錢 娟， 謝 婷， 張佩華， 付少舉

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046)

織物的熱濕舒適性能直接影響人體的穿著體驗(yàn)，影響因素可分為內(nèi)在因素和外在因素，外在因素主要與織物的使用環(huán)境相關(guān)，而內(nèi)在因素則與織物本身的材料、結(jié)構(gòu)相關(guān)。近年來，人們對(duì)服裝健康、環(huán)保、安全更加關(guān)注，其中，集吸濕排汗、涼爽速干等功能于一體的夏季紡織品受到廣泛歡迎[1]。優(yōu)選涼爽纖維材料，結(jié)合紗線捻度[2]、織物孔隙、結(jié)構(gòu)[3]、以及織物表面平整度的設(shè)計(jì)[4]，可有效改善織物的熱濕擴(kuò)散性能，提高織物的熱濕舒適性，是目前制備具有涼爽舒適功能紡織品的常用方法[5-6]。

纖維根據(jù)傳熱能力，可分為熱絕緣纖維、改性導(dǎo)熱纖維和本征導(dǎo)熱纖維[7]。目前市場(chǎng)上的涼爽纖維多為改性導(dǎo)熱化學(xué)纖維，如涼感滌綸[8]、涼感錦綸[9-10]，是在紡絲溶液中加入熱導(dǎo)率較高的物質(zhì)，以提升織物的導(dǎo)熱性能，使織物在炎熱夏季穿著時(shí)仍具有涼爽舒適感[11-12],但由于涼爽纖維的熱導(dǎo)率提升有限，使其制備的織物穿著瞬間(2 s)具備一定涼感功能，隨著接觸時(shí)間延長(zhǎng)，其接觸涼感會(huì)逐漸減弱。本征導(dǎo)熱纖維可通過改變纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，即取向度和結(jié)晶度，改變纖維的導(dǎo)熱性能，從而使得織物的導(dǎo)熱性能提升，在穿著過程中能迅速帶走皮膚熱量，達(dá)到持續(xù)給人體降溫的目的[13]。如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，其大分子是由共價(jià)鍵構(gòu)成的分子鏈，因在纖維軸向具有高結(jié)晶、高取向特征，使其具有類金屬的高導(dǎo)熱性能[14]，是典型的本征導(dǎo)熱纖維。其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能可將熱量迅速傳導(dǎo)出去，產(chǎn)生涼爽感，目前已在夏季被面、坐墊、靠墊、床墊、窗簾、涼席、枕巾等家紡領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

由于UHMWPE纖維強(qiáng)力和模量高，手感偏硬，生產(chǎn)工藝難度大且價(jià)格高，在服用紡織品領(lǐng)域應(yīng)用較少。目前市場(chǎng)上有以高密度聚乙烯(HDPE)為原料，生產(chǎn)的聚乙烯(PE)長(zhǎng)絲，其大分子仍然具有線性結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)熱性能優(yōu)異，可將人體皮膚熱量快速向外傳導(dǎo)。且其手感柔軟，彈性好，適宜于涼爽型針織服用功能產(chǎn)品的加工[15]。目前市場(chǎng)上PE長(zhǎng)絲生產(chǎn)工藝及價(jià)格均不相同，其產(chǎn)品的導(dǎo)熱及導(dǎo)濕性能有較大差異，織物涼爽功能也有一定區(qū)別，因此本文選取2組不同生產(chǎn)工藝的3種PE長(zhǎng)絲，以及滌綸(PET)、涼感滌綸(CPET)長(zhǎng)絲作為對(duì)比試樣，分別加捻并制成雙羅紋織物，通過分析織物的原料種類、未充滿系數(shù)、捻度對(duì)織物透氣、導(dǎo)濕、導(dǎo)熱等舒適性能的影響，探討不同生產(chǎn)工藝的聚乙烯長(zhǎng)絲織物的熱濕舒適性能的差異，為拓寬PE長(zhǎng)絲在服用領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

本文選擇的3種PE、PET、CPET試樣及規(guī)格參數(shù)見表1。其中PE1來自上海春紡紡織品有限公司；PE2、PE3來自凱泰特種纖維科技有限公司；PET、CPET來自泉州海天科技有限公司。

