳輸行為的影響程度，如下式所示：

Y=β0+β1G+β2Nj+β3Nw+β4Pj+β5Nw+β6T+ε（2）

式中：β0是常數項，（β1，…，β6）為回歸系數，ε表示誤差項，Y為性能指標。

2.4.1" 滴水擴散時間分析

根據表1、表2數據，按照多元統計模型回歸，可得滴水擴散時間與織物結構參數間的回歸方程：

t=1 972.21+55.47G-126.55Nj-153.13Nw-6.34Pj-8.33Nw-1 147.08T（3）

式中：t表示織物滴水擴散時間，記錄液態水接觸織物表面到織物表面反射光消失所需的時間。

通過對回歸方程的顯著性檢驗，回歸方程的顯著水平（Sig.）=0.022，說明回歸方程具有較高的顯著性;回歸方程的相關系數（R2）為82.8%，說明自變量能夠解釋因變量的82.8%;五個自變量的VIF值都小于5，表明自變量之間具有相對獨立性。

分析每個自變量的標準系數可以確定對織物滴水擴散時間影響最大的因素。平方米質量、經紗線密度、緯紗線密度、經密、緯密、厚度各自變量對應的標準系數分別為24.76、82.77、80.29、3.56、4.06、952.75，顯然經緯紗線密度和織物厚度三個自變量的標準系數最高，可見滴水擴散時間主要受此三個變量的影響。可以認為紗線較粗的織物表面纖維之間的間隔較大，織物表面的孔隙變大，液態水在重力作用下滲透到織物內部，滴水擴散時間相對較短;紗線較細的織物表面孔隙變小，液態水不容易滲透到織物內部，液態水在織物表面的擴散時間長。織物越厚，液態水在織物中的層間滲漏有空間，有利于消耗表面液態水，縮短滴水擴散時間。

2.4.2" 最大傳輸面積和經緯向傳輸跨距分析

根據表1、表2數據，可得最大傳輸面積，經、緯向傳輸跨距與織物結構之間的回歸方程。

對于最大傳輸面積其多元回歸方程為：

A=1 291.54+12.35G+14.72Nj-41.39Nw-0.003Pj-4.77Nw-2 330.58T（4）

式中：G、Nj、Nw、Pj、Pw、T各自變量對應的標準系數分別為50.49、168.76、163.69、7.26、8.28、1 942.42。

對于液態水傳輸經向跨距其多元回歸方程：

Bj=34.32-0.04G+1.33Nj-0.44Nw+0.01Pj-0.04Nw-72.21T（5）

式中：G、Nj、Nw、Pj、Pw、T各自變量對應的標準系數分別為1.70、5.68、5.51、0.24、0.28、65.36。

緯向傳輸跨距的多元回歸方程：

Bw=-20.88-1.15G+1.70Nj+5.53Nw+0.27Pj+0.05Nw-114.22T（6）

式中：G、Nj、Nw、Pj、Pw、T各自變量對應的標準系數分別為1.91、6.40、6.20、0.28、0.31、73.63。

從式（4）（5）（6）可以得到三點啟示：1） 經、緯紗線密度和織物厚度三個自變量的標準系數最高，最大傳輸面積和經緯向傳輸跨距主要受經緯紗線密度和織物厚度影響，也最顯著。2） 經緯密的標準系數比較小，回歸系數也小，而且有正有負，說明織物經緯密對液態水最大傳輸面積和經緯向傳輸跨距的影響不顯著，可能與采集的試樣經緯密變化范圍有限有關。事實上，織物經緯密度越大，織物越緊密，不利于液態水滲入織物內部，影響液態水的層間傳輸，液態水在織物表面滯留的時間會更長，推測只有在某個密度區間，通過與紗線線密度的匹配，織物內部可能形成毛細輸水，有利于傳輸。3） 織物越厚，液態水在織物中的層間滲漏有空間，有利于表面水的消散而弱化鋪展，所以回歸系數都為負。

2.4.3" 水分蒸發速率分析

根據表1、表2數據，可得水分蒸發速率與織物結構參數之間的回歸方程：

Re=-0.21-0.01G+0.03Nj+0.03Nw+0.001Pj+0.001Nw-0.92T（7）

式中：G、Nj、Nw、Pj、Pw、T各自變量對應的標準系數分別為0.03、0.11、0.11、0.01、0.01、1.26。

式（7）中，各自變量的標準系數說明液態水蒸發速率主要受經緯紗線密度和織物厚度影響，也最顯著;三個變量對應的回歸系數也大，特別是厚度的回歸系數為負值，說明織物表面液態水蒸發速率與織物厚度呈負相關，影響最顯著。

