玉石基涤纶长丝纱及其针织面料的性能研究*

东华大学纺织学院，上海 201620

随着科学技术的飞速发展以及生活水平的提高，人们越来越青睐于功能性纺织品[1]，因此功能性纺织品已经成为市场需求的主流之一。对于夏季服装面料，人们提出了更高要求，除了具有漂亮的外观以外，更加注重面料本身所具有的功能性。功能性纺织品正是顺应了这种需求而发展起来的。目前，可以通过两种方法使面料具有功能化：一是直接采用功能化纤维；二是织物的选择性后整理[2]。玉石基涤纶是将纳米级粒径的玉石粉体放入聚酯熔体中，通过熔融纺丝而成的一种功能性纤维[3]。由于玉石不溶于聚酯熔体，故在纺丝过程中会造成纤维内部及表面出现小孔或者微洞，使纤维总比表面积增加，纤维内部微小管道数增加，纤维的表面性能得到提高，具有吸湿、排汗和快干的特性[4]。同时，用玉石纤维制成的织物具有一定的降温效果，其接触的肌肤温度比一般纤维织物低1～2 ℃，且吸湿快干，穿着时人体有较好的凉爽感，在太阳长时间照射时会降低体表温度5～6 ℃，产生凉感温差[5]，是袜子、内衣和运动衣等的理想原料。目前对于玉石含量对织物热湿舒适性能影响的研究较少，本文通过对不同玉石含量的涤纶长丝纱及针织物的力学性能、吸湿导湿性能、热性能等进行研究，对于玉石基涤纶长丝纱及其夏季面料的研发具有一定的指导意义。

1 试验材料及测试方法

1.1 试验材料

(1) 玉石基涤纶长丝。采用圆孔喷丝板熔融纺丝工艺，加工含不同质量分数玉石粉体的玉石基涤纶长丝，其纺丝工艺参数如表1所示。

表1 纺丝工艺参数

玉石基涤纶长丝纱的规格如表2所示。

表2 涤纶长丝纱规格

(2) 玉石基涤纶针织面料。使用机号22、筒径40.64 cm(16英寸)的双面针织圆机，将上述长丝纱织成双罗纹织物，其毛坯织物规格如表3所示。

表3 毛坯织物规格

1.2 纱线芯吸测试

芯吸高度是表征纺织品吸湿导湿性能的一项重要指标，纺织品的吸湿导湿性能对其穿着舒适性能具有显著影响。从本质上讲，芯吸是一种维持毛细管内流体迁移的性能。芯吸作用除了受单纤维的浸润影响以外，还受纤维集合体结构尺寸的影响。

参考FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》， 纱线取样长度30 cm，一端用突起平台处的夹子夹住，垂直悬挂，另一端施加一定的预加张力浸入液体中，液体为体积分数1%的亚甲基蓝溶液，测试时间30 min。每个试样测试3次，在固定标尺上读取纱线芯吸上升的高度，最后取3次的平均值。纱线试样按照图1所示放置。

图1 芯吸试验示意图

1.3 纱线力学性能测试

纱线力学性能是指在各种环境、各种外力作用下，纱线所表现出的力学性能，包括拉伸弹性、拉伸断裂、蠕变、应力松弛、弯曲和表面摩擦等性能，它们在织物的生产加工过程中起着重要作用。

1.3.1 纱线拉伸断裂性能

织物的力学性能主要受纱线的拉伸断裂性能影响。当纱线拉伸断裂强力过低时，上机编织时容易产生断头，织物易出现疵点。因此作为针织用纱，纱线应该具有一定的强力，以保证编织顺利进行。

采用XL-1A型纱线强伸度仪，参照GB/T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》，测试纱线的拉伸断裂性能。

1.3.2 纱线摩擦性能

在针织过程中，纱线自身及其与成圈机件之间会产生摩擦力。当摩擦力过大时，张力增大，纱线易发生断头；当摩擦力过小时，会使线圈拖沓、成型性差。在机织过程中，经纱密度和经纱开口受到纱线与纱线间的摩擦因数影响[6]。在织造过程中纱线张力的大小主要由摩擦因数的大小决定，因此纱线的摩擦性能会影响针织、机织性能。

采用LFY-110型纱线动态摩擦因数测定仪测试摩擦因数，测试时间为20 s，电机速度为100 m/min，摩擦包角为180°，测试指标为动摩擦因数。

1.4 织物热湿舒适性能测试

当人体处在闷热环境中或者剧烈运动的条件下，大量排汗极易形成高湿、高温气候环境。如果人体在此环境下仍能感到舒适，则称此时衣服面料具有凉爽感[7]。本文从液态水分管理能力、织物接触冷感及热湿传递性能方面，对不同玉石质量分数双罗纹织物的凉爽舒适性能进行综合分析。

1.4.1 织物纵横向芯吸高度测试

各种形态的水在织物中运输传递，织物所表现出的对水的控制能力称为织物的导水性能。织物的导水性能通常采用芯吸效应来描述。本文采用垂直静态吸水法对织物的导水性能进行测试。

