单向导湿机织物的设计及其性能研究

陶凤仪 乔明伟 王姗姗 祝成炎 张红霞 田伟

摘要： 为从结构设计的角度开发具有单向导湿功能的机织物，文章选用黏胶纤维和蜂窝微孔涤纶纤维为原料，通过改变纤维原料在织物厚度方向上的排列方式，使织物内外两层呈现不同的吸湿效应，测试并分析织物两层的含水量变化、浸湿时间、吸水速率、液态水分扩散速度、最大浸湿半径及单向传递指数，进一步分析水分在织物中的传递机理。结果表明：水分在织物中传递和吸湿扩散具有选择性和方向性;疏水内层作为贴肤面在润湿梯度效应下能单向将人体汗液排出，且能隔绝外界水分;织物内外两层亲疏水性能差异越大，单向导湿性能越好。

关键词： 单向导湿;润湿梯度;亲疏水性能;机织物;结构设计;组织结构

中图分类号： TS105.11

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2021）07011007

引用页码： 071301

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.07.018（篇序）

Study on design and performance of unidirectional woven fabric with moisture conduction function

TAO Fengyi1， QIAO Mingwei2， WANG Shanshan2， ZHU Chengyan1， ZHANG Hongxia1， TIAN Wei1

（1.College of Textile Science and Engineering（International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;2.Hangzhou Xintianyuan Textile Co.， Ltd.， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to develop woven fabrics with unidirectional moisture conduction function from the perspective of structural design， viscose fiber and honeycomb microporous polyester fiber were used as raw materials. By changing the arrangement of fiber materials in the thickness direction of the fabric， the inner and outer layers of the fabric presented different moisture absorption effects. The moisture content change， wetting time， water absorption rate， liquid water diffusion rate， maximum wetting radius and unidirectional transfer index of the two layers of the fabric were tested and analyzed， and the moisture transfer mechanism in the fabric was further analyzed. The results show that， moisture transfer and moisture absorption diffusion in the fabric were selective and directional. The hydrophobic inner layer as the skin surface could discharge human sweat in one direction under the wetting gradient effect， and isolate the external moisture. The greater the difference in hydrophilic and hydrophobic properties between the inner and outer layers， the better the unidirectional moisture conduction property.

Key words： unidirectional moisture conduction; wetting gradient; hydrophilic and hydrophobic properties; woven fabric; structure design; weave structure

收稿日期： 20210103;

修回日期： 20210610

基金項目：

作者简介： 陶凤仪（1996），女，硕士研究生，研究方向为功能性纺织品应用方面的研究。通信作者：田伟，副教授，tianwei_zstu@126.com。

单向导湿织物是具有吸湿、导湿、散湿性能的功能性纺织品，具有水分定向传输的能力，在人体分泌汗液时，能有效控制皮肤与织物间微气候的湿度，及时将汗液导向织物外层并蒸发掉[1]。织物内层（贴肤面）疏水、外层亲水时，内外层亲疏水性能的差异在织物结构中形成水势差，织物层间产生润湿梯度，使得织物中的水分会自发地从疏水端向亲水端传导，从而控制液体流动方向，有效地提高织物中水分单向传递的能力[2]。实现织物的单向导湿功能主要有化学整理法和结构设计法两种途径。化学整理法是利用特殊助剂处理织物，可分为单面亲水整理[3]、单面疏水整理[4]和双面亲疏水整理[5]。整理后织物内外两层对水具有不同的吸附作用，在润湿梯度效应下水分由内向外传导，可达到单向导湿的效果。结构设计法是通过织物组织结构设计，使不同的纤维原料在织物厚度方向上按不同的亲疏水性排列，以使水分能从疏水性的一侧转移到亲水性一侧，而不易逆向转移[6-7]。与化学法相比，结构设计法不使用化学试剂，与人体皮肤可直接接触，且避免了污染环境及耐久性差的问题，单向导湿功能持久有效。

