張才前， 姚菊明

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院, 浙江 紹興 312000)

人體在炎熱環(huán)境下會(huì)出汗，而體表覆蓋的服裝面料則是影響汗液排出的主要因素。目前對(duì)服裝面料導(dǎo)濕、排汗性能的代表性測(cè)試方法有圖像法、超聲波法、電阻法、毛細(xì)效應(yīng)法等。如：LAW[1]利用面料干濕態(tài)超聲波反射性能差異，測(cè)定液體在服裝面料中的擴(kuò)散情況，該方法測(cè)試速度快，結(jié)果穩(wěn)定，但超聲波能力易引起水分蒸發(fā)速率，影響測(cè)試結(jié)果。莊勤亮[2]采用自動(dòng)攝像技術(shù)，利用面料干態(tài)與濕態(tài)圖像上灰度值的差異計(jì)算面料上干態(tài)與濕態(tài)的百分比，得到液體在面料上的導(dǎo)濕速度，該方法測(cè)試準(zhǔn)確性好，自動(dòng)化程度高；但對(duì)印花類面料則易受面料花紋圖案影響，使圖像采集效果受到干擾。在電阻法測(cè)試方面，HU等[3]用6個(gè)同心圓環(huán)之間的電阻差異測(cè)試，檢測(cè)汗液沿面料傳導(dǎo)擴(kuò)散情況；張才前等[4]在服裝面料表面插入針?lè)?，根?jù)探針間阻值變化，檢測(cè)汗液沿面料各不同方向傳導(dǎo)擴(kuò)散情況。電阻法測(cè)試準(zhǔn)確度高，且不受面料外觀影響，目前多用于檢測(cè)服裝面料導(dǎo)濕擴(kuò)散情況，而對(duì)排汗性能測(cè)試方面研究較少。ZHANG等[5]利用有色液體檢測(cè)多孔滌綸紗線芯吸性能；DU等[6]和HOLTER等[7]用數(shù)值模擬法建立織物導(dǎo)濕模型，并用圖像法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證；FURTAK等[8]對(duì)織物進(jìn)行熒光染料染色，并用圖像法分析織物導(dǎo)濕排汗性能。這些研究有效測(cè)試了液體在面料表面擴(kuò)散性能，但無(wú)法測(cè)試液體在織物內(nèi)部的擴(kuò)散情況。YU等[9]分析了紗線混紡比對(duì)織物中汗液傳導(dǎo)、汗液吸收及蒸發(fā)等性能的影響；CHEN等[10]研究了異收縮滌綸織物的導(dǎo)濕排汗性能。相關(guān)研究揭示了紗線混紡比及紗線性能與織物導(dǎo)濕排汗性能之間的規(guī)律，但其研究采用傳統(tǒng)測(cè)試方法，且導(dǎo)濕性能和排汗性能需分2套裝置分別進(jìn)行測(cè)試，耗時(shí)較長(zhǎng)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)電阻法檢測(cè)原理，在不同方向?qū)⒍喔结槻迦肟椢飪?nèi)部。一方面可檢測(cè)汗液在織物各不同方向上的內(nèi)部擴(kuò)散情況；另一方面可測(cè)試液滴在織物內(nèi)部的擴(kuò)散問(wèn)題。設(shè)計(jì)的織物導(dǎo)濕排汗性能自動(dòng)測(cè)試裝置利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，可評(píng)價(jià)液滴在織物上擴(kuò)散以及蒸發(fā)性能，以解決傳統(tǒng)儀器無(wú)法同時(shí)測(cè)試汗液在織物上擴(kuò)散及蒸發(fā)性能的問(wèn)題。

1 測(cè)試裝置

織物導(dǎo)濕排汗性能自動(dòng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)基本原理是：在織物中插入探針1、2，并將其與2 MΩ定值電阻串聯(lián)，接入5 V直流電源中。將調(diào)配好的模擬汗液(0.09 g/mL的NaCl溶液)，由可調(diào)式移液器精確量取0.2 mL(接近于人體1滴汗體積)，經(jīng)注液管注入織物，當(dāng)汗液沿織物由探針1擴(kuò)散至探針2位置后，2個(gè)探針之間的電阻值從109～1014Ω瞬時(shí)下降至107Ω以下，此時(shí)探針1、2之間分得的電壓信號(hào)由5 V開(kāi)始明顯減小，記錄汗液由滴入時(shí)刻到遷移至探針2的時(shí)間，可掌握汗液擴(kuò)散情況。隨著汗液蒸發(fā)，探針1、2之間電阻增大，電壓表之間電壓值增大，當(dāng)趨近于5 V，則說(shuō)明汗液已經(jīng)蒸發(fā)完畢。

