织物热舒适性的研究与开发概述

刘 畅 蔡再生

东华大学 生态纺织教育部重点实验室(中国)

随着纺织行业的不断发展，消费者对纺织品的要求逐步提高，传统织物的保暖抗寒、美观得体等特点已逐渐不能满足大众的需求，功能突出、性能优异等成为纺织市场的新兴主导方向。近年来，对于织物热舒适性的研究与开发日渐增多，相关新技术、新方法不断涌现，以满足纺织品市场需求。

1 织物热舒适性概念

织物的热舒适性指服用者与外界环境之间进行热湿交换过程中，织物保持人体温度适宜及微环境湿度稳定的性能。

由此可见，织物热舒适性包含温度和湿度两方面。当人体、织物和环境的微气候达到某一稳定状态时，可实现热舒适，即织物的热舒适性由人体、织物和环境共同决定。通常当织物内温度为(32±1)℃，相对湿度为50%±10%，气流速度为(25±15) cm/s时，人体会产生热舒适感。现有的热舒适性评价指标较多，主要有导热系数、绝热率及热阻等。

不同织物因纤维种类、织造方式及加工工艺等的差异，导致人体对不同织物的触感不同。如棉织物具有优异的吸湿性能，但在人体排汗较多时难以快速干燥，且自身的吸湿溶胀进一步降低了其透气性；涤纶织物可实现快速干燥，但由于其大分子链上不含亲水性基团，故吸湿性差，常使服用者感觉闷热。因此，有关如何提升织物热舒适性，尤其是运动服装面料的热舒适性的研究备受关注。

2 织物的传热性能

2.1 织物导热理论

织物的热量传递是两个界面之间的热交换过程。热量从温度较高的界面向温度较低的界面传递，人体热量从皮肤表层散发，与外界环境进行热交换，此时织物可看作是人体皮肤表层与大气之间的“中转场所”，对散热导热起着至关重要的作用。织物的导热方式通常有3种[1-3]：

——织物内部流体分子在温差作用下随机扩散；

——通过织物孔隙进行皮肤表面热蒸汽与大气的热交换；

——织物吸收皮肤表层热量后向外界热辐射。

以上3种导热方式也可简单归结为热传导、热对流和热辐射。织物存在大量的孔隙，因而3种方式同时存在于织物热传递过程中[4]。导热系数是织物热传递的本质性指标，又称热导率，用λ表示。导热系数的含义：当纤维材料的厚度为1 m及两端的温度差为1 ℃时，1 s内通过1 m2织物传导的热量的焦耳数[5]。

2.2 织物导热性能测试方法

织物导热性能的测试技术逐步成熟，已形成一套标准体系[6]。GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻湿阻的测定(蒸发热板法)》[7]将蒸发热板法确定为热阻湿阻的检测方法。参照傅里叶定律，日本KATO TECH公司开发出KES-F7型接触冷热感测试仪，用以测定织物表面最大瞬态热流量和热传导率，该仪器在织物的传热性能研究上得到广泛应用[8]。根据现有测试方法，织物导热性能测试方法大致可分为单侧升温测试法、冷却法和定常热测定法。

2.3 织物导热系数的影响因素

织物导热系数受纤维的结构与排列、孔隙、空气含量及流动性、水分含量等因素的影响。分析织物的传热性能时，应对这些因素进行综合考量[9]。通常情况下，织物的导热系数与纤维结晶度成正比。纤维结晶度越高，有序排列的部分越多，连续性越好，织物的导热系数越大。当纤维同热辐射方向平行时，织物的导热系数较大；此外，纤维材料的导热系数随环境温度升高而增大。

3 织物热舒适性的研究与应用

3.1 吸湿速干织物

吸湿速干的过程由吸湿、导湿和蒸发3部分组成。单纯在纤维中引入亲水基团虽可提高亲水性，但影响对水分的蒸发，因此更多选用改性化学纤维进行吸湿速干研究。此外，采用异形纤维或构造纤维表面沟槽结构有利于提升纤维表面能，使水分在织物间传递速度加快，达到速干效果[10-12]。目前吸湿速干织物多通过对织物进行单向导湿工艺操作而获得。单向导湿技术可实现汗液和水汽向外界输送，以利于织物的快速干燥，营造适宜的人体微环境。但其工艺较为复杂，同时由于传统纤维比表面积较小，导出的水分蒸发速率较低，对穿着舒适性造成了一定影响[13]。目前主要通过亲/疏水后整理和织物组织结构设计两种方法来实现[14]吸湿速干。

