王 偉, 黃 晨, 靳向煜
(東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程中心, 上海 201620)
單向?qū)窨椢锏难芯楷F(xiàn)狀及進(jìn)展
王 偉, 黃 晨, 靳向煜
(東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程中心, 上海 201620)
從差動毛細(xì)效應(yīng)和潤濕梯度效應(yīng)的角度總結(jié)了紡織材料的單向?qū)裨?。闡述了單向?qū)窨椢锏闹饕苽浞椒ǎ夯瘜W(xué)法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法,并對2種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評述;總結(jié)了影響織物單向?qū)裥Ч闹饕蛩?,即化學(xué)因素與物理因素,通過合理控制影響因素可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的單向?qū)裥Ч?。在此基礎(chǔ)上指出了傳統(tǒng)單向?qū)裥阅軠y試方法存在的局限性以及相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)與不足,并對比分析了一種新型測試儀器:液態(tài)水分管理系統(tǒng)。最后根據(jù)當(dāng)前單向?qū)窦徔椘费芯恐写嬖诘膯栴},從機(jī)制研究、制備方法以及測試方法3個(gè)方面提出針對性建議,并展望了單向?qū)窨椢锏膽?yīng)用前景。
單向?qū)窨椢铮?毛細(xì)效應(yīng); 潤濕梯度; 功能性
單向?qū)瘳F(xiàn)象在自然界中普遍存在,某些植物的葉子[1]、花瓣[2],鳥類的羽毛[3]都具有單向?qū)竦奶匦浴@纾核卧谥袢~上呈現(xiàn)橢球形,可沿著竹葉平行紋路的方向傳導(dǎo),卻難以在垂直于紋路的方向流動[4];蝴蝶翅膀上存在的微納米組織結(jié)構(gòu),可引導(dǎo)水滴以蝴蝶身體為中心,沿翅膀向四周傳導(dǎo),但不能作逆向流動[5];而蜘蛛絲表面既具有親水性又具有疏水性,當(dāng)微小液滴黏附到表面時(shí),會自動向親水區(qū)域流動[6]。這種單向?qū)裥阅軐π滦退质占b置的研發(fā)具有極大的啟示作用[7]。
將單向?qū)裥阅軕?yīng)用于紡織面料中,其優(yōu)異的舒適性深受消費(fèi)者青睞[8]??椢锏膯蜗?qū)袷怯蓛?nèi)外2層吸濕性的差異產(chǎn)生的,水滴在織物內(nèi)從疏水端傳導(dǎo)至親水端,但不會出現(xiàn)逆流。通常,該類織物的外層是親水層,內(nèi)層是疏水層。汗液在差動毛細(xì)效應(yīng)[9]的作用下,被吸附到表層迅速揮發(fā)。同時(shí)由于纖維的疏水性,織物內(nèi)層表面張力較大,汗液不會在內(nèi)層存留,從而有利于保持皮膚的干爽。
從2005年開始,相關(guān)單向?qū)竦难芯縖10-11]明顯增多。本文對常用紡織面料中的單向?qū)裨怼?shí)現(xiàn)方法、測試方法與指標(biāo)、影響因素以及發(fā)展前景進(jìn)行綜述和分析。
織物內(nèi)外2層纖維的吸濕性不同引起的差動毛細(xì)效應(yīng)是具有單向?qū)裥阅艿闹饕?。Buckingham[12]在1907年率先提出毛細(xì)管流動理論,并引入毛細(xì)管勢能的概念,為織物導(dǎo)濕性能研究提供了理論基礎(chǔ)。單向?qū)窨椢锸且环N多孔隙材料,由里層到外層毛細(xì)管尺度逐漸減小,在厚度方向形成孔隙梯度,使液體只能沿一個(gè)方向傳導(dǎo)。Tian等[13]利用平行排列的有限微圓柱體對單向?qū)襁M(jìn)行模擬。對于在厚度方向具有導(dǎo)濕梯度的織物,液體能輕易從疏水端傳導(dǎo)至親水端,但液體無法從相反方向進(jìn)行傳導(dǎo)??椢飪擅娴牟顒用?xì)效應(yīng)是形成2個(gè)方向傳導(dǎo)差異的主要原因。通過簡易模型分析,發(fā)現(xiàn)是圓柱體局部幾何角與固-液接觸角產(chǎn)生耦合作用的結(jié)果,且減小間距比或增大吸濕梯度可以增強(qiáng)差動毛細(xì)效應(yīng)。
目前,對單向?qū)裨淼难芯可胁粔蛏钊?,尤其是不能明確解釋材料厚度方向單向?qū)癞a(chǎn)生的原因[14]。此類精確物理模型的缺失也無法有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),因此,明確單向?qū)駲C(jī)制,利用多元分析、有限元分析等方法建立精確的單向?qū)衲P?,指?dǎo)實(shí)際應(yīng)用,并通過實(shí)踐結(jié)果反饋驗(yàn)證并優(yōu)化模型,將成為單向?qū)耦I(lǐng)域理論研究的重點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)單向?qū)竦年P(guān)鍵是使織物內(nèi)外2層具有梯度潤濕性,從而產(chǎn)生差動毛細(xì)效應(yīng)[15]。實(shí)踐中可通過多種加工方法實(shí)現(xiàn),主要包括化學(xué)法、等離子體改性法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法等。
