单向导湿针刺非织造布的制备及其性能研究

江奇佳 王泉 邱长利 金肖克 田伟 祝成炎

摘 要：为制备具有单向导湿效应的针刺非织造布，以涤纶纤维与黏胶纤维为原料，采用针刺加工工艺制备单种纤维的单层纤维网，并将两层纤维网叠合后进行针刺复合得到复合纤维网。在测试单层纤维网平方米质量，芯吸性能的基础上，测试并分析复合纤维网的表面形貌、含水量变化、水分扩散情况、水分单向传递指数，分析水分在复合纤维网中的传输机理。结果表明：水分在涤/黏针刺复合纤维网中的扩散同时具有选择性与方向性;针刺的方向会引起纤维的层间转移，对复合纤维网的单向导湿性能有较大影响;以吸湿性能差异大的两种纤维为原料制备的针刺复合纤维网作为贴身服用面料能够单向将人体汗液排出，隔绝外部水分，实现单向导湿。

关键词：针刺加工;非织造;单向导湿;复合纤维网;润湿梯度

中图分类号：TS102.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2020）05-0013-08

Preparation of Unidirectional Water-transfer Needle-punchedNonwoven Fabric and its Properties

JIANG Qijia1， WANG Quan1， QIU Changli1，2，JIN Xiaoke1， TIAN Wei1， ZHU Chengyan1

（1.College of Textile Science and Engineering（International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou 310018， China; 2.Shanghai Dirong Textile Co. Ltd， Shanghai 200000， China）

Abstract：In order to prepare needle-punched nonwoven fabric with unidirectional water-transfer effect， the single-layer fiber web of a single fiber was prepared with needle punching process by using polyester fiber and viscose fiber as raw materials， and two layers of fiber webs were superimposed for needling composite to gain the composite fiber web. On the basis of testing the weight and wicking properties of single-layer fiber web， the surface morphology， moisture content change， moisture diffusion， one-way transfer index of the composite fiber web were tested and analyzed， and the transmission mechanism of moisture in the composite fiber webwas analyzed. The results show that the diffusion of moisture in the polyester / viscose needle-punched composite fiber web is selective and directional at the same time; the direction of needle punching process will cause the inter-layer transfer of fibers， which has a great influence on the one-way moisture-transfer of the composite fiber web; the needle-punched composite fiber web prepared with two kinds of fibers with greatly different moisture absorption properties can discharge the sweat of human body unidirectionally and isolate external moisture to realize one-way moisture transfer.

Key words：needle punching process; non-woven; unidirectional moisture-transfer; composite fiber web; wetting gradient

單向导湿织物模拟了自然界存在的一些水分单向传输的现象[1-6]，使织物在吸水时水分表现出在织物内单向传递的特性，具体在服用领域表现为织物能够将人体表层汗液传递到外界环境，而外界水分不能通过织物进入人体一侧。单向导湿功能的实现方法分为化学法与结构设计法[7]。化学法是利用化学试剂处理织物表面，使织物两面对水有不同的亲和性，由此产生润湿梯度，达到单向导湿的效果，具体包括单面亲水整理[8]、单面疏水整理[9]和亲疏水双面整理[10]。结构设计法是在设计织物结构时，通过合理配置不同成分的纤维原料和织物结构，使纤维依照不同的亲水性排列在织物厚度方向上，使得水分能够从疏水性的一侧转移到亲水性一侧，而不易逆向转移。与化学法相比，结构设计法不使用化学试剂，因此不存在试剂污染以及经过水洗后效果变差的问题，能够直接与人体接触并且长久使用，通常应用在吸湿排汗针织物[11-15]与机织物[16-18]的设计中。

目前，對单向导湿非织造布的研究大多采用化学法，王洁等[19]使用泡沫整理法对SMS非织造布分别进行亲水整理与拒水整理，潘虹等[9]对纯棉水刺非织造布进行单面拒水处理，任祺等[8]采用聚酯类亲水整理剂Hansi QS-CONC喷洒在聚丙烯SMS非织造布一侧并进行烘干处理，最终都能使材料获得单向导湿功能。而对采用结构设计法制备单向导湿非织造布的研究较少，王伟等[20]对水刺单向导湿非织造布进行了研究，选择了亲水性的黏胶纤维和不同卷曲度的涤纶纤维，比较了不同涤纶卷曲度下与不同复合方向下的涤/黏复合水刺布各项性能，制备出能够实现单向导湿效果的水刺非织造布。关于针刺工艺非织造布的单向导湿性能研究非常有限，因此本研究使用针刺加工工艺与结构设计法，对非织造布进行单向导湿功能设计，以黏胶纤维与涤纶纤维为原料，采用双层纤维网针刺复合的方式制备得到黏胶/涤纶复合非织造布，分别测试了不同主刺方向下复合纤维网两侧的导湿性能，并分析了水分在针刺复合纤维网结构中的传输机理。

