張陳恬， 趙連英， 顧學(xué)鋒

(1. 浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 寧波馬菲羊紡織科技有限公司， 浙江 寧波 315700)

滌/棉織物具有手感滑爽、抗皺性好、尺寸穩(wěn)定、易洗快干等優(yōu)點, 但由于滌綸吸濕性、透氣透濕性差, 有汗?jié)n時不能及時排出,會存在微生物迅速繁殖并產(chǎn)生異味等問題, 嚴重時還會使織物產(chǎn)生霉斑和色變[1]。對滌/棉織物進行功能整理可提高其服用舒適性，但耐久性不強且增加了工序，直接采用改性滌綸等功能纖維已成為產(chǎn)品開發(fā)的首選。如今功能紡織品的市場競爭力也在迅速提升，功能纖維層出不窮，不僅環(huán)保、多功能、高性能且更加舒適健康，在熱濕舒適性能等多方面已經(jīng)打破了以往天然纖維與化學(xué)纖維的界限[2]。

中空咖啡碳聚酯纖維是由咖啡渣經(jīng)高溫煅燒、研磨成的納米粉體，經(jīng)特殊工藝加工制成母粒后，與一定含量的聚酯切片共混、紡絲而成[3]，具有抑菌除臭、蓄熱保暖、防紫外線等多種功能，并且安全、環(huán)保、手感舒適，非常適合加工貼身服飾，深受消費者青睞。圓形中腔結(jié)構(gòu)也使得纖維更加蓬松、具有良好的回彈性和高保暖性[4]，而且比表面積大，質(zhì)量輕，選擇滲透性好，吸附能力強[5]等。國內(nèi)外很多品牌都已推出了咖啡系列產(chǎn)品[6-7]，但咖啡碳纖維在應(yīng)用過程中也存在以下問題：可紡性差，易產(chǎn)生靜電，不耐磨，易起毛起球，生產(chǎn)成本高等[8]。

中空咖啡碳聚酯纖維作為一種改進并增加了中空結(jié)構(gòu)的新型咖啡碳纖維，其基本性能與功能及纖維含量對織物性能的影響還有待進一步研究。為此，本文設(shè)計了不同纖維含量的中空咖啡碳聚酯纖維/棉混紡緯平針織物，探討了中空咖啡碳聚酯纖維含量對服用性能的影響。測試分析了織物的頂破、起毛起球、透氣、透濕及保暖等性能，并基于回歸分析對以上性能指標作出綜合評價，以期為此類產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供參考與借鑒。

1 實驗部分

1.1 紗線設(shè)計

本文采用深灰色中空咖啡碳聚酯纖維(華楙生技股份有限公司)與白色新疆細絨棉纖維(輪臺縣遠江農(nóng)工貿(mào)有限責(zé)任公司棉花加工廠)混紡紗線，纖維的形態(tài)如圖1所示，性能參數(shù)如表1所示。

設(shè)計了20/80、40/60、50/50、60/40、80/20 5種混紡比，紡制10組18.3 tex環(huán)錠紗與賽絡(luò)紗，并測試紗線的性能，結(jié)果如表2所示。環(huán)錠紗編號為a1～a5，賽絡(luò)紗編號為b1～b5。

1.2 織物設(shè)計

采用PFED單面針織機(凹凸精密機械有限公司)織造相同規(guī)格的緯平針織物：24針，面密度為145 g/m2，織物基本參數(shù)見表3。編號A對應(yīng)環(huán)錠紗織物；編號B對應(yīng)賽絡(luò)紗織物。

1.3 儀器設(shè)備

YG031型電子織物氣動頂破強力機(寧波紡織儀器廠)；YG401D-Ⅲ 型織物平磨儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG461E-Ⅱ 型透氣性測試儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG601H-Ⅲ 型電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)；YG606E 型紡織品熱阻測試儀(溫州方圓儀器有限公司)；SteREO Discovery.V12蔡司Zeiss 顯微鏡(卡爾·蔡司股份公司)；FA2004型電子天平(常州科源電子儀器有限公司)；YG982型標準光源箱(寧波紡織儀器廠)。

1.4 測試方法

1.4.1 頂破強力測試

根據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》，采用電子織物氣動頂破強力機測試織物的頂破強力。環(huán)形夾持器內(nèi)徑為45 mm，拋光鋼球直徑為38 mm，測試速度為300 mm/min，夾距為100 mm，每種織物取5個試樣進行調(diào)濕后測試，取平均值。測試溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%。

