木棉纤维集合体隔热透湿性能的研究

张芳芳，何天虹

(天津工业大学 a.纺织学院；b.艺术与服装学院，天津 300387)



木棉纤维集合体隔热透湿性能的研究

张芳芳a，何天虹b

(天津工业大学 a.纺织学院；b.艺术与服装学院，天津 300387)

超细化纤维是目前纺织服装保暖材料的发展趋势。木棉是迄今为止中空度最大的天然纤维，独特的中空结构使其成为一种理想的保暖纤维。以木棉纤维为主要研究对象，观察木棉纤维纵横向形态结构，分析填充度对保暖性能的影响，在相同参数下，对比分析木棉、棉、聚酯纤维三种纤维集合体的保暖透湿性能。结果表明：在填充度为0.3时，木棉纤维集合体的保暖性最佳；相同参数下，木棉纤维集合体的保暖透湿性最好。

木棉纤维；填充度；保暖性；透湿性；纺织服装

木棉纤维是一种质轻壁薄具有高中空度的纤维，中空率在85%以上[1]。其手感柔软、滑糯，纤维本身中空、质轻、保暖、天然抗菌、吸湿导湿，是目前纺织用纤维中线密度最小、质量最轻、中空度最高、最具保暖效果的天然纤维材料，被誉为“植物软黄金”[2-5]。在研究木棉纤维的化学成分方面，Sunmonu O. K.[6]采用化学试剂溶解的方法研究了木棉纤维的化学成分，确定其主要成分为纤维素、木质素和木聚糖；在木棉纤维的基本结构和性能的研究上，肖红等[7]通过实验表征了国产木棉纤维的基本结构和性能；作为浮力材料，美国海岸警卫队对木棉等纤维进行浮力实验，得出了木棉是最佳的浮力材料[8]；在木棉产品的研发上，晏国新[9]成功开发了木棉纤维混纺内衣、内裤、胸罩和泳衣产品。目前有关木棉纤维的研究，基本上集中于单纤维化学成分和性质、纤维结构和物理性能、木棉的可纺性、纤维集合体的浮力保持性等方面，在木棉纤维集合体的隔热透湿性能的研究上却不多见。本文通过对木棉纤维的形态结构进行观察，测试纤维集合体的保暖、透湿性，对比分析几种纤维集合体的保暖透湿性能，并探究纤维形态结构及纤维集合体的填充度对纺织服装制品隔热透湿性能的影响。

1 实 验

1.1 材 料

木棉纤维、精梳棉纤维(东莞市伟信进出口有限公司)，三维卷曲聚酯纤维(威海市科龙合成纤维厂)。

1.2 仪 器

JA3003B电子天平(河南兄弟仪器设备有限公司)，Y172型纤维切片器(南通宏大实验仪器有限公司)，VHX-600数字式三维测量显微镜(深圳益新电子仪器公司)，YG606D型平板式保温仪、YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂)。

1.3 形态结构测试

采用VHX-600数字式三维测量显微镜观察三种纤维的形态结构，主要通过超景深数码三维显微系统观察其横纵截面的形态结构。

1.4 填充质量测试

设定木棉纤维集合体不同填充度，根据填充度的公式计算出纤维集合体的填充密度，进而根据填充体积一定的情况下计算出填充质量，使用JA3003B电子天平(精确度：0.001 g)称量集合体的重量。

(1)

m=p1·v

(2)