2.1 化學(xué)法
化學(xué)法主要采用化學(xué)整理劑對織物表面進(jìn)行后整理,從而改變織物的吸濕性能。根據(jù)所用整理劑和整理面的不同,可分為單面疏水整理、單面親水整理和親疏水兩面整理。
2.1.1 單面疏水整理
單面疏水整理是采用疏水劑對織物進(jìn)行單面整理,使整理面具有疏水性而未整理面保持親水性,織物兩面形成差動毛細(xì)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)單向?qū)瘛?/p>
近年來,對非織造材料單向?qū)窀男缘难芯恐饾u增多。潘虹等[16]選用FG-910型含氟疏水劑,對純棉水刺非織造材料進(jìn)行單面整理,使織物一面親水,一面疏水,在差動毛細(xì)效應(yīng)作用下產(chǎn)生附加壓力差,實(shí)現(xiàn)單向?qū)?。對面料進(jìn)行紅外光譜分析后發(fā)現(xiàn),經(jīng)疏水劑處理后親水基團(tuán)顯著減少。比較整理前后纖維的電鏡照片發(fā)現(xiàn),整理后棉纖維表面縱向條紋消失,因此,整理側(cè)疏水性增強(qiáng)。
有學(xué)者也利用單面疏水整理法設(shè)計(jì)開發(fā)了單向?qū)衩媪?,例如:運(yùn)用印花法對滌綸織物進(jìn)行微型窗整理,使內(nèi)外層親疏水性差異變大,形成差動毛細(xì)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)單向?qū)馵17];利用絲網(wǎng)印花涂層法和刮刀涂層法開發(fā)木漿復(fù)合水刺非織造材料[18]等。
單面疏水整理操作簡便,效果明顯。只需在親水性織物一面噴涂疏水劑,封閉親水性基團(tuán),即可使織物形成差動毛細(xì)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)單向?qū)?。然而,使用單向?qū)窨椢飼r(shí),疏水面通常與皮膚相接處。而疏水劑多為含硅、含氟類化學(xué)試劑,與人體接觸易產(chǎn)生不適。在未來的疏水整理中采用無毒、健康、環(huán)境友好型的疏水劑將會成為一種趨勢。
2.1.2 單面親水整理
單面親水整理是采用親水整理劑對織物一面進(jìn)行親水整理,使織物兩面形成吸濕性差異,在差動毛細(xì)效應(yīng)的作用下,實(shí)現(xiàn)單向?qū)瘛?/p>
楊文等[19]采用高支羊毛/細(xì)旦滌綸混紡紗與亞麻紗交織,織造緯平針添紗組織。然后利用納米功能乳液對織物進(jìn)行單面親水整理,以織物的單向傳遞指數(shù)和液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數(shù)為依據(jù),與未經(jīng)處理的織物比較單向?qū)裥Ч?/p>
此外,還有許多學(xué)者進(jìn)行類似研究,例如:采用等離子刻蝕法和噴霧整理法對織物進(jìn)行單面親水整理,實(shí)現(xiàn)單向?qū)裥訹18];利用親水性整理劑對聚丙烯SMS非織造布進(jìn)行單面親水整理,使非織造材料形成親疏水雙側(cè)結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)單向?qū)馵20]等。單面親水整理后,織物單向?qū)裥Ч^好,且與人體接觸的疏水面不含化學(xué)試劑。然而,親水整理需要精確的工藝條件,才能實(shí)現(xiàn)良好的疏水效果,因此,需要嚴(yán)格控制工藝條件才能使織物具有優(yōu)異的單向?qū)裥Ч?/p>
2.1.3 親疏水兩面整理
親疏水兩面整理是對織物一面進(jìn)行親水整理,另一面進(jìn)行疏水整理,使織物兩面分別具有親水性和疏水性,內(nèi)外兩層形成顯著的差動毛細(xì)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)單向?qū)瘛?/p>
陳曉艷等[21]采用親疏水兩面整理的方法,開發(fā)了梯度單向?qū)襻樋椢?。該織物采?層空氣層結(jié)構(gòu),內(nèi)層和外層均選用棉紗,中層為滌綸。在內(nèi)層進(jìn)行部分疏水整理,外層進(jìn)行親水整理,形成親疏水梯度結(jié)構(gòu)。由于織物內(nèi)層為部分疏水層,水可以通過未整理部分傳到中層,在差動毛細(xì)效應(yīng)作用下,經(jīng)中層傳遞到達(dá)親水性強(qiáng)的外側(cè),并快速擴(kuò)散。同時(shí),內(nèi)層保留的水分少,可以讓人體保持舒適。
文獻(xiàn)[22]利用印花手段,先在純棉針織物內(nèi)側(cè)進(jìn)行部分疏水整理,再在外側(cè)進(jìn)行親水整理,獲得單向?qū)衩媪?。研究結(jié)果表明,織物內(nèi)層經(jīng)疏水處理后,親水性基團(tuán)被封閉,疏水性增強(qiáng),自由水?dāng)?shù)量增加,易于擴(kuò)散傳輸。
