江奇佳 王泉 邱長利 金肖克 田偉 祝成炎

摘 要：為制備具有單向導濕效應的針刺非織造布，以滌綸纖維與黏膠纖維為原料，采用針刺加工工藝制備單種纖維的單層纖維網，并將兩層纖維網疊合后進行針刺復合得到復合纖維網。在測試單層纖維網平方米質量，芯吸性能的基礎上，測試并分析復合纖維網的表面形貌、含水量變化、水分擴散情況、水分單向傳遞指數，分析水分在復合纖維網中的傳輸機理。結果表明：水分在滌/黏針刺復合纖維網中的擴散同時具有選擇性與方向性;針刺的方向會引起纖維的層間轉移，對復合纖維網的單向導濕性能有較大影響;以吸濕性能差異大的兩種纖維為原料制備的針刺復合纖維網作為貼身服用面料能夠單向將人體汗液排出，隔絕外部水分，實現單向導濕。

關鍵詞：針刺加工;非織造;單向導濕;復合纖維網;潤濕梯度

中圖分類號：TS102.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）05-0013-08

Preparation of Unidirectional Water-transfer Needle-punchedNonwoven Fabric and its Properties

JIANG Qijia1， WANG Quan1， QIU Changli1，2，JIN Xiaoke1， TIAN Wei1， ZHU Chengyan1

（1.College of Textile Science and Engineering（International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou 310018， China; 2.Shanghai Dirong Textile Co. Ltd， Shanghai 200000， China）

Abstract：In order to prepare needle-punched nonwoven fabric with unidirectional water-transfer effect， the single-layer fiber web of a single fiber was prepared with needle punching process by using polyester fiber and viscose fiber as raw materials， and two layers of fiber webs were superimposed for needling composite to gain the composite fiber web. On the basis of testing the weight and wicking properties of single-layer fiber web， the surface morphology， moisture content change， moisture diffusion， one-way transfer index of the composite fiber web were tested and analyzed， and the transmission mechanism of moisture in the composite fiber webwas analyzed. The results show that the diffusion of moisture in the polyester / viscose needle-punched composite fiber web is selective and directional at the same time; the direction of needle punching process will cause the inter-layer transfer of fibers， which has a great influence on the one-way moisture-transfer of the composite fiber web; the needle-punched composite fiber web prepared with two kinds of fibers with greatly different moisture absorption properties can discharge the sweat of human body unidirectionally and isolate external moisture to realize one-way moisture transfer.

Key words：needle punching process; non-woven; unidirectional moisture-transfer; composite fiber web; wetting gradient

單向導濕織物模擬了自然界存在的一些水分單向傳輸的現象[1-6]，使織物在吸水時水分表現出在織物內單向傳遞的特性，具體在服用領域表現為織物能夠將人體表層汗液傳遞到外界環(huán)境，而外界水分不能通過織物進入人體一側。單向導濕功能的實現方法分為化學法與結構設計法[7]?；瘜W法是利用化學試劑處理織物表面，使織物兩面對水有不同的親和性，由此產生潤濕梯度，達到單向導濕的效果，具體包括單面親水整理[8]、單面疏水整理[9]和親疏水雙面整理[10]。結構設計法是在設計織物結構時，通過合理配置不同成分的纖維原料和織物結構，使纖維依照不同的親水性排列在織物厚度方向上，使得水分能夠從疏水性的一側轉移到親水性一側，而不易逆向轉移。與化學法相比，結構設計法不使用化學試劑，因此不存在試劑污染以及經過水洗后效果變差的問題，能夠直接與人體接觸并且長久使用，通常應用在吸濕排汗針織物[11-15]與機織物[16-18]的設計中。

