中空咖啡碳聚酯纤维/棉混纺纬平针织物的服用性能

张陈恬， 赵连英， 顾学锋

(1. 浙江理工大学 纺织科学与工程学院， 浙江 杭州 310018； 2. 宁波马菲羊纺织科技有限公司， 浙江 宁波 315700)

涤/棉织物具有手感滑爽、抗皱性好、尺寸稳定、易洗快干等优点, 但由于涤纶吸湿性、透气透湿性差, 有汗渍时不能及时排出,会存在微生物迅速繁殖并产生异味等问题, 严重时还会使织物产生霉斑和色变[1]。对涤/棉织物进行功能整理可提高其服用舒适性，但耐久性不强且增加了工序，直接采用改性涤纶等功能纤维已成为产品开发的首选。如今功能纺织品的市场竞争力也在迅速提升，功能纤维层出不穷，不仅环保、多功能、高性能且更加舒适健康，在热湿舒适性能等多方面已经打破了以往天然纤维与化学纤维的界限[2]。

中空咖啡碳聚酯纤维是由咖啡渣经高温煅烧、研磨成的纳米粉体，经特殊工艺加工制成母粒后，与一定含量的聚酯切片共混、纺丝而成[3]，具有抑菌除臭、蓄热保暖、防紫外线等多种功能，并且安全、环保、手感舒适，非常适合加工贴身服饰，深受消费者青睐。圆形中腔结构也使得纤维更加蓬松、具有良好的回弹性和高保暖性[4]，而且比表面积大，质量轻，选择渗透性好，吸附能力强[5]等。国内外很多品牌都已推出了咖啡系列产品[6-7]，但咖啡碳纤维在应用过程中也存在以下问题：可纺性差，易产生静电，不耐磨，易起毛起球，生产成本高等[8]。

中空咖啡碳聚酯纤维作为一种改进并增加了中空结构的新型咖啡碳纤维，其基本性能与功能及纤维含量对织物性能的影响还有待进一步研究。为此，本文设计了不同纤维含量的中空咖啡碳聚酯纤维/棉混纺纬平针织物，探讨了中空咖啡碳聚酯纤维含量对服用性能的影响。测试分析了织物的顶破、起毛起球、透气、透湿及保暖等性能，并基于回归分析对以上性能指标作出综合评价，以期为此类产品的设计开发提供参考与借鉴。

1 实验部分

1.1 纱线设计

本文采用深灰色中空咖啡碳聚酯纤维(华楙生技股份有限公司)与白色新疆细绒棉纤维(轮台县远江农工贸有限责任公司棉花加工厂)混纺纱线，纤维的形态如图1所示，性能参数如表1所示。

设计了20/80、40/60、50/50、60/40、80/20 5种混纺比，纺制10组18.3 tex环锭纱与赛络纱，并测试纱线的性能，结果如表2所示。环锭纱编号为a1～a5，赛络纱编号为b1～b5。

1.2 织物设计

采用PFED单面针织机(凹凸精密机械有限公司)织造相同规格的纬平针织物：24针，面密度为145 g/m2，织物基本参数见表3。编号A对应环锭纱织物；编号B对应赛络纱织物。

1.3 仪器设备

YG031型电子织物气动顶破强力机(宁波纺织仪器厂)；YG401D-Ⅲ 型织物平磨仪(温州方圆仪器有限公司)；YG461E-Ⅱ 型透气性测试仪(温州方圆仪器有限公司)；YG601H-Ⅲ 型电脑式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂)；YG606E 型纺织品热阻测试仪(温州方圆仪器有限公司)；SteREO Discovery.V12蔡司Zeiss 显微镜(卡尔·蔡司股份公司)；FA2004型电子天平(常州科源电子仪器有限公司)；YG982型标准光源箱(宁波纺织仪器厂)。