1.4.2 起毛起球性能測試

根據(jù)GB/T 4802.2—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測定 第2部分：改型馬丁代爾法》，采用織物平磨儀測試織物的起毛起球性能。摩擦次數(shù)分別為125、500、1 000、2 000、5 000、7 000，測試速度為49.5 r/min，負荷質(zhì)量為155 g。每組取12個試樣：6個直徑為140 mm的待測織物，6個為直徑為140 mm的磨料。每種織物每組每個測試3塊，在標準光源箱內(nèi)進行評級，記錄每塊試樣的級數(shù)，取平均值。測試溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%。

采用蔡司Zeiss顯微鏡對織物表面的起毛起球形態(tài)進行觀察，設(shè)置倍數(shù)為30.0,可視距離為8.3 mm。測試溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%。

1.4.3 透氣性測試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用透氣性測試儀測試織物的透氣率。每種織物取5個試樣調(diào)濕后進行測試，相同條件下在每個試樣的不同部位重復(fù)測定10次，取平均值。試樣面積為20 cm2，壓降為100 Pa，測試溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%。

1.4.4 透濕性測試

根據(jù)GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發(fā)法》，采用電腦式織物透濕儀測試織物的透濕率。每種織物剪取3塊直徑為70 mm的試樣，調(diào)濕后放入透濕杯進行正杯法裝樣測試，每隔1 h，按編號順序?qū)嶒灲M合體稱量，精確至0.001 g。實驗條件：循環(huán)氣流速度為0.3～0.5 m/s，測試溫度為(38±2) ℃，相對濕度為(50±2)%。

試樣透濕率按式(1)計算：

(1)

式中：WVT為試樣的透濕率，g/(m2·h)；Δm為同一實驗組合體2次稱量的質(zhì)量之差，g；A為有效實驗面積，0.002 83 m2；t為實驗時間，h。

1.4.5 保暖性測試

根據(jù)GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定(蒸發(fā)熱板法)》，采用紡織品熱阻測試儀測試織物的克羅值。每種織物取5個試樣調(diào)濕后進行測試。試樣大小為500 mm×500 mm；測試板表面溫度為35 ℃；氣候室空氣溫度為(20±0.1) ℃，相對濕度為(65±3)%；空氣流速為(1±0.05) m/s；預(yù)熱時間和實驗時間各為1 200 s，循環(huán)5次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 頂破強力分析

利用SPSS軟件分析數(shù)據(jù)并建立擬合方程：相關(guān)系數(shù)R反映此數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度，最大值為1；決定系數(shù)R2可判斷函數(shù)模型與實際數(shù)據(jù)的擬合程度，數(shù)值越接近于1，說明所選函數(shù)模型對實驗數(shù)據(jù)的擬合程度越高；F說明R的顯著度，sig.F統(tǒng)計量小于0.05，說明模型總體對方差點解釋是顯著的。建立數(shù)學(xué)模型時，需選擇R2接近1且sig.F統(tǒng)計量小于0.05的方程。

圖2示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的頂破強力(y1、y2)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程分別為

y1=-97.5x2+281.4x+516.7 (R2=0.934)

(2)

y2=151.875x2-36.725x+640.225 (R2=0.998)

(3)

2個方程的相關(guān)系數(shù)R2均非常接近于1，說明頂破強力與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系極好。2條曲線的共性是隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，頂破強力增大。這是因為中空咖啡碳聚酯纖維延續(xù)了滌綸優(yōu)異的拉伸性能，其斷裂強度及斷裂伸長率均高于棉纖維2倍，所以含量增加可彌補混紡紗中棉纖維的低強低模低彈，提高混紡織物的頂破強力，且混紡紗中棉纖維斷裂后，由于紗中纖維間的壓力及摩擦作用，仍會對混紡紗拉伸性能有貢獻[9]。

賽絡(luò)紗織物頂破強力高于環(huán)錠紗織物，這是因為賽絡(luò)紡紗時2根粗紗一起牽伸加捻為1根細紗，結(jié)構(gòu)緊密、條干均勻光潔，具有股線的風(fēng)格和優(yōu)點，所以賽絡(luò)紗線的斷裂強度、斷裂伸長率都優(yōu)于環(huán)錠紗，織物的頂破強力也具有明顯優(yōu)勢。