為掌握液滴在織物中的擴(kuò)散情況，隨機(jī)選擇2款面料a、b，其中：a為滌綸織物，平紋，面密度為160 g/m2，經(jīng)緯紗均為345 dtex滌綸DTY長(zhǎng)絲，經(jīng)密為345根/10 cm，緯密為321根/10 cm；b為全棉織物，平紋，面密度為180 g/m2，經(jīng)緯紗均為28 tex棉紗，經(jīng)密為400根/10 cm，緯密為220根/10 cm。用移液器精確量取0.2 mL有色墨水滴入織物中，在30 mim后拍攝墨水在織物中擴(kuò)散后的圖像，如圖1所示。

圖1 液滴擴(kuò)散圖Fig.1 Droplet dispersion. (a) Polyester fabric;(b) Cotton fabric

由圖1可知，液滴沿著織物左右側(cè)擴(kuò)散情況接近，如測(cè)定液滴沿著織物單側(cè)擴(kuò)散情況，可間接獲得液滴沿織物另一側(cè)擴(kuò)散的情況，因此，在織物單側(cè)不同方向布置多根測(cè)試探針，可檢測(cè)汗液沿著織物不同方向、不同位置的導(dǎo)濕、排汗情況。各探針?lè)植伎孜蝗鐖D2所示，各方向相鄰探針間距為5 mm，探針固定在電路板上，測(cè)試時(shí)將織物平放入探針中固定即可。對(duì)針織物，經(jīng)向?qū)?yīng)縱向，緯向?qū)?yīng)橫向。

圖2 探針孔位分布圖Fig.2 Probes hole position distribution

各探針與注液位置之間的電壓值由PCI8210多路高速采集卡自動(dòng)采集，信號(hào)采樣頻率為10 Hz，通過(guò)Labview軟件對(duì)采集卡采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。為降低測(cè)試裝置噪聲干擾，電路中所用的探針和線路都經(jīng)鍍金處理，減小電阻。檢測(cè)電路中包括5 V直流電源，電源有2種輸入方法：一是接入實(shí)驗(yàn)室的直流穩(wěn)壓電源，該電源穩(wěn)定性好，測(cè)試準(zhǔn)確；二是直接接入5 V的移動(dòng)手機(jī)充電電源，主要是便攜應(yīng)用。定值電阻2 MΩ、測(cè)試電路、64針信號(hào)輸出線及接線口都集成在電路板中。

2 織物導(dǎo)濕排汗評(píng)價(jià)方法

2.1 汗液沿織物傳導(dǎo)擴(kuò)散指標(biāo)

模擬汗液沿織物各方向擴(kuò)散最大位移SJ1、SJ2、SW、S30、S45、S60，由各方向接收到電壓信號(hào)的檢測(cè)探針至基準(zhǔn)探針間距離確定。其中：SJ1為縱向向上最大位移；SJ2為縱向向下最大位移；SW為橫向擴(kuò)散最大位移；S30、S45、S60分別表示汗液沿織物30°、45°、60°方向擴(kuò)散最大位移。經(jīng)向用2個(gè)方向，用于評(píng)價(jià)織物同一方向?qū)衽藕剐阅懿町惽闆r。

汗液沿織物各方向擴(kuò)散速率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，平均速度無(wú)法客觀評(píng)價(jià)汗液擴(kuò)散速率，采用Lucas-Washburn方程，通過(guò)一元線性回歸得到芯吸速率W來(lái)評(píng)價(jià)擴(kuò)散速率，即

式中：下標(biāo)i表示方向；Li為液體沿著不同方向擴(kuò)散位移；ti為對(duì)應(yīng)擴(kuò)散時(shí)間。根據(jù)方向不同，設(shè)定WJ1、WJ2、WW、W30、W45、W60為芯吸速率指標(biāo)。

2．2 織物排汗評(píng)價(jià)指標(biāo)

用織物各不同方向排汗(或蒸發(fā))時(shí)間TJ1、TJ2、TW、T30、T45、T60表示。具體數(shù)值為各方向距離基準(zhǔn)探針最近的測(cè)試探針接受到電壓變小時(shí)間t1與各個(gè)方向距離基準(zhǔn)探針最近的測(cè)試探針電壓信號(hào)達(dá)到5 V的時(shí)間t2之間的時(shí)間間隔，即Ti=t2-t1。

3 儀器性能評(píng)價(jià)