1.4 测试方法

1.4.1 顶破强力测试

根据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》，采用电子织物气动顶破强力机测试织物的顶破强力。环形夹持器内径为45 mm，抛光钢球直径为38 mm，测试速度为300 mm/min，夹距为100 mm，每种织物取5个试样进行调湿后测试，取平均值。测试温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±4)%。

1.4.2 起毛起球性能测试

根据GB/T 4802.2—2008《纺织品 织物起毛起球性能的测定 第2部分：改型马丁代尔法》，采用织物平磨仪测试织物的起毛起球性能。摩擦次数分别为125、500、1 000、2 000、5 000、7 000，测试速度为49.5 r/min，负荷质量为155 g。每组取12个试样：6个直径为140 mm的待测织物，6个为直径为140 mm的磨料。每种织物每组每个测试3块，在标准光源箱内进行评级，记录每块试样的级数，取平均值。测试温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±4)%。

采用蔡司Zeiss显微镜对织物表面的起毛起球形态进行观察，设置倍数为30.0,可视距离为8.3 mm。测试温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±4)%。

1.4.3 透气性测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用透气性测试仪测试织物的透气率。每种织物取5个试样调湿后进行测试，相同条件下在每个试样的不同部位重复测定10次，取平均值。试样面积为20 cm2，压降为100 Pa，测试温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±4)%。

1.4.4 透湿性测试

根据GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》，采用电脑式织物透湿仪测试织物的透湿率。每种织物剪取3块直径为70 mm的试样，调湿后放入透湿杯进行正杯法装样测试，每隔1 h，按编号顺序对实验组合体称量，精确至0.001 g。实验条件：循环气流速度为0.3～0.5 m/s，测试温度为(38±2) ℃，相对湿度为(50±2)%。

试样透湿率按式(1)计算：

(1)

式中：WVT为试样的透湿率，g/(m2·h)；Δm为同一实验组合体2次称量的质量之差，g；A为有效实验面积，0.002 83 m2；t为实验时间，h。

1.4.5 保暖性测试

根据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)》，采用纺织品热阻测试仪测试织物的克罗值。每种织物取5个试样调湿后进行测试。试样大小为500 mm×500 mm；测试板表面温度为35 ℃；气候室空气温度为(20±0.1) ℃，相对湿度为(65±3)%；空气流速为(1±0.05) m/s；预热时间和实验时间各为1 200 s，循环5次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 顶破强力分析

利用SPSS软件分析数据并建立拟合方程：相关系数R反映此数学模型的拟合优度，最大值为1；决定系数R2可判断函数模型与实际数据的拟合程度，数值越接近于1，说明所选函数模型对实验数据的拟合程度越高；F说明R的显著度，sig.F统计量小于0.05，说明模型总体对方差点解释是显著的。建立数学模型时，需选择R2接近1且sig.F统计量小于0.05的方程。

图2示出环锭纱织物、赛络纱织物的顶破强力(y1、y2)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程分别为

y1=-97.5x2+281.4x+516.7 (R2=0.934)

(2)

y2=151.875x2-36.725x+640.225 (R2=0.998)

(3)

2个方程的相关系数R2均非常接近于1，说明顶破强力与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系极好。2条曲线的共性是随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，顶破强力增大。这是因为中空咖啡碳聚酯纤维延续了涤纶优异的拉伸性能，其断裂强度及断裂伸长率均高于棉纤维2倍，所以含量增加可弥补混纺纱中棉纤维的低强低模低弹，提高混纺织物的顶破强力，且混纺纱中棉纤维断裂后，由于纱中纤维间的压力及摩擦作用，仍会对混纺纱拉伸性能有贡献[9]。

赛络纱织物顶破强力高于环锭纱织物，这是因为赛络纺纱时2根粗纱一起牵伸加捻为1根细纱，结构紧密、条干均匀光洁，具有股线的风格和优点，所以赛络纱线的断裂强度、断裂伸长率都优于环锭纱，织物的顶破强力也具有明显优势。

图3示出环锭纱织物、赛络纱织物的顶破长度(y3、y4)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程为：

y3=-20.187x2+24.092x+82.733(R2=0.537)