經(jīng)過親疏水兩面整理的織物,差動毛細(xì)效應(yīng)強(qiáng)于單面親/疏水整理,單向?qū)裥Ч?,但兩面整理時(shí)如果織物較為輕薄,則親、疏水整理劑易在臨界位置發(fā)生接觸,從而破壞單向?qū)裥Ч灰虼?,在進(jìn)行兩面整理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制整理工藝,防止親、疏水整理劑的直接接觸。
2.1.4 等離子體改性法
等離子體改性是在化學(xué)處理的基礎(chǔ)上,再對織物進(jìn)行等離子體照射,使織物具有單向?qū)裥阅艿募夹g(shù)。
Wang等[23]將化學(xué)法和等離子體改性法相結(jié)合,先在織物兩面噴涂疏水劑,再在其中一面采用多波長紫外線照射,開發(fā)單向?qū)駵炀]織物,如圖1所示。經(jīng)過化學(xué)處理后,滴在處理面的液滴呈半圓形,未見滲透,而在未經(jīng)處理織物表面,滴下液滴則會迅速滲透。紫外線照射進(jìn)一步處理后,發(fā)現(xiàn)照射面上的液滴只在面內(nèi)擴(kuò)散,無法滲透到另一面;而在只經(jīng)化學(xué)處理一面滴下的液滴會迅速滲透到照射面。
圖1 化學(xué)整理前后織物吸濕能力對比圖Fig.1 Comparison figures of fabric moisture absorption capability before (a) and after (b) chemical finishing
等離子改性法操作簡便、高效,可與其他技術(shù)有效結(jié)合,例如,對經(jīng)等離子體處理的織物進(jìn)行加熱后,再次經(jīng)過等離子體照射,會改變織物單向?qū)竦姆较騕24],有望廣泛應(yīng)用于智能化紡織品領(lǐng)域。需要指出的是,等離子體改性法具有明顯的時(shí)效性,織物的單向?qū)裥Ч掷m(xù)時(shí)間較短,這可能和硅烷與等離子體的結(jié)合力較弱有關(guān)。
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過設(shè)計(jì)織物組織結(jié)構(gòu),合理配置纖維原料,也能有效實(shí)現(xiàn)織物的單向?qū)?。Tian[13]經(jīng)過理論研究論證認(rèn)為,厚度方向的吸濕性梯度變化可實(shí)現(xiàn)織物的單向?qū)瘛?/p>
安云記等[25]采用PTT、丙綸和Cooldry?3種原料,合理排列織針和三角,經(jīng)染整加工后,開發(fā)了PTT蓋丙綸單向?qū)穹涓C面料和PTT蓋Cooldry?單向?qū)窬W(wǎng)眼面料。蜂窩與網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)獨(dú)特的立體型態(tài)可增加織物的透氣性。該類結(jié)構(gòu)面料的單向?qū)裥阅軆?yōu)異,非常適合應(yīng)用于運(yùn)動服裝領(lǐng)域。
此外,還有許多研究者通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)單向?qū)衩媪?,例如:采用吸濕排汗滌綸纖維開發(fā)雙面府綢織物,并利用表里組織點(diǎn)互換法,使織物具有優(yōu)異導(dǎo)濕性[26];采用不同種類紗線開發(fā)雙層或多雙單向?qū)窨椢颷27]。
鑒于結(jié)構(gòu)法單向?qū)窨椢锩婷芏容^高,近期已有學(xué)者利用納米纖維、碳納米管等前沿材料制備納米纖維基單向?qū)窨椢颷28-30]。Wu等[31]利用2個(gè)平行靜電紡電極織造出單軸對稱纖維陣列,其形態(tài)與竹葉表面形態(tài)相似,具有典型的單向?qū)裉匦?。Xue等[32]利用噴霧-干燥法在材料表面噴涂PTFE制備水/油分離裝置,當(dāng)水/油混合物滴落至裝置表面時(shí),油能迅速通過,而水不能通過,從而實(shí)現(xiàn)水與油的分離。此外,Hu[33]采用生物質(zhì)納米纖維(如角蛋白、彈性蛋白、層黏連蛋白等)制備條紋狀單向?qū)癫牧?。此類單向?qū)窨椢镉型麘?yīng)用于液體分離[34]、醫(yī)用設(shè)備[35]、自清潔裝置[36]、能源轉(zhuǎn)換[37]等。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法不采用化學(xué)試劑,織物可直接與人體接觸,且利于環(huán)境保護(hù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法織造的單向?qū)窨椢锪Ⅲw感強(qiáng),具有連續(xù)吸濕梯度變化,導(dǎo)濕效果持久。該方法的不足之處在于織物面密度往往過高,使用納米技術(shù)時(shí)又受產(chǎn)量局限。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法通常應(yīng)用于針織物,對機(jī)織物、非織造織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還比較少,亟待開展更深入的研究??刹捎梅律鷮W(xué)模仿植物的蒸騰作用系統(tǒng)構(gòu)造,設(shè)計(jì)植物組織結(jié)構(gòu),以提高織物的單向?qū)裥阅堋?/p>