3．1 實(shí)驗(yàn)材料

采用美國(guó)杜邦公司的33.33 dtex Coolmax滌綸導(dǎo)濕排汗長(zhǎng)絲紗為原料，經(jīng)德馳DC252S-12G型電腦橫機(jī)編織成11塊針織物，織物參數(shù)如表1所示。

表1 織物參數(shù)Tab.1 Specifications of fabrics

3．2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

采用織物導(dǎo)濕排汗性能自動(dòng)測(cè)試裝置測(cè)試各織物導(dǎo)濕排汗性能，同時(shí)引入對(duì)比實(shí)驗(yàn)，織物吸濕性能依據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，采用YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)測(cè)試織物的芯吸性能。芯吸時(shí)間用秒表計(jì)時(shí)，初始5 min內(nèi)每隔30 s記錄織物毛細(xì)效應(yīng)高度值，5～30 min內(nèi)每隔5 min記錄織物毛細(xì)效應(yīng)高度值。采用Lucas-Washburn方程，通過(guò)一元線性回歸得到芯吸速率指標(biāo)用于評(píng)價(jià)速率，30 min時(shí)織物毛細(xì)高度值作為擴(kuò)散最大位移。

織物排汗性能測(cè)試采用質(zhì)量稱量法，測(cè)試織物浸濕后水分隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，樣品制備過(guò)程是將各織物在蒸餾水中浸漬2 h，待試樣完全濕潤(rùn)后將織物避光自然滴干，之后放在天平中稱量，每隔30 min讀1次數(shù)據(jù)，記錄織物中水分蒸發(fā)減少情況，記錄時(shí)間即各織物干燥時(shí)間T。

3．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用織物導(dǎo)濕排汗性能自動(dòng)測(cè)試裝置測(cè)試織物2個(gè)探針電壓值隨時(shí)間變化曲線，如圖3所示。

圖3 織物2個(gè)探針間電壓變化趨勢(shì)圖Fig.3 Change trend of fabric voltage between two probes

由圖3可知：當(dāng)液體滴入織物，如液體擴(kuò)散到織物中某探針位置，此時(shí)注液位置與該探針間電壓值由5 V下降到4.2 V左右，這段時(shí)間即為液體擴(kuò)散時(shí)間；隨后電壓值由4.2 V左右再逐漸增大，在圖中T時(shí)刻點(diǎn)達(dá)到5 V，此時(shí)探針周圍的液體已經(jīng)干燥，T點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間即為干燥時(shí)間。

為更精確得到液體由注液點(diǎn)擴(kuò)散到織物中某探針位置的時(shí)間，將初始階段放大，如圖4所示。其中電壓出現(xiàn)明顯變化的時(shí)刻點(diǎn)分別記為o、a、b、c、d、e。

圖4 初始階段織物2個(gè)探針間電壓變化趨勢(shì)圖Fig.4 Change trend of fabric voltage between two probes in initial phase

由圖4可知，初始階段織物2個(gè)探針電壓值隨時(shí)間變化曲線波動(dòng)較大。具體趨勢(shì)為：由o到a時(shí)間段，織物2個(gè)探針電壓值穩(wěn)定在5 V左右，此時(shí)液體對(duì)織物電阻沒(méi)有影響。在a到b時(shí)間段，電壓值出現(xiàn)小幅度下降，說(shuō)明液體對(duì)織物電阻產(chǎn)生部分影響，但并沒(méi)有對(duì)織物電阻產(chǎn)生顯著變化，可認(rèn)為此時(shí)液體并沒(méi)有擴(kuò)散到該探針位置，而僅僅是液體中水蒸氣蒸發(fā)擴(kuò)散到該探針位置引起。在b到c時(shí)間段，電壓值基本穩(wěn)定，僅出現(xiàn)小幅度下降，這是由于水蒸氣濃度增加引起。在c到d時(shí)間段，電壓值出現(xiàn)了斷崖式下降，在d到e時(shí)間段，電壓值比較平穩(wěn)，說(shuō)明在c點(diǎn)時(shí)液體已擴(kuò)散到探針位置；但液體濃度比較小，此時(shí)電壓值仍較大，隨著液體量增大，當(dāng)液體濃度達(dá)到最大值時(shí)，電壓值達(dá)到最小值，因此，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻即液體擴(kuò)散到探針?biāo)钑r(shí)間，d到e時(shí)間段為液體濃度最大保持時(shí)間。在e點(diǎn)之后時(shí)間段，電壓值增大，該階段為液體蒸發(fā)階段，但其斜率越來(lái)越小，說(shuō)明液體蒸發(fā)速率越來(lái)越慢，即液體蒸發(fā)速率隨著織物中液體量的減小而變小。