近年来，利用结构设计法实现织物单向导湿性能的研究虽已有报道，但主要集中在针织领域[8-9]，拥有大量消费群体的机织领域研究却较少。在已有的关于机织物单向导湿的研究中，大多集中在利用新型功能性纤维或纱线，分析紧密度[10]和组织结构[11]对导湿性能的影响，而关于多层织物中水分在动态条件下传输及扩散路径的研究却鲜有涉及。针对这一现状，本文以黏胶纤维和蜂窝微孔涤纶纤维为原料，利用两种纤维亲疏水性能的差异设计单向导湿织物，通过改变经纬纱排列方式，使织物内层相对疏水，外层相对亲水，在润湿梯度效应下，水分可定向从内层向外层传递。同时采用内松外紧的独特结构，内层疏松且凹凸不平整，仅凸出部分与皮肤接触，能有效减少人体出汗时织物贴身造成的湿冷感，外层多且小的空隙分布可提高水分蒸發速率[12]，也避免水分在织物外层滴落。对织物内外两层的吸湿、导湿性能进行测试，分析内外层亲疏水性能的差异对单向导湿功能的影响，进一步探究水分在织物中的传递及扩散情况。

1 原料选择

目前利用结构设计法实现织物的单向导湿功能主要是依靠纤维原料亲疏水性能的差异，人体排出汗液时，水分是沿着织物厚度方向传递的，因此在设计具有单向导湿功能的织物时，对纤维原料需进行两方面的考量。一是贴肤层所用的纤维材料吸湿性能差但导湿性能好，由于润湿是导湿的前提，故材料应该容易被润湿，这就要求纤维表面尽量有微孔，充分发挥织物与皮肤接触时迅速将水分导出的能力;二是外层所用的纤维材料应具备良好的吸湿性，发挥储水功能，能迅速吸收导出的水分，避免水分回流。

黏胶纤维的截面为锯齿形皮芯结构，纵向平直有凹槽，使其吸湿性能良好，吸水量大，但当人体大量出汗时，纤维会因吸湿膨胀而紧贴皮肤，穿着者易感到黏腻的湿冷感[13]。蜂窝微孔涤纶纤维的表面分布着不规则的微孔沟槽，纤维间的空隙可减小毛细管当量半径，提高纤维在织物中的毛细管效应，具有良好的导湿性，能促进液态水在织物中的传输，改善了普通涤纶纤维的手感硬、吸湿透气性差的缺点，同时纤维中的微孔结构可提高纤维比表面积，增加与空气的接触面积，从而加快干燥速度[14]。单一纤维的性能无法满足单向导湿织物内层疏水、外层亲水的功能要求，因此采用亲疏水性能不同的黏胶纤维和蜂窝微孔涤纶纤维为原料，通过经纬纱交织的方式实现织物的性能要求。

具体原料规格：黏胶14.8 tex×2短纤纱（杭州新天元织造有限公司），蜂窝微孔涤纶14.8 tex×2短纤纱（浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司）。

2 单层织物规格设计与分析

2.1 单层织物制备

首先按表1设计系列单层织物，探究纤维原料和组织结构对织物导湿性能的影响，从而合理地设计出具备单向导湿功能的织物，织物经密为320根/10 cm，纬密为150根/10 cm。

2.2 芯吸性能测试

采用YG（B）871型毛细管效应测定仪，根据FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》，对织物的芯吸高度进行测试。

2.3 芯吸性能测试结果及分析

通过芯吸高度来表征织物的导湿能力，五种单层织物的芯吸高度测试结果如图1所示。

从图1可知，经纬纱原料相同时，变化纬重平组织的芯吸高度大于平纹组织的芯吸高度，这是因为变化纬重平组织交织点次数少，浮长线较长，织物较疏松，水分易进入织物内部，织物被润湿的几率增加，毛细效应较明显。而平纹组织交织点次数多，织物较紧密，水分传输的通道窄，单位时间内水分传输的距离较小，因此芯吸高度较低。织物组织结构相同时，含黏胶织物的芯吸高度均大于涤纶织物，这是因为黏胶纤维亲水性能好，与液体接触后的接触角小，毛细管内的毛细管力大，所以芯吸高度较高。可见黏胶纤维的芯吸性能优于涤纶纤维，这为利用润湿梯度效应设计双层单向导湿机织物提供了基础。

