馬 晨，金肖克，唐紗麗，祝成炎

(浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)，杭州 310018)

單向?qū)衩媪鲜且环N重要的熱濕舒適性功能性面料，其功能性實(shí)現(xiàn)的方法主要是合理配置不同親、疏水性纖維，使液體在接觸到內(nèi)層疏水層后能夠憑借差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)單向傳導(dǎo)至織物親水性外層[1]，以使人體達(dá)到穿著涼爽不沾身的目的。單向?qū)窭碚撃Ｐ偷臉?gòu)建是織物設(shè)計(jì)、生產(chǎn)指導(dǎo)的關(guān)鍵，目前常用的單向?qū)窭碚撃Ｐ褪歉鶕?jù)Laplace方程推導(dǎo)而來的毛細(xì)管附加壓力差公式[2]，該公式適用于各類存在孔道的材料，然而針對(duì)單層機(jī)織物評(píng)價(jià)方法的研究卻不夠豐富。本文以液體在織物中的傳導(dǎo)機(jī)理為基礎(chǔ)，提出一種適用于純滌綸單層機(jī)織物的單向?qū)裥阅茉u(píng)價(jià)方法。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 現(xiàn)有模型介紹

液體在接觸織物表面后主要有潤濕和滲透兩個(gè)過程，液體能否潤濕織物是由織物和液體的表面張力決定，當(dāng)潤濕發(fā)生后，液體將繼續(xù)在織物中進(jìn)行擴(kuò)散遷移。液體在織物中的遷移主要依靠纖維間形成的毛細(xì)管的毛細(xì)效應(yīng)來進(jìn)行[3]，毛細(xì)效應(yīng)是指液體表面對(duì)毛細(xì)管壁的吸引力使得液體在無外力作用下可以在毛細(xì)管中自發(fā)進(jìn)行移動(dòng)的現(xiàn)象。目前常用Laplace方程[4]對(duì)理想毛細(xì)管中的毛細(xì)管壓力進(jìn)行描述，即：

(1)

式中：P為毛細(xì)管壓力，Pa；a為氣液界面張力，N/m；θ為液體與織物材料接觸角，(°)；R為織物毛細(xì)管半徑，m。

單向?qū)窨椢锿ǔ２捎秒p層結(jié)構(gòu)，表層使用親水纖維，里層使用疏水纖維，由于表里兩層纖維親水性不同，液體會(huì)在壓力梯度作用下將水分單方向進(jìn)行傳遞。內(nèi)外毛細(xì)管壓力差公式為[5]：

(2)

式中：ΔP為毛細(xì)管壓力差，Pa；θ1為液體與織物里層材料接觸角，(°)；θ2為液體與織物外層材料接觸角，(°)；R1為織物里層毛細(xì)管半徑，m；R2為織物外層毛細(xì)管半徑，m。

目前普遍使用毛細(xì)管壓力差公式來理論分析并評(píng)價(jià)織物的單向?qū)裥阅躘6]，其值越大，織物理論上單向?qū)裥阅茉胶谩Ｈ欢?，該公式存在一定的使用困難性：內(nèi)、外層毛細(xì)管當(dāng)量半徑是公式中需要確定的重要數(shù)值，但織物的里、外層毛細(xì)管當(dāng)量半徑受單纖線密度，纖維截面、紗線捻度等因素影響，同時(shí)，纖維吸水后其自身也會(huì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致毛細(xì)管當(dāng)量半徑發(fā)生改變，使其精確數(shù)值難以確定。若能根據(jù)單層機(jī)織物特征探究出一種適用于單層機(jī)織面料的單向?qū)裥阅茉u(píng)價(jià)方法，且其影響因素的精確值較易獲得，將會(huì)對(duì)單向?qū)駟螌訖C(jī)織面料的研究提供重要幫助。

1.2 單層機(jī)織物單導(dǎo)機(jī)理及影響因素分析

機(jī)織物由經(jīng)紗和緯紗相互交織而成，是具有一定構(gòu)型的三維立體結(jié)構(gòu)，雖然在一些研究中將織物看作二維平面，但現(xiàn)實(shí)中隨著織物組織結(jié)構(gòu)的不同，經(jīng)、緯向纖維是存在著明確的分層分布的。以8枚緯面緞紋織物為例，絕大部分緯線分布于織物上表面，而經(jīng)線則主要分布于織物下表面，如圖1所示。當(dāng)經(jīng)緯紗線所用原料不同時(shí)，不同纖維形成的毛細(xì)管對(duì)水的附加壓力不同，從而產(chǎn)生附加壓力差，而水受到壓力差的作用將沿力的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這就是單層機(jī)織物能夠?qū)崿F(xiàn)單向?qū)竦脑颉?/p>

