郝習波，李輝芹，鞏繼賢，高新鋒，焦海峰，張健飛，丁振翔

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387;3.江蘇悅達眾翔針織印染有限公司，江蘇 鹽城 224300)

單向導濕功能紡織品的研究進展

郝習波1，2，李輝芹1，2，鞏繼賢1，2，高新鋒1，2，焦海峰1，2，張健飛1，2，丁振翔3

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387;3.江蘇悅達眾翔針織印染有限公司，江蘇 鹽城 224300)

單向導濕織物是一種具有高附加值的功能紡織品，除了服用之外，在醫(yī)用衛(wèi)生，分離過濾，微流體控制等領域具有廣闊的應用前景。從仿生學的角度總結了目前單向導濕的原理:差動毛細效應、濕潤梯度效應、蒸騰效應。詳細闡述了從纖維選擇，織物結構設計，功能整理3個方面實現單向導濕的方法;指出了傳統(tǒng)單向導濕服裝在穿著多層服裝情況下的局限性，作為解決方案介紹了在織物長度方向上的單向導濕織物;最后提出仿生作為單向導濕織物研究的基本思路，從提高耐靜水壓性和引入動態(tài)評價方法2方面對未來作出展望。

單向導濕;功能紡織品;仿生;濕潤梯度

織物的導濕性是影響服裝舒適性的重要因素，如果人體分泌汗液過多，織物不能迅速將汗液導向織物外表面并蒸發(fā)，人體不僅會產生不舒適感，而且會滋生細菌產生異味，威脅人體健康［1］。因此，怎樣使汗液從織物內層迅速傳導到外層，盡可能快的蒸發(fā)掉，并使外層的汗液不回流到內層，成為導濕領域的重要研究方向。

單向導濕織物的正反兩面導濕性能存在明顯的差異，文獻［2］中對單向導濕織物的定義是:通過織物內外層材料親、疏水性的差異，即織物內層大部分疏水小部分親水，汗液從織物內層的小部分親水部位傳輸到織物親水性的外層，并在外層快速蒸發(fā)。近年來隨著研究與認識的深入，單向導濕織物的實現方法也已經超出了上述定義的范圍，甚至有人提出了具有“導濕二極管效應”的織物，即織物的一面導濕性極強，另一面卻很難進行濕傳導。單向導濕織物的應用領域從服用延伸到醫(yī)用衛(wèi)生［3］、分離過濾［4］、微流體控制［5］等領域。本文從單向導濕的原理、實現方法2個方面系統(tǒng)、全面地闡述了單向導濕織物的研究進展，以期為后續(xù)的相關研究工作提供借鑒。

1 單向導濕的仿生學原理

1.1 差動毛細效應

差動毛細效應又稱杉樹效應［6］，是利用杉樹吸水的毛細管效應，采用毛細管直徑由下到上直徑變細的形態(tài)來解決芯吸高度和傳輸速率的矛盾。

在雙層結構織物中，當織物外層纖維形成細的毛細管，織物里層纖維之間形成較粗的毛細管時，在織物內外層界面之間就會產生附加壓力差，織物中的液態(tài)水在附加壓力差作用下自動從里層流到外層，形成一定的單向導濕能力。文獻［7－8］從理論上分析并指出，織物的內層纖維粗、紗線捻度小、密度大于外層以及纖維伸長小于外層，均有利于提高差動毛細效應，進而提高織物的單向導濕性能。

1.2 濕潤梯度效應

自然界中甲殼蟲后背［9］和蜘蛛絲［10］都擁有極強的水分收集能力，這是因為它們表面都擁有潤濕性完全相反的2種區(qū)域:疏水性的與親水性的。當表面出現濕潤性梯度時，疏性區(qū)域從空氣中收集的水分會自發(fā)的向親水性區(qū)域移動，并在那里匯集成水珠。依據這種原理，當織物具有親/疏水性雙側結構時，在織物厚度方向就會出現濕潤性梯度，并且從疏水性區(qū)域向親水性區(qū)域產生附加壓力差，水分受到附加壓力差的作用產生單向導濕效應。這是目前單向導濕的主要實現方法，尤其是高效單向導濕性的實現。

