丁玉琴, 董智佳, 叢洪蓮, 葛美彤

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著全民健身和運(yùn)動(dòng)休閑潮流的興起,人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)服裝的功能性和舒適性要求也不斷提升。功能性針織物由于其優(yōu)良的彈性和柔軟貼體等特點(diǎn)常作為運(yùn)動(dòng)服裝的首選。運(yùn)動(dòng)出汗會(huì)極大地影響服裝的熱濕舒適性,組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和后整理工序都會(huì)對(duì)面料的熱濕舒適性能產(chǎn)生較大的影響,因此,服裝織物對(duì)于汗液的管理和傳導(dǎo)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

目前,針對(duì)如何將汗液從皮膚側(cè)排向織物表面?zhèn)纫延泻芏嘌芯俊＿_(dá)到良好的吸排功能主要有2種途徑:一是利用織物層縱向的浸潤(rùn)梯度效應(yīng),使得液體能夠沿著織物層從親水性弱的一側(cè)向親水性強(qiáng)的一側(cè)傳導(dǎo)[1];二是利用差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng),由樹(shù)形吸水所啟發(fā),利用織物的芯吸將水分傳導(dǎo)向外側(cè)[2]。后者巧妙利用紗線本身的結(jié)構(gòu),達(dá)到流程短、效率高的生產(chǎn)特點(diǎn),契合綠色紡織品[3]的設(shè)計(jì)理念。從紗線組件的研發(fā)到組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),都能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)面料的吸排功能。袁魯寧等[4]為研發(fā)具有優(yōu)良調(diào)濕控溫性能的立體針織物,提出了立體針織物拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的方法,研究了冬季運(yùn)動(dòng)保暖內(nèi)衣用立體針織物的水分管理性能。王莉等[5]以蝴蝶鱗片的表面形態(tài)為靈感,利用不同的紗線配置和組織結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)了服裝面料并評(píng)價(jià)了其熱濕舒適性能。

本文基于差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng),以2種紗線搭配方式,設(shè)計(jì)了5種單面緯編織物,通過(guò)結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試,研究組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)織物單向?qū)窆δ艿挠绊?從而使不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的織物在緯編定位成形設(shè)計(jì)中有合理的布局。

1 導(dǎo)濕機(jī)制

從水分接觸貼膚面開(kāi)始,其導(dǎo)濕能力的好壞體現(xiàn)在水分是否能從貼膚面快速傳導(dǎo)到外表面,避免液體在貼膚面積累產(chǎn)生黏膩等不適感[6]。由于紗線是纖維并列排布形成的集合體,單根纖維自身直徑較小,排列后便形成毛細(xì)管?；谛疚?yīng),這些毛細(xì)管為液體的吸附與傳導(dǎo)提供了空間。單層紗線形成織物芯吸所需要的動(dòng)力來(lái)源是毛細(xì)管與液體接觸時(shí)形成的彎月形曲面的附加壓力,而當(dāng)雙層紗線形成織物且外層紗線的單纖密度小于內(nèi)層紗線的單纖密度時(shí),織物表面層附加壓力將大于內(nèi)層附加壓力,水分接觸織物就可以從里層向表層運(yùn)動(dòng)。這便是差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)[7],表達(dá)式為

式中:ΔP為附加壓力差,Pa;P1、P2分別為通道1和通道2的附加壓力,Pa;γ為液體表面張力,N/m;θ為纖維接觸角,(°);r為纖維的毛細(xì)管當(dāng)量半徑,m。

2種差異性股數(shù)的紗線搭配組合,形成差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng),從而能在一定程度上契合“樹(shù)形”[8]芯吸結(jié)構(gòu),使得織物具有單向?qū)竦墓δ?。雙層差異化單纖密度紗線傳導(dǎo)水分過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 差異化單纖密度紗線傳導(dǎo)水分過(guò)程示意圖