1 实 验

1.1 原料选择

涤纶纤维（1.67 dtex，38 mm，苏州市宝思达化纤有限公司），黏胶纤维（1.67 dtex，38 mm，唐山三友远达纤维有限公司）。

1.2 试样制备

1.2.1 单层纤维网制备

采用针刺非织造生产线制备单层纤维网，生产流程为开包→开松→梳理→交叉铺网→预刺→主刺，分别制备120 g/m2的涤纶纤维网与100 g/m2的黏胶纤维网。

1.2.2 复合纤维网制备

将单层黏胶纤维网与单层涤纶纤维网叠合，将叠合后的双层纤维网送入主刺机构进行针刺复合，主刺频率为20 Hz，主刺输出频率为7.5 Hz。叠合顺序包含涤纶纤维层面向针板方向与黏胶纤维层面向针板方向的两种，依此顺序分别命名为PV和VP，复合后的样品规格见表1。

主刺过程如图1所示，两层纤维网叠合后经压网辊进入剥网板与托网板之间接受刺针穿刺作用，最后通过牵拉辊输出，得到复合后的纤维网。

1.3 性能测试

1.3.1 单层纤维网平方米质量测试

依照GB/T 24218.1—2009《纺织品非织造布试验方法第1部分：单位面积质量的测定》每组样品测试5次。

1.3.2 单层纤维网芯吸性能测试

每组单层纤维网样品裁剪5块30 mm×250 mm的条形试样，给予试样一定张力垂直悬挂，一端浸于滴有红墨水的试液中，调整试样高度使试样下端位于液面以下（15±2）mm处。等待试液在试样上爬升高度稳定后，测量并记录芯吸高度值，若同一试样上芯吸高度不一，取最高值记录。

1.3.3 复合纤维网表面形态观测

采用JSM-5610型扫描电子显微镜对复合纤维网表面及截面进行观测。

1.3.4 单向导湿性能测试

采用SDL Atlas公司生产的M290液态水分测试仪依据GB/T 21655.2—2009《纺织品吸湿速干性的评定第2部分：动态水分传递法》测试织物的单向导湿性能，每组样品裁剪5块9 cm×9 cm的正方形试样，分别以试样正反两侧面对测试液滴下方向进行测试，以面对测试液的一面为测试表层，另一侧为底层，将试样平整地放置于传感器上，启动仪器后，在20 s内向织物的表层滴入（0.2±0.01） g测试液，期间机器自动记录织物两面120 s内的含水量变化，并以含水量变化情况计算单向传递指数。

针刺复合纤维网层叠顺序及测试方向表2。

1.3.5 复合纤维网表面滴水扩散观察

分别向复合纤维网两个表面滴0.4 mL的墨水，观察墨水在织物两侧的扩散情况，每组测试重复5次，并量取正反两面墨水的最大扩散直径与最小扩散直径。

2 结果与分析

2.1 纤维网基本性能分析

2.1.1 纤维网平方米质量

每组样品各裁剪5块进行称重，对称重后的数据求取平均值，结果如表3。

对比单层纤维网生产样品时的理论平方米质量与测试的平方米质量可以看到，生产出来的纤维网平方米质量与理论值接近，且标准差相对平方米质量变化不大，可以看做单层纤维网样品整体分布均匀，各处性能相似。

复合纤维网VP与PV的平方米质量均小于两种单层纤维网平方米质量之和，因为两层纤维网叠合后在主刺时，牵拉辊不断产生一个向前的牵伸力，刺针停留在纤维网之间时与牵拉辊共同作用使纤维网经向拉长变薄，因此复合平方米质量总小于单层平方米质量之和。

2.1.2 单层纤维网芯吸性能

为了解黏胶纤维网和涤纶纤维网的吸湿性能，采用芯吸高度进行表征，两种试样的平均芯吸高度如表4所示。

从表4中可知，每组单层纤维网芯吸高度的标准差很小，试样吸湿性能稳定。同时可知，黏胶纤维网的平均芯吸高度远大于涤纶纤维网的芯吸高度，可见黏胶纤维网的芯吸性能优于涤纶纤维网，这为利用润湿梯度效应设计单向导湿效果非织造布提供了基础。