目前，對單向導濕非織造布的研究大多采用化學法，王潔等[19]使用泡沫整理法對SMS非織造布分別進行親水整理與拒水整理，潘虹等[9]對純棉水刺非織造布進行單面拒水處理，任祺等[8]采用聚酯類親水整理劑Hansi QS-CONC噴灑在聚丙烯SMS非織造布一側并進行烘干處理，最終都能使材料獲得單向導濕功能。而對采用結構設計法制備單向導濕非織造布的研究較少，王偉等[20]對水刺單向導濕非織造布進行了研究，選擇了親水性的黏膠纖維和不同卷曲度的滌綸纖維，比較了不同滌綸卷曲度下與不同復合方向下的滌/黏復合水刺布各項性能，制備出能夠實現單向導濕效果的水刺非織造布。關于針刺工藝非織造布的單向導濕性能研究非常有限，因此本研究使用針刺加工工藝與結構設計法，對非織造布進行單向導濕功能設計，以黏膠纖維與滌綸纖維為原料，采用雙層纖維網針刺復合的方式制備得到黏膠/滌綸復合非織造布，分別測試了不同主刺方向下復合纖維網兩側的導濕性能，并分析了水分在針刺復合纖維網結構中的傳輸機理。

1 實 驗

1.1 原料選擇

滌綸纖維（1.67 dtex，38 mm，蘇州市寶思達化纖有限公司），黏膠纖維（1.67 dtex，38 mm，唐山三友遠達纖維有限公司）。

1.2 試樣制備

1.2.1 單層纖維網制備

采用針刺非織造生產線制備單層纖維網，生產流程為開包→開松→梳理→交叉鋪網→預刺→主刺，分別制備120 g/m2的滌綸纖維網與100 g/m2的黏膠纖維網。

1.2.2 復合纖維網制備

將單層黏膠纖維網與單層滌綸纖維網疊合，將疊合后的雙層纖維網送入主刺機構進行針刺復合，主刺頻率為20 Hz，主刺輸出頻率為7.5 Hz。疊合順序包含滌綸纖維層面向針板方向與黏膠纖維層面向針板方向的兩種，依此順序分別命名為PV和VP，復合后的樣品規(guī)格見表1。

主刺過程如圖1所示，兩層纖維網疊合后經壓網輥進入剝網板與托網板之間接受刺針穿刺作用，最后通過牽拉輥輸出，得到復合后的纖維網。

1.3 性能測試

1.3.1 單層纖維網平方米質量測試

依照GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布試驗方法第1部分：單位面積質量的測定》每組樣品測試5次。

1.3.2 單層纖維網芯吸性能測試

每組單層纖維網樣品裁剪5塊30 mm×250 mm的條形試樣，給予試樣一定張力垂直懸掛，一端浸于滴有紅墨水的試液中，調整試樣高度使試樣下端位于液面以下（15±2）mm處。等待試液在試樣上爬升高度穩(wěn)定后，測量并記錄芯吸高度值，若同一試樣上芯吸高度不一，取最高值記錄。

1.3.3 復合纖維網表面形態(tài)觀測

采用JSM-5610型掃描電子顯微鏡對復合纖維網表面及截面進行觀測。

1.3.4 單向導濕性能測試

采用SDL Atlas公司生產的M290液態(tài)水分測試儀依據GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕速干性的評定第2部分：動態(tài)水分傳遞法》測試織物的單向導濕性能，每組樣品裁剪5塊9 cm×9 cm的正方形試樣，分別以試樣正反兩側面對測試液滴下方向進行測試，以面對測試液的一面為測試表層，另一側為底層，將試樣平整地放置于傳感器上，啟動儀器后，在20 s內向織物的表層滴入（0.2±0.01） g測試液，期間機器自動記錄織物兩面120 s內的含水量變化，并以含水量變化情況計算單向傳遞指數。

