单向导湿功能纺织品的研究进展

郝习波，李辉芹，巩继贤，高新锋，焦海峰，张健飞，丁振翔

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387;3.江苏悦达众翔针织印染有限公司，江苏 盐城 224300)

单向导湿功能纺织品的研究进展

郝习波1，2，李辉芹1，2，巩继贤1，2，高新锋1，2，焦海峰1，2，张健飞1，2，丁振翔3

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387;3.江苏悦达众翔针织印染有限公司，江苏 盐城 224300)

单向导湿织物是一种具有高附加值的功能纺织品，除了服用之外，在医用卫生，分离过滤，微流体控制等领域具有广阔的应用前景。从仿生学的角度总结了目前单向导湿的原理:差动毛细效应、湿润梯度效应、蒸腾效应。详细阐述了从纤维选择，织物结构设计，功能整理3个方面实现单向导湿的方法;指出了传统单向导湿服装在穿着多层服装情况下的局限性，作为解决方案介绍了在织物长度方向上的单向导湿织物;最后提出仿生作为单向导湿织物研究的基本思路，从提高耐静水压性和引入动态评价方法2方面对未来作出展望。

单向导湿;功能纺织品;仿生;湿润梯度

织物的导湿性是影响服装舒适性的重要因素，如果人体分泌汗液过多，织物不能迅速将汗液导向织物外表面并蒸发，人体不仅会产生不舒适感，而且会滋生细菌产生异味，威胁人体健康［1］。因此，怎样使汗液从织物内层迅速传导到外层，尽可能快的蒸发掉，并使外层的汗液不回流到内层，成为导湿领域的重要研究方向。

单向导湿织物的正反两面导湿性能存在明显的差异，文献［2］中对单向导湿织物的定义是:通过织物内外层材料亲、疏水性的差异，即织物内层大部分疏水小部分亲水，汗液从织物内层的小部分亲水部位传输到织物亲水性的外层，并在外层快速蒸发。近年来随着研究与认识的深入，单向导湿织物的实现方法也已经超出了上述定义的范围，甚至有人提出了具有“导湿二极管效应”的织物，即织物的一面导湿性极强，另一面却很难进行湿传导。单向导湿织物的应用领域从服用延伸到医用卫生［3］、分离过滤［4］、微流体控制［5］等领域。本文从单向导湿的原理、实现方法2个方面系统、全面地阐述了单向导湿织物的研究进展，以期为后续的相关研究工作提供借鉴。

1 单向导湿的仿生学原理

1.1 差动毛细效应

差动毛细效应又称杉树效应［6］，是利用杉树吸水的毛细管效应，采用毛细管直径由下到上直径变细的形态来解决芯吸高度和传输速率的矛盾。

在双层结构织物中，当织物外层纤维形成细的毛细管，织物里层纤维之间形成较粗的毛细管时，在织物内外层界面之间就会产生附加压力差，织物中的液态水在附加压力差作用下自动从里层流到外层，形成一定的单向导湿能力。文献［7－8］从理论上分析并指出，织物的内层纤维粗、纱线捻度小、密度大于外层以及纤维伸长小于外层，均有利于提高差动毛细效应，进而提高织物的单向导湿性能。

1.2 湿润梯度效应

自然界中甲壳虫后背［9］和蜘蛛丝［10］都拥有极强的水分收集能力，这是因为它们表面都拥有润湿性完全相反的2种区域:疏水性的与亲水性的。当表面出现湿润性梯度时，疏性区域从空气中收集的水分会自发的向亲水性区域移动，并在那里汇集成水珠。依据这种原理，当织物具有亲/疏水性双侧结构时，在织物厚度方向就会出现湿润性梯度，并且从疏水性区域向亲水性区域产生附加压力差，水分受到附加压力差的作用产生单向导湿效应。这是目前单向导湿的主要实现方法，尤其是高效单向导湿性的实现。