黄丽珍[15]采用11.1 tex/144 f百酷丝 (涤纶DTY) 作面纱，14.5 tex精梳棉纱作地纱，制备涤盖棉针织物。在加工过程中进行亲水整理，印花过程对反面织物进行疏水整理，形成面料双侧亲疏水差异，具有良好的单向导湿性能，利于织物吸湿后快速干燥。刘晓[16]在涤纶中引入了聚乙二醇醚和磺酸基，制备出具有初步微孔结构的涤纶改性切片，通过高温闪爆纺丝工艺得到蜂窝状微孔改性涤纶纤维。不同大小的菱形沟槽在纤维界面随机排列分布，使纤维的比表面积和粗糙度得到大幅提高。聚乙二醇柔性链段和磺酸基的引入，使该新型功能性纤维具有良好的吸湿能力和速干特性。贺建国等[17]选用聚对苯二甲酸丁二醇酯长丝和Cooldry长丝为原料，改变织物的结构设计，使毛细管直径自织物内层到外层递减，利用差动毛细效应，使织物内层液态水在附加压力差的作用下排向外界环境，并采用十字截面纤维和浮点型结构设计，开发出吸湿性、导湿性和快干性优良的新型针织面料。

3.2 吸湿凉爽织物

吸湿凉爽织物不仅在织物的吸湿性方面有着较高标准，还应达到服用时能使热量快速发散，降低人体体表温度，给穿着者以“凉爽感”的要求[18]。这要求凉爽纤维或凉爽织物不仅在吸汗、速干方面性能优异，毛细管芯吸作用也需达到相应标准[19-21]。目前针对吸湿凉爽型织物的研究大致分为两大类，一是对合成纤维进行物理或化学改性；二是对某些具备天然凉爽特性的纤维如(竹纤维、麻纤维)等进行加工利用。

美国杜邦公司开发出的Coolmax纤维，是在普通聚酯纤维的基础上添加了4沟槽结构，使其芯吸能力卓越，具备优良的导湿排汗能力，能将人体皮肤表面的汗液和湿气快速传递，并多向发散至外界环境，从而保持肌肤的清凉干爽[22]。试验证明，Coolmax纤维的湿度去除率高达95%，远高于纯棉织物的52%[23]。日本可乐丽公司生产的Sophista凉爽纤维是一种涤纶复合型纤维，采用复合纺丝的方法制得[24]。该纤维表层是乙烯-乙烯醇共聚物，芯层为聚酯纤维，构成了双组分皮芯结构。同时，在纤维大分子链上引入了亲水性基团羟基(—OH)，使得汗液能够被纤维表层吸收后快速发散，纤维不发生膨润现象，不会对皮肤造成潮湿黏附感。

此外，一些纤维因其自身特性而具备凉爽功能，应引起关注，加强开发。麻纤维是含有较多亲水性基团的纤维素纤维，可较好地吸收皮肤汗液及水汽，且麻纤维内部有细长空腔，毛细效应良好，吸湿快干能力强。麻纤维表面纵向遍布的裂纹和纤维的孔洞结构有利于水分的散失，使得麻纤维的放湿能力同样出色，可快速达到干爽的效果。研究表明，苎麻服装的透气率高于棉织物3倍以上[25-27]。竹原纤维作为再生纤维素纤维，具有吸湿性强、透气性好及瞬间吸水性强的特点。竹原纤维的截面类似于苎麻纤维，为不规则的椭圆形或腰圆形，边缘呈锯齿状排列。竹原纤维的纵向表面粗细程度呈不均匀分布，沟槽众多，有横节；横向截面上有中腔，四周密布微细孔隙。竹原纤维经加工制成的产品不仅具有高强力、高耐磨性等优点，同时还具备手感滑爽、清凉舒适等特性[28-29]。科研人员还从其他角度进行了相关研究，如利用特殊工艺在聚酯高聚物溶液中混入亚纳米级的玉石粉粒，经纺丝加工制成凉爽玉纤维，其纺织品传热性和导湿性能良好，符合凉爽面料的基本要求[30]。

4 结语

织物的热舒适性与传热导热、吸湿及透气等因素密切相关。该领域的研究在纺织行业取得了一定成果，部分技术已投入生产。随着消费者对织物热舒适性要求的不断提高，今后在单向导湿、吸湿速干和吸湿凉爽等方向上的理论研究与产品开发将具有广阔前景。