织物的孔隙特征与透气透湿性研究

李小倩 刘让同 耿长军 胡泽栋 冯 艳

(1.中原工学院，河南郑州，451191；2.纺织服装河南省协同创新中心，河南郑州，451191)

织物中纱线和纤维并非均匀分布，这种非均匀性构造出了大大小小、弯弯曲曲的空间区域，形成孔隙结构。织物内部孔隙的大小及其分布特征直接影响织物的透光、遮光、透水、过滤、透气、透湿等性能[1-2]。织物孔隙有贯通和闭合之分，介于其间的还有半通孔隙，各种孔隙率的总和是总孔隙率[3]。测试织物孔隙结构的方法有气体吸附法、压汞法和图像法等[4-5]。此前多采用图像二值法测量织物孔隙率[6-8]，但这种方法只能测试织物的表面孔隙率，对于经纬密大、颜色过深的织物图像识别具有一定的主观性，误差较大。压汞法可测试的孔径范围广，测试结果不仅可以得到孔隙率，还可以得到织物内部孔径的大小等参数；汞为非浸润液体，只能依靠压力进入织物孔隙中，故利用压汞法测试的误差较小，结果较准确[9-10]。本文利用压汞法分析织物内部的孔隙特征，并探讨孔隙率与透气率、透湿量之间的关系。

1 试验

1.1 试验材料与仪器

试验采用的4种涤纶织物由江苏某纺织公司提供，其基本结构参数见表1。其中，3#针织物纵密150个线圈/10 cm，横密200个线圈/10 cm。

试验仪器有：Keyence vk-x110型激光显微镜，AutoPore IV 9500型压汞式孔隙分析仪，HZK-FA110型电子天平，YG461E-Ⅲ型全自动透气量仪，W3/031型水蒸气透过率测试仪，恒温烘箱等。

表1 织物结构参数

试样厚度/mm单位面积质量/g·m-2经密/根·(10 cm)-1纬密/根·(10 cm)-11#斜纹织物2#平纹织物3#针织物 4#缎纹织物0.1530.2420.4670.183101.32123.56150.0887.64696690438370288482

1.2 试验方法

孔隙率测试采用AutoPore IV 9500型压汞式孔隙分析仪对织物内部的各种孔隙进行测试。在加压过程中，可以得到浸入织物孔隙中的汞体积与压力、孔径等之间的相关曲线，通过分析可以得到织物的孔隙率和孔径分布等数据[11]。

透气率测试依据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》。透湿量测试依据GB 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法 杯式法》。

2 结果与分析

2.1 进退汞曲线

通过压汞试验可以得到图1所示的进退汞曲线。

图1 织物进退汞曲线

从图1中可以看出，不同织物的进退汞曲线具有相似性，进退汞曲线孔隙滞后环都较大，说明4种织物孔隙结构中贯通孔的比例较大。同时，在进退汞曲线中都出现了两个拐点，第一个拐点为密封仪在压汞仪低压舱时的进汞量，在这个点附近织物的进退汞曲线斜率最大，速率最快，该压力范围孔径大，孔隙较多；在高压舱中，随着压力的增大，汞进入到更微小的孔隙中，当曲线达到第二个拐点后，随着压力的不断增大，织物的进汞量没有一直增长，最终达到饱和，饱和值即为织物的孔容量。4种织物的孔容量存在差异，很明显1#斜纹织物的孔容量最小，2#平纹织物的孔容量最大。

2.2 孔隙分布特征

通过压汞试验得到图2所示的孔隙体积增量与孔径关系曲线图。为了表征明显的两个波峰，分开绘制两个图。

(a)第一个曲线波峰

(b)第二个曲线波峰

图2 孔隙体积增量与孔径关系图

该曲线明显存在两个波峰，第一个曲线波峰幅度相对比较小，如图2(a)所示，孔径在600 nm～10 000 nm之间变化，为纤维之间的孔隙，数量众多，峰值宽度大，但对于总体积的贡献率小，峰值高度低。第二个曲线波峰为纱线间孔隙，如图2(b)所示，其孔径较大，孔径在30 000 nm～500 000 nm之间变化，分布没有纤维间的孔隙广，但对孔隙总体积的贡献率大，峰值远远高于纤维间的孔隙。

从图2(a)中可以看出，对于三种机织物，在600 nm～10 000 nm内孔隙体积波峰与孔径的分布相对比较接近，但平纹出现波峰更早，斜纹滞后，说明在本研究测试试样中，平纹织物的纤维之间孔隙更小，且三种机织物的孔隙存在差异；针织物的波峰范围在1 300 nm～12 000 nm，比所有机织物更滞后，且峰值高度最大，说明针织物中纤维之间相对松散，孔隙比机织物大一些。