表1 實(shí)驗(yàn)用長(zhǎng)絲的結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用長(zhǎng)絲原料的截面及表面形態(tài)如圖1所示?？芍?，PE長(zhǎng)絲表面均有細(xì)小溝壑，其截面可明顯看到皮芯結(jié)構(gòu)，其中PE1的皮芯結(jié)構(gòu)分布較PE2更均勻，皮層與芯層之間無明顯裂痕。同時(shí)，在PE1的截面及表面均可見紡絲過程中添加的功能母粒，目的是提升PE長(zhǎng)絲的涼感功能。

圖1 長(zhǎng)絲截面及表面SEM照片

1.2 織物的制備

采用東華大學(xué)自主研發(fā)的DHU B01并捻聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)分別將上述長(zhǎng)絲加捻，其中PE1、PE2、PE3長(zhǎng)絲捻度分別為100、150、200 捻/m。PET、CPET的捻度均為100 捻/m。采用BCM/60RG多功能雙面針織圓機(jī)(臺(tái)灣榕煙臺(tái)股份有限公司)將上述加捻長(zhǎng)絲分別織成雙羅紋織物共11種，織物經(jīng)浸漬、水洗、定形整理后基本參數(shù)見表2。

表2 織物參數(shù)

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 基本性能

參照ISO 3801—1977《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》和EN ISO 5084—1996《紡織品 紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》測(cè)量織物面密度和厚度?？椢锏目紫堵矢鶕?jù)下式計(jì)算：

式中：P為孔隙率，%；m為織物面密度，g/m2；ρ為纖維密度，g/cm3；еr為織物厚度，cm。根據(jù)文獻(xiàn)[16]查得PE的密度為0.96 g/cm3，PET的密度為1.38 g/cm3。

參照EN ISO 9327—1995《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，采用YG461E全自動(dòng)織物透氣量?jī)x(大榮紡織儀器有限公司)測(cè)試織物的透氣率，測(cè)試面積為20 cm2，壓降為100 Pa。

1.3.2 導(dǎo)熱性能

參照GB/T 35263—2017《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》，采用KES-F7 THERMO LABO IIB接觸冷暖感測(cè)試儀(日本KES加多技術(shù)有限公司)測(cè)試織物與檢測(cè)板接觸瞬間熱流密度最大值即為接觸涼感系數(shù)(qmax)，接觸涼感系數(shù)值越大，織物的瞬態(tài)導(dǎo)熱性能越好，接觸瞬間涼感越強(qiáng)。

參照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》，采用YG606型熱阻濕阻測(cè)試儀(寧波紡織儀器廠)測(cè)試織物在穩(wěn)態(tài)條件下的熱阻，并計(jì)算出織物的導(dǎo)熱系數(shù)。熱阻越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，織物在穩(wěn)態(tài)條件下導(dǎo)熱性能越好。

1.3.3 吸濕導(dǎo)濕性能

參照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(寧波紡織儀器廠)，在織物縱、橫向上分別剪取3條3 cm×25 cm沒有明顯壓痕、褶皺的試樣，在試樣下端施加質(zhì)量為2.55 g的張力夾，當(dāng)測(cè)試時(shí)間為0.17、0.5、1、5、10、20、30 min時(shí)，在標(biāo)尺上讀取液體上升的高度值。

參照GB/T 11048—2008，采用熱阻濕阻測(cè)試儀測(cè)試織物在穩(wěn)態(tài)條件下的濕阻，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)濕阻計(jì)算出織物的透濕率及透濕指數(shù)。其中，透濕率由下式計(jì)算：

式中:Wd為透濕率,g/(m2·h·Pa)；Ret為濕阻，m2·Pa/W；φTm為表面水氣潛熱，W·h/g；Tm為試驗(yàn)板溫度，℃。當(dāng)Tm為35 ℃時(shí)，φTm=0.627 W·h/g。

透濕指數(shù)根據(jù)下式計(jì)算：

式中:im為透濕指數(shù);s=60 Pa/K;Rct為熱阻，m2·K/W。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本文數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用單因素方差分析，檢驗(yàn)原料種類、未充滿系數(shù)和捻度對(duì)織物透氣性、孔隙率、以及熱濕傳遞性能有無顯著性影響。并采用相關(guān)性分析檢驗(yàn)影響因素與性能之間的相關(guān)關(guān)系。方差分析和相關(guān)性檢驗(yàn)的置信水平均設(shè)為95%。