基于以上理論,本文分別采用93.3 dtex(384 f)和92.2 dtex(72 f)的滌綸紗線作為面紗;地紗均采用55.5 dtex(14 f)滌綸紗線。1種地紗和2種面紗形成2組原材料組合,并在每組材料的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)5種織物結(jié)構(gòu)。由于滌綸織物親水性、染色性欠佳[9],一般服用滌綸織物都會(huì)經(jīng)過(guò)助劑整理,因此,本文一方面研究不同結(jié)構(gòu)原料搭配本身產(chǎn)生的性能差異,另一方面研究組織結(jié)構(gòu)對(duì)于織物導(dǎo)濕性能的影響。利用紗線結(jié)構(gòu)、織物結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)得到更好的導(dǎo)濕性能,以結(jié)合后整理過(guò)程得到服用性能更好的產(chǎn)品。

2 組織設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緯編單面無(wú)縫產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域占據(jù)很大的比重。添紗組織常用于單面無(wú)縫產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,包括普通添紗、交換添紗、架空添紗、繡花添紗織物等[10]。添紗組織的線圈與幾何特性基本上與地組織相同,使用2種不同的紗線時(shí)可以使得織物兩面具有不同的特點(diǎn),能夠最大程度發(fā)揮2種不同特性紗線的功能。本文設(shè)計(jì)的5種組織的意匠圖以及織物的線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 5種組織結(jié)構(gòu)意匠圖與線圈圖

使用無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)配套的PHOTON軟件繪制織物的結(jié)構(gòu)模板圖。PHOTON軟件中織物的結(jié)構(gòu)圖用不同的顏色表示每路2個(gè)選針器的工作方式,因此結(jié)合程序設(shè)定,需要將意匠圖與上機(jī)結(jié)構(gòu)圖對(duì)應(yīng)起來(lái)。結(jié)構(gòu)圖中白色代表添紗編織,面紗、地紗均成圈;灰色代表地紗成圈,面紗浮線;黑色代表面紗、地紗均浮線。最后使用Digraph3plus軟件進(jìn)行工藝程序設(shè)計(jì),通過(guò)編譯得出程序文件用于上機(jī)織造。

基于添紗編織,對(duì)比5種織物的特點(diǎn)。將5種織物中包含的編織動(dòng)作特點(diǎn)概括為3類,如圖3所示。均勻結(jié)構(gòu)表示面紗、地紗均成圈,如F1;單一結(jié)構(gòu)表示地紗成圈、面紗不成圈,如F3;松散結(jié)構(gòu)表示面紗、地紗不連續(xù)成圈,如F2和F4;而F5中3種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均有包含。在區(qū)域面積相同時(shí),可以分別研究每種編織特點(diǎn)對(duì)于組織功能的影響。

圖3 不同線圈結(jié)構(gòu)歸類

2.2 樣品制備

采用SM8-TOP2 MP2型圣東尼單面無(wú)縫機(jī)進(jìn)行編織,機(jī)號(hào)為E28針/(2.54 cm),筒徑為38.1 cm,總針數(shù)為1 344 針?？椩煜聶C(jī)后進(jìn)行預(yù)縮處理,使織物性質(zhì)接近于成品。經(jīng)過(guò)處理后5種組織樣品的基本信息如表1所示。組合1:地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線,面紗為93.3 dtex(384 f)滌綸紗。組合2:地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線;面紗為92.2 dtex(72 f)滌綸紗。

表1 織物基本工藝參數(shù)

在相同的上機(jī)條件下,包括機(jī)速、送紗方式和機(jī)上密度等,將同一種原料的5種組織在同一筒子上分段排布,一體織造,目的是使下機(jī)后,同種原料的5種組織坯布的下機(jī)密度相近。相同原料不同組織中,由于添紗結(jié)構(gòu)的不同,線圈墊紗的差異導(dǎo)致用紗量不同,使得面密度發(fā)生變化,因此,需要研究組織結(jié)構(gòu)的不同帶來(lái)的整體功能的差異。

2.3 性能測(cè)試

采用JC2000DM型接觸角測(cè)量?jī)x(北京中儀科信科技有限公司),每次注射5 μL液體,觀察93.3dtex(384 f)、92.2 dtex(72 f)和55.5 dtex(14 f)3種紗線的接觸角隨時(shí)間的變化,即從液體接觸紗線表面到沿著紗線擴(kuò)散整個(gè)過(guò)程的變化。

根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》,采用實(shí)驗(yàn)室自組裝儀器測(cè)量芯吸高度,準(zhǔn)備尺寸為2.5 cm×30 cm的面料試樣,垂直懸掛,并固定在試樣架上,使試樣一端2 cm浸在液體中,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)記錄液體沿著試樣長(zhǎng)度方向攀升的高度。