由于织物内层润湿性好是保证毛细管输水的前提，因此设计双层单向导湿织物时，以浮长线较长的组织作为疏水性内层组织，低湿状态可及时吸收皮肤表面非显性水分，保证舒适性。高湿状态水分在润湿梯度效应作用下传递给亲水性外层，内层柔软舒适，其凹凸结构可使织物与皮肤接触处干燥不贴身。同时，以孔隙小而多的组织作为织物亲水性外层组织，储水量大，避免了水分在织物表面滴落的现象发生。

3 双层单向导湿织物规格设计与分析

3.1 双层单向导湿织物制备

织物的单向导湿特性是基于织物内层相对疏水而外层相对亲水来实现的，通过对制备的单层织物进行芯吸性能测试，发现纤维原料和组织结构对织物导湿性能均有影响，结合上述的测试结果与分析，现将亲疏水性能不同的黏胶纤维和蜂窝微孔涤纶纤维通过经纬纱不同的排列方式使织物内外层呈现不同的吸湿效应。为保证内外层毛细管道的连通性，利用“下接上”接结双层组织，按外层平纹组织、内层变化纬重平组织设计单向导湿机织物，如图2所示。织物外层交织次数多、孔隙小、坚牢度、耐磨性好，内层交织次数少、孔隙大、有长短不一的浮长线。内层面料柔软，与人体呈点线式接触，织物与皮肤间存在微气候区，不紧贴皮肤表面，使得织物内层与皮肤接触处保持相对干燥，有利于减少黏贴发冷感，增强舒适感。同时，外层组织小而多的孔隙结构，具有较大的比表面积，可提升水分蒸发的速率。

双层织物规格如表2所示，织物经密为640根/10 cm，纬密为300根/10 cm。

3.2 单向导湿性能测试

采用M290液态水分测试仪（SDL Atlas公司），根据GB/T 21655.2—2019《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，对每块织物的正反两面分别进行测试，测试方向见表3。将试样平整地放置于传感器上，记面向机器滴液方向的一面为表层，背向机器滴液方向的一面为底层，如图3所示。通过研究120 s内织物两层含水量随时间的变化来分析水分在织物表层扩散、向底层传递、同时在底层扩散的情况，并以含水量变化情况计算单向传递指数，使得织物的单向导湿能力得以量化。

3.3 单向导湿性能测试结果及分析

3.3.1 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随时间的动态变化情况，是研究织物中水分传递路径的重要参考数据，如图4、图5所示。

由图4和图5可知，在前20 s仪器滴液阶段试样含水量迅速攀升，在停止滴液后含水量均逐渐趋于稳定。最上方的两条曲线为M1和N1底层，M2和N2表层的含水量曲线，说明无论

滴液方向如何，黏胶层和黏涤交织层的含水量总高于涤纶层，且它们的曲线上升起始点相对涤纶层早，较涤纶层优先吸水。在实际水分吸收过程中，织物表层先接触到水分，但M1和N1表层含水量曲线上升的起始点却晚于底层，这是因为织物两层吸湿性不同造成的，液态水分测试仪是通过上下传感器感应织物两层水分含量。传感器由七个测试同心圆环组成（图6），在传感器的中央位置有个小面积的盲区，M1和N1在吸收水分时，表层涤纶吸湿后水分还没来得及在水平方向扩散就向底层传递，于是出现了表层含水量曲线上升起始点晚于底层的现象。

在黏胶层，黏涤交织层吸收水分到一定程度后，涤纶层才开始吸湿，含水量曲线上升，两层间始终保持一定含水量差。由于织物N不及织物M两层间亲疏水性能差异大，因此N1底层和N2表层先吸水的优势减弱，两层间含水量的差值减小。

图7中O1和O2表层含水量曲线的上升起始点早，滴液面先浸湿，虽然O1底层的吸湿性较表层强，但黏胶作纬纱，没有贯穿整个织物，吸湿能力比作经纱时弱，水分从涤纶层向涤黏交织层的传递速度减慢，但仍不断向底层传递，因此O1表层含水量最后呈下降的趋势且底层的含水量大于表层的含水量。O2中表层吸湿能力有限，吸湿完全后水分在重力作用下向下傳递，底层含水量缓慢增加。图8中织物两层间均含黏胶，含水量曲线的上升起始点相近，浸湿时间接近，曲线间差异小，但无论滴液方向如何，最终黏胶层的含水量总是大于粘涤交织层的含水量。