對于織物導(dǎo)濕性能測試,國內(nèi)外都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,且不同標(biāo)準(zhǔn)適用于不同特點(diǎn)的織物[38]。測試織物單向?qū)裥阅艿姆椒ㄓ泻芏啵饕性u級法、液滴面積法、多指標(biāo)測試法和液態(tài)水分管理系統(tǒng)[39]等,也有學(xué)者采用吸濕快干的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。上述測試方法在單向?qū)裱芯恐卸加袘?yīng)用。汪南方等[37]采用評級法,根據(jù)織物整理面與未整理面的吸濕情況,按照評級標(biāo)準(zhǔn)對織物進(jìn)行評級,間接評價(jià)織物單向?qū)裥?。潘虹等[16]采用液滴面積法測試非織造材料的單向?qū)裥阅?,通過測試整理前后織物上下表面的含水量量化表征單向?qū)裥阅堋j悤云G等[21]采用多指標(biāo)測試法和液態(tài)水分管理系統(tǒng)分別測試織物的單向?qū)裥阅?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液態(tài)水分管理系統(tǒng)能更直觀地表征液態(tài)水的動態(tài)傳遞情況。
評級法操作簡單,但是采用主觀、間接指標(biāo)表征織物單向?qū)裥阅?,受主觀條件影響大,測試結(jié)果精度低[40]。液滴面積法采用單一指標(biāo)——相對含水量表征單向?qū)裥Ч?,其測試指標(biāo)少,無法系統(tǒng)表征織物的單向?qū)裥阅?。多指?biāo)測試法主要測試指標(biāo)包括接觸角、透濕量、濕散失量等。其測試指標(biāo)相對較多,能夠較為全面地反映織物,單項(xiàng)導(dǎo)濕性能。但是,與液滴面積法一樣,多指標(biāo)測試法只能測量固定時(shí)間內(nèi)織物的吸濕性能,無法表征水分在織物中的動態(tài)情況。針對這些問題,開發(fā)了液態(tài)水分管理系統(tǒng),通過測定織物上下表面含水量的相互轉(zhuǎn)移情況,獲取織物最大擴(kuò)散半徑、毛效速度和單向傳遞指數(shù)等動態(tài)指標(biāo),從而量化表征織物的單向?qū)裥阅?。通過對動態(tài)水傳遞性能的表征,液態(tài)水分管理系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測試方法的不足[41]。
影響織物單向?qū)裥Ч囊蛩睾芏?,主要可分為物理因素與化學(xué)因素。物理因素是指纖維截面形狀、纖維細(xì)度、紗線捻度、紗支細(xì)度等因素[42]?;瘜W(xué)因素是指整理液濃度、噴灑量、整理面積等與化學(xué)處理方法有關(guān)的因素[20]。
馬銘池等[42]通過對4種純棉機(jī)織物分析研究,認(rèn)為組織結(jié)構(gòu)對織物單向?qū)衲芰τ绊懖淮?,而紗支?xì)度、緊度、密度和厚度是影響單向?qū)裥阅艿闹饕蛩亍?/p>
任祺等[20]對整理液濃度、噴灑量和烘燥條件等影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出實(shí)現(xiàn)最佳單向?qū)裥Ч墓に嚄l件:整理劑與水的體積比為1∶5,整理液噴灑量為10 g/m2,烘燥溫度為90 ℃,烘燥時(shí)間為3 min。
翟孝瑜等[43]通過研究發(fā)現(xiàn),在3層織物中,內(nèi)外線密度的差異對單向?qū)裥Ч挠绊懜蟆T诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步研究了纖維異形度對單向?qū)裥阅艿挠绊?,研究結(jié)果表明,異形度越大,形成的毛細(xì)管數(shù)量越多,單向?qū)裥Ч麜胶谩?/p>
以上研究結(jié)果表明,雖然單向?qū)駲C(jī)制主要是差動毛細(xì)效應(yīng),但導(dǎo)濕效果可通過工藝調(diào)整與優(yōu)化獲得有效提高。
單向?qū)竦难芯可婕岸鄠€(gè)學(xué)科,如化學(xué)、物理、材料和工程等,雖然目前此類研究已經(jīng)具有一定基礎(chǔ),但許多方面仍存在進(jìn)一步完善與細(xì)化的空間。關(guān)于纖維與水分子結(jié)合的作用力,纖維吸水溶脹對織物吸濕性能的影響,以及液滴在單向?qū)窨椢锉砻娴膭討B(tài)蒸發(fā)過程,單向?qū)窨椢飪?nèi)氣-液-固三相界面具體形態(tài)等內(nèi)容都有待于進(jìn)行深入研究。同時(shí),如何利用計(jì)算機(jī)模擬工具模擬并預(yù)測單向?qū)裥Ч瑑?yōu)化其特點(diǎn),提高單向?qū)竦墓δ苄浴?shí)用性,也是值得研究的領(lǐng)域。
