聚酰亚胺纤维及其织物保暖性能研究

洪 杰 刘梅城 龚蕴玉 姜 生 徐海燕

（1.江苏工程职业技术学院，江苏南通，226001；2.泉州师范学院，福建泉州，362000）

聚酰亚胺纤维是一类在主链上含有酰亚胺环的高分子聚合物，并因其芳香结构的稳定性，具有诸多优异性能，如优异的力学性能、耐高温、耐低温、耐化学性能等。在过滤、阻燃、防护等领域有广泛的应用，同时在近些年基于该纤维具有优异的保温隔热性能这一特点，亦将其开始应用于民生领域［1⁃2］，如将聚酰亚胺纤维与其他原料混纺，推出设计时尚的毛衣产品［3⁃4］。

在当前已公开的文献中，杨莉等制取了一系列的聚酰亚胺针织物，通过比对认为其保暖隔热性能显著优于羊毛织物，并就针织结构及度目值对保暖性能的影响进行了分析［5］。方国平等将聚酰亚胺短纤（又称轶纶95）纺成18 tex纯聚酰亚胺短纤纱，再制成针织汗布，其保温率达78%，但基于实际使用考虑，将聚酰亚胺短纤与其他纤维混纺，分别制取了安芙丽/聚酰亚胺/棉/麻赛尔30/30/20/20 14.5 tex混纺纱和安芙丽/聚酰亚胺/棉40/30/30 18 tex混纺纱，制取的系列针织物的保温率均在35%以上［6］。谢焓等制取了聚酰亚胺纤维絮片、聚酰亚胺与中空涤纶混合絮片，其保暖性远高于近似单位面积质量的羊绒纤维絮片和竹炭纤维絮片［7］。刘艳春等对聚酰亚胺织物进行羧基化改性后，综合考虑热阻和湿阻，认为织物的保暖性能没有明显下降［8］。在杨军杰等的文中也提及用聚酰亚胺短纤制取的絮片保暖性整体优于涤纶、羊绒絮片［9］。在刘朝等的文中则设计制取了一种聚酰亚胺、锦纶、氨纶三组分裤袜，经测试其保温率达40.2%［10］。

在聚酰亚胺短纤产品保暖性能研究中，多为针织物和絮片类，对于机织物及其填充结构类产品的设计及保暖性能系统研究较少。本研究将在前期以聚酰亚胺14.5 tex短纤纱制取机织物的基础上［11］，进行双层单填充结构和三层双填充结构设计，并填充不同的纤维［12］，对聚酰亚胺短纤织物填充结构的保暖性能进行较为系统的研究。

1 试验方案

1.1 试验用材料

所用聚酰亚胺织物组织为平纹，为了后续设计填充结构中避免填充纤维的钻出，设计经纬密度为524根/10 cm×394根/10 cm（133根/英寸×100根/英寸），幅宽为40 cm，织造使用的为SGA 598型全自动剑杆织样机。同时制取了织物组织结构参数相同的纯棉织物，所用纯棉14.5 tex纱为南通纺织控股集团纺织染有限公司生产。

在本研究填充结构中所使用的各类纤维基本情况见表1。

表1 用于填充结构的纤维基本情况

1.2 填充结构设计与测试

在获得聚酰亚胺织物后，先对织物保暖性能进行测试，而后进行了双层单填充结构设计，在对双层单填充结构的保暖性能进行测试后，再进一步进行了三层双填充结构设计，具体的填充结构设计方案及纤维填充量见表2［13］。在填充结构中填充纤维时，注意要确保纤维填充均匀，同时尽量避免压缩纤维，以使得所填充纤维在结构中处于充分蓬松状态。各填充结构层间采用四周缝合。在表2聚酰亚胺和鸭绒、鹅绒组合的三层双填充结构中，采取的是单填充聚酰亚胺和单填充鸭绒、单填充鹅绒组合形成双填充的方式。

表2 聚酰亚胺织物及其填充结构设计方案

对织物及其填充结构保暖性能进行测试时，所采用的标准为GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定（蒸发热板法）》。制样尺寸为30 cm×30 cm，所用仪器为温州市大荣纺织仪器有限公司生产的YG（B）606E型织物保温性能测试仪。

2 结果分析

2.1 织物保暖性能

所制取聚酰亚胺织物的保暖性能测试结果见图1。从图1中可知，相比纯棉织物，聚酰亚胺织物的保暖性能优异，其热阻值为纯棉织物的2.33倍。这是由于纤维结晶度高、结构有序则导热系数越大［14］，棉的结晶度在 70% 及以上［15⁃16］，而聚酰亚胺短纤的结晶度只有不到20%［17］，因此聚酰亚胺的导热系数低于棉的导热系数，所以聚酰亚胺织物的保暖性优于纯棉织物。

图1 织物的热阻值

在将聚酰亚胺织物通过叠合平铺为双层、三层时，通过图1可知其热阻值提高显著，分别为单层时的2.79倍和3.93倍，而非简单的2倍或3倍于单层织物的关系，保暖性能更加优异。这主要是一方面织物层数增加，会使热阻值提高，另一方面在处理为双层、三层时，在测试中虽然力求织物处于平整状态，但层间仍会存有一定的空隙，由此静止的导热系数仅0.026 W/（m·℃）的空气的存在，会有助于其保暖性能的进一步提升。这也表明聚酰亚胺织物适于开发设计用于防寒保暖类的填充结构产品。