(4)

y4=-7.750x2+7.760x+86.295(R2=0.934)

(5)

图3 顶破长度与中空咖啡碳聚酯纤维含量的拟合曲线Fig.3 Fitting curves of bursting length and content of hollow coffee carbon fiber

方程y3的相关系数R2远小于1，说明环锭纱织物的顶破长度与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系不明显。方程y4的相关系数R2接近于1，说明赛络纱织物的顶破长度与中空咖啡碳聚酯纤维含量存在明显的线性关系。如图3所示，中空咖啡碳聚酯纤维含量对织物顶破长度的影响呈波动状态，但都在中空咖啡碳聚酯纤维含量为40%时出现峰值。这是因为织物参数相同时，相比于赛络纱，环锭纱结构较松散，断裂伸长利用率高，所以织物的顶破长度较大，并且受到环锭纱条干不匀的影响，影响趋势会出现上下波动。

2.2 起毛起球性能分析

织物在实际穿着或洗涤过程中，受到外力作用的摩擦，使得织物表面纤维外露出现毛茸，即“起毛”，毛茸不及时脱落就会相互纠缠，成为球形小粒，即“起球”[10]。织物表面的毛球容易吸附灰尘等，起毛起球现象严重时会影响其外观、手感和服用性能。目前国内在“起球与起毛正比”的假设下，规定起毛与起球同为5级并用同一种样照，如图4所示。

图4 起毛起球评级样照Fig.4 Pilling grading sample. (a)Sample according to 1-2 grade；(b)Sample according to 2-3 grade；(c)Sample according to 3-4 grade；

将已磨试样与标准样照进行对比评级，结果如表4所示，以A1为例展开分析。试样A1摩擦125次的织物表面基本无变化，评级为5级；摩擦500次的织物表面轻微起毛，但无起球现象，评级为4.5级；摩擦1 000次的织物表面毛球颗粒感开始清晰，轻微起球，分布稀疏，评级为4级；摩擦2 000次的织物表面毛球变大，数量增多，但程度较轻，评级为4级；摩擦5 000次的织物表面起毛较严重，范围变广，织物中间部分毛球磨掉，边缘毛球明显，分布密集，评级为3.5级；摩擦7 000次的织物表面毛球体积增大，更密集，中间部位明显变薄，但不同大小和密度的毛球依然清晰，评级为3级。

表4 织物起毛起球评级Tab.4 Grade for pilling of fabrics 级

图5示出不同摩擦次数下试样A1的表面起毛起球照片。可以看出：在30倍显微镜下，摩擦125次的织物表面基本无变化；摩擦500次的织物表面出现了一端比较松散的纤维和两端都被握持的圈毛羽，多处形成茸毛，持续的外力作用使得纱线中的纤维开始变得疏松，纤维在纱线中开始向外滑移，形成圈毛羽和端毛羽，且毛羽数量增多;摩擦1 000次的织物表面的毛羽开始缠结在一起，出现轻微的毛球；摩擦2 000次的织物表面毛球体积增大，随着纤维进一步纠缠，球体变紧实;摩擦5 000次的织物表面毛球出现脱落现象，当毛球脱落时，并不是所有的纤维断裂，而是大部分纤维断裂，残留的纤维末端杂乱地浮于表面继续与周边毛羽纠缠，开始起毛起球的另一个循环，所以表面出现大小不一的毛球；摩擦7 000次的织物是这6组测试中毛球体积最大最紧实、分布最密集的1组，毛球形成和脱落不断交替也使得面料结构开始松散。

图5 不同摩擦次数下试样A1的表面起毛起球照片Fig.5 Surface pilling photos of sample A1 under different friction times. (a)125 times；(b)500 times；(c)1 000 times；

图6示出环锭纱织物、赛络纱织物的起毛起球等级(y5、y6)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程为：

y5=-x2+0.42x+3.965 (R2=0.978)

(6)

y6=-4.187x2+4.012x+3.543 (R2=0.991)