圖3示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的頂破長度(y3、y4)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程為：

y3=-20.187x2+24.092x+82.733(R2=0.537)

(4)

y4=-7.750x2+7.760x+86.295(R2=0.934)

(5)

圖3 頂破長度與中空咖啡碳聚酯纖維含量的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of bursting length and content of hollow coffee carbon fiber

方程y3的相關(guān)系數(shù)R2遠小于1，說明環(huán)錠紗織物的頂破長度與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系不明顯。方程y4的相關(guān)系數(shù)R2接近于1，說明賽絡(luò)紗織物的頂破長度與中空咖啡碳聚酯纖維含量存在明顯的線性關(guān)系。如圖3所示，中空咖啡碳聚酯纖維含量對織物頂破長度的影響呈波動狀態(tài)，但都在中空咖啡碳聚酯纖維含量為40%時出現(xiàn)峰值。這是因為織物參數(shù)相同時，相比于賽絡(luò)紗，環(huán)錠紗結(jié)構(gòu)較松散，斷裂伸長利用率高，所以織物的頂破長度較大，并且受到環(huán)錠紗條干不勻的影響，影響趨勢會出現(xiàn)上下波動。

2.2 起毛起球性能分析

織物在實際穿著或洗滌過程中，受到外力作用的摩擦，使得織物表面纖維外露出現(xiàn)毛茸，即“起毛”，毛茸不及時脫落就會相互糾纏，成為球形小粒，即“起球”[10]?？椢锉砻娴拿蛉菀孜交覊m等，起毛起球現(xiàn)象嚴重時會影響其外觀、手感和服用性能。目前國內(nèi)在“起球與起毛正比”的假設(shè)下，規(guī)定起毛與起球同為5級并用同一種樣照，如圖4所示。

圖4 起毛起球評級樣照Fig.4 Pilling grading sample. (a)Sample according to 1-2 grade；(b)Sample according to 2-3 grade；(c)Sample according to 3-4 grade；

將已磨試樣與標準樣照進行對比評級，結(jié)果如表4所示，以A1為例展開分析。試樣A1摩擦125次的織物表面基本無變化，評級為5級；摩擦500次的織物表面輕微起毛，但無起球現(xiàn)象，評級為4.5級；摩擦1 000次的織物表面毛球顆粒感開始清晰，輕微起球，分布稀疏，評級為4級；摩擦2 000次的織物表面毛球變大，數(shù)量增多，但程度較輕，評級為4級；摩擦5 000次的織物表面起毛較嚴重，范圍變廣，織物中間部分毛球磨掉，邊緣毛球明顯，分布密集，評級為3.5級；摩擦7 000次的織物表面毛球體積增大，更密集，中間部位明顯變薄，但不同大小和密度的毛球依然清晰，評級為3級。

表4 織物起毛起球評級Tab.4 Grade for pilling of fabrics 級

圖5示出不同摩擦次數(shù)下試樣A1的表面起毛起球照片?？梢钥闯觯涸?0倍顯微鏡下，摩擦125次的織物表面基本無變化；摩擦500次的織物表面出現(xiàn)了一端比較松散的纖維和兩端都被握持的圈毛羽，多處形成茸毛，持續(xù)的外力作用使得紗線中的纖維開始變得疏松，纖維在紗線中開始向外滑移，形成圈毛羽和端毛羽，且毛羽數(shù)量增多;摩擦1 000次的織物表面的毛羽開始纏結(jié)在一起，出現(xiàn)輕微的毛球；摩擦2 000次的織物表面毛球體積增大，隨著纖維進一步糾纏，球體變緊實;摩擦5 000次的織物表面毛球出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，當毛球脫落時，并不是所有的纖維斷裂，而是大部分纖維斷裂，殘留的纖維末端雜亂地浮于表面繼續(xù)與周邊毛羽糾纏，開始起毛起球的另一個循環(huán)，所以表面出現(xiàn)大小不一的毛球；摩擦7 000次的織物是這6組測試中毛球體積最大最緊實、分布最密集的1組，毛球形成和脫落不斷交替也使得面料結(jié)構(gòu)開始松散。

圖5 不同摩擦次數(shù)下試樣A1的表面起毛起球照片F(xiàn)ig.5 Surface pilling photos of sample A1 under different friction times. (a)125 times；(b)500 times；(c)1 000 times；

