基于环芯电极同心环辐射分布的织物导湿性能表征

孟宪辉 于伟东

(东华大学纺织学院，上海，201620)

基于环芯电极同心环辐射分布的织物导湿性能表征

孟宪辉 于伟东

(东华大学纺织学院，上海，201620)

运用电阻法测试原理，设计同心环辐射分布的电路和仪器参数，研制各测量点为环芯电极式的织物导湿性能测试仪，用于模拟汗液在织物表面的传导过程，并对涤/棉、纯棉和亚麻织物进行实际测量。试验结果表明，该仪器可获得织物面内多方向的如导湿速率、导湿扩散面积等精准结果，并在此基础上提出织物湿传递性能综合评价方法，为织物导湿性能的客观检测与评定提供一种精准、快速、有效的方法。

环芯电极，湿传递，检测，导湿速率

功能性导水织物的直接使用对象是透湿排汗织物，其发展经历了三个阶段，从以选择高吸湿、高回潮率纤维为主的吸湿排汗织物［1］，到以选择异形和较小表面接触角纤维的导汗导水织物［2］，再到近20年来利用各种功能整理［34］或形状记忆纤维［5］69－71的织物［6］60－63，如能单向导水或具有双面功能的织物等。且多年来，功能性导水织物的研究主线是纤维的选择，以及涂层与表面改性的整理。目前，在针对性地改性和提升功能有效性方面进步明显，其最主要的、效果显著的进步在于水的吸附、吸附水与皮肤的分离、微气候的优化，以及水在织物中的扩散和单向传导等;但相应的表征方法，以及高效与智能材料的研究［5］69－71，［6］60－63进展较慢，尤其是在汗水的单向透导及汗水在织物中的扩散速率与分布的表征方面极为缺乏。

本文针对已有的导汗透湿织物，研制出可进行液态水扩散速率及其分布特征的测量装置，并进行实测，以期能为功能透湿导水织物的制备和性能提升提供准确、快速、动态的分析，为透湿导水表征提供切实可行的方法。

1 测量装置的设计

1.1 电路设计

环芯电极式导湿性能测试仪电路原理如图1所示。其中，电源电压为3.3 V，定值电阻的阻值为1 MΩ。

图1 环芯电极式导湿性能测试仪电路原理

1.2 数据采集原理设计

将每一组环芯电极接入如图1所示的电路中。由于织物在干湿两态下的电阻值不同，故而反映到电路中的定值电阻两端的分压也不同。织物干态电阻可达1×109～1×1011Ω，这使得定值电阻两端的分压较小;织物湿态电阻约为1×102～1×106Ω，这使得定值电阻两端的分压较大。因此，本文根据织物干湿状态下的电阻值，设置定值电阻大小为1MΩ。

比较器始终用于检测定值电阻两端的电压，其初始比较电压设为1.65 V，即测量装置检测织物电阻的阈值为1MΩ，也可根据湿态织物的电阻调节比较电压的大小。当定值电阻两端电压大于1.65 V时，比较器向单片机输出高电平;当定值电阻两端电压小于1.65 V时，比较器向单片机输出低电平。这样，单片机就可根据输入的电平高低判断织物的干湿状态。

1.3 环芯电极排布设计

织物导湿性能影响因素主要有纱线的原料，织物的经纬向纱线密度(即纵横密度)、厚度、组织结构及表面处理等。以机织物为例，多数机织物经向纱线密度大于纬向，经向会形成较多且细的毛细管，故经向导湿速率较大。因此，根据织物实际的导湿分布情况，设计出环芯电极排布图(图2)。图中环电极外径为4mm、内径为2mm，各环电极之间的圆心中心距为8mm，环电极中心放置直径为0.5 mm芯电极。环芯电极材质选择导电性能良好的镀金黄铜，在圆周方向呈等辐射角22.5°排列。