采用紫色水溶色素、小容量膠頭滴管和固定裝置,進(jìn)行織物的滴水?dāng)U散實(shí)驗(yàn),試樣尺寸為10 cm×10 cm,水滴體積為0.2 mL,記錄滴水40 s后液體在織物貼膚面擴(kuò)散的狀態(tài),研究其液體擴(kuò)散規(guī)律。

根據(jù)GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分:動(dòng)態(tài)水分傳遞法》,采用Q290型MMT水分測(cè)試儀(標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)(香港)有限公司)測(cè)試樣品的水分管理性能。測(cè)試液體是0.9%的氯化鈉溶液,用于模擬汗液。測(cè)試液輸送針管位于上部環(huán)形排列傳感器中心,模擬人體皮膚出汗。在液體浸潤(rùn)擴(kuò)散的過(guò)程中,相鄰環(huán)之間的電阻變化能反應(yīng)出水分在織物上下2層的擴(kuò)散情況,由此得到上下層潤(rùn)濕時(shí)間、上下層吸濕速率、上下層液體擴(kuò)散速度、累積單向傳遞指數(shù)、整體液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞指數(shù)(OMMC),從而用于衡量織物的水分管理性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線浸潤(rùn)性能

液體從接觸織物到蒸發(fā)主要分為4個(gè)過(guò)程:吸附、浸潤(rùn)、擴(kuò)散、蒸發(fā)。不同體積密度的紗線在接觸液體后的擴(kuò)散效果是不同的。圖4分別示出93.3 dtex(384 f)、92.2 dtex(72 f)和55.5 dtex(14 f)3種紗線從液滴接觸紗線到擴(kuò)散整個(gè)過(guò)程中的接觸角隨時(shí)間的變化。93.3 dtex(384 f)紗線從水滴滴落到擴(kuò)散的整個(gè)過(guò)程用時(shí)2 s,在3種紗線中擴(kuò)散最快,原因在于其紗線股數(shù)多,紗線內(nèi)部蓬松,且表面孔隙較大,液滴接觸紗線表面快速滲入孔隙并沿著紗線徑向傳導(dǎo)。液滴接觸55.5 dtex(14 f)紗線到最終擴(kuò)散開(kāi)所用時(shí)間最長(zhǎng),說(shuō)明紗線內(nèi)部孔隙數(shù)量少,液體通道較少,無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)容納液體使之傳導(dǎo),因此,在2～4 s之間時(shí)紗線接觸角較大,但是整體變化速率較小,所以用55.5 dtex(14 f)紗線可以在一定程度上阻止液體反滲。

圖4 不同紗線接觸角隨時(shí)間的變化

3.2 織物芯吸高度

每種織物不同方向的芯吸高度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 織物試樣芯吸高度測(cè)試結(jié)果

觀察表2數(shù)據(jù),組合1中每種組織縱向、橫向芯吸高度均高于組合2,佐證了55.5 dtex(14 f)地紗搭配93.3 dtex(384 f)面紗形成的差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)顯著,形成的織物對(duì)水分的傳導(dǎo)效果優(yōu)于55.5 dtex(14 f)紗線搭配92.2 dtex(72 f)紗線形成的織物。除此之外,每組織物的縱向芯吸高度均高于橫向,說(shuō)明芯吸在圈柱方向上的傳導(dǎo)效果好于沉降弧方向。其原因在于:一方面,無(wú)論是組合1還是組合2,5種織物組織的縱密均略大于橫密,因此,縱向有更多的圈柱參與到水分的傳導(dǎo);另一方面,從微觀尺度分析,縱向纖維排列形成的毛細(xì)管更有利于水分的傳導(dǎo),因此,進(jìn)一步研究該方向上纖維之間毛細(xì)管的規(guī)律特點(diǎn)有助于設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的單向?qū)窨椢铩?/p>

