孟憲輝 于偉東

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

基于環(huán)芯電極同心環(huán)輻射分布的織物導(dǎo)濕性能表征

孟憲輝 于偉東

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

運(yùn)用電阻法測(cè)試原理，設(shè)計(jì)同心環(huán)輻射分布的電路和儀器參數(shù)，研制各測(cè)量點(diǎn)為環(huán)芯電極式的織物導(dǎo)濕性能測(cè)試儀，用于模擬汗液在織物表面的傳導(dǎo)過程，并對(duì)滌/棉、純棉和亞麻織物進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器可獲得織物面內(nèi)多方向的如導(dǎo)濕速率、導(dǎo)濕擴(kuò)散面積等精準(zhǔn)結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出織物濕傳遞性能綜合評(píng)價(jià)方法，為織物導(dǎo)濕性能的客觀檢測(cè)與評(píng)定提供一種精準(zhǔn)、快速、有效的方法。

環(huán)芯電極，濕傳遞，檢測(cè)，導(dǎo)濕速率

功能性導(dǎo)水織物的直接使用對(duì)象是透濕排汗織物，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，從以選擇高吸濕、高回潮率纖維為主的吸濕排汗織物［1］，到以選擇異形和較小表面接觸角纖維的導(dǎo)汗導(dǎo)水織物［2］，再到近20年來(lái)利用各種功能整理［34］或形狀記憶纖維［5］69－71的織物［6］60－63，如能單向?qū)蚓哂须p面功能的織物等。且多年來(lái)，功能性導(dǎo)水織物的研究主線是纖維的選擇，以及涂層與表面改性的整理。目前，在針對(duì)性地改性和提升功能有效性方面進(jìn)步明顯，其最主要的、效果顯著的進(jìn)步在于水的吸附、吸附水與皮膚的分離、微氣候的優(yōu)化，以及水在織物中的擴(kuò)散和單向傳導(dǎo)等;但相應(yīng)的表征方法，以及高效與智能材料的研究［5］69－71，［6］60－63進(jìn)展較慢，尤其是在汗水的單向透導(dǎo)及汗水在織物中的擴(kuò)散速率與分布的表征方面極為缺乏。

本文針對(duì)已有的導(dǎo)汗透濕織物，研制出可進(jìn)行液態(tài)水?dāng)U散速率及其分布特征的測(cè)量裝置，并進(jìn)行實(shí)測(cè)，以期能為功能透濕導(dǎo)水織物的制備和性能提升提供準(zhǔn)確、快速、動(dòng)態(tài)的分析，為透濕導(dǎo)水表征提供切實(shí)可行的方法。

1 測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

1.1 電路設(shè)計(jì)

環(huán)芯電極式導(dǎo)濕性能測(cè)試儀電路原理如圖1所示。其中，電源電壓為3.3 V，定值電阻的阻值為1 MΩ。

圖1 環(huán)芯電極式導(dǎo)濕性能測(cè)試儀電路原理

1.2 數(shù)據(jù)采集原理設(shè)計(jì)

將每一組環(huán)芯電極接入如圖1所示的電路中。由于織物在干濕兩態(tài)下的電阻值不同，故而反映到電路中的定值電阻兩端的分壓也不同?？椢锔蓱B(tài)電阻可達(dá)1×109～1×1011Ω，這使得定值電阻兩端的分壓較小;織物濕態(tài)電阻約為1×102～1×106Ω，這使得定值電阻兩端的分壓較大。因此，本文根據(jù)織物干濕狀態(tài)下的電阻值，設(shè)置定值電阻大小為1MΩ。

比較器始終用于檢測(cè)定值電阻兩端的電壓，其初始比較電壓設(shè)為1.65 V，即測(cè)量裝置檢測(cè)織物電阻的閾值為1MΩ，也可根據(jù)濕態(tài)織物的電阻調(diào)節(jié)比較電壓的大小。當(dāng)定值電阻兩端電壓大于1.65 V時(shí)，比較器向單片機(jī)輸出高電平;當(dāng)定值電阻兩端電壓小于1.65 V時(shí)，比較器向單片機(jī)輸出低電平。這樣，單片機(jī)就可根據(jù)輸入的電平高低判斷織物的干濕狀態(tài)。