針刺復合纖維網層疊順序及測試方向表2。

1.3.5 復合纖維網表面滴水擴散觀察

分別向復合纖維網兩個表面滴0.4 mL的墨水，觀察墨水在織物兩側的擴散情況，每組測試重復5次，并量取正反兩面墨水的最大擴散直徑與最小擴散直徑。

2 結果與分析

2.1 纖維網基本性能分析

2.1.1 纖維網平方米質量

每組樣品各裁剪5塊進行稱重，對稱重后的數據求取平均值，結果如表3。

對比單層纖維網生產樣品時的理論平方米質量與測試的平方米質量可以看到，生產出來的纖維網平方米質量與理論值接近，且標準差相對平方米質量變化不大，可以看做單層纖維網樣品整體分布均勻，各處性能相似。

復合纖維網VP與PV的平方米質量均小于兩種單層纖維網平方米質量之和，因為兩層纖維網疊合后在主刺時，牽拉輥不斷產生一個向前的牽伸力，刺針停留在纖維網之間時與牽拉輥共同作用使纖維網經向拉長變薄，因此復合平方米質量總小于單層平方米質量之和。

2.1.2 單層纖維網芯吸性能

為了解黏膠纖維網和滌綸纖維網的吸濕性能，采用芯吸高度進行表征，兩種試樣的平均芯吸高度如表4所示。

從表4中可知，每組單層纖維網芯吸高度的標準差很小，試樣吸濕性能穩(wěn)定。同時可知，黏膠纖維網的平均芯吸高度遠大于滌綸纖維網的芯吸高度，可見黏膠纖維網的芯吸性能優(yōu)于滌綸纖維網，這為利用潤濕梯度效應設計單向導濕效果非織造布提供了基礎。

2.1.3 復合纖維網形貌分析

復合纖維網正反面表面形態(tài)如圖2（a）與圖2（b）所示，復合纖維網正面為疊合后的雙層纖維網面向針板進行主刺的一面，可見明顯向里針刺的孔洞，反面則可以看到隨刺針運動從正面轉移的纖維。

復合纖維網截面如圖2（c）所示，可見纖維網分為上下兩層，上層有部分纖維垂直穿過下層，可知在針刺過程中刺針的運動帶動上層纖維向下層轉移，使得兩層纖維網的部分纖維互相糾纏，使兩層纖維網緊密結合成一個整體，此纏繞結構增大了水分在兩個纖維層之間轉移時的接觸面積，有利于水分的傳遞。

2.2 復合纖維網含水量變化

含水量變化曲線反映了織物吸水過程中含水量動態(tài)變化的情況，是研究織物吸水過程的重要參考數據，試樣VP與PV分別以黏膠纖維層與滌綸纖維層作為表層測試單向導濕性能，含水量與時間關系曲線見圖3。

由圖3可知，在滴液階段（前20 s）所有試樣含水量迅速攀升，在停止滴液階段（20 s后）含水量基本保持穩(wěn)定。其中最上方兩條曲線分別為VP2底層與VP1表層含水量曲線，即試樣VP的黏膠纖維層含水量曲線，穩(wěn)定后的含水量大致在500%～600%。中間兩條曲線分別為PV2底層與PV1表層含水量曲線，即試樣PV的黏膠纖維層含水量曲線，穩(wěn)定后的含水量大致在400%～500%。最下方兩條曲線分別為VP2表層與VP1底層含水量曲線，即試樣VP的滌綸纖維層含水量曲線，穩(wěn)定后的含水量在300%左右。而PV1底層與PV2表層，即試樣PV的滌綸纖維層含水量極少，在圖3中無顯示。

