咖啡炭纤维对无缝针织物性能的影响

邓亚敏　阎玉秀　金子敏

摘 要：為探究咖啡炭纤维对无缝针织物性能的影响，选用咖啡炭纤维纱线、普通锦纶纱线为原材料，设计并试制了6种无缝针织试样，对试样的抗菌、释放负离子、导湿和保暖性能指标进行测试分析，研究不同咖啡炭纤维含量、不同组织结构对其性能的影响。结果表明：咖啡炭纤维表面的多孔结构使织物具有较好的抗菌、释放负离子和保温性能，且随着咖啡炭纤维含量的增加，其织物的抗菌、释放负离子和保温性能越好;当面纱为100%咖啡炭纱线，组织结构为平针添纱组织，织物抗菌性较优，组织结构为1+2假罗纹，织物释放负离子和保温性较好;随着咖啡炭纤维含量的增加，织物芯吸高度先增大后减小，面纱选用75%咖啡炭纱线+25%普通锦纶纱线，组织结构为1+2假罗纹，其织物的导湿性更优。最后运用灰色近优模型对织物进行综合性能评价，结果显示织物面纱采用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹时综合性能最优。

关键词：咖啡炭纤维;无缝针织;抗菌性能;释放负离子性能;导湿性;保温性能

中图分类号：TS 102.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）04-0048-05

Effect of Coffee Carbon Fiber on the Properties of Seamless Knitted Fabrics

DENG Yamina， YAN Yuxiua， JIN Ziminb

（a.School of Fashion Design & Engineering; b.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou310018， China）

Abstract：To explore the effect of coffee carbon fiber on the performance of seamless knitted fabrics， the coffee carbon yarn and ordinary nylon yarn were selected as raw materials to prepare 6 kinds of seamless knitted fabrics by multi-factor design method. The fabrics were tested and analyzed for their antibacterial property， negative-ion release property， wet permeability and thermal insulation property. The effects of different content of coffee carbon fiber and different weave structures of fabrics on their properties were studied. The results showed that the porous structure of the surface of coffee carbon fiber made the fabric own good antibacterial property， negative-ion release and thermal insulation properties. With the increase in the content of coffee carbon fiber， the antibacterial property， negative-ion release and thermal insulation properties of fabrics were better. When the veil was made of 100% coffee carbon fiber content， the weave structure was weft plain plating weave; the fabric had good antibacterial property; the weave structure was 1+2 mockrib; the fabric had good negative-ion release and thermal insulation properties. For the wet permeability of the fabric， the wicking height of the fabric first increased and then decreased with the increase in the content of coffee carbon fiber. When the veil was made of 75% coffee carbon yarn +25% ordinary nylon yarn， the weave structure was 1+2 mockrib， and the fabric had better wet permeability. Finally， the gray near-optimal model was used for comprehensive evaluation of the fabric. The results showed that the overall performance was optimal when the fabric veil was made of 100% coffee charcoal yarn and the weave structure was 1+2 mockrib.

Key words：coffee carbon fiber; seamless knitted fabric; antibacterial property; negative-ion release property; wet permeability; thermal insulation property

针对健康、舒适、环保、可持续的消费升级需求，利用新型天然纤维原料开发健康舒适、绿色安全、养生保健等高性能、多功能纺织品已成为当务之急。咖啡炭纤维作为一种新型的功能纤维，在抗菌、释放负离子等方面有着显著的优势[1]。近年来，国内外的学者对咖啡炭在纺织品方面的开发进行了探索和研究，Hung等[2]将咖啡炭颗粒炭化制备了母粒，并添加到涤纶纺丝液中纺制成咖啡纱;徐征奇等[3]对S.Cafe科技咖啡纱的工艺流程、吸湿、除臭、抗紫外线等功能进行了研究，并总结了其发展现状及应用前景;张永超等[4]设计开发了咖啡炭纬编平添纱面料，与普通锦纶平添纱面料对比，对面料的抗菌、保暖、透气等性能进行了研究。但就目前来看，咖啡炭用于运动针织面料的服用性能研究还很少。