1.3 蒸騰效應

植物的蒸騰作用展現了驚人的水分傳導能力，它們通過克服重力作用，將根部從土壤中吸收的的水分經過木質部導管運輸到葉部，從氣孔排出，其排放水蒸氣的速率要遠遠大于自由水表面的蒸發(fā)速率。并且，植物的這種生理過程是不需要消耗能量的。盡管這種水分傳導機制直到現在仍然在探究中，但是普遍認為是通過內聚力，滲透作用以及毛細管作用這些機制實現。并且，這些作用機制的產生與植物的根，莖，枝，葉的系統(tǒng)構造緊密相關［11］。通過織制多層織物來模仿植物的這種構造，可以產生明顯的單向導濕能力。

2 單向導濕纖維的選擇

目前關于織物親/疏水性雙側結構的獲取，主要通過織物的后整理來實現，但是經過后整理的織物舒適性并不理想，而且不耐洗滌。如果纖維材料本身具有優(yōu)良的疏水與親水性能，那么就可以克服掉這些缺點，省去很多繁瑣的工序。

2.1 新型疏水纖維

疏水性纖維可以通過物理與化學的方法來獲得。化學方法主要是通過接枝法使疏水基以共價鍵形式與可改性纖維材料的反應基團相結合，從而增加纖維的拒水性［12］。張俊等［13］，用含氟單體甲基丙烯酸八氟戊酯對真絲纖維進行接枝改性，接枝后纖維的接觸角明顯增大，體現出較好的疏水性能。

物理方法通過改變纖維表面形態(tài)以及改進紡絲方法來改善疏水性能。研究發(fā)現［14］以聚四氟乙烯為靶對聚酯纖維進行濺射，在一定的電壓與氣壓下，纖維表面會形成納米級的網絡結構。這種網絡結構表現出高疏水性，使得PET纖維和水的接觸角達到 145°。

2.2 新型親水性纖維

相對于纖維素纖維而言，合成纖維具有優(yōu)良的機械性能，但是其吸濕性較差。同樣可以通過化學方法和物理方法來提高合成纖維的吸濕性。其中，化學方法是合成纖維親水化的主要方法。

化學方法主要是大分子主鏈與親水單體的接枝共聚，例如，陳志軍等［15］采用化學接枝法以丙烯酰胺(AM)為接枝單體，對聚丙烯腈纖維進行了接枝親水改性。接枝后的聚丙烯腈纖維的親水性大大提高，且吸水率隨著導入率的增加而增大。

物理方法包括:1)共混改性和復合紡絲法，這一類纖維最具代表性的是日本可樂麗公司生產的Sophista纖維;2)纖維結構微孔化，比如浙江上虞弘強彩色滌綸有限公司自主開發(fā)出的蜂窩狀微孔結構改性聚酯纖維［16］;3)纖維表面粗糙化和橫截面異形化。這一類纖維有 Coolmax?等［17］。

3 單向導濕織物結構

單向導濕織物涉及的織物結構類型廣泛，可以是機織物，針織物，也可以是非織造布。從織物層數來說可以是單層，也可以是多層。

3.1 單層織物

單層織物實現單向導濕有2種途徑:一種是通過正反兩面的親/疏水性整理。另一種是通過親疏水性不同的經緯紗交織而成。文獻［18］介紹了一種具有單向水分管理能力的單層機織物，這種織物的經緯紗具有不同的親水性，由于內外表面經緯組織點的密度有差異，因此形成親疏水性區(qū)域面積不同的正反兩面?？拷┲咂つw的內表面具有高比例的疏水區(qū)域，內表面低比例的親水性區(qū)域將水分從織物內側傳遞至外側。這種結構能夠保持內部的相對干燥，并且減少通過毛細作用回流到內部的液體量。