3" 結" 論

運動時大汗淋漓能否保持舒適狀態受液態水在織物中傳輸與快干性能影響。液態水在織物中的傳輸行為通過觀察其傳輸域變化來反映，提出了相應的評價體系，包括滴水擴散時間、最大面積傳輸耗時、最大傳輸面積、經緯向最大傳輸距離、蒸發速度等指標。液態水在織物中的傳輸與快干呈現初始階段、增速階段、穩定階段和減緩階段四個時期，四個時期的出現與織物組織、織物厚度、紗線線密度、紗線排列密度、織物平方米質量等結構因素有關。通過對10種不同規格參數的織物進行滴水擴散測試和水分蒸發速率測試，織物中液態水傳輸首先受織物厚度的影響，織物厚度會弱化液態水的平面鋪展;其次是紗線線密度，紗線線密度通過影響織物表面孔隙實現對液態水鋪展蒸發的影響;而經緯密度通過與紗線線密度的匹配形成影響。本文研究結果對于高品質運動服裝面料的研發具有重要的指導意義。

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Characterization of liquid water transport and rapid drying behavior in fabrics

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

LI Shujing1，2， WANG Gaigai1， LU Sitong1， WANG Yucheng1， LIU Rangtong1，2

（1.College of Fashion Technology， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 451191， China;2.Collaborative Innovation Center of Advanced Textile Equipment， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：

The liquid water transport and rapid drying behavior in fabrics， usually referred to as moisture absorption and rapid drying， means that when the human body generates a lot of sweat during intense exercise， sweat can be quickly absorbed and transmitted to the outer surface of fabrics to quickly volatilize， so that the body can maintain a dry and comfortable function. The behavior directly affects the human wearing comfort and health status. According to the current development trend of functional fabrics， moisture absorption and rapid drying has become a basic requirement for underwear， sports， medical and clothing in other fields， and has bright prospects for development. Combined with the exploration of related fields by researchers， it can be seen that the liquid water transport and rapid drying in fabrics has become a research hotspot， which makes the law of moisture absorption and rapid drying properties increasingly clear， and the characterization methods are increasingly accurate and diversified. However， as the liquid water transport and rapid drying in fabrics is affected by many factors， it is necessary to strengthen the guidance of the research results for the actual product development.

To keep the human body in a comfortable state when people sweat during exercise， the study took polyester woven fabrics as the research object to characterize the liquid water transport and rapid drying behavior in fabrics. Firstly， the drip diffusion test and water evaporation rate test of 10 kinds of fabrics with different specifications were carried out with the help of image processing technology， and the data of water transport process were accurately obtained. Then， the indexes of liquid water transport and rapid drying in fabrics were put forward， such as the drip diffusion time， maximum transmission time， maximum transmission area， maximum transmission span in the warp and weft direction， and evaporation rate， and the moisture absorption and rapid drying performance of fabrics was analyzed. Finally， the factors influencing the moisture absorption and rapid drying performance were analyzed by multiple regression method. The results show that liquid water transport and rapid drying in fabrics undergo four stages： the initial stage， the weight loss increasing stage， the stable stage and the weight loss decreasing stage. The appearance of the four stages is related to structural factors such as fabric structure， fabric thickness， yarn linear density， yarn arrangement density and mass per square meter of fabrics. The liquid water transport in fabrics is first affected by the fabric thickness， which will weaken the surface spreading of liquid water， and is then affected by the yarn linear density， which affects the evaporation of liquid water spreading by affecting the surface pores of fabrics. The warp density and weft density are influenced by matching with the thread density of the yarn. This study reveals the transport behavior of liquid water by observing the change of transport domain in fabrics， thus proposing the corresponding evaluation index system and analyzing complex relationship between liquid water transport and fabric structure by multiple regression method.

The method of characterizing liquid water transport and rapid drying behavior in this paper provides a new solution for clothing comfort and has important guiding significance for the research and development of high-quality sportswear fabrics.

Key words：

moisture absorption and rapid drying; image processing technology; drip diffusion; evaporation rate; evaluation index; multiple regression