2.2 双层单填充结构保暖性能

以聚酰亚胺织物为基础，根据表2方案所设计的各种双层单填充结构产品的保暖性能测试结果见图2。

图2 双层单填充结构的热阻值

通过图2可看出，整体上填充羽绒时的双层单填充结构其保暖性能最优，填充聚酰亚胺短纤的次之，填充常规粘胶纤维的相对最小。与此同时对各填充结构的厚度进行了测量，填充物分别是粘胶1.5 dtex×38 mm、聚酰亚胺2.2 dtex×38 mm、聚酰亚胺2.2 dtex×51 mm、聚酰亚胺1.6 dtex×51 mm、鸭绒、鹅绒时，厚度分别为13 mm、17 mm、14 mm、17 mm、19 mm、21 mm。

在图2所示的各种双层单填充结构中以填充羽绒的保暖性能最优，这是因为一方面羽绒在三类填充纤维中的导热系数最小，另外一方面，从填充结构厚度上看，填充羽绒时其整体最为蓬松，因此填充结构中所含静止空气也更多。而鹅绒相比鸭绒，其绒核较小，绒枝较长，绒小枝也较长而细且分布较密，另外绒小枝中的节点小而多且分布更均匀，这均有助于结构的蓬松和保暖，因此填充鹅绒时其厚度会更厚热阻值也更高［18］。

相比在保暖性次之的填充聚酰亚胺短纤结构中，可看出所填充聚酰亚胺短纤的线密度和长度均会对填充结构的保暖性能产生影响，根据图2中的结果认为填充用的聚酰亚胺短纤以偏细、偏短为宜。这是因为在其他条件相同之下，填充的纤维相比越细，则其比表面积更大，可使得填充结构中含有更多的静止空气，而空气的导热系数小，使得保暖性能得以提升。而对于纤维长度，在相同填充量、相同纤维线密度时，纤维越短，在纤维集合体内的纤维总根数越多，因此填充结构空间中所含静止空气被划分为更细密的小空间，使得空气流动性减小，对流传导性下降，因此其保暖性能更优［19］。

而粘胶因其导热系数在所填充的三大类纤维中最大，虽然所用的粘胶相对细短，然而粘胶纤维的弹性较差，由测试的厚度值可知其填充后较为密实，因此纤维集合体中存有的静止空气也更少，使得填充结构产品的保暖性能相比最差。

2.3 三层双填充结构保暖性能

在双层单填充结构基础上所设计的三层双填充结构产品其保暖性能测试结果见图3。结合图2和图3，可知在填充量保持为9 g不变的情况下，三层双填充结构的保暖性能进一步提升。这是因为一方面聚酰亚胺织物层数有增加，另一方面增加了一层织物使阻隔空气流动的效应更好，均有助于保暖性能提升，但同时织物层数的增加会使三层双填充结构中的下层受压增大，使得其中所填充纤维集合体变得相对密实，不利于结构保暖性的提升，但综合之下层数增加和阻隔效应作用更为显著，使得最终的保暖性能进一步提升。

图3 三层双填充结构的热阻值

在三层双填充结构中将填充量加大至18 g时，从图3可看到填充结构产品的保暖性能更加优越。对于填充18 g粘胶的三层双填充结构，其保暖性能优于双层单填充结构中填充9 g鸭绒这一设计。同时在三层双填充结构中，以双层单填充结构中保暖性能最优的一种聚酰亚胺短纤（2.2 dtex×38 mm）与羽绒进行了组合设计，从图3中可知其也取得了优异的保暖性能。其中填充（聚酰亚胺+鸭绒）9 g和（聚酰亚胺+鹅绒）9 g组合的保暖性能均已优于双层单填充结构中填充9 g鸭绒这一设计。

当前市场上羽绒的价格是聚酰亚胺短纤的2倍～3倍，而粘胶短纤价格不足聚酰亚胺短纤的五分之一，在结合用料成本考虑之下，采取这一组合结构设计，实现了以低成本取得优异保暖性能的效果。通过保暖制品的原料、结构的组合设计，从对保暖性的需求和价格层面上，满足不同地区、人群和成本考虑的消费者，实现了差异化消费。而对于部分不适或不习惯于羽绒的群体［20］，也是一个很好的选择。同时采用这样的多层结构设计，还可以避免出现单层填充量过大时产生的纤维团聚现象，有利于优异保暖性的获取。

3 结论

（1）聚酰亚胺织物保暖性能优异，热阻值为组织结构参数相同的纯棉织物的2.33倍，在处理为双层和三层时，其保暖性能更为优异，为单层时的2.79倍和3.93倍。

（2）双层单填充结构中，以填充羽绒的保暖性能最优，聚酰亚胺短纤的次之，常规粘胶纤维的相对最小。所填充聚酰亚胺短纤，其纤维偏细、偏短更有利于优异保暖性能的获取。

（3）三层双填充结构其保暖性优于双层单填充结构，且其可设计性更好，能更好满足多元化需求。