2 結(jié)果及討論

2.1 原料和未充滿系數(shù)對(duì)織物孔隙率的影響

原料與織物的孔隙率顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.719(顯著性水平α<0.05)；織物孔隙率與未充滿系數(shù)結(jié)果見表2?？芍?，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)11種織物的孔隙率均在80%以上，PE織物的平均孔隙率為83.1%，分別低于PET與CPET織物8.6%和9.5%?？椢锏暮穸?、面密度是影響孔隙率的重要因素。雖PET的密度稍大，其面密度小，織物較蓬松，孔隙率較高。

未充滿系數(shù)與孔隙率呈正相關(guān)，其相關(guān)性擬合如圖2所示，可知，線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.96，擬合方程為：P=72.13+0.33X，X為未充滿系數(shù)。PE織物的未充滿系數(shù)較小，孔隙率也相對(duì)較小，而PET與CPET的未充滿系數(shù)較高，孔隙率也相對(duì)較高。與PE2制備的織物相比，PE3制備的織物(F7～F9)的孔隙率相對(duì)較高，這與構(gòu)成織物的紗線線密度密切相關(guān)。另外，捻度對(duì)孔隙率的影響不顯著。

圖2 織物孔隙率與未充滿系數(shù)相關(guān)性擬合

2.2 織物透氣性能

構(gòu)成織物的原料種類與織物的透氣性顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.905(α<0.01)?？椢锏耐笟庑阅軠y(cè)試結(jié)果如圖3所示?？芍琍E織物的透氣性優(yōu)于PET(含CPET)織物。盡管PET織物與PE織物相比有更高的孔隙率及未充滿系數(shù)，但由于PE長(zhǎng)絲表面有縱向細(xì)小溝槽，可以為氣體分子提供更多的通道，因而PE織物透氣性平均高于PET織物45.6%。

注：“*”表示顯著性差異(α<0.01)

PE織物中，未充滿系數(shù)與織物的透氣性顯著相關(guān)。當(dāng)紗線線密度相同時(shí)，由PE1制備的織物(F1～F3)的平均未充滿系數(shù)整體高于PE2制備的織物(F4～F6)16.8%，因此PE1制備的織物透氣性更佳。當(dāng)紗線線密度不同時(shí)，平均未充滿系數(shù)較高的PE3制備的織物透氣性高于PE2制備的織物15.7%。紗線捻度與織物透氣性相關(guān)系數(shù)為0.290，相關(guān)性不顯著。

2.3 織物導(dǎo)熱性能

2.3.1 接觸瞬間涼感

2.3.1.1原料與qmax值 構(gòu)成織物原料的種類對(duì)織物接觸瞬間涼感有顯著影響。織物的接觸涼感差異如圖4所示?？芍?，PE織物的qmax值均高于PET和CPET織物，最高達(dá)2.1倍。PE長(zhǎng)絲是典型的本征導(dǎo)熱纖維，其熱導(dǎo)率是普通PET熱導(dǎo)率的3.5倍以上[17]。因此，當(dāng)皮膚與織物接觸的瞬間，熱導(dǎo)率較高的材料瞬間損失的熱量較多，故其qmax值較高，且平均高于標(biāo)準(zhǔn)27.9%，顯示出較好的接觸瞬間涼感性能。

圖4 溫差為15 ℃時(shí)的qmax值

在PE織物中，織物的qmax值與PE長(zhǎng)絲的取向度顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.964(α<0.01)；與厚度顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.710(α<0.05)。由圖4可知，涼感性能最好的為取向度最高的PE1制備的織物，其次是PE2制備的織物，PE3取向度最低，因此其接觸瞬間涼感性能相對(duì)最差。這是由于PE晶體中，熱量主要沿共價(jià)鏈傳遞[18]。PE分子經(jīng)拉伸后，分子鏈段由折疊狀逐漸伸直，取向度越高，聲子自由程增大，熱量沿分子鏈傳播的阻力越小，其導(dǎo)熱系數(shù)增加[19]，與皮膚接觸瞬間損失的熱量也隨之增加。因此PE長(zhǎng)絲取向度越高，織物的接觸瞬間涼感性能越好。同時(shí)，PE1中添加的無機(jī)顆粒也有助于提升織物的接觸瞬間涼感。