圖6示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的起毛起球等級(y5、y6)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程為：

y5=-x2+0.42x+3.965 (R2=0.978)

(6)

y6=-4.187x2+4.012x+3.543 (R2=0.991)

(7)

圖6 起毛起球等級與中空咖啡碳聚酯纖維 含量的擬合曲線Fig.6 Fitting curves of pilling and content of hollow coffee carbon fiber

2條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均非常接近于1，說明起毛起球等級與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系極好。隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，織物表面起毛起球情況變差。影響織物起毛起球的因素有很多，如纖維性能[11]、混紡比[12]、紡紗方式[13]等。棉纖維斷裂強度低，容易起毛，但抗疲勞性差，毛羽會較快脫落，不容易起球；滌綸易起球且抗疲勞性好，成球后毛球不容易脫落[14]。棉纖維起毛后會被滌綸包裹并糾纏，因此滌/棉混紡織物比純滌綸織物更容易起球。中空咖啡碳聚酯纖維與棉纖維混紡時，織物表面的起毛起球情況與普通滌/棉混紡織物相似，需要調(diào)整合適的混紡比來改善。

混紡比對賽絡(luò)紗與環(huán)錠紡紗織物的起毛起球性能影響趨勢大致相同，都在中空咖啡碳聚酯纖維含量為40%時起毛起球情況最好，但賽絡(luò)紗織物表面起毛起球情況明顯優(yōu)于環(huán)錠紗織物。這是因為賽絡(luò)紗結(jié)構(gòu)緊密，短纖維卷入紗體包裹較嚴實，表面毛羽少，且條干好，所以織物在摩擦過程中起毛較少，后續(xù)摩擦也不易起球。

2.3 透氣性分析

透氣性影響織物的穿著舒適性和使用性能。影響織物透氣性能的因素有組織結(jié)構(gòu)、纖維的表面形態(tài)、紗線結(jié)構(gòu)、密度、厚度等[15-16]。圖7示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的透氣率(y7、y8)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程為：

y7=73.688x2+205.357x+1 566.398 (R2=1.000)

(8)

y8=757.750x2-42.550x+1 646.2 (R2=0.971)

(9)

2條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2等于或非常接近于1，說明透氣率與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系極好。隨著混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，透氣率呈線性增長趨勢。這是因為中空咖啡碳聚酯纖維中納米級咖啡碳顆粒的添加使得纖維的比表面積變大，孔隙變多，且有一部分微孔會成為從表面到中空部分的貫穿孔[16]，所以大大增加了透氣性，改善了普通滌綸織物不透氣而悶的缺點。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn):普通滌/棉織物(滌/棉(40/60)緯平針織物)的透氣率約為1 000 mm/s;中空咖啡碳聚酯/棉織物的透氣率至少比普通滌/棉織物高66%。

混紡比對賽絡(luò)紗與環(huán)錠紗織物的透氣性能影響趨勢大致相同，但賽絡(luò)紗織物透氣率明顯高于環(huán)錠紗織物?？椢飬?shù)相同時，環(huán)錠紗條干不勻率較大，毛羽多，織物表面被毛羽覆蓋的面積大，所以孔隙率小，透氣率小，而賽絡(luò)紗條干好、毛羽少，孔隙率大，透氣率大。

2.4 透濕性分析

圖8示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的透濕率(y9、y10)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程為:

y9=-16.762x2+22.390x+130.956 (R2=0.985)

(10)

y10=-21.081x2+33.005x+131.306 (R2=0.999)

(11)

圖8 透濕率與中空咖啡碳聚酯纖維含量的擬合曲線Fig.8 Fitting curves of moisture permeability and content of hollow coffee carbon fiber

2條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均非常接近于1，說明透濕率與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系極好。2條曲線的共性是透濕率隨混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加而增大，增長速率呈先快速后緩慢甚至不變的趨勢。透濕性能與透氣性能變化相似，但中空咖啡碳聚酯纖維增加比表面積和孔隙的同時，增大了回潮率，也會增加吸濕率和放濕率，所以在中空咖啡碳聚酯纖維含量達到一定值時，透濕率也達到極限，不再增加。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：普通滌棉織物(滌/棉(40/60)緯平針織物)的透濕率約為125 g/(m2·h);中空咖啡碳聚酯纖維/棉織物的透濕率至少比普通滌/棉織物高10%。