2 测量装置硬件与软件

2.1 硬件

测量装置的硬件包括Cortex－M3单片机、LM399比较器、印刷电路板、TFT－LCD显示屏、杜邦线、插针、螺钉紧固件等。

2.1.1 Cor tex－M3单片机

Cortex－M3单片机是测量装置的运算及数据处理系统。将编写好的单片机程序下载安装到单片机中，便可执行本测量装置所需的电路导通状态检测、精确计时、数据实时显示、定时中断等功能。

2.1.2 LM399比较器

比较器用于比较模拟电压与基准电压的大小。本测量装置选择LM399比较器，基准电压设置为1.65 V，可通过调节滑动变阻器阻值调节基准电压的大小。

2.2 程序设计

由于本测试装置采用Cortex－M3单片机，故采用C语言来编写程序。程序主要包括信号采集、比较器工作、锁存器工作、数据显示、定时中断等模块。通过程序的运行可实现循环检测定值电阻两端的电压，即鉴别各路环芯电极的导通状态。导通后瞬时记录从开始到导通的时间，并将数据实时显示在TFT－LCD显示屏上。当全部电路导通或测试时间大于10min即停止检测。

3 试验

3.1 试验设备、材料及测试环境

试验设备、材料包括环芯电极式导湿性能测试仪、微量滴定管、生理盐水、稳压电源、微调加压装置等。试验所用织物样品尺寸为10 cm×10 cm。

将样品放置在温度为(25±1)℃、相对湿度为(65±5)%的环境中平衡48 h，整个测试过程都在恒温恒湿环境中进行。由微量滴定管提供定量测试液，每次定量滴定0.1mL，每种织物样品至少测试5次。

3.2 样品参数

试验所用织物样品参数如表1所示。

表1 织物样品基本参数

3.3 试验结果及分析

测试装置可同时测量织物圆周各方向的湿传递性能，利用测得的圆周各位置的导通时间(精度可达0.1ms)计算得到织物导湿速率与最终导湿面积等指标。

本文在0.0°～360.0°范围内对6种织物样品的导通时间进行了测试。测试时测试装置的0.0°方向与织物的纬向排列一致，90.0°方向与织物的经向排列一致。表2仅给出了0.0°～90.0°(间隔角为22.5°)范围内测试结果。

3.3.1 织物面内导湿速率分布及衰减分析

图3为6种织物样品第二、三、四、五圈的导湿速率分布，图中导湿速率最高的第二圈位于最外层，向内依次反映的是第三、四、五圈的导湿速率。

图3 织物导湿速率分布

从图3可以看出，织物导湿速率分布近似为椭圆形。在0.0°～90.0°范围内，同一圈上织物导湿速率，经向最大、纬向最小，且导湿速率随角度由大到小逐渐递减;同一方向上，织物导湿速率从第二圈向第五圈逐级递减。图3(b)所示为2#织物，其因厚度较其他织物厚，有部分液态水传递到厚度方向，加之其纱线线密度较高，故纱线间所形成的毛细管较大，导致导湿速率较小。

表2 织物样品湿传递参数

由表2可大体看出，液态水在织物面内各方向的导通时间各不相同，且在不同环域内的导通时间亦不相同。结合散点并利用origin软件拟合织物面内0.0°～90.0°范围内的导湿速率衰减曲线，拟合结果见表3和图4。

表3 织物导湿速率衰减曲线拟合及导湿面积

从表3和图4可以看出，织物在湿传导过程中导湿速率存在一定规律，其变化近似满足二次多项式变化。如1#和3#织物的第二、三圈导湿速率，两者拟合曲线非常相似，且经纬向导湿速率比接近，因此可得出1#和3#织物的导湿速率相似;4#和5#织物虽然其经纬向导湿速率比有差异，但两者的导湿面积接近，故导湿性能差别不大;2#为斜纹织物，织物表面虽有一定的斜向纹理，但厚度较大，故液态水会更多的在厚度方向传递，导致其经纬向导湿速率比相对较小。此外，液态水在织物表面向四周扩散的过程中，各方向的导湿速率都在减小，且纬向导湿速率下降较快，导致织物各圈的经纬向导湿速率比越来越大。