圖1 8枚緞紋織物截面

織物中水分的傳輸主要分為沿纖維軸向傳輸和垂直于纖維軸向傳輸兩個(gè)方向，在沿纖維軸向上按照毛細(xì)管方式傳輸，而在垂直纖維軸向上大多按照非線性擴(kuò)散的方式傳輸?shù)?。?dāng)水分接觸到經(jīng)線或緯線時(shí)，水分同時(shí)沿纖維軸向和垂直纖維軸向兩個(gè)方向進(jìn)行傳輸。當(dāng)水分接觸經(jīng)緯線交織點(diǎn)時(shí)，不同種類的纖維由于對(duì)水分的親、疏性不同，產(chǎn)生附加壓力差，水分此時(shí)會(huì)快速沿厚度方向進(jìn)行傳輸。因此，要讓皮膚與織物之間以及織物中的水分迅速傳輸，就必須采用徑向有水分傳輸孔道的紗線(如表面有溝槽的異型纖維)，以實(shí)現(xiàn)水分的快速傳導(dǎo)；同時(shí)經(jīng)緯紗線對(duì)水的親、疏性需存在差異。毛細(xì)效應(yīng)中液體上升或下降的高度可以直觀地反映出被測試樣對(duì)水的親、疏性能，其值由毛細(xì)管壓力和液體密度決定[7]，且結(jié)果可以通過試驗(yàn)直接測量得到。因此，可以通過毛細(xì)現(xiàn)象中液體上升或下降的高度h來表征不同纖維對(duì)水的傳導(dǎo)能力差異。

圖2 單層機(jī)織物平面

(3)

式中：Sj為經(jīng)紗占織物正面紗線總面積的百分比，%；R為織物組織循環(huán)數(shù)；Pj為經(jīng)向密度，根/cm；Pw為緯向密度，根/cm；Ef為織物覆蓋緊度，%；dj為經(jīng)線直徑，cm；dw為緯線直徑，cm；ni為在一個(gè)組織循環(huán)中第i根經(jīng)線上的緯組織點(diǎn)個(gè)數(shù)。

當(dāng)一個(gè)組織循環(huán)中，每根經(jīng)線上的緯組織點(diǎn)個(gè)數(shù)均相等時(shí)，n1=n2=n3=……=ni，則上式可簡化為

(4)

式中：n為每根經(jīng)線上的緯組織點(diǎn)個(gè)數(shù)。

緯紗占織物表層紗線總面積的百分比Sw可由下式表示：

Sw=100-Sj

(5)

式中：Sw為緯紗占織物表層紗線總面積的百分比，%。

本文擬提出一種用于評(píng)價(jià)純滌綸單層機(jī)織物單向?qū)衲芰?qiáng)弱的方法，該方法將經(jīng)緯紗線原料對(duì)水的親、疏性差異以及經(jīng)緯紗線纖維在織物中的分布情況作為影響因素。通過實(shí)驗(yàn)分別得到不同規(guī)格試樣經(jīng)、緯紗線毛細(xì)效應(yīng)高度差值Δh和經(jīng)緯紗線占比，同時(shí)測試出各試樣的累積單向傳遞指數(shù)R*，將R*值作為反應(yīng)各試樣單向?qū)裥阅芎脡牡呐袛嘁罁?jù)。觀察各影響因素與R*值之間的關(guān)系，探究出適用于評(píng)價(jià)純滌綸單層機(jī)織物單向?qū)衲芰Φ姆椒ā?/p>

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試樣的設(shè)計(jì)與制備

Coolmax纖維具有獨(dú)特的四凹槽結(jié)構(gòu)，相較于普通滌綸纖維能將水分更快地傳遞至織物表層進(jìn)行蒸發(fā)，具有良好的導(dǎo)濕性，常被用作單向?qū)衩媪系木暭喸?，以形成?dǎo)濕通道[8]；三原組織作為各種組織的基礎(chǔ)，也被廣泛應(yīng)用于功能性面料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]。本文采用海鹽金溢絹紡有限責(zé)任公司生產(chǎn)的十字截面Coolmax和紹興訊洋紡織品有限公司生產(chǎn)的普通滌綸短纖紗作為原料，如圖3所示，用SGA598型劍桿織樣機(jī)進(jìn)行織造，分別制出9種不同規(guī)格的織物試樣。

圖3 實(shí)驗(yàn)所用纖維形貌

其中，試樣1#—3#為累積單向傳遞指數(shù)測試所用試樣，試樣4#—9#為毛細(xì)效應(yīng)高度測試所用試樣[10]。因除纖維種類外，組織結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)織物毛細(xì)效應(yīng)高度產(chǎn)生影響，為使理論模型更加精確，將相同組織結(jié)構(gòu)的純滌綸、純Coolmax試樣毛細(xì)效應(yīng)高度測試結(jié)果作為對(duì)應(yīng)組織結(jié)構(gòu)試樣的經(jīng)、緯線纖維毛細(xì)效應(yīng)高度測試結(jié)果[11]。9種試樣的具體規(guī)格如表1所示。