根據圖3還可知，試樣VP無論水滴方向如何，最終的黏膠纖維層含水量都大于滌綸纖維層含水量，但是滌綸纖維層仍然會有水分存在，即試樣VP具有一定的單向導濕性能，但是效果不理想;試樣PV無論測試方向如何，只有黏膠纖維層的含水量曲線上升，即復合纖維網中只有黏膠纖維層吸水?？梢娫嚇覲V無論是黏膠纖維層作為優(yōu)先吸水面還是滌綸纖維層作為優(yōu)先吸水面，始終只有黏膠纖維層吸水，滌綸纖維層都不參與吸水，單向導濕效果明顯。對比試樣VP與試樣PV可知，兩種試樣無論選擇哪一面作為優(yōu)先吸水面，黏膠纖維層的含水量總是更高，但是試樣VP的兩層纖維都會參與吸水，而試樣PV滌綸纖維層含水量極少，黏膠纖維層為主要吸水層。理想的單向導濕織物在吸水后應呈現出織物一側干燥的現象，顯然試樣VP更符合。

2.3 復合纖維網水分擴散情況

為了更好地觀察復合纖維網中水分擴散過程，使用注射器慢慢向復合纖維網表面滴4 mL墨水，觀察墨水在復合纖維網內的擴散情況。試樣VP與PV的墨水擴散情況見圖4與圖5。

從圖4中（a）、（b）、（c）可知，對試樣VP1黏膠纖維層進行滴液時，水分在黏膠纖維層迅速擴散，同時由于針刺作用，上下纖維層纏繞結構的存在，部分水分沿纏繞結構擴散至滌綸纖維層底部，但滌綸纖維層水分吸收極少;從圖4中（d）、（e）、（f）可知，對試樣VP2滌綸纖維層進行滴液時，水分在滌綸纖維層上有液滴直徑大小的高含水量水平擴散區(qū)域，水分在接觸到黏膠纖維層后，在黏膠纖維層水平擴散，滌綸纖維層也有點狀區(qū)域隨黏膠纖維層的水分擴散而同步擴散，滌綸纖維層水分吸收極少。圖4（b）與圖4（d）中深色點狀部分含水較多，主要由復合纖維網針刺時隨鉤刺轉移到滌綸纖維層的黏膠纖維引起，由針刺作用產生的上下纖維層纏繞結構形成了導水良好的通道，使得滌綸纖維層不能完全隔絕水分。從圖4（c）、圖4（f）可以看到滌綸黏膠層與黏膠纖維層之間吸水存在分界，說明兩種纖維吸濕性能差異明顯，產生了潤濕梯度，水分從滌綸纖維向黏膠纖維轉移。

由圖5中（a）、（b）、（c）可知，對試樣PV1黏膠纖維層進行滴液時，水分在黏膠纖維層迅速水平擴散，下層的滌綸纖維層基本不吸水。由圖5中（d）、（e）、（f）可知，對試樣PV2滌綸纖維層進行滴液時，可以觀察到水分在滌綸纖維層只擴散了極小的范圍，在接觸到黏膠纖維層后，水分向下層的黏膠纖維層傳遞，而后在黏膠纖維層均勻水平擴散，水分在滌綸纖維層幾乎沒有擴散。圖5（a）與圖5（e）中存在吸水較少的白色點狀區(qū)域，主要是因為復合纖維網針刺時隨鉤刺轉移到黏膠纖維層的滌綸纖維吸水較少的緣故。與圖4相似，試樣PV的兩層纖維網之間也存在明顯吸濕邊界，兩種纖維吸濕性能差異大，水分單向傳遞效果明顯。

分別比較圖4與圖5（b）、圖5（d）可知，針刺工藝中復合纖維網疊合順序，即上下纖維層的纏繞結構對非織造布的導濕性有較大影響。圖4中VP1滌綸纖維層有點狀吸水層，圖5中PV1滌綸纖維層無明顯吸水痕跡。圖4中VP2滌綸纖維層存在水分水平擴散，而圖5中PV2滌綸纖維層水分水平擴散極少?？梢娝衷?組試樣中的擴散具有明顯的選擇性，水分僅在黏膠纖維層或由黏膠纖維構成的導濕通道擴散。墨水在試樣中的擴散面積見圖6。