2.1.3 复合纤维网形貌分析

复合纤维网正反面表面形态如图2（a）与图2（b）所示，复合纤维网正面为叠合后的双层纤维网面向针板进行主刺的一面，可见明显向里针刺的孔洞，反面则可以看到随刺针运动从正面转移的纤维。

复合纤维网截面如图2（c）所示，可见纤维网分为上下两层，上层有部分纤维垂直穿过下层，可知在针刺过程中刺针的运动带动上层纤维向下层转移，使得两层纤维网的部分纤维互相纠缠，使两层纤维网紧密结合成一个整体，此缠绕结构增大了水分在两个纤维层之间转移时的接触面积，有利于水分的传递。

2.2 复合纤维网含水量变化

含水量变化曲线反映了织物吸水过程中含水量动态变化的情况，是研究织物吸水过程的重要参考数据，试样VP与PV分别以黏胶纤维层与涤纶纤维层作为表层测试单向导湿性能，含水量与时间关系曲线见图3。

由图3可知，在滴液阶段（前20 s）所有试样含水量迅速攀升，在停止滴液阶段（20 s后）含水量基本保持稳定。其中最上方两条曲线分别为VP2底层与VP1表层含水量曲线，即试样VP的黏胶纤维层含水量曲线，稳定后的含水量大致在500%～600%。中间两条曲线分别为PV2底层与PV1表层含水量曲线，即试样PV的黏胶纤维层含水量曲线，稳定后的含水量大致在400%～500%。最下方两条曲线分别为VP2表层与VP1底层含水量曲线，即试样VP的涤纶纤维层含水量曲线，稳定后的含水量在300%左右。而PV1底层与PV2表层，即试样PV的涤纶纤维层含水量极少，在图3中无显示。

根据图3还可知，试样VP无论水滴方向如何，最终的黏胶纤维层含水量都大于涤纶纤维层含水量，但是涤纶纤维层仍然会有水分存在，即试样VP具有一定的单向导湿性能，但是效果不理想;试样PV无论测试方向如何，只有黏胶纤维层的含水量曲线上升，即复合纤维网中只有黏胶纤维层吸水。可见试样PV无论是黏胶纤维层作为优先吸水面还是涤纶纤维层作为优先吸水面，始终只有黏胶纤维层吸水，涤纶纤维层都不参与吸水，单向导湿效果明显。对比试样VP与试样PV可知，两种试样无论选择哪一面作为优先吸水面，黏胶纤维层的含水量总是更高，但是试样VP的两层纤维都会参与吸水，而试样PV涤纶纤维层含水量极少，黏胶纤维层为主要吸水层。理想的单向导湿织物在吸水后应呈现出织物一侧干燥的现象，显然试样VP更符合。

2.3 复合纤维网水分扩散情况

为了更好地观察复合纤维网中水分扩散过程，使用注射器慢慢向复合纤维网表面滴4 mL墨水，观察墨水在复合纤维网内的扩散情况。试样VP与PV的墨水扩散情况见图4与图5。

从图4中（a）、（b）、（c）可知，对试样VP1黏胶纤维层进行滴液时，水分在黏胶纤维层迅速扩散，同时由于针刺作用，上下纤维层缠绕结构的存在，部分水分沿缠绕结构扩散至涤纶纤维层底部，但涤纶纤维层水分吸收极少;从图4中（d）、（e）、（f）可知，对试样VP2涤纶纤维层进行滴液时，水分在涤纶纤维层上有液滴直径大小的高含水量水平扩散区域，水分在接触到黏胶纤维层后，在黏胶纤维层水平扩散，涤纶纤维层也有点状区域随黏胶纤维层的水分扩散而同步扩散，涤纶纤维层水分吸收极少。图4（b）与图4（d）中深色点状部分含水较多，主要由复合纤维网针刺时随钩刺转移到涤纶纤维层的黏胶纤维引起，由针刺作用产生的上下纤维层缠绕结构形成了导水良好的通道，使得涤纶纤维层不能完全隔绝水分。从图4（c）、图4（f）可以看到涤纶黏胶层与黏胶纤维层之间吸水存在分界，说明两种纤维吸湿性能差异明显，产生了润湿梯度，水分从涤纶纤维向黏胶纤维转移。

