姚晨曦, 萬愛蘭

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

隨著人們對人體健康和舒適性問題的日益關(guān)注,具有熱濕舒適性的紡織品在全球市場上獲得了越來越多的關(guān)注,很多學者對該領(lǐng)域進行了相關(guān)研究[1-3]。人體的穿著舒適度在很大程度上受織物的熱濕舒適性影響,透氣性、透濕性、熱阻、水分蒸發(fā)速率以及液態(tài)水分管理能力被認為是影響穿著者熱濕舒適性的關(guān)鍵因素[4]。人體所產(chǎn)生的熱量和皮膚表面水分都是通過與人體接觸的衣物來進行傳播與運輸?shù)?熱濕舒適性對于運動休閑服裝和貼身衣物的應(yīng)用非常重要[5-7]。

國內(nèi)外的學者一直在研究織物的熱濕舒適性,Chen等[8]研究了17種緯編針織滌綸運動T恤的熱濕舒適性能,結(jié)果表明織物的面密度越大,透氣性越差;孔隙率越大,干燥速度就越快。Teyeme等[9]研究發(fā)現(xiàn)聚酰胺復合針織面料的熱濕舒適性最佳,更適合做夏季騎行服。Kumar等[10]通過開發(fā)不同的單面緯編針織Eri真絲面料,結(jié)果表明紗線線密度、線長以及織物組織結(jié)構(gòu)對織物的尺寸穩(wěn)定性和熱濕舒適性有很大的影響。錢娟等[11]通過研究影響聚乙烯針雙羅紋織物熱濕舒適性的因素,研究發(fā)現(xiàn)織物的原料、未充滿系數(shù)與熱濕舒適性能顯著相關(guān)。這些運動休閑服材料各具特色,也各有局限性,如滌綸價廉但舒適性不好、聚乙烯和蠶絲舒適性好但價格昂貴等。聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)彈性纖維具有較好的彈性,可以用在運動休閑服領(lǐng)域,因此全面了解PBT/PET織物的熱濕舒適性很重要。Hüseyin等[12]研究發(fā)現(xiàn)PBT和彈性長絲具有相似的彈性伸長率,很適合生產(chǎn)輕質(zhì)運動彈性機織物。?iva等[13]利用PBT長絲包芯紗開發(fā)機織物,結(jié)果表明PBT的結(jié)構(gòu)影響著織物的力學性能。以上研究主要集中PBT纖維本身性能、織造參數(shù)對織物力學性能的影響,對PBT/PET長絲在運動休閑領(lǐng)域的應(yīng)用很少,對其在緯編單面運動T恤面料的熱濕舒適性的研究也很少。

本文以PBT/PET雙組分彈性纖維為原料,開發(fā)了13 款不同組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的緯編單面運動T恤面料,測試表征其熱濕舒適性的各個指標,并對這13 款緯編單面針織物進行綜合評價,通過對比選出最優(yōu)的PBT/PET緯編單面針織面料,為以后在運動休閑領(lǐng)域應(yīng)用PBT/PET雙組分彈性纖維提供參考。

1 實驗部分

1.1 原料的選擇

PBT/PET雙組分彈性纖維,洪澤聯(lián)合化纖有限公司。面料:針織平紋織物,單珠地網(wǎng)眼織物,雙珠地網(wǎng)眼織物,單面提花織物,平紋+珠地織物,珠地+網(wǎng)眼織物。

1.2 織造工藝

為全面分析PBT/PET緯編單面針織物的熱濕舒適性,本文利用100% PBT/PET雙組分彈性紗線在針織大圓機上編織了13款不同組織結(jié)構(gòu)的緯編單面運動T恤面料(平紋、單珠地、雙珠地、單面提花、平紋+珠地以及珠地+網(wǎng)眼),并運用緯編產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)對織物進行仿真,不同織物編織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 織物的編織圖Fig.1 Fabric weaving diagram. (a) Plain stitch; (b) Pique; (c) Lacoste; (d) Jacquard (1); (e) Pearl net; (f) Jacquard (2); (g) Jacquard (3); (h) Plain weave + half cardigan