2.4 復合纖維網單向導濕性能

為了量化說明復合纖維網的單向導濕性能，依據GB/T 21655.2—2009《紡織品吸濕速干性的評定第2部分：動態(tài)水分傳遞法》，液態(tài)水從織物表層傳遞到底層的能力用單向傳遞指數表示，織物單向傳遞指數計算過程如式（1）：

O=∫UB-∫UTt（1）

式中：O為單向傳遞指數;t為測試時間，s;∫UT為表層的吸水量（表層含水量曲線積分）;∫UB為底層的吸水量（底層含水量曲線積分）。

單向傳遞指數是指測試時間內織物底層和表層含水量積分之差。單向傳遞指數是衡量織物單向導濕性能最重要也是最直觀的指標，指數越大，織物兩側含水量之差越大，說明水分在織物內部的擴散存在更明顯的方向性，因此織物單向導濕性能越好。由式（1）可知，指數的正負表示水分傳遞方向，若為正值則底層含水量大于表層含水量，水分由表層（內部）向底層（外部）傳遞，若為負值則反之。復合纖維網的單向傳遞指數如圖7所示，每種試樣均測試5次取平均值。

從圖7可以看到，VP1與PV1兩組向黏膠面滴水試樣的單向傳遞指數都為負值，VP2與PV2兩組向滌綸面滴水試樣的單向傳遞指數都為正值，即復合纖維網由黏膠纖維層向滌綸纖維層傳遞水分的能力較差，從滌綸纖維層向黏膠纖維層傳遞水分的能力較好，滌/黏針刺復合纖維網在吸水時具有單向導濕現象;PV1的指數絕對值大于VP1的指數絕對值，PV2的指數絕對值大于VP2的指數絕對值，可見試樣PV內外含水量相差更大，試樣PV單向導濕性優(yōu)于試樣VP，與章節(jié)2.3所得結論一致，即滌綸纖維層面向主刺機構制備復合纖維網的方式能夠制備出具有更好單向導濕性能的復合纖維網。

針對水分在滌/黏針刺復合纖維網中的傳遞特征，在將滌/黏針刺復合纖維網應用在服用領域時，宜將滌綸面作為貼近人體一側的隔水層，將黏膠面作為面向外部環(huán)境的吸水層，使得人體表面能夠保持干爽。

圖8模擬了復合纖維網吸收外部環(huán)境水分時的吸收過程，水分從外部環(huán)境接觸到人體前需經過復合纖維網，在表層為吸水層、底層為隔水層的情況下，PV1與VP1的水分單向傳遞指數絕對值分別為248和182，正如章節(jié)2.3中所描述的，由于針刺中主刺工藝刺針的運動，穿透兩層纖維層所形成的纖維通道和特殊的纏繞結構同樣會對其單向導濕指數產生影響。VP1的吸水層吸水后，水分會通過試樣VP進行主刺時形成的黏膠纖維纏繞結構傳遞到隔水層，削弱了隔水層的隔水效果;PV1由于試樣PV主刺時形成的纏繞結構由滌綸纖維構成，水分在吸水層擴散后不會通過吸水層中的滌綸纖維通道傳遞到隔水層接觸人體，由此達到了較好的隔水效果。

圖9模擬了復合纖維網吸收身體散發(fā)水分時的吸收過程，在水分從人體傳輸到外界環(huán)境的過程中，以隔水層為吸濕表層、吸水層為吸濕底層時，PV2與VP2的水分單向傳遞指數分別為311和236，PV2和VP2的水分傳輸路徑如圖9所示。VP2的隔水層中分布著由針刺運動形成的黏膠纖維纏繞結構，在隔水層接觸到水分后，水分不僅向吸水層傳遞擴散，還會沿著隔水層中存在的黏膠纖維纏繞結構在隔水層中水平擴散，向外導濕效果不佳。

