以木棉为户外睡袋填充料的探索研究

张振方，王梅珍，林 玲，万 明，王 瑄

(1.西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安710048;2.浙江纺织服装职业技术学院，浙江宁波315211)

0 前言

据不完全统计，户外运动在2008年之后在国内发展迅速，产业规模超过百亿元规模，正以每年翻一番的速度增长，而且随着纺织结构电极的研究正日益蓬勃发展，户外运动的专业化将越来越高，与国内户外运动蓬勃发展的盛况相比，国内户外用品市场则不容乐观。国内目前并无统一户外用品标准，普通装备只能向纺织品国标看齐，甚至有产品还在遵循已被淘汰的国标;大多数产品吊牌中文标识有欠缺，仅能获悉产品面料成分，但对于专业性的数据明细则是一片空白。同时，各企业自定标准，名目繁多，且有推高价格之嫌，造成市场紊乱，消费者无从选择［1］。木棉纤维由于中空保暖、质轻柔软、抗菌防螨等性能而受到广泛关注，东华大学王府梅教授近年来在木棉纤维及其絮料方面的研究取得了显著成果，但木棉在户外纺织品中的应用在国内极少，甚至是空白。目前，睡袋填充料多是羽绒或化纤，羽绒价格较高［2］，化纤属石油资源且保暖性能欠佳，而木棉纤维保暖性能优异、价格便宜，具有抗菌防螨的功能性作用［3］。因此，本文在对木棉纤维基本性能的研究基础上，探索研究木棉纤维作为户外睡袋填充料的应用前景。

1 木棉纤维基本性能

1.1 木棉纤维微观外貌

木棉来源网购，属印尼产木棉。对纤维的微观外貌进行研究，实验采用中国科学院宁波材料技术与工程研究所仪器，型号为蔡司钨灯丝扫描电镜EVO18，所得放大2000倍SEM镜图像如下所示:

图1 放大300倍的木棉

图2 放大2000倍的木棉纤维

由图中可以看到，木棉纤维表面并不是光滑的，有微小条纹，纤维无类似棉纤维的天然转曲。

1.2 木棉纤维基本性能

经过测试，其基本性能如下表所示:

表1 木棉纤维的基本性能

2 睡袋小样的制备及其性能测试

2.1 睡袋小样的制备

网购木棉由于打包压缩，木棉纤维结块成团较严重，成团压缩状的纤维会大大降低纤维集合体的保暖性，为此，首先对木棉散纤维化。采用东华大学开清梳联合试验机进行开松梳理处理，其具体散纤维化方案:木棉喂进开松机、梳理机，经试验得知，木棉可梳理成网，但棉网连续性差、强度低，甚至无法完整从梳理机取出。将棉网取出(棉网不必完整)再放进开松机，将棉网打散，可基本保证木棉散纤维化。

睡袋小样的面料为190T涤塔夫防钻绒面料，测试规格为 30cm ×30cm，填充量为 30g［4］，但为测试准确，裁布时应按照30.5cm×30.5cm剪裁，预留0.5cm布边，便于缝纫机沿线缝纫，同时为避免手工填充造成填充料松紧不匀，采用充吸两用式充绒机进行散纤维填充，为此应在小样布边一侧预留2cm小孔。

图3 纯木棉成网

图4 测试状态下的睡袋小样

2.2 实验方法及仪器

在现有测试的基础上，分别对 100g/cm2、200g/cm2、333g/cm2、400g/cm2、500g/cm2睡袋小样的热阻透湿率及压缩性能进行测试分析，以期确定最佳木棉睡袋小样的克重。

2.2.1 热阻透湿率性能测试

采用国外STM－511型热阻湿阻仪，其属于GB/T 11048－2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》中B型仪器—静态平板法。热阻测试时，试样在35℃、40%相对湿度的环境调湿24h，测试时调节仪器触控面板温度20℃、湿度65%、空气流速0.1m/s，为测试精确，待仪器稳定后，每3分钟读一次数据，取12个数据，结果求平均值。湿阻测试时，调湿后调节触控面板35℃、湿度40%、空气流速0.1m/s，测试时先将不透水薄膜放在测试面板上，稍后测试将试样放在薄膜上，数据读取与热阻相同。

2.2.2 压缩性能测试

采用莱州电子仪器有限公司YG821L型国产织物风格仪依照标准FZ/T 01051－1998测试试样的压缩性能。压板尺寸为5cm×2cm，实际接触面积为10cm2，为了提高试验速度，返回速度设置为48mm/min，因试样无法裁剪为较小尺寸测试，选取试样四角和中心位置测试求平均值，为使数据尽量准确，每组测三次求平均值。

2.3 实验结果与分析

2.3.1 睡袋小样热阻透湿率

图5 不同克重的木棉睡袋小样热阻透湿率

对图中分析，在木棉睡袋小样平方米克重为333g/cm2时具有最高的热阻值，而热阻越大，纤维集合体的保温性能越好，在400g/cm2时的热阻与333g/cm2时的热阻比较接近，但在500g/cm2时的热阻则较小，分析认为:影响纤维集合体的保暖性能的因素较多，此处应归结为由于平方米克重的增加，纤维与纤维之间的空隙减少，木棉纤维为大中空结构，纤维中空结构部分变少，纤维集合体所能锁住的静止空气减少［5，6］，因此，热阻会变小，保暖性能减弱。