為確定儀器測(cè)試穩(wěn)定性和可重復(fù)性，用測(cè)試儀器對(duì)1#織物測(cè)試2次，并隨機(jī)選擇橫向第2根(距注液管1 cm處)探針前100 s電壓變化作為對(duì)象制作曲線，如圖5所示。

圖5 電壓曲線變化Fig.5 Curve of voltage change

由圖5可得：2次測(cè)試曲線差異不大；且液體擴(kuò)散到該位置時(shí)間，第1次為18.2 s，第2次為18 s，誤差很小。而該位置干燥時(shí)間第1次為4 230.4 s，第2次為4 225.6 s，相差4.8 s，對(duì)織物導(dǎo)濕排汗性能評(píng)價(jià)影響不大?？傮w上來(lái)說(shuō)，儀器測(cè)試準(zhǔn)確，穩(wěn)定性和可重復(fù)高。

通過(guò)自制儀器測(cè)得11塊織物的各方向?qū)裥阅?，如?所示。

表2 汗液傳導(dǎo)擴(kuò)散性能(儀器法)Tab.2 Sweat transmitting properties(instrument method)

注：極差率為各織物6個(gè)方向中最大芯吸速率與最小芯吸速率差值占6個(gè)方向芯吸速率平均值的百分比。

由表2可得，11塊織物中汗液由注液位置沿織物縱向上、下2個(gè)方向的液體擴(kuò)散最大位移數(shù)值相同，而芯吸速率數(shù)值接近，說(shuō)明自制儀器測(cè)試穩(wěn)定性較高。除2#、7#及11#織物各方向液體擴(kuò)散最大位移無(wú)差異外，其余織物液體沿不同方向擴(kuò)散最大位移都有差異，總體趨勢(shì)是液體在織物上45°方向接近縱、橫向的平均值，而30°方向接近于橫向，60°方向更接近于縱向。

液滴沿著織物各向擴(kuò)散芯吸速率除2#織物與液體擴(kuò)散最大位移的規(guī)律接近外，其他織物表現(xiàn)為縱和橫向芯吸速率較大，其余方向芯吸速率小，且不同方向芯吸速率差異大，最小的極差率都達(dá)到17.22%?？傮w上來(lái)說(shuō)，11塊織物都是縱向芯吸速率最大。芯吸速率最小的有7塊分布在45°方向，即1#， 3#，4#，5#，6#，8#和9#，其余4塊分布在橫向，因此，織物不同方向芯吸速率差異顯著。采用質(zhì)量稱量法測(cè)得汗液在各織物上的蒸發(fā)性能，結(jié)果如表3所示。

表3 汗液蒸發(fā)性能(質(zhì)量稱量法)Tab.3 Sweat-discharge properties (weight method)

注：極差率為各織物6個(gè)方向中最大蒸發(fā)時(shí)間與最小蒸發(fā)時(shí)間差值占6個(gè)方向蒸發(fā)時(shí)間平均值的百分比。

由表3可得，11塊織物中除了7#和10#織物各方向汗液蒸發(fā)極差小于1%外，其余各織物汗液在不同方向的蒸發(fā)時(shí)間都有明顯差異，而極差率超過(guò)10%的織物有5塊，說(shuō)明用自制儀器可區(qū)分織物不同方向的汗液蒸發(fā)速度差異。通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)法及回潮率測(cè)試法得到各織物吸濕及干燥性能，結(jié)果如表4所示。

表4 織物導(dǎo)濕及干燥性能(常規(guī)法)Tab.4 Moisture transmitting and drying properties of fabric(conventional method)

一般而言，液體在織物上的擴(kuò)散速率或芯吸速率越大，毛細(xì)效應(yīng)越高，織物上液體的蒸發(fā)速率越快，接觸空氣面積也越大，干燥時(shí)間越短；但表4中使用傳統(tǒng)毛細(xì)法和質(zhì)量稱干燥法獲得的各織物芯吸速率與蒸發(fā)速率序列差異較大，如芯吸速率最快的4#織物，干燥時(shí)間為1 350 min，排在第7位。出現(xiàn)該現(xiàn)象原因主要是毛細(xì)法提供的液體是無(wú)限量的，與織物厚度、面密度關(guān)系不大，僅與織物的組織、縱橫密度等因素有關(guān)；而質(zhì)量稱量干燥法提供的液體是定量的，且均勻分布在織物中，影響干燥時(shí)間的主要因素是織物厚度、面密度、組織、縱橫密度等，因此，當(dāng)織物厚度與面密度差異較大時(shí)，織物芯吸與蒸發(fā)速率會(huì)出現(xiàn)較大差異。