1.3 蒸腾效应

植物的蒸腾作用展现了惊人的水分传导能力，它们通过克服重力作用，将根部从土壤中吸收的的水分经过木质部导管运输到叶部，从气孔排出，其排放水蒸气的速率要远远大于自由水表面的蒸发速率。并且，植物的这种生理过程是不需要消耗能量的。尽管这种水分传导机制直到现在仍然在探究中，但是普遍认为是通过内聚力，渗透作用以及毛细管作用这些机制实现。并且，这些作用机制的产生与植物的根，茎，枝，叶的系统构造紧密相关［11］。通过织制多层织物来模仿植物的这种构造，可以产生明显的单向导湿能力。

2 单向导湿纤维的选择

目前关于织物亲/疏水性双侧结构的获取，主要通过织物的后整理来实现，但是经过后整理的织物舒适性并不理想，而且不耐洗涤。如果纤维材料本身具有优良的疏水与亲水性能，那么就可以克服掉这些缺点，省去很多繁琐的工序。

2.1 新型疏水纤维

疏水性纤维可以通过物理与化学的方法来获得。化学方法主要是通过接枝法使疏水基以共价键形式与可改性纤维材料的反应基团相结合，从而增加纤维的拒水性［12］。张俊等［13］，用含氟单体甲基丙烯酸八氟戊酯对真丝纤维进行接枝改性，接枝后纤维的接触角明显增大，体现出较好的疏水性能。

物理方法通过改变纤维表面形态以及改进纺丝方法来改善疏水性能。研究发现［14］以聚四氟乙烯为靶对聚酯纤维进行溅射，在一定的电压与气压下，纤维表面会形成纳米级的网络结构。这种网络结构表现出高疏水性，使得PET纤维和水的接触角达到 145°。

2.2 新型亲水性纤维

相对于纤维素纤维而言，合成纤维具有优良的机械性能，但是其吸湿性较差。同样可以通过化学方法和物理方法来提高合成纤维的吸湿性。其中，化学方法是合成纤维亲水化的主要方法。

化学方法主要是大分子主链与亲水单体的接枝共聚，例如，陈志军等［15］采用化学接枝法以丙烯酰胺(AM)为接枝单体，对聚丙烯腈纤维进行了接枝亲水改性。接枝后的聚丙烯腈纤维的亲水性大大提高，且吸水率随着导入率的增加而增大。

物理方法包括:1)共混改性和复合纺丝法，这一类纤维最具代表性的是日本可乐丽公司生产的Sophista纤维;2)纤维结构微孔化，比如浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司自主开发出的蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维［16］;3)纤维表面粗糙化和横截面异形化。这一类纤维有 Coolmax®等［17］。

3 单向导湿织物结构

单向导湿织物涉及的织物结构类型广泛，可以是机织物，针织物，也可以是非织造布。从织物层数来说可以是单层，也可以是多层。

3.1 单层织物

单层织物实现单向导湿有2种途径:一种是通过正反两面的亲/疏水性整理。另一种是通过亲疏水性不同的经纬纱交织而成。文献［18］介绍了一种具有单向水分管理能力的单层机织物，这种织物的经纬纱具有不同的亲水性，由于内外表面经纬组织点的密度有差异，因此形成亲疏水性区域面积不同的正反两面。靠近穿着者皮肤的内表面具有高比例的疏水区域，内表面低比例的亲水性区域将水分从织物内侧传递至外侧。这种结构能够保持内部的相对干燥，并且减少通过毛细作用回流到内部的液体量。

3.2 多层织物

3.2.1 湿润梯度效应织物

对于单层织物而言，由于内外两面的纱线相同，所以在人体大量出汗时除非织物完全干燥，否则人体还是会有湿冷感。所以在双层织物中贴近皮肤的一层通常选用疏水性材料，外层选用亲水性材料，这样不但可以保持内部的干燥，而且在内外层形成湿润性梯度促进织物的单向湿传导，这是在双层织物中实现单向导湿最常见的方法。在这种方法的基础上，通过一定的结构设计可以进一步提高织物的单向导湿性能。侯秋平等［19］利用H型截面吸湿快干涤纶纤维和彩棉设计了灯芯点结构针织物，织物的疏水性内层通过许多连接点与亲水性外层复合，连接点含有一定比例的亲水型纤维，并按一定的顺序分布在织物中，这种织物将汗液从内层传向外层的能力非常惊人。