1.3 環(huán)芯電極排布設(shè)計(jì)

織物導(dǎo)濕性能影響因素主要有紗線的原料，織物的經(jīng)緯向紗線密度(即縱橫密度)、厚度、組織結(jié)構(gòu)及表面處理等。以機(jī)織物為例，多數(shù)機(jī)織物經(jīng)向紗線密度大于緯向，經(jīng)向會(huì)形成較多且細(xì)的毛細(xì)管，故經(jīng)向?qū)袼俾瘦^大。因此，根據(jù)織物實(shí)際的導(dǎo)濕分布情況，設(shè)計(jì)出環(huán)芯電極排布圖(圖2)。圖中環(huán)電極外徑為4mm、內(nèi)徑為2mm，各環(huán)電極之間的圓心中心距為8mm，環(huán)電極中心放置直徑為0.5 mm芯電極。環(huán)芯電極材質(zhì)選擇導(dǎo)電性能良好的鍍金黃銅，在圓周方向呈等輻射角22.5°排列。

2 測(cè)量裝置硬件與軟件

2.1 硬件

測(cè)量裝置的硬件包括Cortex－M3單片機(jī)、LM399比較器、印刷電路板、TFT－LCD顯示屏、杜邦線、插針、螺釘緊固件等。

2.1.1 Cor tex－M3單片機(jī)

Cortex－M3單片機(jī)是測(cè)量裝置的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。將編寫好的單片機(jī)程序下載安裝到單片機(jī)中，便可執(zhí)行本測(cè)量裝置所需的電路導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)、精確計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、定時(shí)中斷等功能。

2.1.2 LM399比較器

比較器用于比較模擬電壓與基準(zhǔn)電壓的大小。本測(cè)量裝置選擇LM399比較器，基準(zhǔn)電壓設(shè)置為1.65 V，可通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小。

2.2 程序設(shè)計(jì)

由于本測(cè)試裝置采用Cortex－M3單片機(jī)，故采用C語(yǔ)言來(lái)編寫程序。程序主要包括信號(hào)采集、比較器工作、鎖存器工作、數(shù)據(jù)顯示、定時(shí)中斷等模塊。通過程序的運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)定值電阻兩端的電壓，即鑒別各路環(huán)芯電極的導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后瞬時(shí)記錄從開始到導(dǎo)通的時(shí)間，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在TFT－LCD顯示屏上。當(dāng)全部電路導(dǎo)通或測(cè)試時(shí)間大于10min即停止檢測(cè)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及測(cè)試環(huán)境

試驗(yàn)設(shè)備、材料包括環(huán)芯電極式導(dǎo)濕性能測(cè)試儀、微量滴定管、生理鹽水、穩(wěn)壓電源、微調(diào)加壓裝置等。試驗(yàn)所用織物樣品尺寸為10 cm×10 cm。

將樣品放置在溫度為(25±1)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%的環(huán)境中平衡48 h，整個(gè)測(cè)試過程都在恒溫恒濕環(huán)境中進(jìn)行。由微量滴定管提供定量測(cè)試液，每次定量滴定0.1mL，每種織物樣品至少測(cè)試5次。

3.2 樣品參數(shù)

試驗(yàn)所用織物樣品參數(shù)如表1所示。

表1 織物樣品基本參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試裝置可同時(shí)測(cè)量織物圓周各方向的濕傳遞性能，利用測(cè)得的圓周各位置的導(dǎo)通時(shí)間(精度可達(dá)0.1ms)計(jì)算得到織物導(dǎo)濕速率與最終導(dǎo)濕面積等指標(biāo)。

本文在0.0°～360.0°范圍內(nèi)對(duì)6種織物樣品的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)測(cè)試裝置的0.0°方向與織物的緯向排列一致，90.0°方向與織物的經(jīng)向排列一致。表2僅給出了0.0°～90.0°(間隔角為22.5°)范圍內(nèi)測(cè)試結(jié)果。