表1 9種試樣各項(xiàng)規(guī)格參數(shù)

2.2 毛細(xì)管效應(yīng)測試

試驗(yàn)將YG871-II型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀作為毛細(xì)管效應(yīng)高度的測試儀器，標(biāo)準(zhǔn)為GB/T21655.1-2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1部分-單項(xiàng)組合試驗(yàn)法》，分別沿試樣4#—9#的縱向于左、中、右位置各剪一條250 mm×30 mm的試樣，并置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件中調(diào)濕，調(diào)濕時(shí)間為24 h。調(diào)濕處理完畢后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)置于儀器底部的把手將衡梁架調(diào)至可到達(dá)的最高處，將試樣夾取并固定在衡梁架的試樣夾上。張力夾夾于距試樣底端8～10 mm處以使試樣不會(huì)向上卷曲。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)儀器底部的把手對(duì)試樣高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持試樣底端接近零刻度線以下 20 mm 處。將儀器內(nèi)部容器緩慢倒入有色試液，隨后旋轉(zhuǎn)高度調(diào)節(jié)旋鈕使試樣的底部浸沒于液面下方(15±2)mm處，隨即按動(dòng)計(jì)時(shí)開關(guān)。待30 min后讀取各試樣毛細(xì)效應(yīng)高度測試結(jié)果[12]。

2.3 累積單向傳遞指數(shù)測試

累積單向傳遞指數(shù)R*是指織物兩個(gè)表面累計(jì)吸水量的差值。其值由被測試樣接觸皮膚一面的累計(jì)吸水量和背離皮膚一面的累計(jì)吸水量的差值與總測試時(shí)間的比值來確定，測試結(jié)果越大，試樣單向傳遞能力越好。試驗(yàn)將液態(tài)水分管理測試儀作為R*值的測試儀器，標(biāo)準(zhǔn)為AATCC195-2009《織物的液態(tài)水分管理特性》，先將試樣剪為 8 cm×8 cm的方塊，每種試樣剪取5塊，隨后放置在標(biāo)準(zhǔn)大氣中調(diào)濕，調(diào)濕時(shí)間為24 h。調(diào)濕完成的試樣將接觸皮膚的一面朝上分別放置在底部傳感器的上方，每塊試樣測試時(shí)間為2 min，每塊試樣測試結(jié)束后，要使用吸水紙吸干頂部和底部的傳感器上的液體，然后等待1 min，確保傳感器沒有殘余的液體再繼續(xù)進(jìn)行。重復(fù)測試直至所有試樣均測試完成[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛細(xì)效應(yīng)高度測試結(jié)果分析

6種試樣3次毛細(xì)效應(yīng)高度的測試結(jié)果與平均值均由表2所示。由表2可得，以Coolmax紗線為原料的平紋、斜紋、緞紋3種組織試樣的毛細(xì)效應(yīng)高度均大于以普通滌綸紗線為原料織成的3種組織試樣。由于Coolmax紗線線密度為29.5 tex，普通滌綸紗線線密度為56.2 tex，相同工藝參數(shù)下由Coolmax紗線織造而成的試樣毛細(xì)管半徑更小，因此毛細(xì)效應(yīng)高度更大，符合附加壓力原理。此外，當(dāng)原料相同時(shí)，隨著組織結(jié)構(gòu)的變化，平紋、斜紋、緞紋3種織物的毛細(xì)效應(yīng)高度也呈遞增趨勢，可見纖維分布方式也會(huì)對(duì)毛細(xì)效應(yīng)產(chǎn)生影響[14]。

表2 6種試樣毛細(xì)效應(yīng)高度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 累積單向傳遞指數(shù)測試結(jié)果分析

令斜紋織物和緞紋織物經(jīng)線占比更多的一面為正面，緯線占比更多的一面為反面；平紋織物確定一面為正面，另一面為反面。試驗(yàn)分別將試樣正面和反面作為接觸皮膚的一面進(jìn)行累計(jì)單向傳遞指數(shù)測試，3種試樣R*值測試結(jié)果由表3所示。當(dāng)試樣正面作為接觸皮膚的一面朝上放置時(shí)，緞紋織物的累積單向傳遞指數(shù)最大，其次為斜紋織物，平紋織物的累積單向傳遞指數(shù)最小，表明其單向?qū)衲芰ψ畈睢．?dāng)試樣反面作為接觸皮膚的一面朝上放置時(shí)，3種組織試樣的單向傳遞指數(shù)均小于正面作為接觸皮膚的一面時(shí)的單向傳遞指數(shù)，其中平紋織物試樣的正、反面測試數(shù)據(jù)差異不明顯，而斜紋織物試樣和緞紋織物試樣的正、反面單向傳遞指數(shù)測試數(shù)據(jù)差異非常明顯，表明斜紋織物試樣和緞紋織物試樣的水分傳遞具有明顯的方向性。其中緞紋織物的單向?qū)衲芰ψ顝?qiáng)，平均累積單向傳遞指數(shù)達(dá)到了247.54。