3.2 多層織物

3.2.1 濕潤梯度效應織物

對于單層織物而言，由于內外兩面的紗線相同，所以在人體大量出汗時除非織物完全干燥，否則人體還是會有濕冷感。所以在雙層織物中貼近皮膚的一層通常選用疏水性材料，外層選用親水性材料，這樣不但可以保持內部的干燥，而且在內外層形成濕潤性梯度促進織物的單向濕傳導，這是在雙層織物中實現單向導濕最常見的方法。在這種方法的基礎上，通過一定的結構設計可以進一步提高織物的單向導濕性能。侯秋平等［19］利用H型截面吸濕快干滌綸纖維和彩棉設計了燈芯點結構針織物，織物的疏水性內層通過許多連接點與親水性外層復合，連接點含有一定比例的親水型纖維，并按一定的順序分布在織物中，這種織物將汗液從內層傳向外層的能力非常驚人。

3.2.2 差動毛細效應織物

單純利用差動毛細效應來實現單向導濕的織物較少，其往往與其他方法結合來實現單向導濕。許瑞超等［20］以異形滌綸纖維為原料，運用差動毛細效應，通過織物內外層所用纖維異型度和線密度的差異織制出三種具有定向導濕功能的針織面料，即單面填紗、法國羅紋和魚眼結構織物。測試結果表明該類織物具有明顯的單向導濕功能。

陳曉艷等［21］設計了一種3層結構的梯級導濕針織面料，在各層采用不同的組織，纖維原料或添加助劑。結果表明這種針織面料具有良好的定向導濕能力。

3.2.3 蒸騰效應織物

文獻［22－24］通過織制3層織物來模仿植物的樹枝狀結構。這種織物的底層是4/4假紗羅組織，4根紗線聚攏到一起形成主莖。在第2層選用方平組織，紗線4根的聚攏變?yōu)?根，由“莖”變?yōu)椤爸Α?。頂層選用平紋組織，2根紗線的聚攏被分開為單根紗線，這樣可以使表面具有更大的比表面積，為了進一步提高頂層的水蒸發(fā)速率，模仿葉子的表面形態(tài)，增加織物與空氣接觸的面積，在織物表面增加附著的絨毛和線圈。底層模仿根部的形態(tài)做拉絨整理。

該織物實現了類似于植物的水分傳導機制，大大提高了水分的單向傳導能力，織物表層的水分蒸發(fā)速率可以達到自由水表面的2～3倍［23］。織造類似的仿生結構針織物，同樣取得了顯著的效果。Shi Xianjun等［25］在理論上證明了通過模仿植物結構提高織物水分傳導能力的可行性，并且推導出該類物的最大導濕量可達到普通織物的1.707倍。

3.3 非織造織物

非織造織物的單向導濕一般可通過功能整理來實現，近年來有研究者嘗試從纖維材料與織物結構入手。Wu Jing等［5］通過靜電紡絲法，紡制了具有“導濕二極管效應”的雙層結構納米纖維膜。這種膜由疏水性的聚氨酯與親水性的聚乙烯醇紡制而成，因而具有親疏水雙側結構。并且相對于親水部位，疏水部分的纖維較疏松，直徑較細，使得纖維膜同時具有差動毛細效應，促進了它的單向導濕性。

4 單向導濕織物的功能整理

通過功能整理，可以使織物形成親/疏水性雙側結構。目前，這種整理主要從2個方面入手:一方面是材料的表面能大小，另一方面就是材料的表面結構及形態(tài)。纖維材料的表面能越小，表面越粗糙則疏水性越高，反之則親水性越高。

4.1 單面整理

對親水性材料而言，可以只進行單面疏水整理。汪南方等［26］采用漿點印制法對純棉針織物進行單面疏水整理，整理后的織物單向導濕效果可達4.5～5級，具有較強的耐水洗性。吳燁芳［27］等采用平網印制的方式，用拒水拒油整理劑對棉織物進行單面整理，使織物形成親/疏水雙側結構，獲得了單向導濕能力。

對疏水性材料而言，可以只進行單面親水整理，任祺等［28］采用親水整理劑Hansi QS-CONC對聚丙烯SMS非織造布進行單面親水整理，獲得了顯著的單向導濕性能。