对图中透湿率分析，木棉睡袋小样在100g/cm2时具有最大透湿率，其次是在平方米克重为300g/cm2时的透湿率较大。考虑到睡袋小样克重为100g/cm2时的热阻偏小，而睡袋的基本功能除了具有保暖作用外，还应具有较好的透湿性［7］，因为人体的出汗分为显汗和潜汗，在静态睡着时主要以潜汗为主［8］，在透湿性较差时，会影响睡袋的保暖性，造成睡眠质量的严重下降。为此，初步选择平方米克重为333g/cm2木棉睡袋小样。

2.3.2 压缩性结果与分析

图6 不同克重下的木棉睡袋小样的压缩性能

对图中进行分析，压缩率随着克重的增加而减小，压缩率反映了材料的抗压缩能力，即材料的柔软度，压缩率越高，材料越柔软，随着克重的增加，木棉睡袋小样的的柔软度逐渐下降。

对图中进行分析，木棉睡袋小样的蓬松度在100g/cm2、200g/cm2、333g/cm2时相对接近且数值较高，之后蓬松度急剧下降，而蓬松度对材料的保暖性影响较大，因此应选择较高的蓬松度克重。

综合以上分析认为，不同克重的睡袋小样在333g/cm2时的热阻透湿率及压缩性较好，即综合表现较好，因此，对于木棉睡袋的克重选择为333g/cm2。

3 不同湿度下的木棉散纤维保暖性能测试

在南方的梅雨季节及湿度较大的户外进行露营时，睡袋不可避免地会进行吸湿，木棉纤维由于有中腔而具有良好的导湿性［9］。热阻的测试需要在规定的温度湿度环境内进行测试，因此木棉在不同湿度下的保暖表现无法通过热阻仪进行测试定量对比，为此采用定性比较其在不同湿度下的保暖表现。

3.1 实验仪器

500ml烧杯、玻璃棒、温度计、标签、秒表、剪刀、双面胶、锡箔、DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器(保证水浴锅内上下水位温度一致)，纤维集合体的加热方式如下图所示:

图7 木棉集合体恒温加热示意图

3.2 实验方法

对木棉不同湿度的处理方案为:在54%湿度环境下，称取5g木棉散纤维装进500ml烧杯中，用锡箔将烧杯口封闭(确保环境内湿度不变)，在烧杯中间插入温度计，为观测方便，漏出15℃的刻度值，升温时记录温度从16℃到38℃每升高一度所用的时间;将称取的5g木棉在烘箱中烘至重量基本不再改变，用锡箔封闭，测试方法同上;将称取的5g木棉装进500ml烧杯中倒置在布满孔眼的塑料板上，加热水箱，使木棉吸收定量水蒸气，用锡箔封口，以此达到不同湿度的环境，后放进冰箱冷却，以加热待用。在密闭环境下的湿度用含水量表示，以湿度环境54%时的5g木棉为基准，因此所设置的木棉含水量为－0.5g，0g，0.5g，1.0g，1.5g 进行测试分析。

3.3 实验结果与分析

图8 不同湿度下的升温速率

由图中可以看到，木棉在湿度为54%时的曲线在所有曲线之上，即此时湿度的木棉每升高1℃所用的时间最长，即此时的木棉传热较慢，热散失较少。随着湿度的增加(含水量)，每升高1℃所用的时间逐层变短，即热散失增多。综合以上分析可知，木棉纤维集合体的保温性能受湿度影响较大，因此，户外睡袋的研发与设计应注意木棉填充料的防潮防水。

4 结论

(1)纯木棉在平方米克重为333g/cm2时热阻透湿率及蓬松度较好，但压缩率不是最好，但综合考虑其为最佳克重选择。

(2)定量比较不同湿度环境下木棉的保暖性有难度，但可定性比较，木棉在湿度越大的环境下，其升温速率会增快，即保暖性下降。

［1］王炜.户外运动产品:标准缺失的阵痛［J］.生活，2009(5):13－16.

［2］李萍，刘骅.湖南省户外运动服务产品分析［J］.湖南大众传媒职业技术学院学报，2009，7(4):92－94.

［3］刘维.木棉保暖材料及其保暖机理的研究［D］.上海:东华大学，2011.

［4］万旺军，谭蒙，董如军.聚酯纤维/羽绒混合物保暖性能相关性研究［J］.检验检疫学刊，2013(4):35－36.

［5］谈丽平.木棉系列絮料的保暖性［J］.纺织学报，2007.4(4):38－44.

［6］楼英，王府梅，刘维.木棉絮料的压缩性能测试分析［J］.纺织学报，2007，28(1):10－13.

［7］房超.木棉纤维集合体的压缩性能研究［D］.上海:东华大学，2011.

［8］曹继刚.高蓬松纤维集合体保暖性测试方法研究及应用［D］.上海:东华大学，2010.

［9］衣卫京，肖红，施楣梧.木棉/三维卷曲中空涤纶复合浮力材料的探讨［J］.西安工程科技学院学报，2005(6):236－239.