由图5中（a）、（b）、（c）可知，对试样PV1黏胶纤维层进行滴液时，水分在黏胶纤维层迅速水平扩散，下层的涤纶纤维层基本不吸水。由图5中（d）、（e）、（f）可知，对试样PV2涤纶纤维层进行滴液时，可以观察到水分在涤纶纤维层只扩散了极小的范围，在接触到黏胶纤维层后，水分向下层的黏胶纤维层传递，而后在黏胶纤维层均匀水平扩散，水分在涤纶纤维层几乎没有扩散。图5（a）与图5（e）中存在吸水较少的白色点状区域，主要是因为复合纤维网针刺时随钩刺转移到黏胶纤维层的涤纶纤维吸水较少的缘故。与图4相似，试样PV的两层纤维网之间也存在明显吸湿边界，两种纤维吸湿性能差异大，水分单向传递效果明显。

分别比较图4与图5（b）、图5（d）可知，针刺工艺中复合纤维网叠合顺序，即上下纤维层的缠绕结构对非织造布的导湿性有较大影响。图4中VP1涤纶纤维层有点状吸水层，图5中PV1涤纶纤维层无明显吸水痕迹。图4中VP2涤纶纤维层存在水分水平扩散，而图5中PV2涤纶纤维层水分水平扩散极少。可见水分在4组试样中的扩散具有明显的选择性，水分仅在黏胶纤维层或由黏胶纤维构成的导湿通道扩散。墨水在试样中的扩散面积见图6。

2.4 复合纤维网单向导湿性能

为了量化说明复合纤维网的单向导湿性能，依据GB/T 21655.2—2009《纺织品吸湿速干性的评定第2部分：动态水分传递法》，液态水从织物表层传递到底层的能力用单向传递指数表示，织物单向传递指數计算过程如式（1）：

O=∫UB-∫UTt（1）

式中：O为单向传递指数;t为测试时间，s;∫UT为表层的吸水量（表层含水量曲线积分）;∫UB为底层的吸水量（底层含水量曲线积分）。

单向传递指数是指测试时间内织物底层和表层含水量积分之差。单向传递指数是衡量织物单向导湿性能最重要也是最直观的指标，指数越大，织物两侧含水量之差越大，说明水分在织物内部的扩散存在更明显的方向性，因此织物单向导湿性能越好。由式（1）可知，指数的正负表示水分传递方向，若为正值则底层含水量大于表层含水量，水分由表层（内部）向底层（外部）传递，若为负值则反之。复合纤维网的单向传递指数如图7所示，每种试样均测试5次取平均值。

从图7可以看到，VP1与PV1两组向黏胶面滴水试样的单向传递指数都为负值，VP2与PV2两组向涤纶面滴水试样的单向传递指数都为正值，即复合纤维网由黏胶纤维层向涤纶纤维层传递水分的能力较差，从涤纶纤维层向黏胶纤维层传递水分的能力较好，涤/黏针刺复合纤维网在吸水时具有单向导湿现象;PV1的指数绝对值大于VP1的指数绝对值，PV2的指数绝对值大于VP2的指数绝对值，可见试样PV内外含水量相差更大，试样PV单向导湿性优于试样VP，与章节2.3所得结论一致，即涤纶纤维层面向主刺机构制备复合纤维网的方式能够制备出具有更好单向导湿性能的复合纤维网。

针对水分在涤/黏针刺复合纤维网中的传递特征，在将涤/黏针刺复合纤维网应用在服用领域时，宜将涤纶面作为贴近人体一侧的隔水层，将黏胶面作为面向外部环境的吸水层，使得人体表面能够保持干爽。

图8模拟了复合纤维网吸收外部环境水分时的吸收过程，水分从外部环境接触到人体前需经过复合纤维网，在表层为吸水层、底层为隔水层的情况下，PV1与VP1的水分单向传递指数绝对值分别为248和182，正如章节2.3中所描述的，由于针刺中主刺工艺刺针的运动，穿透两层纤维层所形成的纤维通道和特殊的缠绕结构同样会对其单向导湿指数产生影响。VP1的吸水层吸水后，水分会通过试样VP进行主刺时形成的黏胶纤维缠绕结构传递到隔水层，削弱了隔水层的隔水效果;PV1由于试样PV主刺时形成的缠绕结构由涤纶纤维构成，水分在吸水层扩散后不会通过吸水层中的涤纶纤维通道传递到隔水层接触人体，由此达到了较好的隔水效果。