在图2(b)表征的大孔隙中，大孔隙数量存在4#缎纹织物>2#平纹织物>1#斜纹织物的趋势，而3#针织物的大孔明显较机织物的大且多。

采用霍多特 B B孔隙分类法对织物孔隙进行分类，即：微孔(<10 nm)、过渡孔(10 nm～100 nm)、中孔(100 nm～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。根据所测得的数据及图2分析可知：织物中以大孔为主。从图2(a)中可知，2#平纹织物的孔径在3 000 nm～4 000 nm时达到峰值，孔径数目最多，其余三种织物孔隙体积峰值在孔径为4 000 nm～5 000 nm范围内发生突变,急剧增长并达到一个峰值，峰值高度为2#平纹织物>4#缎纹织物>1#斜纹织物>3#针织物。2#平纹织物的过渡孔与中孔数目相当，占比均为7.69%，其余织物的过渡孔占比为0；这是因为涤纶的纵向形态表面光滑，纤维表面没有孔洞存在，横截面为圆形，截面光滑平整，没有孔隙，所以总孔隙只包括纤维间与纱线间的孔隙。

2.3 织物孔隙率

通过压汞试验可以得到表2所示测试结果。由表2可知，1#斜纹织物的孔隙率、总孔面积和孔容相比其他织物小，2#平纹织物的平均孔径远远小于其余三种织物，4种织物的骨架密度相差较小。

根据表2的数据，1#斜纹织物的孔隙率最小，2#平纹织物次之，3#针织物与4#缎纹织物的孔隙率差别不大。

表2 压汞法测试织物孔隙结果

试样孔隙率/%总孔面积/m2·g-1孔容/mL·g-1平均孔径/nm骨架密度/g·mL-11#斜纹织物2#平纹织物3#针织物 4#缎纹织物45.668 958.483 264.967 465.289 40.1760.6530.2600.2900.684 01.084 41.835 01.297 015 546.246 639.3928 239.1617 885.111.228 91.299 11.010 61.450 2

用显微镜观察织物结构形貌如图3所示。1#斜纹织物经纬密大，结构紧密，孔隙率较其他三种织物明显小。2#平纹织物的经纬密虽然与1#斜纹织物相差不大，但经纬密不及斜纹，结构也不及斜纹织物的紧密，孔隙率较1#斜纹织物大。3#针织物的线圈密度远小于机织物，结构相对疏松，孔隙率较大。4#缎纹织物的经纬纱在织物中形成一些单独、互不连接的组织点，布面几乎全部由经纱或纬纱覆盖，经纬纱交织的次数更少，结构疏散，孔隙率较大。

(a)1#斜纹织物

(c)3#针织物

2.4 透气率透湿量与孔隙率的关系

透气率与透湿量的测量数据见表3。可以看出，透气率与孔隙率的相关性比较明显，总体呈正相关，随着孔隙率的增大，透气率也逐渐增强；斜纹的孔隙率最低，透气性能最差，缎纹的孔隙率最高，透气性能最好。透湿量与孔隙率也有一定的相关性，但织物的透湿量的大小并不总是与织物的孔隙率大小保持一致性，1#斜纹织物的孔隙率小于2#平纹织物，但透湿量却优于2#平纹织物。织物的透湿并不只是通过织物间的孔隙，还有纤维自身吸收水气在织物另一侧逸出，以及水气分子凝结通过毛细管作用传递，在水气压低处蒸发，所以透湿量并不总是与织物的孔隙率保持一致。

表3 透气率透湿量与孔隙率的测量数据

试样透气率/mm·s-1透湿量/g·[m2·(24 h)]-1孔隙率/%1#斜纹织物2#平纹织物3#针织物 4#缎纹织物 51.99 55.931 509.331 806.332 485.2442 451.4293 584.4493 327.45045.668 958.483 264.967 465.289 4

3 结论

(1)织物的进退汞曲线孔隙滞后环比较大，说明织物中的孔隙之间的连通性较好。

(2)织物的孔隙体积增量与孔径关系曲线图存在两个波峰，第一波峰表征纤维之间的孔隙，其孔径在600 nm～10 000 nm之间变化，数量众多，峰值宽度大，但对于孔隙总体积的贡献率小；第二波峰为纱线间孔隙，在30 000 nm～500 000 nm之间变化，孔径相对较大，对孔隙总体积的贡献率大，峰值远远高于纤维间的孔隙。总孔隙包括纤维间与纱线间的孔隙。

(3)透气率与孔隙率总体呈正相关，随着孔隙率的增大，透气率也逐渐增强；透湿量与孔隙率具有一定的相关性，但透湿并不只是通过织物间的孔隙，还有纤维自身吸收水汽在织物另一侧逸出，以及水汽分子凝结通过毛细管作用传递，在水汽压低处蒸发，所以透湿性并不总是与织物的孔隙率保持一致。