式中：f为填充度；p0为纤维密度，g/cm3；p1为纤维集合体体积密度，g/cm3；m为填充质量，g；v为填充体积，m3。

1.5 保暖性能测试

参照GB/T 11048—1989《纺织品保暖性能试验方法》，采用YG606D型平板式保温仪进行测量。测试条件为：标准大气压状态下，环境温度20 ℃，相对湿度65%，并进行预热30 min，实验板尺寸300 mm×300 mm。每种试样各测试3次，通过计算其平均值的方法来提高测试结果的准确度。目前，虽然对纤维集合体隔热保暖性能定量测试仪器的研究与开发越来越多，测试纺织品隔热透湿性能的新技术不断涌现，但国内外尚无统一的标准进行测定纤维集合体保暖透湿性能的专用装置。考虑到纤维集合体形态结构的特殊性，不能直接将其放到实验板上进行测试，故本文选用传热透湿性能均较好的非织造布，将其缝制成300 mm×300 mm×10 mm的长方体形状的实验袋，以此模拟具有一定厚度的织物而进行保暖性能的测试操作。为保证纤维之间没有集聚的现象出现，在装样后要轻轻拍打试样袋。与纤维集合体相比，外层所用非织造布试样袋较为轻薄，透气性好，可忽略试样袋热阻对保暖性能的影响。

1.6 透湿性能测试

参照GB/T 12704.1—2009《织物透湿量测定方法透湿杯法》的要求，采用YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪进行纤维集合体透湿性能的测试。测试条件为：环境温度23 ℃，相对湿度50%，测定在一定条件下透湿杯质量的变化计算出透湿量，进而分析纤维集合体的透湿性能。在此，考虑到测试样品为纤维集合体，仍按照上述测试保暖性能的方法进行填充纤维集合体的试样袋来模拟为织物进行透湿性实验，试样袋大小为100 mm×100 mm×10 mm。外层试样袋的轻薄性可忽略其湿阻的影响因素。本实验采用水作为透湿剂的蒸发法，其中试样透湿量按下式计算：

(3)

式中：WVT为透湿量，g/(m2·24h)；Δm为同一实验组合体两次称量之差，g；A为有效实验面积，m2；t为实验时间，h。

2 结果与分析

2.1 纤维形态结构

木棉纤维的形态结构如图1所示，从横向形貌可以观察到，木棉纤维的细胞壁非常的轻薄，并几乎接近透明，具有很大的中腔结构；从纵向形貌可以看出，木棉纤维表面是十分光滑的，并呈现出圆柱型的结构，无转曲现象。

图1 木棉纤维的形态结构Fig.1 The morphological structure of kapok fiber

棉纤维的形态结构如图2所示，从横截面上看，该纤维为腰圆形，具有天然的转曲。聚酯纤维的形态结构如图3所示，该纤维为合成纤维，横截面为十分规则的圆形，纵向结构及其光滑。

图2 棉纤维的形态结构Fig.2 The morphological structure of cotton fiber

图3 聚酯纤维的形态结构Fig.3 The morphological structure of polyester fiber

2.2 保暖性能

纤维集合体实际上是纤维、空气及水之间的混合物[10]，在研究保暖性能时可将其看作是一种特殊的天然多孔材料，内部存在着众多相互连通或者是没有连通的孔隙[11]，这些孔隙的存在必然会使纤维集合体各项性能存在着一定的差异。根据纤维本身性能及集合体的特性，可通过以下两种途径来提高纤维集合体的保暖性能：一种是利用导热系数对保暖性能的影响作用，选用导热系数小的纤维作为保暖材料，但在实际应用中纤维彼此之间的导热系数相差并不是很大，故采用该方法提高纤维集合体的保暖性效果并不显著；第二种是综合考虑传导、辐射、对流之间的因素，利用优化纤维集合体中纤维与空气的比例，使集合体中静止空气的含量达到最大值。在测试中可通过填充度来表征集合体中静止空气的含量，故纤维集合体的填充度是决定集合体保暖性的关键参数。在研究保暖性能时，保温率是度量纤维集合体综合保暖性能的重要指标。本文选用保温率、传热系数、克罗值来表征纤维集合体的保暖性能，如表1所示。

从表1可以看出，木棉纤维集合体的保暖性能与填充度并不是一直呈现正相关关系。当填充度在一定范围内(f为0～0.3)时，木棉纤维集合体的保温率随填充度的增加而增大。这是由于填充度较小时，集合体内的孔隙率较大，内部空气容易产生对流，随着纤维集合体填充度的增加，在一定体积内纤维的数量就会增多，集合体之间的堆砌作用会越来越紧密，纤维间的孔隙率将会随之变小，这样就增大集合体之间空气流动的阻力，使得对流热显著降低，木棉纤维集合体的保暖性能就会相应的增大。