4.2 雙面整理

當然也可以對織物同時進行親水整理與疏水整理，如文獻［21］所述，這些整理方法在一定程度上實現了織物的單向導濕性，但是效果并未達到理想狀態(tài)。近年來，一些更加高效的濕傳導整理方法被研究人員發(fā)現。Wang Hongxia等［29］用凝膠-溶膠法制備了一種超疏水性的織物涂層。在對織物兩面都進行超疏水性整理后，對其中一面進行紫外光照射使其獲得了親水性，因此在織物正反面形成親疏水雙側結構，實驗結果表明該織物具有“導濕二極管效應”。通過進一步證實，這種水分傳導能力是與重力無關的，完全依靠整理后織物的表面性能來實現。以色列學者［4］將三氯甲烷與二氯甲烷的混合溶液浸涂在不銹鋼金屬絲網表面，使金屬絲網的兩面獲得超疏水性。其中一面經紫外線照射后由疏水轉為親水，并且出現了由疏水面到親水面的“導濕二極管效應”。

上文中提到的2種具有“導濕二極管效應”的織物，疏水區(qū)域可以直接進行濕傳導。但是對于一般的單向導濕織物而言，為了能夠將汗液快速充分的傳遞到織物外層，織物內側會留有小部分親水性區(qū)域。這就必然要考慮疏水性整理劑在織物內表面的涂覆面積。除了整理面積外，整理劑的滲透深度對織物導濕性能也會產生重要影響。這就需要在整理過程中對漿料、工藝進行優(yōu)化以篩選出最佳方案［27］。

還有文獻［26，30］討論了織物的疏水性整理對織物散濕功效、芯吸高度、透氣量、熱阻和濕阻、柔軟性以及抗靜電性的影響。

5 織物長度方向的單向導濕

上述的單向導濕效應都是發(fā)生在織物的厚度方向，這些方法已經在運動服裝與夏季服裝上獲得了成功的運用，但是在冬季天氣寒冷，人們穿著多層的服裝，這種情況下，汗液往往會滯留在內層無法蒸發(fā)。有鑒于此，Fehime Vatansever［31］設計了一種在織物長度方向上具有單向導濕效應的織物，同樣是利用了濕潤梯度效應，如圖1所示。當汗液滲透到這種織物上后會自發(fā)的向相對親水的部位轉移，由于親水的部分作為服裝的下擺與空氣接觸，所以汗液易于蒸發(fā)。這種方法可以有效地緩解人們在穿著多層服裝時出汗帶來的濕冷感。

圖1 織物長度方向的單向導濕Fig.1 Unidirectional water transport along length of fabric

6 結束語

通過織物結構設計與后整理來實現對生物結構與表面微觀形態(tài)的的模仿已經取得了豐碩的成果，在此基礎上繼續(xù)開展工作具有廣闊的前景。對于傳統(tǒng)的單向導濕織物與防水透氣織物而言，前者雖可實現顯汗狀態(tài)下的單向濕傳導，但是表面不具備防水功能。后者雖然具備防水與透氣功能，但是顯汗狀態(tài)下汗液排放困難。隨著單向導濕織物的發(fā)展，尤其是具有“導濕二極管效應”織物的出現，單向導濕與防水透氣織物的界限越來越模糊。但是，目前織物的“二極管效應”僅限于在一定的水壓下。如果想要將這種織物應用于防水，必須提高織物的耐水壓性。另外，目前對于織物單向導濕性能的測定普遍在靜態(tài)下取得，而人體大量出汗時往往是在劇烈運動情況下。在動態(tài)下，受各種復雜外力的影響，服裝的單向導濕性能達到什么樣的效果，還未見有文獻報道。

［1］ CHINTA S.K，GUJAR P D.Significance of moisture management for high performance textile fabric［J］.International Journal of Innovative Research in Science，Engineering and Technology，2013(3):814－819.

［2］ 徐偉杰，張玉高.導濕快干與單向導濕織物［J］.印

染，2011(2):46－51.XU Weijie， ZHANG Yugao. Review ofmoisture management fabrics［J］.China Dying ＆ Finishing，2011(2):46－51.

［3］ CANADA A，COWAN M，WIENCEK K.Wound care device having fluid transfer properties:US82011280928［P］.2011 －11 －17.

［4］ BORMASHENKOE， BALTER S， MALKIN A，AURBACH D.Polysulfone membranes demonstrating asymmetric diode-like water permeability and their applications［J］. Macromolecular Materials and Engineering，2014，299:27 －30.