3.3.2 浸湿时间

浸湿时间表示液体接触到织物表面，在表面水平扩散，传感器感应到织物开始吸收水分所需的时间（表4）。

由表4数据可知，向变化纬重平组织面滴液时，M1、N1底层的浸湿时间小于表层，说明虽然表层先接触到水分，但底层具有较好的亲水性能，因此水分刚被表层吸收还未被传感器检测到前，就被垂直传递到底层，在底层水平扩散到一定程度后，表层才开始吸收底层剩余的水分。O1、P1的底层浸湿时间大于表层，因为O1底层黏胶作纬纱，水分只能顺着纬向传导，导致水分从表层向底层传递速度减慢，所以底层浸湿时间较长。P1表层为黏涤交织层，表层接触到水分后直接吸收水分，因此表层浸湿时间较底层短。向平纹组织面滴液时，表层的浸湿时间均小于底层，这是因为平纹组织面作为织物亲水性外层，所用原料的亲水性较变化纬重平组织面好，织物与水

滴表面接触角小，吸湿性好。

3.3.3 吸水速率和液态水分扩散速度

吸水速率指的是织物单位时间内含水量的增加率，表征织物吸收水分的快慢能力。液态水分扩散速率为织物表面浸湿后扩散到最大浸湿半径时沿半径方向液态水的累计传递速度。

由表5数据可知，M1、N1底层的吸水速率和液态水分扩散速度高于表层，M2、N2表层的吸水速率和液态水分扩散速度高于底层，说明无论滴液方向如何，黏胶层、黏涤交织层的吸水和扩散性能都优于涤纶层，水分接触到织物时，易从吸水性差的一面向吸水性好的一面转移，证明织物内外层产生了润湿梯度，水分传导具有明显的方向性。O1、O2的表层吸水速率极高，而液态水分扩散速度极低，出现这一现象的原因是因为涤黏交织层中，黏胶作纬纱，水分只能顺着纬向传导，传导速度慢，无论哪面滴液，实验结束时表层水滴仍未完全铺展开。因此，仪器显示的表层吸水速率并非真实的吸水速率，这是由于传感器无法精确感应水分是已被织物完全吸收，还是留有部分水分在织物表面导致的。结合图6可知，织物O表层的含水量高，水滴与织物间的接触角大，不利于水分的传递。P1底层和P2表层的吸水速率分别大于P1表层和P2底层，任朝一侧滴液，黏胶层的吸水速率都大于黏涤交织层。P1表层和P2底层的液态水分扩散速度略大于P1底层和P2表层，这是由于变化纬重平组织的交织点少，组织较疏松，有利于水分的传递与扩散。

吸水速率和液态水分扩散速度的测试分析与单层织物芯吸性能测试分析保持一致，含黏胶织物无论是在芯吸高度还是吸水速率和液态水分扩散速度都优于涤纶织物，进一步说明黏胶纤维的吸水性能优于涤纶纤维。变化纬重平组织的芯吸高度和液态水分扩散速度优于平纹组织，表明浮长线能为织物提供较大的吸液面积，水分传输所受的阻力相对较小，有利于水分的传递和扩散。在设计单向导湿织物时，可先用单层织物的芯吸高度表现来预测水分在双层或多层织物中的吸水及扩散情况，将芯吸高度存在明显差异的单层织物通过组织结构的配合以实现织物两面不同的亲疏水性能，水分倾向于向芯吸高度较高的一侧传递并扩散，织物具有明显的单向导湿效应。