表1 木棉纤维集合体在不同填充度下的保暖性能指标

当填充度达到某一值时(f=0.3)，木棉纤维集合体内的静止空气量达到了最优化值，保温率也达到最高值，若继续增大其填充度，由于纤维数量的继续增加，使纤维集合体内部孔隙率继续变小，此时纤维集合体内能够容纳的静止空气量就会减少，使木棉纤维集合体的保温率降低。针对木棉纤维集合体中关于保暖性能的测试研究，关键目的是能够将木棉纤维集合体中纤维及空气的混合结构达到最优化状态，这样在不浪费原材料的情况下，控制好纤维集合体的填充度，使集合体的保温率维持在较高的范围。因此，建议使用的填充度是0.3。

在木棉纤维集合体最佳填充度下，三种纤维集合体的填充度相同时，不同纤维集合体的保温率、传热系数、克罗值存在着明显的差异。表2为填充度一定的情况下(f=0.3)不同纤维集合体的保暖性对比情况。

表2 不同纤维集合体的保暖性测试

从表2可以看出，在木棉纤维集合体最佳填充度(f=0.3)时，木棉纤维集合体的保温率最大，保暖性能最好，棉纤维集合体次之，聚酯纤维集合体的保暖性最差。木棉纤维集合体良好的保暖性能主要取决于木棉纤维本身独特的形态结构：该纤维的中空度极大，中腔内含有较多的静止空气，这些静止空气的存在可以使纤维集合体的保暖性能得到大幅度的提高；由于木棉纤维的密度最小，对于相同集合体的填充度，致使其蓬松度达到最大，可增大空气的流通阻力，从而使容纳的静止空气更加容易固定在纤维集合体的内部，即增加了集合体的整体热阻，使木棉纤维集合体的保暖性能大大提高。从棉纤维及聚酯纤维的形态结构上来看，它们的横截面都无大中空的结构，且纤维没有任何沟槽，故不能容纳更多的静止空气，因此其保暖性能没有木棉纤维集合体的好。而聚酯纤维的透气性差，在一定程度上影响其保暖效果。

2.3 透湿性能

纤维集合体的透湿量反映了气态水透过纤维集合体的能力，透湿量受材料两边温湿度差的影响[12]。纤维集合体的吸湿透湿性能主要是液体在集合体中毛细孔隙的芯吸效应，芯吸效应是指纤维集合体润湿后，液体在界面张力的作用下，沿着纤维集合体内毛细孔隙流动扩散的现象[13]。影响纤维集合体透湿性的因素包括纤维集合体的内部结构、孔隙的大小及外界大气条件[14]，其中水气通过纤维集合体主要的传递途径有三个方面：其一是纤维自身所具有的吸湿性能，并通过纤维集合体水气压低的一侧逸出去；其二是水气通过纤维集合体中的微孔进行扩散；其三是大量的水气分子所能够产生的凝露现象，并通过毛细作用通过扩散并在水气压较低的地方发生蒸发行为。

根据上述所测得的木棉纤维集合体的最佳填充度，在此基础上对三种纤维集合体相同填充质量的试样测试其透湿性，其结果如图4所示。

图4 三种纤维集合体的透湿量Fig.4 Moisture permeability of three kinds of fiber assemblies

从图4可以看出，三种纤维集合体试样透过水蒸气的能力虽不完全相同，但相差很小。木棉纤维集合体试样透湿量最大，聚酯纤维集合体试样的透湿量最小。从纤维集合体的亲水与疏水现象来说，一般情况下，集合体中纤维所含的亲水基团越多，纤维的吸水率就会越高，纤维与空气的接触面积越大，纤维的放湿速率相应就会越快。对于亲水性纤维，水蒸气在纤维中的传递会伴随着纤维自身结构密度的增加而相应减少，水蒸气在纤维中的传递方式是水分子从高浓度水蒸气一侧进入纤维中，与该纤维分子上的极性基团形成氢键而结合在一起，并达到趋于吸湿平衡的状态，再向水蒸气浓度梯度低的一侧空气中扩散，而聚酯纤维是疏水性纤维，虽然该纤维具有很强的透湿能力，但是纤维的吸水性很差，故聚酯纤维集合体的透湿量最少。从纤维的组成分析，木棉纤维含有很高的半纤维素，具有亲水能力，能够快速地吸水膨胀，又会在木质素的输送作用下以及内部大中腔中的空气流动带动的作用下，在较短的时间内带走大量水分，木棉纤维具有极好的透湿性能，即木棉纤维集合体的透湿性能要好于棉纤维集合体的透湿性能。