［5］ WU Jing，WANG Nü，WANG Li，et al.Unidirectional water-penetration composite film via electro spinning［J］.Soft Matter，2012(8):5996 －5999.

［6］ 張慧茹，董繼紅.濕熱舒適功能紡織品［J］.合成纖維，2010(3):9 －12，16.ZHANG Huiru， DONG Jihong. Heat and moisture comfort functional textiles［J］.Synthetic Fiber in China，2010(3):9 －12，16.

［7］ WANG Qi，FENG Xuewei.Differential capillary effect model of fabric and its application［J］.Journal of Donghua University，2003，20(20):36 －38.

［8］ WANG Qi，FENG Xuewei.Study on conditions producing differential capillary Effect［J］.Journal of Donghua University，2002(28)3:34 －36.

［9］ PARKER Andrew R，LAWRENCE Chris R.Water capture by a desert beetle［J］.Nature，2001(414):33－34.

［10］ ZHENG Y，BAI H，HUANG Z，et al.Directional water collection on wetted spider silk ［J］. Nature，2010(463):640－643.

［11］ ROCKWELL FE，HOLBROOKnm，STROOK AD.The competition between liquid and vapour transport in transpiring leaves［J］.Plant Physiology，2014，164(4):1741－1758.

［12］ 周春曉.含氟單體對真絲的接枝改性［D］.蘇州:蘇州大學，2006:1－51.ZHOU Chunxiao.The grafting modification of fluoride monomers ontosilkfiber［D］. Suzhou:Soochow University，2006:1 －51.

［13］ 張俊，杭偉明，陳國強.甲基丙烯酸八氟戊酯接枝真絲的結構和疏水性分析［J］.印染助劑，2012(11):43－46.ZHANG Jun， HANG Weiming， CHEN Guoqiang.Structure and hydrophobicity of silk fabrics grafted with octafluoropentyl methylacrylate［J］.Textiles Auxiliaries，2012(11):43－46.

［14］ DA Y W.Water repellent cotton fabrics by PTFE RF sputting［J］.Fibers and Polymer，2009，10(1):98 －101.

［15］ 陳志軍，黃年華，柳浩.聚丙烯腈纖維接枝丙烯酰胺親水改性的研究［J］.武漢紡織大學學報，2013，26(6):32－36.CHEN Zhijun， HUANG Nianhua，LIU Hao.The hydrophilic properties of polyacrylonitrile fiber modified with acrylamide［J］. Journal of Wuhan Textile University，2013，26(6):32 －36.

［16］ 馮愛芬，張永久.蜂窩狀微孔結構改性聚酯纖維的吸放濕性能研究［J］.河北科技大學報，2014(1):46－50.FENG Aifen，ZHANG Yongjiu.Moisture absorption and liberation properties of honeycomb micropore modified polyester fiber［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014(1):46 －50.

［17］ 王發(fā)明.吸濕排汗纖維形態(tài)結構及其產品濕傳遞性能的研究［D］.上海:東華大學，2008:1－63.WANG Faming.Studies on water transmission properties and structure of moisture absorption and sweat discharge Fabrics［D］.Shanghai:Donghua University，2008:1 －63.

［18］ 李毅，胡軍.具有水分管理能力的機織織物:中國，CN1985036 B［P］.2010 －05 －05.LI Yi，HU Jun.A kind of moisture manageable woven fabric:China，CN1985036B［P］.2010 －05 －05.

［19］ 侯秋平，顧肇文，王其.燈芯點結構導濕快干針織物的設計［J］.上海紡織科技，2006(7):54－55.HOU Qiuping，GU Zhaowen，WANG Qi.Design of lampwick structure knitted fabric of good wet permeability and fast dry［J］.Shanghai Textile Science＆ Technology，2006(7):54－55.

［20］ 許瑞超，陳莉娜.定向導濕針織運動面料的研制［J］.針織工業(yè)，2007(10):3 －5.XU Ruichao，CHEN Lina.The study on directional water transport knitted Sports fabric［J］.Knitting Industries，2007(10):3 －5.