2.3.1.2未充滿系數(shù)與qmax值 未充滿系數(shù)與qmax值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由表2及圖4可知，PET與CPET織物的未充滿系數(shù)較高，但長(zhǎng)絲原料的導(dǎo)熱性能較差，故織物的接觸瞬間涼感相對(duì)較低。僅在PE織物中，未充滿系數(shù)與qmax并無顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3.1.3捻度與qmax值 捻度對(duì)qmax值的影響不顯著。但捻度及構(gòu)成織物的長(zhǎng)絲原料的線密度會(huì)造成織物的厚度、未充滿系數(shù)、孔隙率及面密度的變化，因而不同捻度PE織物的接觸瞬間涼感性能有差異。

2.3.2 熱 阻

熱阻與構(gòu)成織物的原料種類、未充滿系數(shù)、結(jié)晶度、孔隙率顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.819、0.910、0.913、0.880(α<0.01)。導(dǎo)熱系數(shù)為厚度與熱阻的比值，因此也與上述織物結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

2.3.2.1原料與熱阻 織物在穩(wěn)態(tài)條件下的熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)如圖5所示?？芍?，PE長(zhǎng)絲制備的織物的熱阻明顯低于由PET、CPET長(zhǎng)絲制備的織物，這是由于不同種類的化纖長(zhǎng)絲的導(dǎo)熱性能差異引起的，長(zhǎng)絲導(dǎo)熱性能越好，織物的熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)，熱流穿過織物的阻力越小。對(duì)PE織物而言，PE1、PE2、PE3的取向度、結(jié)晶度及生產(chǎn)工藝(添加涼感材料)不同，使原料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生差異，因此，由這3種長(zhǎng)絲原料構(gòu)成的織物的熱阻大小不同。由PE1制備的織物平均熱阻低于PE2制備的織物，導(dǎo)熱性最好；由PE3制備的織物的平均熱阻最大，導(dǎo)熱性最差。

圖5 織物熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)

2.3.2.2未充滿系數(shù)與熱阻 織物的熱阻隨著未充滿系數(shù)的增大而增大，是因?yàn)榭椢镏械撵o止空氣會(huì)隨著未充滿系數(shù)的增大而增多，使織物的導(dǎo)熱性能下降。

2.3.2.3捻度與熱阻 捻度與織物熱阻呈正相關(guān)。由于紗線線密度的變化會(huì)使得織物的厚度、孔隙率及未充滿系數(shù)發(fā)生改變。從圖5看出，織物熱阻隨著捻度的增大而增大，導(dǎo)熱系數(shù)隨著捻度的增加而減小。從表2中可看出織物厚度隨著捻度的增加而增大，因此在厚度方向上熱傳導(dǎo)距離增大，故PE織物的熱阻隨著捻度的上升呈增大的趨勢(shì)，導(dǎo)熱系數(shù)隨捻度呈下降趨勢(shì)。

2.4 織物吸濕導(dǎo)濕性能

2.4.1 濕 阻

織物的濕阻與原料、未充滿系數(shù)、捻度相關(guān)系數(shù)分別為0.106、0.278、0.210，顯著不相關(guān)，但與織物的面密度顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.896(α<0.01)。

2.4.1.1原料與濕阻 濕阻測(cè)試結(jié)果如表3所示?？芍?，PE、PET和CPET長(zhǎng)絲構(gòu)成的織物的濕阻相差不大。PE與PET、CPET大分子中均無親水的極性基團(tuán)，氣體與水汽主要通過織物中紗線與紗線間、紗線與長(zhǎng)絲之間的間隙透過并擴(kuò)散蒸發(fā)，織物面密度增加，紗線間的孔隙減少，水汽透過織物的難度增大，因而濕阻隨著面密度增加而增大。

表3 織物的濕阻

2.4.1.2未充滿系數(shù)與濕阻 織物的未充滿系數(shù)與濕阻相關(guān)性不顯著，但與透濕指數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.883(α<0.01)，織物的未充滿系數(shù)或孔隙率越大，織物的透濕能力越強(qiáng)，織物的透濕指數(shù)越大。

2.4.2 芯吸效應(yīng)