本文结合近几年运动面料的发展需求，选用一次成型的无缝织造技术，试制6种適用于运动服装的咖啡炭无缝针织试样，并对咖啡炭纤维形态结构和6种试样的抗菌性、释放负离子性、导湿性及保温性进行了研究，探讨纤维及其集合体的结构、咖啡炭纤维含量及组织结构对其性能的影响，并利用灰色近优模型对试样进行综合评判，以便为功能性面料的研究及运动服装的面料选择提供参考依据。

1 咖啡炭纤维性能

咖啡炭纤维是以涤纶、锦纶为载体，咖啡炭为纳米粒子附着在上面的纤维[5]。为深入探讨咖啡炭织物的性能，采用JSM-5610LV扫描电镜（日本电子株式会社）对咖啡炭锦纶纤维进行调像观察，电镜照片见图1。从图1中可看出，咖啡炭纤维纵向表面凹凸不平，具有很多孔洞，这是因为咖啡炭颗粒附着在锦纶纤维表面，横断面呈现不规则的多边形。这些纤维表面的微小孔洞能有效改善纤维的吸水、吸附和织物手感，使得咖啡炭纤维织物具有较好的吸附功能和排汗效果，使体表保持干爽舒适的状态，还可以较好地吸附异味，减少细菌滋生[6-7]。此外微小的孔洞可以增加静止空气的含量，使得织物具有较好的保温性[8]。由此可知，咖啡炭锦纶纤维可以广泛应用于袜子、运动衣、内衣、家居用品等产品的开发。

2 实 验

2.1 实验材料与仪器

实验材料：选用咖啡炭纱线（4.4 tex，）、普通锦纶（8.7 tex）为面纱，以锦氨包覆纱[33.3 dtex（30D）锦纶丝/22.2 dtex（20D）氨纶丝]为地纱，采用SM8-TOP2S无缝针织机（意大利圣东尼公司）编织试样，选用8路喂纱方式，通过改变喂纱路数来改变两种面纱的交织比例，组织结构选择运动面料常用的平针添纱、1+2假罗纹。试织出A和B系列共6种试样，具体参数规格见表1。

实验仪器：LTI-700恒温培养箱（上海爱朗仪器有限公司）;BJ-1CD二级生物安全柜（上海博创医疗设备有限公司）;SHA-2水浴冷冻恒温振荡器（金坛市瑞华仪器有限公司）;Air Ion Counter空气离子检测仪（深圳市深博瑞仪器仪表有限公司）;PW-5P-AT2自动吸水速度测试机（日本株式会社大荣科学精器制作所）;YG606D型平板式保温仪（温州方圆仪器有限公司）。

2.2 性能测试

2.2.1 抗菌性能

参照GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：震荡法》，选择大肠杆菌、金黄色葡萄球菌作为革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性细菌。将织物分别裁成约5 mm×5 mm大小的碎片，称取（0.75±0.05）g作为一份试样，经灭菌处理后分别放入3个装有菌液的烧瓶内，盖好瓶塞，置于恒温振荡器上，在（24±1）℃，以150 r/min震荡18 h。在安全柜内用10倍系列稀释菌液，用试管取1 mL移入灭菌平皿中，涂抹均匀，用保鲜膜密封，倒置平皿，放入37 ℃培养箱中培养24～48 h，最后进行菌落数及抑菌率测定，其抑菌率Y的计算见式（1）。

Y/%=（W-Q/Q）×100 （1）

式中：Y为试样的抑菌率，%;W为空白对照组的平均菌落数，个;Q为试验组的平均菌落数，个。

2.2.2 释放负离子性能

根据GB/T 30128—2013《纺织品负离子发生量的检测和评价》，裁取3组试样，每组2块，一块安装在上摩擦盘，另一块安装在下摩擦盘。首先测量封闭箱内空气负离子量，然后开启摩擦装置，测量试样摩擦时封闭箱内空气负离子量，最后计算织物释放的负离子浓度。