3.3.4 最大浸湿半径

液态水分测试仪通过传感器测定织物两侧水分水平扩散

的情况，最大浸湿半径为织物开始浸湿到规定时间结束时润湿区域的最大半径。

从图9—图11可以看出，M1、N1、O1表层的最大浸湿半径小于底层，M2、N2、O2表层的最大浸湿半径大于底层，滴液方向的变化并不影响织物，M、N、O中外层的最大浸湿半径大于内层，即含黏胶层的最大浸湿半径总大于涤纶层，水分在含黏胶层的水平扩散程度总是大于涤纶层。对比图12，由于P的内外层均含有黏胶，致使织物内外层的最大浸湿半径相同。进一步比较发现，M内外层的最大浸湿半径差异最大，表明织物内外层亲疏水性能差异越大，水分的水平扩散越存在明显的差异性，宏观表现为织物吸湿后外层较湿润，内层较干爽，存在水分单向传递特性。

3.3.5 单向导湿性能

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，它可直观衡量织物的单向导湿性能，按下式计算单向传递指数：

O=∫UB-∫UTt（1）

式中：O为单向传递指数;t为测试时间，s;∫UB为表层的吸水量;∫UT为底层的吸水量。

指数的正负表示水分传递方向，若为正值表示水分由表层向底层传递时，底层含水量大于表层含水量，若为负值则反之。指数数值越大，说明织物内外层含水量之差越大，水分的扩散越存在明显的方向性，织物单向导湿性能越好。

由图13可以看出，M1、N1、P1三组向变化纬重平组织面滴液的试样单向传递指数为正值，M2、N2、P2三组向平纹组织层滴液的试样单向传递指数为负值，即水分从涤纶层向黏胶层或黏涤交织层，以及从黏涤交织层向黏胶层传递的能力较好，反之传递能力较差，说明通过合理配置纤维原料，使织物呈现内层相对疏水，外层相对亲水结构时，织物具备水分单向传递的能力;M1的指数绝对值大于N1、P1，织物M内外含水量相差最大，单向导湿性能最优，单向传递指数达到测试标准5级水平，水分在接触到涤纶层后能迅速转移到黏胶层，并且不易逆向传递，由此可见织物内外层亲疏水性能差异越大，单向导湿性能越好。而织物O的单向传递指数均为负值，这是由于织物内外两层对水的亲和性均较差导致的，水分传递困难，两层间无明显润湿梯度，以至于测试结束后仍有部分水滴滞留在织物表面，织物O的单向导湿效果较差。

4 结 论

本文以黏胶纤维和蜂窝微孔涤纶纤维为原料，在对单层织物芯吸性能测试与分析的基础上，按外层平纹组织、内层变化纬重平组织的配置，通过改变经纬纱的排列方式，采用“下接上”接结法设计单向导湿机织物。利用M290液态水分測试仪分别朝织物内外层进行滴液测试，对织物吸水过程中含水量的变化情况进行动态跟踪，并从中计算出浸湿时间、吸水速率、液态水分扩散速度、最大浸湿半径及水分的单向传递指数。

1）通过纤维原料和组织结构的配合，可使机织物获得亲疏水性能不同的双侧结构，实现水分单向传递的功能，且织物内外层纤维原料的亲疏水性能差异越大，单向导湿效果越明显。织物外层相对亲水，内层相对疏水，层间在润湿梯度效应下，使贴近皮肤面的水分单向传递至织物外层，而外层的水分

由于疏水内层的阻挡，向内渗透受限，在一定程度上具有将外界水分与人体隔绝的功能。

2）在设计单向导湿织物时，可先用单层织物芯吸高度表现来预测水分在双层或多层织物中的吸水及扩散情况，再将芯吸高度存在明显差异的单层织物通过合理的组织设计使织物具有亲疏水性能不同的双侧结构，实现结构设计法制备单向导湿织物的科学性与高效性的统一。

3）水分传递具有明显方向性，滴液测试方向的变化并不影响水分始终倾向于向亲水性能好的一侧传递，且最终亲水性能好的一侧含水量高。

4）吸湿扩散具有选择性，水分先接触到亲水层时，亲水层直接参与吸湿并在表面迅速水平扩散;而水分先接触到疏水层时，水分传递到织物层间交界面后，亲水层开始吸收水分并迅速扩散，疏水层停止水分水平扩散，只保留最初吸湿区域。

5）在其他条件相同的情况下，由于机织物的经纱完整连续地贯穿在整个织物中，因此将吸湿性能好的纤维作经纱时织物的吸湿、导湿性能比作纬纱时效果好。

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