取各双罗纹织物，沿纵向、横向在织物左、中、右部位各剪3条试样，试样上不应有明显纬斜等严重疵点。每条试样长28 cm、宽4 cm，测试时在试样下端加上适宜的预加张力。将织物长条试样按照图1所示放置，并将其一端浸入亚甲基蓝溶液中，在灯光照射下，每隔5 min在标尺上读取溶液上升的高度。

1.4.2 液态水分管理测试

面料对汗液的吸收和扩散直接影响到服装穿着的舒适性，而纺织品液态水分管理性能对衣着舒适度具有重要影响。因此，需要对面料进行液态水分管理测试，这有助于纺织品吸湿速干性能的评估和对材料性能的改善。

在各双罗纹织物上剪取5块8 cm×8 cm试样，采用M290型液态水分管理系统测试仪，对每个单一指标表征，然后综合评价织物的液态水分管理能力。

1.4.3 织物接触冷感测试

当织物与人体皮肤接触时，织物与皮肤之间存在温度差，必定存在热交换。织物给人体皮肤的温度刺激在大脑中形成的冷感，称为接触冷感，用最大瞬态热流Qmax值来表征。Qmax值的大小决定了冷感的强弱及皮肤的降温速度[8]。

采用KES-F7 THERMO LABO IIB型精密瞬间热物性测定装置，在恒温恒湿条件下，将温度测试仪T-BOX吻合到标准温度设定器BT-BOX(30 ℃)上，使其达到热平衡。将试样(尺寸为10 cm×10 cm)放在20 ℃的定温台上，并将T-BOX放在试样上，读取2 s内的Qmax值。

1.4.4 织物热湿阻测试

当人穿着服装时，通过人与环境的热湿传递维持人体温度稳定，从而确保人体正常生理机能运作，进而使人体保持舒适，这种感觉称为热湿舒适性。从服装功效学角度看，人体-服装-环境是一个整体系统，相互影响和相互制约。热湿舒适性能用热阻、克罗值、传热系数、湿阻、透湿率等指标进行评价。

采用YG606型热阻湿阻测试仪测试织物的热湿阻，试样尺寸为50 cm×50 cm。试验条件均为标准大气环境(温度20 ℃、相对湿度65%)，试样的测试结果取多次测试的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 玉石质量分数对纱线芯吸性能的影响

表4是玉石质量分数不同时纱线的芯吸高度。由表4可知：玉石质量分数对纱线的芯吸高度具有影响，随着玉石质量分数的增加，纱线芯吸高度先增加后减小；当玉石质量分数为7%时，芯吸高度达到最大值。在相同捻度、捻向及截面形状的前提下，玉石的加入使涤纶长丝表面性能发生改变，纱线表面的粗糙度增加，比表面积更大，毛细管芯吸效果更强。但随着玉石质量分数进一步增加，涤纶长丝上的微孔变大，由典型的毛细管压力方程可知，纱线的等效半径即形状参数增大，芯吸压力下降，芯吸高度下降。

表4 纱线芯吸高度

2.2 玉石质量分数对纱线拉伸性能的影响

表5是纱线的拉伸性能。从表5可知：相较于普通涤纶长丝纱，玉石基涤纶长丝纱的断裂强力、断裂强度和模量都小，但其断裂伸长率大，说明玉石粉体对纱线的拉伸性能有一定影响；随着玉石质量分数的增大，纱线的断裂强力、断裂强度和模量都减小。这是由于玉石是一种不溶于聚酯的粉体，其减小了涤纶结构单元的接触面，使各结构单元的结合力减弱，强度降低。随着玉石质量分数的增加，纤维内部及表面出现更多的空隙，纤维、纱线出现弱节的概率增大，应力集中也更加明显。当纱线应力大于弱节强力时，纱线会立刻断裂，因而当玉石质量分数增加到一定值时，纱线出现弱节，玉石质量分数对纱线拉伸性能的影响逐渐减弱。

表5 纱线的拉伸性能

2.3 玉石质量分数对纱线摩擦性能的影响

表6是纱线的动摩擦因数。从表6可以看出：不同玉石质量分数的涤纶长丝纱的摩擦因数均大于普通涤纶长丝纱，说明添加玉石粉体增大了长丝间的摩擦力，这是由于玉石增大了长丝表面粗糙度，使长丝与长丝之间产生了较强的锁结作用阻力；并且随着玉石质量分数的增加，摩擦因数呈现出先增大后减小的趋势，当玉石质量分数为7%时，摩擦因数最大。这可能是由于玉石质地坚硬，使纤维与纤维之间产生了相互间的错位、抬升、崩裂等移动，在一定压力和速度下可能存在整体抬升现象，使纱线与机件的接触面积减小，由面与面接触转化为点与点接触，从而使动摩擦因数减小。