2.2.3 导湿性能

参照FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》，分别裁剪3块试样，规格为40 cm×5 cm。经调温调湿后，将试样夹持在横梁架上，保证试样垂直，然后调整横梁架使试样下端浸入液面，测量30 min，记录数据，实验时温度为（20±2）℃、相对湿度为65%±3%。

2.2.4 保温性能

根据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》，分别选取3块试样，规格为30 cm×30 cm，将其覆盖在实验板上，通过电热方式控制底板、试验板和保护板保持相同的恒温，使得试验板的热量只能通过试样散失，当试验条件达到稳定后，记录试验数据。

3 结果与分析

3.1 抗菌性能

图2、图3所示为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌落生长情况，图2（a）、图3（a）为空白对照组，不加入任何试样，经18 h震荡后稀释培养的菌落生长情况。从图2、图3可以看出A1试样的培养皿中的菌落数明显比空白对照样的菌落数少很多，而A3、B3织物的培养皿中的菌落数相对较多。各试样的抗菌性测试结果见表2。

由表2可知，A系列中A1试样的抗菌性能较好，抑菌率达到79%以上，A3试样抗菌性能较差。B系列中B1试样的抑菌率达到73%以上，与同系列其他试样相比，抗菌性较好。由此可得，咖啡炭具有一定的抗菌作用。A系列试样与同成分的B系列试样相比，其抗菌性较好，原因是B系列试样采取1+2假罗纹组织，与A系列试样相比，孔隙较多、织物较厚、利于微生物附着，为细菌的生存和繁殖提供了条件。因此，咖啡炭具有较好的抗菌性，试样面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构选取平针添纱组织，抗菌性相对较好。

3.2 释放负离子性能

空气负离子能够净化空气，促进血液循环，加快运动后乳酸的消除，提高人体免疫力，具有很好的保健功效[9]。负离子发生量的评价为：释放浓度>1 000个/cm3，负离子发生量较高;释放浓度550～1 000个/cm3，负离子发生量中等;释放浓度<550个/cm3，负离子发生量偏低。图4显示了各试样释放负离子的测试结果。

结果显示，A、B系列中A1、B1试样负离子发生量较高，释放负离子浓度均大于2 400个/cm3，而A3、B3织物负离子发生量偏低，释放负离子浓度<550个/cm3。由此可得，咖啡炭纤维具有较好的释放负离子性能，随着咖啡炭含量的增加，试样负离子发生量越高。通过对相同咖啡炭含量试样的对比可知，B系列试样释放负离子浓度相对较高，原因在于A系列试样是平纹添纱组织，线圈排列紧密，空隙较小，而B系列是1+2假罗纹试样，试样蓬松，空隙较大，所以比表面积相应较大，释放负离子浓度也相应较高。测试结果表明：咖啡炭纤维含量越大，试样释放负离子性能越好，面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹，其试样的释放负离子性较好。

3.3 导湿性能

织物的导湿性能是通过毛细管作用实现的，是一种芯吸传递，主要取决于纤维的表面润湿性能、纤维形态、纤维细度、组织结构及试样后整理[10]。运动服使用导湿性好的面料可以将汗水及时传递到外层，使体表保持干燥状态，可避免运动之后体热的过分散失。图5为各试样芯吸高度的测试结果。

由图5可以看出，A系列中A2试样具有较高的芯吸高度，而A3试样芯吸高度较低。同理B系列中B2试样芯吸高度较高，B3试样芯吸高度较低，试样导湿性呈现随着咖啡炭纤维含量的增大先增大后減小的趋势，虽然咖啡炭纤维微小孔洞较多、比表面积较大，但是面纱中较细的咖啡炭纤维增加到一定程度可能会不利于试样导湿性的增加。从横纵方向来看，横向上A系列试样的芯吸高度稍大于B系列芯吸高度，而纵向上B系列试样的芯吸高度大于A系列芯吸高度，原因是A系列试样是平纹添纱组织，纵向条纹平坦均匀，沿横向弯曲的整根纱线的毛细孔隙贯通性比沿纵向的串套线圈要好，利于液态水的传递，而B系列试样是1+2假罗纹，纵向线圈呈3∶1正反结构间隔排列，利于液态水的传递，然而横向纱线弯曲较大，阻碍了水分的传递。测试结果表明：面纱选用75%咖啡炭+25%普通锦纶纱线，组织结构为1+2假罗纹，其试样的导湿性较好。