3.3 織物滴水?dāng)U散效果

對(duì)組合1每種組織的織物進(jìn)行可視化滴水?dāng)U散實(shí)驗(yàn),觀察其擴(kuò)散形狀,以驗(yàn)證液體在不同方向上的傳導(dǎo)情況,滴水后擴(kuò)散40 s的形狀如圖5所示。水分?jǐn)U散后最終形成近似橢圓形的痕跡,長(zhǎng)軸均處于織物縱向。初步推測(cè)由于圈柱方向紗線排布平直,內(nèi)部孔隙較為規(guī)整[11],液體易于傳導(dǎo)。該結(jié)果與芯吸高度實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相吻合。

圖5 5種織物滴水?dāng)U散40 s后示意圖

3.4 液態(tài)水分管理性能

每種織物的液態(tài)水分管理測(cè)試結(jié)果如表3所示。組合1的各項(xiàng)數(shù)據(jù)換算為等級(jí)表示均在3級(jí)以上,達(dá)到GB/T 21655.2—2019中所要求的吸濕排汗性能。第1組底層浸濕時(shí)間小于1 s,底層液體擴(kuò)散速度大于16 mm/s,浸潤(rùn)與擴(kuò)散性能均優(yōu)于組合2?？梢钥闯?在55.5 dtex(14 f)地紗搭配93.3 dtex(384 f)面紗形成的織物中,汗液產(chǎn)生后能夠快速?gòu)馁N膚面向外表面?zhèn)鲗?dǎo),有著優(yōu)異的導(dǎo)濕性能。與此同時(shí),組合1底層最大擴(kuò)散半徑與上層最大擴(kuò)散半徑的差值大于組合2。說(shuō)明液體能夠在93.3 dtex(384 f)紗線的表面層持續(xù)擴(kuò)散且反滲效果不明顯。在相同原料搭配下的5種組織中,組合1的上下層浸濕時(shí)間、上下層吸汗速度與上下層最大擴(kuò)散半徑差值均比較小,說(shuō)明汗液產(chǎn)生后不能快速傳導(dǎo)和擴(kuò)散,且不同組織導(dǎo)濕性能的差異規(guī)律不明顯。但組合1中,液體在不同的組織中存在傳導(dǎo)規(guī)律差異。1-F1織物的上下層浸濕時(shí)間、上下層吸汗速度與上下層最大擴(kuò)散半徑差值均大于其它結(jié)構(gòu),且液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)(OMMC)達(dá)到了0.898。同時(shí)含有松散組織和單一組織的1-F5上下層浸濕時(shí)間、上下層吸汗速度與上下層最大擴(kuò)散半徑差值和液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)(OMMC)最小。這說(shuō)明正反兩面都排列規(guī)整的平紋組織單向?qū)衲芰^好,而其它織物含有松散結(jié)構(gòu)和單一結(jié)構(gòu),正面排列相對(duì)較為規(guī)整,但是反面存在的浮線結(jié)構(gòu)中,紗線排列疏松,形成的毛細(xì)管不緊密,不利于汗液的傳導(dǎo)。

表3 MMT水分管理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每種織物的累積單向傳遞能力測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從原料的搭配看,面紗為93.3 dtex(384 f)(組合1)的組織評(píng)級(jí)均高于面紗為92.2 dtex(72 f)(組合2)的組織;在相同的原料組合下,不同組織的累積單項(xiàng)傳遞能力等級(jí)排序?yàn)?F1>F4>F3>F2>F5。F1的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于F3,說(shuō)明單一結(jié)構(gòu)織物的導(dǎo)濕性能沒(méi)有均勻結(jié)構(gòu)優(yōu)越。F4的整體液態(tài)水分吸收能力為5級(jí),F2的為4級(jí),導(dǎo)濕性能較好。而F4整體水分吸收擴(kuò)散能力與F2相當(dāng),其它數(shù)據(jù)F1優(yōu)于F2和F4,說(shuō)明松散結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)織物的導(dǎo)濕性能產(chǎn)生負(fù)面影響,但是F2和F4的數(shù)據(jù)差異并不是很大,因此,不同線圈數(shù)量與不同位置的浮線對(duì)于添紗織物導(dǎo)濕性能的影響還需作進(jìn)一步研究。