2.4.2.1原料與芯吸高度 相同捻度的PE、PET、CPET織物(F1、F4、F7、F10、F11)縱、橫向芯吸-時(shí)間曲線如圖6所示?？芍琍E織物的芯吸效應(yīng)均優(yōu)于PET、CPET織物。雖PE與PET截面均為圓形，但PET表面沒有類似PE長(zhǎng)絲表面的細(xì)小溝壑，因而對(duì)水分的傳導(dǎo)性能較差。PE織物中，織物F4、F7的導(dǎo)濕性能最好，均優(yōu)于織物F1，F(xiàn)7縱向芯吸高度高于F4。結(jié)合PE長(zhǎng)絲的表面及截面電鏡照片分析，具有相同生產(chǎn)工藝的PE2和PE3在生產(chǎn)過程中由于內(nèi)外冷卻溫度的差異形成明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，且皮芯結(jié)構(gòu)有明顯的分層和裂痕，可在一定程度上為水分子的傳導(dǎo)提供通道，故F4和F7織物的導(dǎo)濕性能優(yōu)于F1。

圖6 相同捻度不同織物的縱、橫向芯吸高度-時(shí)間曲線

2.4.2.2未充滿系數(shù)與芯吸高度 織物在30 min內(nèi)的最大芯吸高度與未充滿系數(shù)呈弱顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.649(α<0.05)。這是由于PE3較PE2更細(xì)，紗線中的毛細(xì)通道更細(xì)，織物未充滿系數(shù)更高，毛細(xì)壓力較大，相同的時(shí)間內(nèi)液體上升較多，因此織物F7的導(dǎo)濕性能更好，但橫向表現(xiàn)不明顯。

2.4.2.3捻度與芯吸高度 不同捻度的PE織物縱、橫向芯吸高度隨時(shí)間變化的曲線如圖7和圖8所示，可知，織物F2、F5、F9的芯吸高度最高，導(dǎo)濕效果最好，說明加捻對(duì)提高織物的芯吸效應(yīng)有一定的促進(jìn)作用，這是因?yàn)檫m當(dāng)加捻后，單絲與單絲之間的毛細(xì)管當(dāng)量半徑減小，毛細(xì)管壓力增大，毛細(xì)管內(nèi)液體上升的高度增大，但捻度過高，反而會(huì)阻止毛細(xì)管內(nèi)的液體上升。因此織物F2、F5的導(dǎo)濕性能隨著紗線捻度的上升，呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢(shì)。織物F9與F2、F5相比，構(gòu)成織物的紗線線密度更小，單絲線密度更大，因此毛細(xì)管壓力還有繼續(xù)上升的空間。

圖7 不同捻度的PE織物的橫向芯吸高度-時(shí)間曲線

圖8 不同捻度的PE織物的縱向芯吸高度-時(shí)間曲線

3 結(jié) 論

本文選取不同生產(chǎn)工藝的2種聚乙烯(PE)長(zhǎng)絲原料，同時(shí)選用滌綸(PET)、涼感滌綸(CPET)作為對(duì)比試樣，分別制成雙羅紋織物，分析并對(duì)比不同原料及捻度構(gòu)成織物的孔隙率、透氣性、導(dǎo)熱及導(dǎo)濕性能，采用SPSS軟件對(duì)織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物的熱濕性能進(jìn)行相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論。

1)構(gòu)成織物的原料、未充滿系數(shù)與織物的孔隙率、透氣性、導(dǎo)熱及導(dǎo)濕性能顯著相關(guān)。紗線的捻度與織物的透氣性、接觸瞬間涼感及濕阻顯著不相關(guān)，但紗線捻度、線密度的變化會(huì)使得織物的厚度、孔隙率、未充滿系數(shù)、毛細(xì)管粗細(xì)發(fā)生改變，因而會(huì)間接影響織物的導(dǎo)濕性能以及在穩(wěn)態(tài)條件下的導(dǎo)熱性能。

2)由于PE長(zhǎng)絲表面存在溝壑，因而PE長(zhǎng)絲織物的透氣性和導(dǎo)濕性能均優(yōu)于常規(guī)PET織物。同時(shí)，PE織物平均接觸涼感系數(shù)高于PET(含CPET)織物，具有較好的瞬態(tài)導(dǎo)熱性能；其熱阻低于PET(含CPET)織物，在穩(wěn)態(tài)下也具有良好的導(dǎo)熱性能，因而PE長(zhǎng)絲是制備吸濕涼爽功能紡織品良好的原料，且提高PE長(zhǎng)絲的結(jié)晶及取向度，有助于提高織物的導(dǎo)熱性能。