表3 3種試樣正反面累積單向傳遞指數(shù)R*測試結(jié)果

圖4為3種組織織物正反面作為接觸皮膚的一面向上放置時(shí)織物兩面的含水量變化情況，含水量單位為mm2。由圖4(a)可知，在2 min滴水過程中，平紋織物正面作為接觸皮膚的一面時(shí)，織物兩面含水量均在緩慢上升，且兩面含水量相差不大；由圖4(c)可知，斜紋織物正面作為接觸皮膚的一面時(shí)，反面的含水量在20 s時(shí)突然增大，且大于正面，在隨后的時(shí)間里反面含水量緩慢增加，而正面含水量持續(xù)減少，說明有更多的水滲透并停留到了織物反面。由圖4(e)可知，緞紋織物正面作為接觸皮膚的一面時(shí)，在18 s時(shí)兩面含水量均快速增加，且反面含水量明顯大于正面含水量，兩面含水量在20 s時(shí)達(dá)到頂峰，隨后保持穩(wěn)定直至測試結(jié)束，表明水分在織物中的傳導(dǎo)具有明顯的方向性。比較3種試樣正反面的數(shù)據(jù)可知緞紋織物正面作為接觸皮膚一面時(shí)其單向?qū)裥阅茏詈谩?/p>

圖4 3種試樣正反面含水量變化情況

3.3 評(píng)價(jià)方法探究與相關(guān)性分析

根據(jù)2.1和2.2中數(shù)據(jù)，按照式(4)計(jì)算試樣1#(正)、試樣2#(正)、試樣3#(正)、試樣1#(反)、試樣2#(反)、試樣3#(反)的Δh和ΔS值，分析其與R*值的聯(lián)系。各數(shù)量值及計(jì)算結(jié)果由表4所示。

表4 3種試樣正反面S值計(jì)算結(jié)果

觀察表4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著3種試樣正反面纖維分布梯度的變化，其Δh值變化不大，而ΔS在逐漸減小，同時(shí)3種試樣正反面的R*值在不斷增加，二者呈負(fù)相關(guān)性。設(shè)Δh和ΔS的乘積為U，即：

U=(hj-hw)(Sj-Sw)

(6)

式中：U為機(jī)織物單向?qū)裣禂?shù)，cm；Sj為經(jīng)紗占織物表層紗線總面積的比值，%；Sw為緯紗占織物表層紗線總面積的比值，%；hj為經(jīng)紗織物毛細(xì)效應(yīng)高度，cm；hw為緯紗織物毛細(xì)效應(yīng)高度，cm。

將U值命名為機(jī)織物單向?qū)裣禂?shù)，單位cm，U值的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 3種試樣正反面U、R*值計(jì)算結(jié)果

如圖5所示，將3種試樣對(duì)應(yīng)的U作為自變量，R*值作為因變量做散點(diǎn)圖，可以看出，隨著U值的增加，試樣累積單向傳遞近似呈下降趨勢，即U值越高，試樣的單向?qū)衲芰υ叫?，兩者近似呈一元一次線性關(guān)系。進(jìn)一步做回歸分析，得到方程為：

圖5 3種試樣正反面U-R*值線性回歸

R*=-343.36U-39.22

其皮爾遜相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值為0.918，表明U值與R*值相關(guān)性良好，由此說明U值的大小可以在一定程度上表征純滌綸單層機(jī)織物單向?qū)衲芰?。與R*值必須獲得織造完成的試樣才能進(jìn)行測試不同，U值可以在織物設(shè)計(jì)之初，尚未得到成品前就對(duì)其單向?qū)衲芰M(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

本文基于機(jī)織物單向?qū)駲C(jī)理，探究出一種適用純滌綸單層機(jī)織物的性能評(píng)價(jià)方法?？椢锝?jīng)、緯紗線的親疏水性差異以及不同纖維在織物中的分布情況為該方法的影響因素，通過對(duì)紗線直徑，織物經(jīng)、緯向密度，組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)緯原料毛細(xì)效應(yīng)高度等值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，計(jì)算出可以表征織物單向?qū)裥阅艿腢值，為純滌綸單向?qū)駲C(jī)織物的性能評(píng)價(jià)方法做出了補(bǔ)充。經(jīng)線性回歸分析及皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算，U值可以在一定程度上較好地反映織物的單向?qū)衲芰Α?/p>