在測試單層纖維網芯吸性能時可以發(fā)現，纖度為1.67 dtex的滌綸纖維制備的單層纖維網仍具備一定吸濕性，因此在PV2的吸水過程中，水分首先被隔水層捕捉并擴散，在水分接觸到吸水層后隔水層停止水平方向上的擴散，僅在接觸水分的隔水層區(qū)域保持一定含水量充當導濕通道，水分向吸水層傳遞并擴散，隔水層與人體表面保持干燥。試樣PV在進行針刺時，滌綸纖維被帶到黏膠纖維層，而滌綸纖維層沒有黏膠纖維分布，在這一情況下，復合纖維網向外界傳遞水分的性能最佳，單向導濕指標最高。

綜上所述，在將單向導濕針刺非織造布應用于貼身服用面料時，通過將高吸濕的黏膠纖維層配置在近外界環(huán)境一側，低吸濕的滌綸纖維網配置在近人體一側，能夠實現將人體汗液向外排出，并一定程度上將外界水分與人體隔絕，具有較好的單向導濕能力。在此基礎上，針刺復合時針刺方向為從內側的滌綸到外側黏膠纖維時，能進一步提高復合纖維網的單向導濕能力。

3 結 論

以滌綸纖維與黏膠纖維為原料，采用針刺工藝分別制備了單層纖維網，并將兩種單層纖維網按照不同層疊方式進行針刺復合。在對單層纖維網平方米質量以及芯吸性能測試的基礎上，測試并表征了復合纖維網的微觀形貌、含水量變化、水分擴散情況、單向傳遞指數，結合人體和外界環(huán)境間水分的傳輸路徑分析，對針刺復合非織造布利用潤濕梯度效應實現單向導濕效果進行了研究。得出了如下結論：

a）水分在滌/黏針刺復合纖維網中的擴散具有明顯的選擇性，水分僅在黏膠纖維層或由黏膠纖維構成的導濕通道擴散，由于兩種纖維存在明顯吸濕性能差異，黏膠纖維層與滌綸纖維層吸水邊界明顯。

b）滌/黏針刺復合纖維網吸濕具有方向性，從任一側開始吸收水分，水分最終都將傳遞到黏膠纖維層。當水分首先接觸黏膠纖維層時，黏膠纖維層直接吸濕，滌綸纖維層不參與吸濕過程;當水分先接觸滌綸纖維層時，水分在滌綸纖維層擴散至滌-黏交界面后，黏膠纖維層開始吸濕并迅速擴散水分，滌綸纖維層停止水分水平擴散，只保留初始吸濕區(qū)域。

c）采用針刺工藝復合兩種吸水性能存在差異的單層纖維網時，針刺的方向會引起纖維的層間轉移，最終對復合纖維網的單向導濕性能有較大影響。以吸濕性較差的纖維層疊合在吸濕性較好的纖維層之上的方式送入主刺機構制備而成的復合纖維網具有更好的單向導濕性能。

d）在將單向導濕針刺非織造布應用于貼身服用面料時，通過以高吸濕的黏膠纖維層為近外界環(huán)境一側，低吸濕的滌綸纖維網為近人體一側，采用針刺工藝將兩種吸濕性能差異大的纖維網復合而成的非織造布，能夠實現將人體汗液向外排出，并一定程度上將外界水分與人體隔絕的功能，具有較好的單向導濕能力。當針刺方向為內側的滌綸纖維層方向向外側黏膠纖維層方向進行針刺時，能進一步提高復合纖維網的單向導濕能力。

e）針刺非織造布被廣泛地應用于土工布、建筑材料、過濾材料、汽車內飾、服裝內襯等領域，對針刺非織造布進行單向導濕功能設計能夠進一步拓寬針刺非織造布的應用范圍。對單向導濕針刺復合非織造布的制備工藝進行了初步地研究，主要分析了層疊方式對復合非織造布導濕效果的影響，為后續(xù)的單向導濕針刺復合非織造布研究提供了一定的理論基礎。

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