1.3 后整理工藝

為使面料的表面平整、手感柔軟,對下機后的坯布進行水洗、熱定形。熱定形溫度為145 ℃,定形時間為40 s[14]。

1.4 測試與表征

1.4.1 織物的基本性能測試

參照FZ/T 70010—2006《針織物平方米干燥重量的測定》測試織物的面密度,根據(jù)GB/T 3820—1997 《紡織品和紡織制品厚度的測定》測試織物的厚度,分別測10次,結(jié)果取平均值。織物的孔隙率根據(jù)下式計算:

式中:P為孔隙率,%,G為織物的面密度,g/m2;ρ為纖維密度,g/cm3;d為織物厚度,mm。

1.4.2 織物的透氣性測試

根據(jù) GB/T 5453—1997 《紡織品 織物透氣性的測定》,使用 YG461E-Ⅲ 型全自動透氣量儀來測試織物的透氣率,在每種織物上各取不同位置測量10 次,結(jié)果取平均值?？椢锏耐笟饴试酱?透氣性就越好,運動休閑面料的透氣率越大越好,可及時地將人體產(chǎn)生的熱氣、濕氣排到外界空氣中,給人以舒適的感覺。

1.4.3 織物的透濕性測試

根據(jù) GB/T 12704.2—2009 《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分:吸濕法》,采用YG601 H-II型電腦式織物透濕儀來測試織物的透濕率,每種織物取3塊試樣分別測試,結(jié)果取平均值?？椢锏耐笣窳吭酱?透濕性就越好。透濕率根據(jù)下式計算:

式中:T為透濕率,g/(m2·d);Δm為同一實驗組合體2次稱量之差,g;S為測試有效面積,m2;t為實驗時間,h。

1.4.4 織物的熱阻測試

參照 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 YG606G型熱阻濕阻測試儀來測試織物的熱阻,試樣面積為35 cm×35 cm,測試3次,結(jié)果取平均值,織物的熱阻越大,傳熱系數(shù)就越小,保暖性就越好,不利于人體在運動時熱量的散失。

1.4.5 織物的水分蒸發(fā)速率測試

根據(jù)GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分:單向組合試驗法》測試織物的水分蒸發(fā)速率。將 0.2 mL 的水滴在織物的表面,分別在5、10、15、20、25、30 min時稱取織物的質(zhì)量,分別測5 次,結(jié)果取平均值。水分蒸發(fā)速率(E)根據(jù)下式計算:

式中:mi(i=1～5)分別為5、10、15、20、25、30 min時的織物質(zhì)量,g;m為初始時間潤濕織物質(zhì)量,g。

1.4.6 織物的液態(tài)水分管理測試

采用液態(tài)水分管理測試儀,根據(jù) GB/T 21655.2—2019 《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分:動態(tài)水分傳遞法》測試織物的整體水分管理能力。液態(tài)水分管理測試儀通過測量織物浸水面(T)和滲透面(B)的浸濕時間(WT)、最大浸濕半徑(MWR)、液態(tài)水擴散時間(SS)和吸水速率(AR),并通過計算累積單向傳遞能力(OWTC)和整體水分管理能力(OMMC),提供織物(尤其是貼近人體皮膚一側(cè))的液態(tài)水分管理性能。測試的所有指數(shù)均采用 1～5 級。每種織物準備 10 塊 10 cm×10 cm 的試樣,洗前洗后各 5 塊,測試結(jié)果并計算平均值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本文采用 SPSS 統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和相關(guān)性分析,顯著性水平設(shè)置為0.05,檢驗了組織結(jié)構(gòu)和原料單絲纖度對13 款PBT/PET緯編單面運動T恤面料厚度、面密度、孔隙率及透氣性、透濕性、熱阻、水分蒸發(fā)速率和整體水分管理能力等熱濕舒適性能有無顯著性影響[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 組織結(jié)構(gòu)和單絲線密度對織物孔隙率影響

織物組織結(jié)構(gòu)與孔隙率顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.831(顯著性水平p<0.05),織物組織結(jié)構(gòu)與孔隙率結(jié)果見表1。