3.3.1 織物面內(nèi)導(dǎo)濕速率分布及衰減分析

圖3為6種織物樣品第二、三、四、五圈的導(dǎo)濕速率分布，圖中導(dǎo)濕速率最高的第二圈位于最外層，向內(nèi)依次反映的是第三、四、五圈的導(dǎo)濕速率。

圖3 織物導(dǎo)濕速率分布

從圖3可以看出，織物導(dǎo)濕速率分布近似為橢圓形。在0.0°～90.0°范圍內(nèi)，同一圈上織物導(dǎo)濕速率，經(jīng)向最大、緯向最小，且導(dǎo)濕速率隨角度由大到小逐漸遞減;同一方向上，織物導(dǎo)濕速率從第二圈向第五圈逐級(jí)遞減。圖3(b)所示為2#織物，其因厚度較其他織物厚，有部分液態(tài)水傳遞到厚度方向，加之其紗線線密度較高，故紗線間所形成的毛細(xì)管較大，導(dǎo)致導(dǎo)濕速率較小。

表2 織物樣品濕傳遞參數(shù)

由表2可大體看出，液態(tài)水在織物面內(nèi)各方向的導(dǎo)通時(shí)間各不相同，且在不同環(huán)域內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間亦不相同。結(jié)合散點(diǎn)并利用origin軟件擬合織物面內(nèi)0.0°～90.0°范圍內(nèi)的導(dǎo)濕速率衰減曲線，擬合結(jié)果見表3和圖4。

表3 織物導(dǎo)濕速率衰減曲線擬合及導(dǎo)濕面積

從表3和圖4可以看出，織物在濕傳導(dǎo)過程中導(dǎo)濕速率存在一定規(guī)律，其變化近似滿足二次多項(xiàng)式變化。如1#和3#織物的第二、三圈導(dǎo)濕速率，兩者擬合曲線非常相似，且經(jīng)緯向?qū)袼俾时冉咏?，因此可得?#和3#織物的導(dǎo)濕速率相似;4#和5#織物雖然其經(jīng)緯向?qū)袼俾时扔胁町?，但兩者的?dǎo)濕面積接近，故導(dǎo)濕性能差別不大;2#為斜紋織物，織物表面雖有一定的斜向紋理，但厚度較大，故液態(tài)水會(huì)更多的在厚度方向傳遞，導(dǎo)致其經(jīng)緯向?qū)袼俾时认鄬?duì)較小。此外，液態(tài)水在織物表面向四周擴(kuò)散的過程中，各方向的導(dǎo)濕速率都在減小，且緯向?qū)袼俾氏陆递^快，導(dǎo)致織物各圈的經(jīng)緯向?qū)袼俾时仍絹?lái)越大。

3.3.2 織物面內(nèi)導(dǎo)濕擴(kuò)散面積分析

由于本測(cè)量裝置不僅能獲得各測(cè)量點(diǎn)的導(dǎo)通時(shí)間，亦可以通過判斷各點(diǎn)最終導(dǎo)通與否來(lái)確定織物最終的導(dǎo)濕輪廓及導(dǎo)濕擴(kuò)散面積。通過描繪最外圍各導(dǎo)濕點(diǎn)即可得到導(dǎo)濕輪廓，進(jìn)而求得導(dǎo)濕擴(kuò)散面積。

6種織物的最終導(dǎo)濕擴(kuò)散面積及導(dǎo)濕擴(kuò)散面積比見表4。由表4可以看出，以1#織物為標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，3#織物的導(dǎo)濕擴(kuò)散面積最大，4#和5#織物的導(dǎo)濕擴(kuò)散面積次之，6#織物比1#織物稍差，2#織物的導(dǎo)濕擴(kuò)散面積最小。

3.3.3 織物綜合導(dǎo)濕性能評(píng)價(jià)

