生物绒与羽绒服用性能对比分析

王丽莎 冯爱芬

(河北科技大学，河北石家庄，050018)

生物绒是由海兴公司与美国杜邦公司合作开发成功的生物基产品，是世界上首个应用于防寒服的高科技生物质保暖材料。生物绒是一种扁球状带有微弹力的保暖絮状填充材料。生物绒蓬松、保暖、富于弹性，手感更接近羽绒，可以成为羽绒的替代品。目前，在羽绒纤维方面的研究比较多，于伟东等人采用电子显微镜对羽绒纤维的外观形态结构进行了研究，分析了构成羽绒纤维的多样化元素[1]；李婷婷等人对羽绒纤维的保暖性进行了研究，得出了羽绒的最佳填充量[2]；刘茜等人对羽绒纤维的压缩性能进行了研究，并观察了压缩过程中纤维变形的情况[3]。由于生物绒是近年来推出的新产品，因此还未有报道。本文对生物绒和羽绒的外观形态结构、保暖性及压缩性进行了试验研究，以期对使用生物绒和羽绒的企业有一定的借鉴指导作用。

1 试验材料与方法

试验原料：生物绒，白鸭绒，含绒量90%；380T尼丝纺防羽绒面料，厚度0.07 mm，单位面积质量36 g/m2。以上原料均来自昆山华阳新材料股份有限公司。

考虑到生物绒和羽绒为松散絮状形态，不能直接在保温仪和KES测试系统试验板上直接进行，故选用380T尼丝纺防羽绒面料缝制成30 cm×30 cm正方形试验袋，在其中一侧留5 cm小孔充绒。分别填充9 g、13.5 g、18 g、22.5 g、27 g、31.5 g、36 g生物绒和9 g、18 g羽绒。

用哈式切片器制作生物绒和羽绒纤维横向切片，采用TM3000型桌上显微镜(日本株式会社日立高新技术)观察纤维横截面和纵向形态。

采用YG606L型平板式保温仪测试保暖性能，指标包括传热系数、克罗值和保温率。按照GB/T 11048—1989《纺织保温性能实验方法》的要求设定标准状态，试验板尺寸为25 cm×25 cm，设定试验板、保护板、底板温度为36 ℃，预热时间30 min，加热5个周期。每种试样测量3次，求其算术平均值[4]。

采用KES-FB3型压缩试验仪测试纤维的压缩性能。按照仪器的操作方法，在每个絮片测试3个不同的部位，求算术平均值。其测试的指标主要包括压缩线性度、压缩比功、压缩功回复率。

2 结果与讨论

2.1 外观形态

生物绒纤维在电子纤维镜下的形态如图1所示。从图1(a)和图1(b)可以看出生物绒纤维为异形截面，纤维中有细小的沟槽；从图1(c)可以看出生物绒外观比较卷曲，使纤维具有微弹的特性，可以提高纤维之间摩擦力和抱合力，增加生物绒纤维集合体的蓬松性和回弹性，使得手感柔软，改善其热舒适性，提高保暖性。

(a)生物绒横截面形态放大2 000倍

(b)生物绒纵向形态放大2 000倍

(c)生物绒纵向形态放大120倍

图1 生物绒纤维的形态结构

羽绒纤维在电子纤维镜下的形态如图2所示。从图2(a)可以看出羽绒纤维的横截面为圆形，相比于生物绒纤维比较平整光滑且表面没有沟槽；从图2(b)可以看出羽绒纤维呈树枝状结构，每根绒枝上都有许多绒小枝分枝；从图2(c)可以看出羽绒纤维绒小枝上延伸出许多节点，而且保持一定的距离，向不同的方向延伸，占据更多的空间，其节点在纤维受到压缩后可以起到支撑与回复的作用，使羽绒纤维具有较好的蓬松性、保暖性和回弹性。

(a)羽绒横截面形态放大4 000倍

(b)羽绒纵向形态放大120倍

(c)羽绒纵向形态放大2 000倍

图2 羽绒纤维的形态结构

2.2 保暖性

衡量保暖性好坏的指标有传热系数、克罗值和保温率等[5]。由于李婷婷等人对羽绒纤维的保暖性进行了详细的研究，得出了羽绒的最佳填充量,因此在这一试验部分测试两个羽绒絮片与7个生物绒絮片，建立生物绒抛物线回归模型分析填充量与保温率的关系，得出生物绒填充量与保温率的拟合曲线。

2.2.1 试验数据

表1为不同填充量和不同材料的保暖指标数。由表1可以看出，30 cm×30 cm絮垫填充27 g生物绒试样的保温率等同于18 g羽绒试样保温率。生物绒和羽绒的填充量相同时，生物绒的保暖性低于羽绒；9 g的生物绒与羽绒试样相比，填充量温差热流量生物绒高于羽绒1.311 W/(m2·℃)，克罗值生物绒低于羽绒0.956 CLO，保温率生物绒低于羽绒8.9%。当生物绒小于27 g时，生物绒试样的传热系数随着填充量的增加而降低，克罗值和保温率则呈现升高的趋势；当填充量大于27 g时，试样的传热系数随着填充量的增加而增加，而克罗值和保温率则呈现下降的趋势。