表1 織物基本規(guī)格參數(shù)Tab.1 Basic specification parameters of fabrics

從表1可知,制備的13款緯編單面織物的孔隙率分布在75%～87%之間,不同組織結(jié)構(gòu)之間的孔隙率還是略有差別的,單面提花類織物的孔隙率較高,因為單面提花類織物局部部位有浮線結(jié)構(gòu)存在下方線圈被拉長而形成較大的孔隙。織物的厚度和面密度也是影響孔隙率的重要因素,相關(guān)系數(shù)分別為-0.768和-0.710(顯著性水平p<0.05)。織物的厚度越大,孔隙率越小;織物的面密度越大,孔隙率越小。織物的單絲線密度與孔隙率也顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.757(顯著性水平p<0.05),相同組織結(jié)構(gòu)的織物,紗線線密度相同,單絲線密度越小,孔隙率就越小,因為單絲線密度小的紗線,擁有更多的單絲數(shù),使紗線變得更蓬松,織成織物后線圈結(jié)構(gòu)就變得更小,孔隙率就越小。

2.2 織物透氣性分析

13款PBT/PET緯編單面針織物的透氣率如圖2所示。

圖2 織物的透氣率Fig.2 Air permeability of fabric

由圖2可知,織物4#、5#、6#、7#的透氣性較好,織物1#、2#、3#、8#、9#的透氣性適中,織物10#、11#、12#、13#的透氣性較差,其中,透氣率最大的是織物7#(785.43 mm/s),而透氣率最小的是織物12#(140.36 mm/s)。由表1可知,織物4#和織物5#的組織結(jié)構(gòu)、原料粗細、厚度以及密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)都很接近,而織物5#的孔隙率(82.0%)大于織物4#的孔隙率(77.1%),因此織物5#的透氣性優(yōu)于織物4#;織物6#和織物7#的規(guī)格參數(shù)基本差不多,因此它們的透氣率比較接近?？椢?0#、11#、12#、13#的孔隙率普遍較小,因此它們的透氣性都比較差,而在這4個試樣中,織物13#的珠地占比面積比另外3種織物大,導致其孔隙率較大(79.4%),使其透氣性相對較好。由此可以得出,織物的孔隙率對織物透氣性有很大的影響,通過SPSS軟件分析孔隙率對透氣性的相關(guān)性也發(fā)現(xiàn)孔隙率對透氣性有顯著影響,相關(guān)系數(shù)為0.654(顯著性水平p<0.05)?？椢?#、2#的組織結(jié)構(gòu)不一樣,導致它們的透氣性有所差別,但它們的孔隙率相近,然而織物2#是單面珠地,其表面呈疏孔狀,類似蜂巢結(jié)構(gòu),比普通平布更透氣,同時方差分析結(jié)果表明,不同組織結(jié)構(gòu)對透氣性影響顯著(p<0.01)。除此之外,單因素方差分析結(jié)果表明,單絲纖度對13種織物的透氣性的影響顯著(F=19.932,p=0.000<0.05),單絲線密度越小,每根紗線有更多的單絲,則單絲跟單絲之間的接觸面增大,長絲間的空隙變小,織物的透氣性會變差?？椢锏拿婷芏扰c織物的透氣性的相關(guān)系數(shù)為-0.688,顯著負相關(guān)。

2.3 織物透濕性分析

透濕性是指汗液以蒸汽的形式透過面料的性能,影響人體穿著舒適性,評價指標是透濕率,測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 織物的透濕率Fig.3 Moisture permeability of fabrics

由圖3可知,織物10#、11#的透濕性較好,織物1#、2#、3#、12#、13#透濕性適中,織物4#、5#、6#、7#、8#、9#的透濕性較差,織物11#(7 556 g/(m2·d))的透濕率比織物5#(5 673 g/(m2·d))高出33.2%。單因素方差分析結(jié)果表明,單絲線密度和織物的透濕性顯著相關(guān)(F=36.391,p=0.000<0.05),與此同時,織物厚度與透濕性顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.771(p<0.05),織物越厚,水蒸氣通過織物間的空隙路徑就越長,水蒸氣分子就越難從織物一側(cè)擴散到另一側(cè)。由表1可知,織物6#、7#規(guī)格參數(shù)基本相同,但織物6#厚度比織物7#稍大,因此織物7#的透濕率(5 877 g/(m2·d))大于織物6#(5 684 g/(m2·d))。除此之外,織物的透濕性與織物的組織結(jié)構(gòu)也顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.631,織物2#、3#、10#、11#、12#、13#的組織結(jié)構(gòu)中都有珠地或有部分網(wǎng)眼結(jié)構(gòu),所以比普通的平布更加透濕。