根據(jù)各織物的導(dǎo)濕擴(kuò)散面積大小和形態(tài)的對(duì)比，以及導(dǎo)濕速率大小及方向的對(duì)比，本著導(dǎo)濕擴(kuò)散面積大、導(dǎo)濕速率大的原則進(jìn)行各織物導(dǎo)濕性能的評(píng)價(jià)。綜合導(dǎo)濕性能評(píng)價(jià)結(jié)果:3#織物＞1#織物、4#織物、5#織物＞6#織物＞2#織物。

4 結(jié)論

利用環(huán)芯電極式導(dǎo)濕性能測(cè)試儀測(cè)試純棉、滌/棉和亞麻織物，可有效地獲得織物面內(nèi)多個(gè)方向的導(dǎo)濕性能、導(dǎo)濕擴(kuò)散圈，以及織物各方向各位置的導(dǎo)通時(shí)間，并依此對(duì)織物導(dǎo)濕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。測(cè)量結(jié)果表明:

(1)液態(tài)水在織物面內(nèi)的傳遞過程中，不同方向的導(dǎo)濕速率存在差異，一般經(jīng)向最大、緯向最小，原因在于織物的經(jīng)向紗線密度大于緯向，故經(jīng)紗之間空隙小，芯吸作用強(qiáng)，導(dǎo)濕速率快。

(2)液態(tài)水在織物面內(nèi)向四周擴(kuò)散的過程中，導(dǎo)濕速率逐漸遞減，其遞減規(guī)律呈二次多項(xiàng)式變化。

(3)應(yīng)用電阻法與電子信息技術(shù)設(shè)計(jì)的織物導(dǎo)濕性能測(cè)試裝置可檢測(cè)織物面內(nèi)多個(gè)方向的導(dǎo)濕性能，該裝置可直觀地獲得織物各方向、各位置的導(dǎo)通時(shí)間，能為織物面內(nèi)導(dǎo)濕性能的客觀檢測(cè)與評(píng)定提供精準(zhǔn)、快速、動(dòng)態(tài)的檢測(cè)方法。

［1］劉玉磊，孟家光.吸濕排汗紡織品類型及應(yīng)用［J］.紡織科技進(jìn)展，2009(5):33－36.

［2］徐偉杰，張玉高.導(dǎo)濕快干與單向?qū)窨椢铮跩］.印染，2011(2):50－55.

［3］陳鎮(zhèn)，趙世顯，馮愈，等.滌棉織物吸濕排汗整理［J］.印染，2013(20):30－34.

［4］任惠，吳雄英，李毅.紡織品中液態(tài)水傳遞性能的測(cè)試方法［J］.上海紡織科技，2005(10):32－34.

［5］張才前，常麗霞，駱剛平.織物導(dǎo)濕性能測(cè)試方法與測(cè)試儀器［J］.國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào)，2007(3).

［6］敬凌霄，張同華，汪濤，等.織物動(dòng)態(tài)導(dǎo)濕儀器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.毛紡科技，2010(5).

Characterization of fabric moisture properties based on ring-core electrodes in concentric with radiating line distributions

Meng Xianhui，Yu Weidong
(College of Textiles，Donghua University)

By using resistance testing theory，the circuit and instrument parameters of concentric ringswith radial distribution were designed，and fabric moisture transfer tester with ring-core electrodes in every measuring pointswas developed，which could simulate sweat transmission process on fabric surface，and actual conductmeasurements for polyester/cotton，cotton and linen fabricswere done.The experimental results showed that fabricmoisture transmitting indexes in multiple directions，such asmoisture wicking rate and moisture transmitting area could be obtained，and based on these，the grade classification of fabricmoisture transfer performance was proposed，which could provide an accurate，fast and effectivemethod for detecting fabric moisture transmitting performance.

ring-core electrode，moisture transfer，detection，wicking rate

TS103.6

:A

:1004－7093(2015)09－0036－06

2014－11－13

孟憲輝，男，1990年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)楣δ苄詫?dǎo)濕排汗織物的導(dǎo)濕機(jī)制與表征方法。

于偉東，E-mail:wdyu@dhu.edu.cn