(7)

图6 起毛起球等级与中空咖啡碳聚酯纤维 含量的拟合曲线Fig.6 Fitting curves of pilling and content of hollow coffee carbon fiber

2条拟合曲线的相关系数R2均非常接近于1，说明起毛起球等级与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系极好。随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，织物表面起毛起球情况变差。影响织物起毛起球的因素有很多，如纤维性能[11]、混纺比[12]、纺纱方式[13]等。棉纤维断裂强度低，容易起毛，但抗疲劳性差，毛羽会较快脱落，不容易起球；涤纶易起球且抗疲劳性好，成球后毛球不容易脱落[14]。棉纤维起毛后会被涤纶包裹并纠缠，因此涤/棉混纺织物比纯涤纶织物更容易起球。中空咖啡碳聚酯纤维与棉纤维混纺时，织物表面的起毛起球情况与普通涤/棉混纺织物相似，需要调整合适的混纺比来改善。

混纺比对赛络纱与环锭纺纱织物的起毛起球性能影响趋势大致相同，都在中空咖啡碳聚酯纤维含量为40%时起毛起球情况最好，但赛络纱织物表面起毛起球情况明显优于环锭纱织物。这是因为赛络纱结构紧密，短纤维卷入纱体包裹较严实，表面毛羽少，且条干好，所以织物在摩擦过程中起毛较少，后续摩擦也不易起球。

2.3 透气性分析

透气性影响织物的穿着舒适性和使用性能。影响织物透气性能的因素有组织结构、纤维的表面形态、纱线结构、密度、厚度等[15-16]。图7示出环锭纱织物、赛络纱织物的透气率(y7、y8)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程为：

y7=73.688x2+205.357x+1 566.398 (R2=1.000)

(8)

y8=757.750x2-42.550x+1 646.2 (R2=0.971)

(9)

2条拟合曲线的相关系数R2等于或非常接近于1，说明透气率与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系极好。随着混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，透气率呈线性增长趋势。这是因为中空咖啡碳聚酯纤维中纳米级咖啡碳颗粒的添加使得纤维的比表面积变大，孔隙变多，且有一部分微孔会成为从表面到中空部分的贯穿孔[16]，所以大大增加了透气性，改善了普通涤纶织物不透气而闷的缺点。经测试发现:普通涤/棉织物(涤/棉(40/60)纬平针织物)的透气率约为1 000 mm/s;中空咖啡碳聚酯/棉织物的透气率至少比普通涤/棉织物高66%。

混纺比对赛络纱与环锭纱织物的透气性能影响趋势大致相同，但赛络纱织物透气率明显高于环锭纱织物。织物参数相同时，环锭纱条干不匀率较大，毛羽多，织物表面被毛羽覆盖的面积大，所以孔隙率小，透气率小，而赛络纱条干好、毛羽少，孔隙率大，透气率大。

2.4 透湿性分析

图8示出环锭纱织物、赛络纱织物的透湿率(y9、y10)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程为:

y9=-16.762x2+22.390x+130.956 (R2=0.985)

(10)

y10=-21.081x2+33.005x+131.306 (R2=0.999)

(11)

图8 透湿率与中空咖啡碳聚酯纤维含量的拟合曲线Fig.8 Fitting curves of moisture permeability and content of hollow coffee carbon fiber

2条拟合曲线的相关系数R2均非常接近于1，说明透湿率与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系极好。2条曲线的共性是透湿率随混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加而增大，增长速率呈先快速后缓慢甚至不变的趋势。透湿性能与透气性能变化相似，但中空咖啡碳聚酯纤维增加比表面积和孔隙的同时，增大了回潮率，也会增加吸湿率和放湿率，所以在中空咖啡碳聚酯纤维含量达到一定值时，透湿率也达到极限，不再增加。经测试发现：普通涤棉织物(涤/棉(40/60)纬平针织物)的透湿率约为125 g/(m2·h);中空咖啡碳聚酯纤维/棉织物的透湿率至少比普通涤/棉织物高10%。