2.4 熱阻分析

織物的熱阻測試結(jié)果如圖4所示?？芍?織物8#的熱阻最大(31.3×10-3m2·K/W),其次是織物3#,織物1#、2#、4#、5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#、13#的熱阻在20～25×10-3m2·K/W之間,其中織物10#的熱阻最小。由表1可知,織物10#的厚度最小,所以其熱阻最小。為了進一步研究影響織物熱阻的因素,將熱阻與織物相關(guān)參數(shù)進行相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)織物厚度與熱阻相關(guān)系數(shù)為0.761(p<0.05);織物孔隙率與熱阻相關(guān)系數(shù)為0.748(p<0.05),這2個因素對織物熱阻顯著影響?？椢镌胶?織物的熱阻就越大;織物的孔隙率越大,織物中封閉的靜止空氣就越多,儲存熱量的能力就越強,織物的熱阻就越大。除此之外,方差分析結(jié)果表明,不同組織結(jié)構(gòu)的織物在熱阻方面存在顯著差異,相關(guān)系數(shù)為0.684。

圖4 織物的熱阻值Fig.4 Thermal resistance values of fabrics

2.5 水分蒸發(fā)速率分析

織物的水分蒸發(fā)速率是織物速干性能的一個重要指標,也是評價織物熱生理舒適性的一個重要指標。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 織物的水分蒸發(fā)速率Fig.5 Moisture evaporation rates of fabric

由圖5可看出,織物4#、5#、6#、9#、12#的水分蒸發(fā)速率比較大,其中織物5#的蒸發(fā)速率最快(0.5 g/h),織物7#、8#、10#、13#的水分蒸發(fā)速率適中,織物1#、2#、3#的水分蒸發(fā)速率較差。單因素方差分析結(jié)果表明,單絲線密度對織物水分蒸發(fā)速率影響顯著(F= 35.041,p= 0.000<0.05),每根紗線中的單絲越多,就能形成更多的毛細效應(yīng),從而輸送更多的水分,因此單絲線密度越小,水分蒸發(fā)速率就越大。除此之外,影響織物水分蒸發(fā)速率的因素還有很多,如織物的厚度、組織結(jié)構(gòu)以及孔隙率等[8]。

2.6 液態(tài)水分管理能力分析

織物的液態(tài)水分管理能力對織物舒適性十分重要,因為它影響著織物是否能快速的將皮膚表面的水分散發(fā)出去。13 款PBT/PET緯編單面針織面料的液態(tài)水分管理能力測試結(jié)果如表2所示?？芍?織物2#的具有最高的單向傳遞指數(shù)(889.28%),這說明皮膚表面的汗液可以輕松、快速地從皮膚表面?zhèn)鞑サ酵饨绛h(huán)境中,這種織物內(nèi)表面和外表面的液態(tài)水擴散速度快,最大潤濕半徑小,表面液態(tài)水立即通過織物而不潤濕織物,是很好地單向?qū)窨椢?。而織?0#、11#、12#、13#單向傳遞指數(shù)都為負,這可能與它們的組織結(jié)構(gòu)有關(guān),它們是由2種不同組織結(jié)構(gòu)拼接而成的,在液態(tài)水傳播的過程中,有可能導致液態(tài)水不規(guī)則的擴散。