圖9模拟了复合纤维网吸收身体散发水分时的吸收过程，在水分从人体传输到外界环境的过程中，以隔水层为吸湿表层、吸水层为吸湿底层时，PV2与VP2的水分单向传递指数分别为311和236，PV2和VP2的水分传输路径如图9所示。VP2的隔水层中分布着由针刺运动形成的黏胶纤维缠绕结构，在隔水层接触到水分后，水分不仅向吸水层传递扩散，还会沿着隔水层中存在的黏胶纤维缠绕结构在隔水层中水平扩散，向外导湿效果不佳。

在测试单层纤维网芯吸性能时可以发现，纤度为1.67 dtex的涤纶纤维制备的单层纤维网仍具备一定吸湿性，因此在PV2的吸水过程中，水分首先被隔水层捕捉并扩散，在水分接触到吸水层后隔水层停止水平方向上的扩散，仅在接触水分的隔水层区域保持一定含水量充当导湿通道，水分向吸水层传递并扩散，隔水层与人体表面保持干燥。试样PV在进行针刺时，涤纶纤维被带到黏胶纤维层，而涤纶纤维层没有黏胶纤维分布，在这一情况下，复合纤维网向外界传递水分的性能最佳，单向导湿指标最高。

综上所述，在将单向导湿针刺非织造布应用于贴身服用面料时，通过将高吸湿的黏胶纤维层配置在近外界环境一侧，低吸湿的涤纶纤维网配置在近人体一侧，能够实现将人体汗液向外排出，并一定程度上将外界水分与人体隔绝，具有较好的单向导湿能力。在此基础上，针刺复合时针刺方向为从内侧的涤纶到外侧黏胶纤维时，能进一步提高复合纤维网的单向导湿能力。

3 结 论

以涤纶纤维与黏胶纤维为原料，采用针刺工艺分别制备了单层纤维网，并将两种单层纤维网按照不同层叠方式进行针刺复合。在对单层纤维网平方米质量以及芯吸性能测试的基础上，测试并表征了复合纤维网的微观形貌、含水量变化、水分扩散情况、单向传递指数，结合人体和外界环境间水分的传输路径分析，对针刺复合非织造布利用润湿梯度效应实现单向导湿效果进行了研究。得出了如下结论：

a）水分在涤/黏针刺复合纤维网中的扩散具有明显的选择性，水分仅在黏胶纤维层或由黏胶纤维构成的导湿通道扩散，由于两种纤维存在明显吸湿性能差异，黏胶纤维层与涤纶纤维层吸水边界明显。

b）涤/黏针刺复合纤维网吸湿具有方向性，从任一侧开始吸收水分，水分最终都将传递到黏胶纤维层。当水分首先接触黏胶纤维层时，黏胶纤维层直接吸湿，涤纶纤维层不参与吸湿过程;当水分先接触涤纶纤维层时，水分在涤纶纤维层扩散至涤-黏交界面后，黏胶纤维层开始吸湿并迅速扩散水分，涤纶纤维层停止水分水平扩散，只保留初始吸湿区域。

c）采用针刺工艺复合两种吸水性能存在差异的单层纤维网时，针刺的方向会引起纤维的层间转移，最终对复合纤维网的单向导湿性能有较大影响。以吸湿性较差的纤维层叠合在吸湿性较好的纤维层之上的方式送入主刺机构制备而成的复合纤维网具有更好的单向导湿性能。

d）在将单向导湿针刺非织造布应用于贴身服用面料时，通过以高吸湿的黏胶纤维层为近外界环境一侧，低吸湿的涤纶纤维网为近人体一侧，采用针刺工艺将两种吸湿性能差异大的纤维网复合而成的非织造布，能够实现将人体汗液向外排出，并一定程度上将外界水分与人体隔绝的功能，具有较好的单向导湿能力。当针刺方向为内侧的涤纶纤维层方向向外侧黏胶纤维层方向进行针刺时，能进一步提高复合纤维网的单向导湿能力。

e）针刺非织造布被广泛地应用于土工布、建筑材料、过滤材料、汽车内饰、服装内衬等领域，对针刺非织造布进行单向导湿功能设计能够进一步拓宽针刺非织造布的应用范围。对单向导湿针刺复合非织造布的制备工艺进行了初步地研究，主要分析了层叠方式对复合非织造布导湿效果的影响，为后续的单向导湿针刺复合非织造布研究提供了一定的理论基础。

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