3.4 保温性能

图6为各试样保温率的测试结果。由图6可以看出，A系列中，在试样厚度相近的情况下，试样的保温率随着咖啡炭含量的减少而下降。由此可以得出，试样的保温性与纤维原料有很大关系，咖啡炭纤维表面的多孔结构，使得咖啡炭试样具有较好的蓄热保温作用。从整体来看，B系列试样的保温率大于A系列试样的保温率，原因在于B系列试样为1+2假罗纹组织，较A系列试样厚度大，试样内含有大量的静止空气，因此保温性较A系列试样好。由此可得，面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹，其试样的保温性较好。

3.5 综合评价

为探究6种试样的整体性能优劣性，利用灰色近优模型对织物进行综合性能评价。根据试样各性能的测试，将试样Mj（j=1，j=2，…，j=m）的E.coli抗菌率、S.aureus抗菌率、负离子浓度、纵向芯吸高度、横向芯吸高度及保温率作为考核指标Ci（i=1，i=2，…，i=n），建立白化灰矩阵Rn×m。

由于试样的各性能指标的量纲不同，难以计算，因此要对不同量纲的性能指标数据进行标准化处理，即将各性能指标数据映射到[0，1]区间，得到近优白化灰矩阵R′n×m。试样的抗菌率、负离子浓度、芯吸高度及保温率均是数值越大性能越优，所以采用上限效果测度换算[11]，计算方法见式（2）。

R′ij=Rijmax{Rij，umax}（2）

式中：umax为考核指标Ci（i=1，i=2，…，i=n）中指定的最大值。

根据近优白化灰矩阵R′n×m，计算6种试样的近优度R′s，近优度越大试样的综合性能越好。近优度R′s为：R′s=Sj16∑6i=1R′i×1，16∑6i=1R′i×2，16∑6i=1R′i×3，

16∑6i=1R′i×4，16∑6i=1R′i×5，16∑6i=1R′i×6=[0.94，0.84，0.64，0.97，0.90，0.64]。由此可知，6块试样的综合性能排序为：B1>A1>B2>A2>A3=B3。其中B1试样近优度最高，即试样面纱采用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹时综合性能最优。

4 结 论

a）咖啡炭纤维呈现不规则多边形，且表面附着很多咖啡炭颗粒，其多孔结构可以有效改善纤维的吸水、吸湿、染色，能够增强咖啡炭纤维织物的导湿性、保暖性，改善织物手感。适于开发袜子、运动衣、内衣、家居用品等产品。

b）咖啡炭试样具有一定的抗菌、释放负离子性能，且随着咖啡炭纤维含量的增加，其试样的抗菌性、释放负离子性能越好。试样面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构选取平针添纱组织，试样抗菌性相对较好。面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹，其试样释放负离子性更优。咖啡炭织物与普通锦纶织物相比，其导湿性和保温性均有较大差异。随着咖啡炭纤维含量的增加，试样芯吸高度先增大后减小，面纱选用75%咖啡炭+25%普通锦纶纱线其试样的导湿性更具有优势。在织物保温性方面，咖啡炭织物优于普通锦纶织物，并随着咖啡炭纤维含量的增加织物的保温性越好。面纱选用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹，试样的保温性更好。

c）运用灰色近优模型得到6塊试样的综合性能排序为：B1>A1>B2>A2>A3=B3，即试样面纱采用100%咖啡炭纱线，组织结构为1+2假罗纹时综合性能最优。

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