2.5 保暖性分析

图9示出环锭纱织物、赛络纱织物的克罗值(y11、y12)与混纺纱内中空咖啡碳聚酯纤维含量(x)的拟合曲线，相应方程为:

y11=0.026x2+0.19x+0.545 (R2=0.986)

(12)

y12=0.028x2+0.268x+0.681 (R2=0.996)

(13)

图9 克罗值与中空咖啡碳聚酯纤维 含量的拟合曲线Fig.9 Fitting curves of CLO value and content of hollow coffee carbon fiber

2条拟合曲线的相关系数R2均非常接近于1，说明克罗值与中空咖啡碳聚酯纤维含量的线性关系极好。随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，2条曲线都呈现线性上升趋势，织物的克罗值越大，保暖性越好。中空咖啡碳聚酯纤维表面的纳米级微孔结构会储存大量热能，中空结构也会蓄积更多的静止空气，所以会增加织物的保暖性，实现舒适轻盈又保暖的效果。经测试发现：普通涤/棉织物(涤/棉(40/60)纬平针织物)的克罗值约为0.171 81 clo;中空咖啡碳聚酯纤维/棉混纺织物的保暖性比普通涤/棉织物提高2.6倍。

2.6 综合评价分析

为了综合分析中空咖啡碳聚酯纤维含量对服用性能的影响，现基于上述各指标的回归方程建立服用综合性能评判函数。顶破强力、透气性、透湿性、保暖性、起毛起球评级指标均具有正向性，值越大越好。

为了避免因不同指标量纲单位带来的不可共度性，利用阈值法对原函数进行无量纲化，再采用直接加权法[18]建立目标函数：

(14)

式中：Y为服用性能综合评价方程；yi为第i指标的回归方程；max(yi)为第i指标下的最大值;wi为第i指标的权重，利用变异系数法进行计算：

(15)

wa1=0.294 01；wa2=0.039 90；

wb1=0.015 973；wb2=0.089 77；

wc1=0.046 87；wc2=0.019 99；

wd1=0.335 21；wd2=0.080 52；

we1=0.164 18；we2=0.045 09。

将数值代入式(14)，获得顶破强力、透气性、透湿性、保暖性、起毛起球性能综合评价的数学模型，A组环锭纱织物为Y1，B组赛络纱织物为Y2，分别为：

Y1=-0.017 81x2+0.060 68x+0.195 62

(16)

Y2=0.000 62x2+0.063 22x+0.214 29

(17)

将10种织物的性能指标值分别代入式(16)、(17)，得到各织物无量纲化的综合评价值，结果如表5所示。对比数值得：随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，织物的顶破强力、透气性、透湿性、保暖性、起毛起球性能评价越好，且赛络纱织物性能优于环锭纱织物。

表5 试样性能综合评价值Tab.5 Comprehensive evaluation value of sample performance

织物总体评价包括基本力学性能、耐久性、保形性、舒适性、风格等，不局限于本文所提到5个性能，且实际生产考虑到成本问题、实际加工问题等，中空咖啡碳聚酯纤维等功能纤维的含量还要以实际情况作出具体安排。

3 结 论

本文试织了10种中空咖啡碳聚酯纤维/棉混纺纬平针织物，对其顶破强力、透气性、透湿性、保暖性、起毛起球性能进行测试分析，得出以下结论。

1)基于线性回归分析发现，中空咖啡碳聚酯纤维含量对织物性能的影响非常显著，随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，织物的顶破强力、透气性、透湿性、保暖性能增大，抗起毛起球性能变差。

2)对比性能综合评价值发现，随着中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加，织物性能综合评价值增大，且赛络纱织物的综合评价值均高于环锭纱织物。

3)中空咖啡碳聚酯纤维/棉混纺织物相比于普通涤/棉织物，顶破强力与起毛起球情况未有较大变化，但透气性能可提高66%，透湿性能提高10%，保暖性能提高2.6倍。