圖6 累積單向傳遞能力

4 數(shù)值計(jì)算與驗(yàn)證

液體在針織物中的傳導(dǎo)受多方面因素的影響。為驗(yàn)證液體受紗線單纖密度的影響,以及研究不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)于織物導(dǎo)濕性能的影響,需要將整體吸水-導(dǎo)水組件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。圖7示出織物截面處紗線中纖維排布的毛細(xì)管流通模型,在此將紗線看成均勻三角排列模型。采用CU-6型纖維細(xì)度儀(北京和眾視野科技有限公司)測(cè)量3種紗線的纖維直徑。

圖7 織物截面紗線排布形成毛細(xì)孔隙示意圖

根據(jù)下式計(jì)算孔隙的毛細(xì)管當(dāng)量面積S,從而得到每種紗線的毛細(xì)管當(dāng)量半徑。

式中:d為纖維的直徑,μm;r為紗線孔隙的毛細(xì)管當(dāng)量半徑,μm。

表4示出3種紗線的纖維直徑與模型毛細(xì)管當(dāng)量半徑計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到不同紗線搭配后的毛細(xì)壓差ΔP,55.5 dtex紗線搭配93.3 dtex(384 f)(組合1)紗線形成的毛細(xì)壓差為16.647 4 kPa,55.5 dtex紗線搭配92.2 dtex/(72 f)紗線(組合2)的毛細(xì)壓差為5.282 4 kPa,佐證了差異性股數(shù)紗線搭配后所具有顯著的差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)。

表4 3種紗線纖維直徑與模型的毛細(xì)當(dāng)量半徑

織物面內(nèi)的水分?jǐn)U散可以應(yīng)用哈根·泊肅葉方程進(jìn)行分析[12],標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)表示法下的哈根·泊肅葉方程為

式中:ΔP為毛細(xì)管壓力差,Pa;L為毛細(xì)管長(zhǎng)度,m;μ為動(dòng)黏度,Pa·s;Q為體積流量,m3/s。液體在管內(nèi)的體積流量與壓差成正比,與管徑的4次方成反比。如表4所示,高股數(shù)紗線的排布所形成的毛細(xì)管管徑顯著小于普通紗線,壓力差較大,因此體積流率較大。說(shuō)明高股數(shù)紗線的配置對(duì)液體的擴(kuò)散與流動(dòng)能形成有效的管理,當(dāng)液體傳導(dǎo)到高股數(shù)一側(cè)后,能迅速沿著紗線內(nèi)部毛細(xì)管的排列擴(kuò)散開(kāi),避免液體聚集反滲,防止加劇穿著時(shí)的黏膩潮濕感。

5 結(jié) 論

本文基于差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng),以55.5 dtex(14 f)滌綸紗線作地紗,搭配2種規(guī)格面紗,設(shè)計(jì)5種不同的針織組織,利用圣東尼單面無(wú)縫機(jī)織造織物并進(jìn)行了熱濕性能的測(cè)試,根據(jù)導(dǎo)濕機(jī)制模型進(jìn)行毛細(xì)管當(dāng)量的計(jì)算和比較,得到如下主要結(jié)論。

1)當(dāng)面紗為93.3 dtex(384 f)滌綸紗線,地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗線時(shí),所得織物芯吸高度、液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)、累積單向傳遞能力均優(yōu)于面紗為92.2 dtex(72 f)滌綸紗線的組合,說(shuō)明面紗采用93.3 dtex(384 f)滌綸紗線、地紗為55.5 dtex(14 f)滌綸紗錢的組織具有更好的單向?qū)衲芰Α?/p>

2)在相同紗線配置下,組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于織物導(dǎo)濕性能有一定的影響。均勻結(jié)構(gòu)相比于松散結(jié)構(gòu)和單一結(jié)構(gòu)有更好的水分傳導(dǎo)性能,但液體在3種結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

3)5種組織中,全部為均勻結(jié)構(gòu)的F1織物單向?qū)裥阅茏詈?適合于出汗量較大的部位,例如前胸、后背處;含有松散結(jié)構(gòu)的F2、F4織物導(dǎo)濕性能較好,適合于過(guò)渡結(jié)構(gòu);F3、F5織物輕薄透氣,適合于腋下、側(cè)面等位置。5種組織均可通過(guò)圣東尼單面無(wú)縫機(jī)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),為實(shí)現(xiàn)一次成形且具備不同功能區(qū)域的單向?qū)裣募具\(yùn)動(dòng)服裝的開(kāi)發(fā)提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。