3.2.2 差动毛细效应织物

单纯利用差动毛细效应来实现单向导湿的织物较少，其往往与其他方法结合来实现单向导湿。许瑞超等［20］以异形涤纶纤维为原料，运用差动毛细效应，通过织物内外层所用纤维异型度和线密度的差异织制出三种具有定向导湿功能的针织面料，即单面填纱、法国罗纹和鱼眼结构织物。测试结果表明该类织物具有明显的单向导湿功能。

陈晓艳等［21］设计了一种3层结构的梯级导湿针织面料，在各层采用不同的组织，纤维原料或添加助剂。结果表明这种针织面料具有良好的定向导湿能力。

3.2.3 蒸腾效应织物

文献［22－24］通过织制3层织物来模仿植物的树枝状结构。这种织物的底层是4/4假纱罗组织，4根纱线聚拢到一起形成主茎。在第2层选用方平组织，纱线4根的聚拢变为2根，由“茎”变为“枝”。顶层选用平纹组织，2根纱线的聚拢被分开为单根纱线，这样可以使表面具有更大的比表面积，为了进一步提高顶层的水蒸发速率，模仿叶子的表面形态，增加织物与空气接触的面积，在织物表面增加附着的绒毛和线圈。底层模仿根部的形态做拉绒整理。

该织物实现了类似于植物的水分传导机制，大大提高了水分的单向传导能力，织物表层的水分蒸发速率可以达到自由水表面的2～3倍［23］。织造类似的仿生结构针织物，同样取得了显著的效果。Shi Xianjun等［25］在理论上证明了通过模仿植物结构提高织物水分传导能力的可行性，并且推导出该类物的最大导湿量可达到普通织物的1.707倍。

3.3 非织造织物

非织造织物的单向导湿一般可通过功能整理来实现，近年来有研究者尝试从纤维材料与织物结构入手。Wu Jing等［5］通过静电纺丝法，纺制了具有“导湿二极管效应”的双层结构纳米纤维膜。这种膜由疏水性的聚氨酯与亲水性的聚乙烯醇纺制而成，因而具有亲疏水双侧结构。并且相对于亲水部位，疏水部分的纤维较疏松，直径较细，使得纤维膜同时具有差动毛细效应，促进了它的单向导湿性。

4 单向导湿织物的功能整理

通过功能整理，可以使织物形成亲/疏水性双侧结构。目前，这种整理主要从2个方面入手:一方面是材料的表面能大小，另一方面就是材料的表面结构及形态。纤维材料的表面能越小，表面越粗糙则疏水性越高，反之则亲水性越高。

4.1 单面整理

对亲水性材料而言，可以只进行单面疏水整理。汪南方等［26］采用浆点印制法对纯棉针织物进行单面疏水整理，整理后的织物单向导湿效果可达4.5～5级，具有较强的耐水洗性。吴烨芳［27］等采用平网印制的方式，用拒水拒油整理剂对棉织物进行单面整理，使织物形成亲/疏水双侧结构，获得了单向导湿能力。

对疏水性材料而言，可以只进行单面亲水整理，任祺等［28］采用亲水整理剂Hansi QS-CONC对聚丙烯SMS非织造布进行单面亲水整理，获得了显著的单向导湿性能。

4.2 双面整理

当然也可以对织物同时进行亲水整理与疏水整理，如文献［21］所述，这些整理方法在一定程度上实现了织物的单向导湿性，但是效果并未达到理想状态。近年来，一些更加高效的湿传导整理方法被研究人员发现。Wang Hongxia等［29］用凝胶-溶胶法制备了一种超疏水性的织物涂层。在对织物两面都进行超疏水性整理后，对其中一面进行紫外光照射使其获得了亲水性，因此在织物正反面形成亲疏水双侧结构，实验结果表明该织物具有“导湿二极管效应”。通过进一步证实，这种水分传导能力是与重力无关的，完全依靠整理后织物的表面性能来实现。以色列学者［4］将三氯甲烷与二氯甲烷的混合溶液浸涂在不锈钢金属丝网表面，使金属丝网的两面获得超疏水性。其中一面经紫外线照射后由疏水转为亲水，并且出现了由疏水面到亲水面的“导湿二极管效应”。