表4中11塊織物縱向的芯吸速率都大于橫向，這與自制測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果相同。在由質(zhì)量稱量法得到的織物干燥時(shí)間數(shù)據(jù)中，1#和2#織物，8#和11#織物相同，因此，干燥法對(duì)部分織物的干燥性能測(cè)試區(qū)分度不夠高。為將儀器法與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較，在織物干燥性能上將質(zhì)量稱量法與儀器法的織物干燥時(shí)間作升序排列；在織物導(dǎo)濕性能上將毛細(xì)效應(yīng)法和儀器法縱向和橫向的芯吸速率數(shù)值相加得到綜合芯吸速率WC1和WC2，并將儀器法縱向正方向與其他4個(gè)方向芯吸速率相加，得到3個(gè)綜合芯吸速率，按照從大到小排序，數(shù)值最大的排序?yàn)?，數(shù)值最小的排序?yàn)?1，依次類推，排序結(jié)果如表5所示。

由表5可得，在液體擴(kuò)散位移排序上，儀器法有多塊織物數(shù)值相同，說(shuō)明總體區(qū)分度不高。主要原因是儀器法采用插針?lè)?，排針距離是5 mm，即測(cè)量位移精度下只能在5 mm以內(nèi)，這方面不如傳統(tǒng)的毛細(xì)法。在綜合芯吸值排序上，用自制儀器法得到2個(gè)方向(橫+縱)及5個(gè)方向(縱正向+橫+30°+45°+60°)的綜合芯吸值排序，除了3#與11#及6#與10#織物排列次序換位外，其余織物排序相同。結(jié)合毛細(xì)效應(yīng)法得到的織物毛細(xì)高度及芯吸速率數(shù)據(jù)，11#織物芯吸高度和芯吸速率明顯大于3#， 10#織物也明顯好于6#織物，5個(gè)方向的綜合芯吸值比2個(gè)方向的綜合芯吸值更為準(zhǔn)確，可認(rèn)定儀器法中用5個(gè)方向的綜合芯吸值評(píng)價(jià)織物的導(dǎo)濕速率排序更為準(zhǔn)確，且該方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的毛細(xì)法。在干燥時(shí)間排序上，稱質(zhì)量法和儀器法總體排序一致，即可用儀器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)稱質(zhì)量法評(píng)價(jià)織物的干燥性能，同時(shí)儀器法對(duì)織物的干燥性能評(píng)價(jià)精度更高。

表5 織物導(dǎo)濕排汗性能排序表Tab.5 Orders of comprehensive moisture transmitting properties

注：排列次序記為1～11，織物各評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及的性能越好，對(duì)應(yīng)排列次序越小；如某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中出現(xiàn)不同織物測(cè)試數(shù)值相同的情況，則表示對(duì)應(yīng)織物排序并列，將涉及的織物放在同一括號(hào)內(nèi)作區(qū)分。

4 結(jié) 論

1)由全自動(dòng)織物導(dǎo)濕及干燥性能測(cè)試儀得到的電壓曲線可明顯區(qū)分織物干濕狀態(tài)及吸水量變化情況，可較好地評(píng)價(jià)織物導(dǎo)濕及干燥性能，是一種準(zhǔn)確、有效的測(cè)試方法。

2)用自制儀器測(cè)得織物不同方向的導(dǎo)濕速率差異顯著，且采用5個(gè)方向的綜合芯吸值對(duì)織物導(dǎo)濕性能排序結(jié)果與傳統(tǒng)手工毛細(xì)效應(yīng)法一致，因此，新方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。

3)用自制儀器測(cè)得織物不同方向的干燥時(shí)間差異顯著，但平均干燥時(shí)間與傳統(tǒng)稱質(zhì)量法的總體排序一致，且對(duì)傳統(tǒng)稱質(zhì)量法測(cè)得的干燥時(shí)間相同的也可作區(qū)分，因此，使用自制儀器法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)稱質(zhì)量法評(píng)價(jià)織物干燥性能，且測(cè)試精度更高。

4)與傳統(tǒng)方法相比，自動(dòng)測(cè)試儀僅需取1個(gè)試樣可同時(shí)精確測(cè)試汗液沿織物5個(gè)不同方向的干燥時(shí)間和導(dǎo)濕速率，可減少傳統(tǒng)方法因多次取樣而帶來(lái)的樣品性能差異引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

5)采用自制儀器測(cè)試液體在織物擴(kuò)散位移時(shí)，由于插針間距因素，精度不如傳統(tǒng)手工毛細(xì)效應(yīng)法高，后續(xù)可增加植針密度，或者采用圖像法配合，以進(jìn)一步提高測(cè)試精度。

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