3.3.2 织物面内导湿扩散面积分析

由于本测量装置不仅能获得各测量点的导通时间，亦可以通过判断各点最终导通与否来确定织物最终的导湿轮廓及导湿扩散面积。通过描绘最外围各导湿点即可得到导湿轮廓，进而求得导湿扩散面积。

6种织物的最终导湿扩散面积及导湿扩散面积比见表4。由表4可以看出，以1#织物为标准作对比，3#织物的导湿扩散面积最大，4#和5#织物的导湿扩散面积次之，6#织物比1#织物稍差，2#织物的导湿扩散面积最小。

3.3.3 织物综合导湿性能评价

根据各织物的导湿扩散面积大小和形态的对比，以及导湿速率大小及方向的对比，本着导湿扩散面积大、导湿速率大的原则进行各织物导湿性能的评价。综合导湿性能评价结果:3#织物＞1#织物、4#织物、5#织物＞6#织物＞2#织物。

4 结论

利用环芯电极式导湿性能测试仪测试纯棉、涤/棉和亚麻织物，可有效地获得织物面内多个方向的导湿性能、导湿扩散圈，以及织物各方向各位置的导通时间，并依此对织物导湿性能进行评价。测量结果表明:

(1)液态水在织物面内的传递过程中，不同方向的导湿速率存在差异，一般经向最大、纬向最小，原因在于织物的经向纱线密度大于纬向，故经纱之间空隙小，芯吸作用强，导湿速率快。

(2)液态水在织物面内向四周扩散的过程中，导湿速率逐渐递减，其递减规律呈二次多项式变化。

(3)应用电阻法与电子信息技术设计的织物导湿性能测试装置可检测织物面内多个方向的导湿性能，该装置可直观地获得织物各方向、各位置的导通时间，能为织物面内导湿性能的客观检测与评定提供精准、快速、动态的检测方法。

［1］刘玉磊，孟家光.吸湿排汗纺织品类型及应用［J］.纺织科技进展，2009(5):33－36.

［2］徐伟杰，张玉高.导湿快干与单向导湿织物［J］.印染，2011(2):50－55.

［3］陈镇，赵世显，冯愈，等.涤棉织物吸湿排汗整理［J］.印染，2013(20):30－34.

［4］任惠，吴雄英，李毅.纺织品中液态水传递性能的测试方法［J］.上海纺织科技，2005(10):32－34.

［5］张才前，常丽霞，骆刚平.织物导湿性能测试方法与测试仪器［J］.国际纺织导报，2007(3).

［6］敬凌霄，张同华，汪涛，等.织物动态导湿仪器的设计与应用［J］.毛纺科技，2010(5).

Characterization of fabric moisture properties based on ring-core electrodes in concentric with radiating line distributions

Meng Xianhui，Yu Weidong
(College of Textiles，Donghua University)

By using resistance testing theory，the circuit and instrument parameters of concentric ringswith radial distribution were designed，and fabric moisture transfer tester with ring-core electrodes in every measuring pointswas developed，which could simulate sweat transmission process on fabric surface，and actual conductmeasurements for polyester/cotton，cotton and linen fabricswere done.The experimental results showed that fabricmoisture transmitting indexes in multiple directions，such asmoisture wicking rate and moisture transmitting area could be obtained，and based on these，the grade classification of fabricmoisture transfer performance was proposed，which could provide an accurate，fast and effectivemethod for detecting fabric moisture transmitting performance.

ring-core electrode，moisture transfer，detection，wicking rate

TS103.6

:A

:1004－7093(2015)09－0036－06

2014－11－13

孟宪辉，男，1990年生，在读硕士研究生。研究方向为功能性导湿排汗织物的导湿机制与表征方法。

于伟东，E-mail:wdyu@dhu.edu.cn