表2 液態(tài)水分管理能力測試結(jié)果Tab.2 MMT test results

圖6表示出13款PBT/PET緯編單面針織面料的OMMC?？芍?織物2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#的整體水分管理能力較好,織物1#適中,織物10#、11#、12#、13#較差,其中,織物3#的整體水分管理能力最好(0.97)。進行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn),織物整體水分管理能力與織物的孔隙率、組織結(jié)構(gòu)、面密度以及單絲纖度的相關(guān)系數(shù)分別為0.735、0.684、0.709、0.692,顯著相關(guān);其中,孔隙率與織物整體水分管理能力的相關(guān)性最大,影響更顯著;但與織物的厚度顯著不相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.381。

圖6 織物的整體水分管理能力Fig.6 OMMC of fabrics

3 熱濕舒適性的灰色聚類分析

灰色聚類分析是一種基于指標白化權(quán)函數(shù)的方法,將多個考察對象聚為若干個確定的灰度,使聚類指標具有先驗性,可以在很多研究領(lǐng)域?qū)υu價對象的綜合性能進行評價[15]。

從上述13 款PBT/PET緯編單面針織物的熱濕舒適性測試結(jié)果來看,每種織物的透氣性、透濕性、熱阻、水分蒸發(fā)速率以及液態(tài)水分管理能力各有優(yōu)劣,很難評價哪一種面料是最好的,因此本文利用灰色聚類分析來評價每種織物的綜合性能。

3.1 灰色聚類分析的過程

將聚類對象和聚類指標分別表示為n和m,建立一個關(guān)于n×m的矩陣dij,然后按照下式[15]進行無量綱處理:

灰數(shù)稱為不確定數(shù)的大致范圍。如果灰數(shù)來自某個數(shù)值區(qū)間,則區(qū)間內(nèi)的每個數(shù)字都可能是白化值。j可以命名為S灰類(S=k1,k2,k3)的指標[16]。

實驗中灰類的第1區(qū)間如下式:

實驗中灰類的第2區(qū)間如下式:

實驗中灰類的第3區(qū)間如下式:

式中:j=1,2,…,m;i=1,2,…,n;dj是Xij范圍;max(Xij)是Xij的最大值;min(Xij)是Xij的最小值。

Xj、Yj、Zj分別為各個灰類區(qū)間的中點,如下式:

根據(jù)上述白化權(quán)函數(shù)和權(quán)系數(shù),灰色聚類系數(shù)由下式所得:

3.2 灰色聚類分析結(jié)果

本文選取13 款PBT/PET緯編單面針織物的透氣率、透濕率、熱阻、水分蒸發(fā)速率以及OMMC為聚類指標,13 個聚類對象和5 個聚類指標組成的矩陣如下式:

可以看出:織物1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#、13#的熱濕舒適性歸為好的這一檔,且織物1#落在好的這一檔的概率最大(0.759 3),說明織物1#的熱濕舒適性最好,只有織物8#的熱濕舒適性歸為中的這一檔,相對比來說,織物8#的熱濕舒適性最差。

4 結(jié) 論

本文研究了13款聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)緯編單面運動T恤面料的熱濕舒適性,分析并對比不同組織結(jié)構(gòu)、面密度、單絲線密度、厚度以及孔隙率對織物透氣性、透濕性、熱阻、水分蒸發(fā)速率以及整體水分管理能力的影響,得到如下結(jié)論。

1)13 款PBT/PET緯編單面運動T恤面料的基本組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對其熱濕舒適性有顯著影響:構(gòu)成織物的單絲線密度與織物的透氣性、水分蒸發(fā)速率以及整體水分管理能力顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.544、-0.628、0.692;織物的孔隙率與織物的透氣性、熱阻、整體水分管理能力顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.654、0.748、0.735;織物的厚度與織物的透濕性、熱阻顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.771、0.761;構(gòu)成織物的組織結(jié)構(gòu)與織物的透氣性、透濕性、熱阻的相關(guān)系數(shù)分別為0.783、0.631、0.684;織物的面密度與織物的透氣性、整體水分管理能力顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.688、0.709。

2)對13款PBT/PET緯編單面運動T恤面料的熱濕舒適性進行綜合評價發(fā)現(xiàn),平紋組織、單面提花(1)組織和單珠地網(wǎng)眼的熱濕舒適性比較好,更適合應(yīng)用于運動休閑領(lǐng)域。