从观察到的纤维结构上看，木棉纤维具有极大的中腔结构，其内部孔隙很大，这种大中空结构间产生的毛细管具有很强的毛细管效应。在毛细管效应的作用下，该纤维集合体一面从内侧的孔中将水蒸气输入到中孔并沿中空部分合理分布，另一面又通过外侧微孔向空气中蒸发出去，可随时将水蒸气抽离并传输到纤维集合体的表面而迅速蒸发，因而吸水透湿迅速，保证纤维集合体具有良好的吸湿透湿性能；而另外两种纤维内部无孔隙，且没有沟槽，不能将水蒸气在通过纤维内部时仍保持顺畅的水气通道而产生很好的芯吸效应，加之棉纤维吸湿后会膨胀，使得水蒸气传递空间的通道被堵塞，水气不能直接到达纤维集合体的另一端，即无水气的直接传递作用，而聚酯纤维本身吸湿性就很差，导致其传递到纤维集合体另一端的水蒸气也很少，故木棉纤维的透湿性能最好，聚酯纤维的透湿性能差。

3 结 论

1)在标准温湿度条件下，木棉纤维集合体的保暖性主要由填充度决定。在填充度较小的范围内保暖性随其增大而增加，达到一定程度后，保暖性反而会下降，在本实验条件下木棉纤维集合体最佳填充度为0.3。控制纤维集合体的填充度，使其含有较多的静止空气是提高纤维集合体保暖性的极其重要的一种方法。故在开发具有保暖性能服装时，选择好保暖性的原材料及明确材料的最优用量极为关键。

2)在木棉纤维集合体最佳填充度下，相同填充度的三种纤维集合体的保暖性排序为：木棉，棉，聚酯纤维；相同质量下三种纤维集合体的透湿性顺序为：木棉，棉，聚酯纤维。其原因与纤维的内部形态结构及纤维集合体之间的堆砌结构有很大关系。

3)木棉纤维集合体具有很好的隔热透湿性能，在一定程度上增大了其在纺织服装应用上的服用舒适性能。结合木棉纤维自身具有的中空超轻、保暖透湿、绿色健康、天然抗菌等优良特性，奠定了木棉纤维在纺织服装领域的应用空间。

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Investigation on thermal insulation and moisture permeability performance of kapok fibrous assemblies

ZHANG Fangfanga, HE Tianhongb

(a. School of Textile; b. School of Art and Fashion, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Ultra fine fiber is the development trend of thermal insulation materials of textile and garment. Kapok is the natural fiber with the largest hollowness by far. Its unique hollow structure makes it become a kind of ideal thermal fiber. The kapok fiber was used as the main research object to observe the vertical and horizontal morphology of kapok fiber, and analyze the influence of filling degree on thermal properties. Under the same parameters, warmth and moisture permeability of three kinds of fiber assemblies including kapok, cotton and polyester fiber were compared and analyzed. The results show that:when the filling degree of 0.3, the warmth of kapok fiber assemblies is the best. Under the same parameters, warmth and moisture permeability of kapok fiber assemblies are the best.

kapok fiber; filling degree; warmth; moisture permeability; textile and garment

��与技术

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.10.003

2016-04-01;

2016-09-28

张芳芳(1988-),女，硕士研究生，研究方向为服装功能与舒适性。通信作者：何天虹，副教授，zhang_ff@163.com。

TS101.921

A

1001-7003(2016)10-0012-05 引用页码:101103