表1不同填充量和不同材料的保暖指标数

填充物填充量/g传热系数/W·m-2·℃-1克罗值/CLO保温率/%加热时间/s罩内温度/℃生物绒生物绒生物绒生物绒生物绒生物绒生物绒羽绒 羽绒 9.013.518.022.527.031.536.09.018.03.7713.0332.7081.7831.4711.5891.9892.4601.5591.7132.2122.6813.6164.0573.7953.2532.6694.13673.6477.6480.6785.5288.4687.7485.9882.6388.666.06.06.06.06.05.06.06.05.020.320.921.121.622.022.622.923.523.6

2.2.2 抛物线回归模型的建立

保温率是指保暖热能量的比率，是度量絮料综合保暖性能的重要指标，数值越高，保暖效果越好。保温率的大小直接决定该类材料在保暖领域的应用价值和发展前景[6]。假设生物绒的填充量对保暖性的影响非常显著。根据散点图可认为生物绒的填充量与保温率大致符合抛物线回归，设回归模型为Y=c+bX+aX2。用R软件进行曲线回归分析，得出回归方程式为Y=58.36+1.874 9X-0.030 2X2。其中，X为填充量(g)；Y为保温率(%)。

对保温率与填充量进行回归系数显著性检验，用R软件得保温率与填充量的T检验分析表，见表2。其中相关系数R2=0.964 7，取显著水平α=5%，表2中的Pr值均小于0.05，则以上方程通过了回归方程检验和回归系数检验，生物绒的填充量对保暖性的影响非常显著[7]。保温率与填充量拟合曲线见图3。

表2T检验方差分析表

系数参数估计参数标准方差T值Pr(>|T|)cba58.360 0001.874 947-0.030 2003.235 8650.317 5990.006 95418.0345.903-4.3430.000 060.004 120.012 23

图3 保温率与填充量拟合曲线

2.3 压缩性

由于仪器最大的测试厚度为2 cm，因此，选择30 cm×30 cm的18 g的生物绒絮垫和羽绒絮垫进行测试。当具有一定空间体积的纤维受到一定的压力时会产生压缩变形。其中，最主要的影响因素是蓬松度[8]，蓬松度反映了絮片的含气量，而含气量对絮片的保暖性能有很大的影响。测试的结果包括压缩线性度、压缩比功、压缩功回复率、织物在0.5 cN/cm2压力和最大压力作用下的厚度。压缩测试结果如下。

填充物 生物绒 羽绒

压缩线性度 0.240 0.271

压缩比功/cN·cm·cm-210 10

压缩回复率/% 83.25 88.67

0.5 cN/cm2压力厚度/mm 18.936 19.802

最大压力厚度/mm 2.275 4.316

压缩线性度表示纤维压缩的屈曲程度，即纤维的松软感，其数值越大，纤维越不容易被压缩变形。由以上数据可以看出，相同填充量的条件下，生物绒压缩线性度要低于羽绒，即生物绒相对于羽绒更容易被压缩变形。压缩比功表示纤维的蓬松度，其数值越大，纤维越蓬松，相同填充量的生物绒和羽绒的压缩比功均为10 cN·cm/cm2，即生物绒和羽绒的都具有优异的蓬松度。压缩回复率表示纤维压缩的弹性回复性能，其数值越大，表示织物的弹性越好，相同填充量的生物绒和羽绒，生物绒的弹性回复性能要低于羽绒；在织物进行压缩及回复的过程中，两种纤维的压缩及回复曲线见图4。

(a)生物绒

由图4可以看出，生物绒和羽绒的纤维集合体其压缩及回复曲线具有不同的形状特点，两种纤维在压力上升的同时，其絮片的厚度均立即下降，生物绒絮片下降的速度要快于羽绒；到达一定的压力之后，其厚度保持不变；在压缩回复阶段，当压力回复为0时，羽绒和生物绒絮片回复的厚度相差不大,当正向压力完全消失后，因为上一阶段压力所作的功，使纤维内部会产生一定的负向压力，由图4可以看出，羽绒所产生的负向压力要大于生物绒，这是由于羽绒纤维呈树枝状结构，每根绒枝上都有许多绒小枝分枝，绒小枝上延伸出许多节点，而且保持一定的距离，向不同的方向延伸，占据更多的空间，其节点在纤维受到压缩后可以起到支撑与回复的作用，所以当压力去除后，从絮片内部释放出来的负向压力要大于生物绒。

3 结论

(1)羽绒仍是目前保暖性比较好的材料，30 cm×30 cm生物绒和羽绒的填充量相同时，生物绒的保暖性低于羽绒；生物绒填充量达到27 g时的保暖效果等同于填充量为18 g羽绒的保暖效果；生物绒填充物的保暖性与填充量密切相关，根据保温率与填充量的抛物线经验回归曲线分析，试样填充量在31.04 g附近，保温率最高，保暖性最好，此点为生物绒填充量的最佳饱和值点。

(2)羽绒和生物绒的填充量相同时，生物绒相对于羽绒更容易被压缩变形；生物绒和羽绒都具有优异的蓬松度；生物绒的弹性回复性能要低于羽绒。