單向?qū)窨椢锏闹苽浞椒ǜ骶咛攸c(diǎn)。從目前的發(fā)展需求來看,尋找健康、環(huán)保的化學(xué)試劑,增強(qiáng)單向?qū)裥Ч某志眯允俏磥砘瘜W(xué)法需要解決的問題。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注非織造材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究,在此基礎(chǔ)上拓展其應(yīng)用范圍。由于非織造材料適合應(yīng)用于醫(yī)衛(wèi)領(lǐng)域,如醫(yī)用輔料、尿不濕等,因此,若能同時(shí)實(shí)現(xiàn)非織造材料厚度方向與面內(nèi)方向的單向?qū)?,對提高材料使用效率,提升舒適性具有積極意義。
對單向?qū)裥阅艿臏y試,從評級法到液態(tài)水分管理系統(tǒng),測試方法正朝著操作簡便、測試精確、動態(tài)表征的方向發(fā)展,然而,目前還缺少對單向?qū)裥Ч慕y(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因此,建立統(tǒng)一、規(guī)范的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)亟待完成的工作。
在實(shí)際應(yīng)用方面,單向?qū)竦睦碚撆c實(shí)驗(yàn)研究成果已逐步轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中。簡化生產(chǎn)流程、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝無毒無污染將是未來單向?qū)窀男缘闹饕l(fā)展趨勢。
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Development of unidirectional water-transfer fabrics
WANG Wei, HUANG Chen, JIN Xiangyu
(EngineeringResearchCenterofTechnicalTextiles,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)
From the perspective of differential capillary effect and wetting tonsure effect, the principle of unidirectional water-transfer in textiles was reviewed. Manufacturing method of unidirectional water-transfer can be divided into chemical method and structural design method. The advantages and limitations of the methods were compared. The main influencing factors of water-transfer performance, namely, chemical factors and physical factors were also reviewed. By controlling these factors, excellent unidirectional water-transfer properties through the fabric thickness could be achieved. the limitations of conventional testing method was discussed on water-transfer and through a novel testing method (comparatively-MMT) was introduced. The current problems in unidirectional water-transfer textiles are believed to be solved by the study of mechanism, preparation method and testing method. Finally, the practical applications of unidirectional water-transfer textiles were included.
unidirectional water-transfer fabric; capillary effect; wetting gradient; functional
10.13475/j.fzxb.20150306406
2015-03-31
2015-12-23
中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2232014D3-15);上海市“晨光計(jì)劃”項(xiàng)目(14CG34)
王偉(1990—),男,碩士生。研究方向?yàn)榉强椩觳牧辖Y(jié)構(gòu)與性能。黃晨,通信作者,E-mail:hc@dhu.edu.cn。
TS 101.8
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