［21］ 陳曉艷，吳濟宏.梯級導濕針織面料的試制及導濕性能評價［J］.針織工業(yè)，2010(3):55－58.CHEN Xiaoyan，WU Jihong.The preparation of grading moisture transport fabric and evaluation of transport properties［J］.Knitting Industries，2010(3):55－58.

［22］ SARKAR M， FAN Jintu， SZETOY C， et al.Biomimetics of plant structure in textile fabrics for the improvement of water transport properties［J］.Textile Research Journal，2009，79(7):657 －668.

［23］ SARKAR M，FAN J T，SZETO Y C，et al.Plant structured textile fabrics［J］.Materials Letters，2007，61:561－565.

［24］ CHEN Q，FAN J T，SARKAR M，et al.Biomimetics of plant structure in knitted fabrics to improve the liquid water transport properties［J］.Textile Research Journal，2010，80(6):568－576.

［25］ SHI Xianjun，WU Jihong.Analysis of water transport properties for plant structured textile fabric［J］.Advanced Materials Research，2009，79(82):87－90.

［26］ 汪南方，陳鎮(zhèn)，翦育林.純棉針織物單面疏水整理［J］.印染，2012(2)15 －19.WANG Nanfang，CHEN Zhen，JIAN Yulin.One-way moisture transport finish of cotton knit goods［J］.China Dying＆ Finishing，2012(2):15－19.

［27］ 吳燁芳，姚金波.單向導濕織物的研究［D］.天津:天津工業(yè)大學，2005:1－41.WU Yefang，YAO Jinbo.The study on unidirectional water transport fabric［D］.Tianjin:Tianjin Polytechnic University，2005:1 －41.

［28］ 任祺，王洪，李建強，等.聚丙烯SMS單向導濕非織造布的研究［J］.產業(yè)用紡織品，2012(11):21－25.REN Qi，WANG Hong，LI Jianqiang，et al.One-way moisture transportfinishing on polypropylene SMS nonwovens［J］.Technical Textiles，2012(11):21－25.

［29］ WANG Hongxia，WANG Xungai，LIN Tong.Directional water-transport fabrics achieved by wettablity gradient from super hydro phobicity to hydrophi-licity［C］//ATC 2011:Proceedings of the Asian Textile Conference.Daegu，698－703.

［30］ IBRAHIM N A，KHALIFA T F，EL-HOSSAMY M B，et al.Effect of knit structure and finishing treatments on functional and properties of knitted fabrics［J］.Journal of Industrial Textiles，2010，40(1)，49 －64.

［31］ VATANSEVER Fechime.Synthesis and characterization of polymer layers for control of fluid transport［D］.South Carolina:Clemson University，2013:1 －36.

Review on unidirectional water transport functional fabrics

HAO Xibo1，2，LI Huiqin1，2，GONG Jixian1，2，GAO Xinfeng1，2，JIAO Haifeng1，2，ZHANG Jianfei1，2，DING Zhenxiang3
(1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin 300387，China;3.Jiangsu Yueda Zhongxiang Knitting Printing and Dyeing Co.，Ltd.，Yancheng，Jiangsu 224300，China)

Unidirectional water transport fabric is a kind of functional fabrics which has high added value.Besides being used on wear，it also has huge potentials in the field of medical care，filtration and separation，flowing control，etc.Biomimetic theory of unidirectional water transport fabrics，including differential capillary effect，wett ability gradient effect and transpiration effect are explained.Also reported are three basic ways to achieve unidirectional water transport effect，which are fiber selection，fabric structure designing and functional finishing.The disadvantages of unidirectional water transport fabric used under the condition of wearing multi-layer clothes are explained，and as a solution to solve this problem unidirectional water transport effect along the length of fabric is proposed.Finally，biomimetics is proposed to be a basic way to enhance unidirectional water transport property of fabric，and future development is made from two aspect of the improvement of fabric's resistance to hydrostatic pressure and the introduction of dynamic evaluation methods.

unidirectional water transport;functional fabric;biomimetic;wettability gradient

TS 116

A

10.13475/j.fzxb.20140602706

2014－06－16

2014－08－29

郝習波(1988—)，男，碩士生。研究方向為應用仿生功能性與舒適性紡織品。李輝芹，通信作者，E-mail:zhxlihuiqin@163.com。