表6 纱线动摩擦因数

2.4 玉石质量分数对织物芯吸性能的影响

图2为织物纵向和横向的芯吸高度。由图2可以看出：织物横向的芯吸高度没有纵向的大，这是由于芯吸具有方向性与选择性，总是由大半径孔洞向小半径孔洞(沿纱线方向)流动；在相同方向上，织物的芯吸高度受玉石质量分数影响，当玉石质量分数为0%时，织物纵、横向芯吸高度比玉石质量分数3%时大，这是因为芯吸高度由纱线间的毛细作用和纤维间的毛细作用共同决定[9]。普通圆形截面涤纶长丝与长丝之间构成芯吸管道，而当玉石质量分数为3%时，纱线间的等效半径增大，宏观毛细效应减弱，芯吸速率减小。随着玉石质量分数增加，织物芯吸高度呈现出先增加后减小的趋势。在纵向上，当玉石质量分数为7%时，芯吸高度达到最大值；在横向上，当玉石质量分数为5%时，芯吸高度达到最大值。因为此时织物的芯吸效果主要取决于纤维间的微观毛细效应。当玉石质量分数过高时，纤维空隙变大，等效半径变大，毛细管压力下降，芯吸作用减弱。

(a) 纵向

(b) 横向

2.5 玉石质量分数对织物液态水分管理的影响

表7为不同玉石质量分数的织物的浸湿时间和吸水速度，表8为不同玉石质量分数的织物的累计单向传递指数和整体液态水分管理能力。

表7 织物的浸润时间和吸水速度

表8 织物的累计单向传递指数和整体液态水分管理能力

由表7可知：5种织物的浸湿时间相差不大，说明这5种不同玉石质量分数双罗纹织物的表层浸湿能力均与织物底层相似；并且各种织物的表层、底层的吸水速度都比较快，说明表层、底层均有较强的透湿性能。这是因为所用纱线线密度较小，加上织物组织都采用双罗纹，易形成毛细管道，使液态水能较快通过。随着玉石质量分数的增加，表层和底层的吸水速度和透湿性能增加，当玉石质量分数为7%时达到最佳值。

从表8可以看出：5种织物都具有较好的累计单向传递能力和液态水分管理能力；随着玉石质量分数的增加，织物的累计单向传递能力和整体液态水分管理能力都增强，当玉石质量分数为7%时达到最大值。

2.6 玉石质量分数对织物接触冷感的影响

图3为不同玉石质量分数织物的最大瞬态热流曲线。从图3可以看出：5种双罗纹织物具有不同的接触冷感，最大瞬态热流越大，织物接触冷感越强；当玉石质量分数为7%时，织物的接触冷感最强。由于织物是由纤维、空气和水组成的，织物的纤维种类、所含静止空气量以及织物含湿量和表面形态等都会影响织物的接触冷感。由于玉石基纤维是凉感性纤维，理论上玉石质量分数越大，织物接触冷感越强。但是玉石的加入会引起纤维本身空隙大小、孔隙率、所含静止空气量、含湿量以及织物表面的粗糙程度等发生变化；又由于织物孔隙率增大，织物含有更多的静止空气，而静止空气的导热系数较小，这使得织物的导热性能和凉感性能下降。

2.7 玉石质量分数对织物热湿舒适性的影响

表9为不同玉石质量分数织物的热湿阻测试结果。由表9可知：当玉石质量分数为7%时，织物的热阻和克罗值达到最小值，传热系数达到最大值。热阻越小，表明织物干态下的凉感越好。克罗值具有与热阻一样的表征特性，因此克罗值越小，织物的凉感也越好。传热系数(导热系数)是衡量物体导热性能的物理量，传热系数越大，织物的凉感越好。这是由于涤纶长丝中的玉石有助于热量传导。但随着玉石质量分数进一步增加，纤维的总比表面积增加，纤维中具有更多空隙，大量的静止空气停留在空隙中，而静止空气的热阻远大于其他材料，且其导热系数小，阻碍了热传导，使纤维的热阻、克罗值增大，传热系数下降。而对于湿阻和透湿率，不同玉石质量分数的织物相差无几。当织物结构相同时，纤维种类对织物的湿阻、透湿率几乎没有影响，因为此时织物只存在水气形式扩散传递情况。又由于不同玉石质量分数织物的纵横密、面密度、厚度、紧度及纤维填充率相近，水气通过织物中的微孔，毛细管吸收水分向一侧传递和蒸发也相近。

表9 织物的热湿阻测试结果

3 结论

(1) 随着玉石质量分数的增加，玉石基涤长丝纶纱的断裂强力、断裂强度及模量都下降；摩擦因数、纱线和织物纵向芯吸高度则先增加后减小，当玉石质量分数为7%时达到最大值；织物横向芯吸高度则是在玉石质量分数为5%时达到最大值。

(2) 随着玉石质量分数的增加，织物的表层和底层吸水速度、透湿性能相应提高，累计单向传递能力和整体液态水分管理能力增强，当玉石质量分数为7%时达到最大值。

(3) 在相同组织结构以及纵横密和面密度相近的情况下，不同玉石质量分数纱线所织成的织物的最大瞬态热流不同，当玉石质量分数为7%时达到最大值，表明此时织物的接触冷感最强。

(4) 当玉石质量分数为7%时，织物的热阻和克罗值达到最小值，传热系数达到最大值，表明此时织物的凉感最好；而不同玉石质量分数织物的湿阻、透湿率相近。