上文中提到的2种具有“导湿二极管效应”的织物，疏水区域可以直接进行湿传导。但是对于一般的单向导湿织物而言，为了能够将汗液快速充分的传递到织物外层，织物内侧会留有小部分亲水性区域。这就必然要考虑疏水性整理剂在织物内表面的涂覆面积。除了整理面积外，整理剂的渗透深度对织物导湿性能也会产生重要影响。这就需要在整理过程中对浆料、工艺进行优化以筛选出最佳方案［27］。

还有文献［26，30］讨论了织物的疏水性整理对织物散湿功效、芯吸高度、透气量、热阻和湿阻、柔软性以及抗静电性的影响。

5 织物长度方向的单向导湿

上述的单向导湿效应都是发生在织物的厚度方向，这些方法已经在运动服装与夏季服装上获得了成功的运用，但是在冬季天气寒冷，人们穿着多层的服装，这种情况下，汗液往往会滞留在内层无法蒸发。有鉴于此，Fehime Vatansever［31］设计了一种在织物长度方向上具有单向导湿效应的织物，同样是利用了湿润梯度效应，如图1所示。当汗液渗透到这种织物上后会自发的向相对亲水的部位转移，由于亲水的部分作为服装的下摆与空气接触，所以汗液易于蒸发。这种方法可以有效地缓解人们在穿着多层服装时出汗带来的湿冷感。

图1 织物长度方向的单向导湿Fig.1 Unidirectional water transport along length of fabric

6 结束语

通过织物结构设计与后整理来实现对生物结构与表面微观形态的的模仿已经取得了丰硕的成果，在此基础上继续开展工作具有广阔的前景。对于传统的单向导湿织物与防水透气织物而言，前者虽可实现显汗状态下的单向湿传导，但是表面不具备防水功能。后者虽然具备防水与透气功能，但是显汗状态下汗液排放困难。随着单向导湿织物的发展，尤其是具有“导湿二极管效应”织物的出现，单向导湿与防水透气织物的界限越来越模糊。但是，目前织物的“二极管效应”仅限于在一定的水压下。如果想要将这种织物应用于防水，必须提高织物的耐水压性。另外，目前对于织物单向导湿性能的测定普遍在静态下取得，而人体大量出汗时往往是在剧烈运动情况下。在动态下，受各种复杂外力的影响，服装的单向导湿性能达到什么样的效果，还未见有文献报道。

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Review on unidirectional water transport functional fabrics

HAO Xibo1，2，LI Huiqin1，2，GONG Jixian1，2，GAO Xinfeng1，2，JIAO Haifeng1，2，ZHANG Jianfei1，2，DING Zhenxiang3
(1.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin 300387，China;3.Jiangsu Yueda Zhongxiang Knitting Printing and Dyeing Co.，Ltd.，Yancheng，Jiangsu 224300，China)

Unidirectional water transport fabric is a kind of functional fabrics which has high added value.Besides being used on wear，it also has huge potentials in the field of medical care，filtration and separation，flowing control，etc.Biomimetic theory of unidirectional water transport fabrics，including differential capillary effect，wett ability gradient effect and transpiration effect are explained.Also reported are three basic ways to achieve unidirectional water transport effect，which are fiber selection，fabric structure designing and functional finishing.The disadvantages of unidirectional water transport fabric used under the condition of wearing multi-layer clothes are explained，and as a solution to solve this problem unidirectional water transport effect along the length of fabric is proposed.Finally，biomimetics is proposed to be a basic way to enhance unidirectional water transport property of fabric，and future development is made from two aspect of the improvement of fabric's resistance to hydrostatic pressure and the introduction of dynamic evaluation methods.

unidirectional water transport;functional fabric;biomimetic;wettability gradient

TS 116

A

10.13475/j.fzxb.20140602706

2014－06－16

2014－08－29

郝习波(1988—)，男，硕士生。研究方向为应用仿生功能性与舒适性纺织品。李辉芹，通信作者，E-mail:zhxlihuiqin@163.com。