2.5 保暖性分析

圖9示出環(huán)錠紗織物、賽絡(luò)紗織物的克羅值(y11、y12)與混紡紗內(nèi)中空咖啡碳聚酯纖維含量(x)的擬合曲線，相應(yīng)方程為:

y11=0.026x2+0.19x+0.545 (R2=0.986)

(12)

y12=0.028x2+0.268x+0.681 (R2=0.996)

(13)

圖9 克羅值與中空咖啡碳聚酯纖維 含量的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of CLO value and content of hollow coffee carbon fiber

2條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均非常接近于1，說明克羅值與中空咖啡碳聚酯纖維含量的線性關(guān)系極好。隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，2條曲線都呈現(xiàn)線性上升趨勢，織物的克羅值越大，保暖性越好。中空咖啡碳聚酯纖維表面的納米級微孔結(jié)構(gòu)會儲存大量熱能，中空結(jié)構(gòu)也會蓄積更多的靜止空氣，所以會增加織物的保暖性，實現(xiàn)舒適輕盈又保暖的效果。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：普通滌/棉織物(滌/棉(40/60)緯平針織物)的克羅值約為0.171 81 clo;中空咖啡碳聚酯纖維/棉混紡織物的保暖性比普通滌/棉織物提高2.6倍。

2.6 綜合評價分析

為了綜合分析中空咖啡碳聚酯纖維含量對服用性能的影響，現(xiàn)基于上述各指標的回歸方程建立服用綜合性能評判函數(shù)。頂破強力、透氣性、透濕性、保暖性、起毛起球評級指標均具有正向性，值越大越好。

為了避免因不同指標量綱單位帶來的不可共度性，利用閾值法對原函數(shù)進行無量綱化，再采用直接加權(quán)法[18]建立目標函數(shù)：

(14)

式中：Y為服用性能綜合評價方程；yi為第i指標的回歸方程；max(yi)為第i指標下的最大值;wi為第i指標的權(quán)重，利用變異系數(shù)法進行計算：

(15)

wa1=0.294 01；wa2=0.039 90；

wb1=0.015 973；wb2=0.089 77；

wc1=0.046 87；wc2=0.019 99；

wd1=0.335 21；wd2=0.080 52；

we1=0.164 18；we2=0.045 09。

將數(shù)值代入式(14)，獲得頂破強力、透氣性、透濕性、保暖性、起毛起球性能綜合評價的數(shù)學(xué)模型，A組環(huán)錠紗織物為Y1，B組賽絡(luò)紗織物為Y2，分別為：

Y1=-0.017 81x2+0.060 68x+0.195 62

(16)

Y2=0.000 62x2+0.063 22x+0.214 29

(17)

將10種織物的性能指標值分別代入式(16)、(17)，得到各織物無量綱化的綜合評價值，結(jié)果如表5所示。對比數(shù)值得：隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，織物的頂破強力、透氣性、透濕性、保暖性、起毛起球性能評價越好，且賽絡(luò)紗織物性能優(yōu)于環(huán)錠紗織物。

表5 試樣性能綜合評價值Tab.5 Comprehensive evaluation value of sample performance

織物總體評價包括基本力學(xué)性能、耐久性、保形性、舒適性、風(fēng)格等，不局限于本文所提到5個性能，且實際生產(chǎn)考慮到成本問題、實際加工問題等，中空咖啡碳聚酯纖維等功能纖維的含量還要以實際情況作出具體安排。

3 結(jié) 論

本文試織了10種中空咖啡碳聚酯纖維/棉混紡緯平針織物，對其頂破強力、透氣性、透濕性、保暖性、起毛起球性能進行測試分析，得出以下結(jié)論。

1)基于線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，中空咖啡碳聚酯纖維含量對織物性能的影響非常顯著，隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，織物的頂破強力、透氣性、透濕性、保暖性能增大，抗起毛起球性能變差。

2)對比性能綜合評價值發(fā)現(xiàn)，隨著中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加，織物性能綜合評價值增大，且賽絡(luò)紗織物的綜合評價值均高于環(huán)錠紗織物。

3)中空咖啡碳聚酯纖維/棉混紡織物相比于普通滌/棉織物，頂破強力與起毛起球情況未有較大變化，但透氣性能可提高66%，透濕性能提高10%，保暖性能提高2.6倍。