纺织材料吸湿发热性能影响因素的研究

狄宏静，陈惠敏，李 杰，王海广

（江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007）

传统的保暖服装蓬松、臃肿，既不便于活动，又缺乏美感。随着科技的发展和生活水平的提高，人们对服装实用功能的要求趋向多元化。近年来，吸湿发热功能性纺织品逐渐走进人们的日常生活。目前，国内的吸湿发热研究主要集中在3个方面，分别为新型纤维织物研发、检测方法研究以及吸湿发热影响因素研究，其中以前两者居多。新型吸湿发热纤维和面料的研发包括蛋白/纤维素纤维、混纺腈纶与再生纤维素纤维、毛型织物、绒面织物等，在针织内衣、衬衫、袜子等产品中应用较广[1-2]。检测方法研究主要集中于现有两种方法的差异性比较以及检验过程中的影响因素分析[3]。吸湿发热影响因素的研究少见且不全面。《吸湿发热内衣的性能研究和影响因素分析》[4]研究了水洗程序、纤维质量分数和平方米干燥质量对针织内衣吸湿发热性能的影响。现有吸湿发热性能测试标准主要有FZ/T 73036—2010《吸湿发热针织内衣》[5]和GB/T 29866—2013《纺织品 吸湿发热性能试验方法》[6]两项。考虑样品的多样性和标准的适用范围，本研究选择国家标准GB/T 29866—2013《纺织品吸湿发热性能试验方法》进行吸湿发热性能的测试，该标准的适用范围为各类纺织品及其制品。通过测试不同类型材料的吸湿发热性能相关指标，分析影响材料吸湿发热性能的关键因素，为产品性能的提升提供参考。

1 吸湿发热原理

吸湿发热性能是指纤维大分子的极性基团吸引环境中的水分子并与之结合，水分子的动能转化为热能，使试样温度升高的性能。目前，关于吸湿发热材料的发热机理主要有两种理论。

1.1 动能转化为热能

吸湿发热材料通过吸收空气中具有较高动能的水分子，使水分子由动态转化为静态，根据能量守恒定理，动能转化为热能。

1.2 液化反应

气态转化为液态会产生热量，吸湿发热材料通过吸收人体散发的汗气或空气中的水蒸气，将气态水转变为液态水而放出热量。

2 测试

2.1 测试方法

2.1.1 吸湿发热

每种材料由两块60 mm×100 mm的试样制备组合试样，如图1所示。试验有效面积为15 mm×85 mm，试样里层相贴合，沿着三边缝合成一有插口袋状。将干燥试样置于一定温湿度（温度为20 ℃，相对湿度为90%）的试验箱中，试样因吸湿致温度发生变化，记录一定时间内试样随时间的温度变化，温度升高以某一时刻点的温度与实时空白探针温度的差值表示，以最高升温和平均升温 （30 min内每隔1 min采集的温度升高值的平均值）表征材料的吸湿发热性能。

图1 吸湿发热性能测试组合样品制作

2.1.2 热阻

依据GB/T 35762—2017《纺织品 热传递性能试验方法 平板法》[7]，将试样置于恒温测试板进行测试，测试板、热护环及底板均以电热控制保持恒温35 ℃，试样处于温度为20 ℃、相对湿度为65%的环境中，通过加热功率计算热阻值。织物正反两面的温差与垂直通过试样的单位面积热流量之比称为热阻。

2.1.3 回潮率

依据GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》，在纺织品标准大气（温度为 20 ℃，相对湿度为65%）调湿条件下，测得纺织材料中水的质量，回潮率以试样烘前质量与烘干质量（105 ℃）的差数对烘干质量的百分率表示。

2.2 仪器及材料

本试验用到的仪器有日本大荣恒温恒湿试验箱、UF 55型烘箱、温度巡检仪。本试验的样品包括20种机织、针织、绒类织物以及9种填充絮片材料。

2.3 方案设计

分别测试各类材料的纤维质量分数、克重、回潮率、最高升温值、平均升温值、热阻等指标。以数据和图表的形式，分析各类材料吸湿发热性能的影响因素。

3 影响因素分析

3.1 回潮率

各类材料吸湿发热性能相关指标测试结果如表1所示。回潮率对吸湿发热性能的影响如图2所示。

由图2可知，机织、针织、起绒和絮片4类材料整体上最高升温、平均升温随着回潮率的增大呈现上升的趋势。图2（a）中机织棉织物的回潮率相近，最高升温与平均升温也没有大幅度变化，最高升温在6.3~6.8 ℃，平均升温在1.5~1.8 ℃。图2（b）中克重接近的样品11和样品8的回潮率分别为0.8%、9.3%，最高升温分别为2.0、8.8 ℃，平均升温分别为0.6、3.0 ℃，回潮率对升温影响明显。7号样品、8号样品在对应的回潮率数值上出现了最高升温下降的情况，虽然这两个样品的回潮率高，但是7号样品克重低于11、10、5号样品，8号样品克重低于12号样品，因此，最高升温有所下降。6号样品的克重虽然低于8号样品，但回潮率高，整体上升温最高。图2（c）中起绒类面料的组织结构和克重相近的样品18、13、15，回潮率分别为0.4%、1.9%、3.3%，最高升温分别为2.0、4.1、5.5 ℃，平均升温分别为0.7、1.3、1.8 ℃。在相同条件下，回潮率越高，升温越大。根据斯皮尔曼等级相关系数估计最高升温、平均升温与回潮率的相关性，结果如表2所示，最高升温、平均升温与回潮率相关性显著。

表2 相关性分析

图2 回潮率对吸湿发热性能的影响

3.2 热传递性能

由表1可知，6号样品黏纤的最高升温最高，达到了10.2 ℃；平均升温最高的是20号样品，达到了7.0 ℃。最高升温值最大的样品并非平均升温值也最高，因为平均升温计算的是30 min内每隔1 min温度升高的平均值，而最高升温值是材料在某一时刻达到的温度最高值。平均升温除了与回潮率相关，还与样品在30 min内的热量传递性能相关，影响样品热量传递性能的因素主要有材料的克重和结构。

表1 各类材料吸湿发热性能相关指标测试结果

3.2.1 克重

选择不同的克重规格，纤维成分分别为大豆蛋白纤维50%/黏纤30%/涤纶20%、大豆蛋白纤维30%/黏纤50%/涤纶20%、羊毛100的絮片材料，分别测试吸湿发热性能相关指标，结果如表3所示。由表3可知，在相同的回潮率条件下，克重越大，热阻值越高，最高升温和平均升温越高，可见材料的吸湿发热性能与克重成正比，与材料的热量传递性能成反比。

表3 絮片材料吸湿发热性能相关指标测试结果

最高升温与平均升温增长的趋势如图3所示。从中可以发现，材料的回潮率并非完全与升温呈现同步增长的趋势，升温受回潮率和克重的双重影响。图3中的样品7和样品8，当材料的克重不变或降低时，材料的回潮率对升温起作用。样品3和样品6，当回潮率下降时，材料的克重对升温起作用，克重与回潮率出现了峰谷对应互补，使得材料的最高升温持续增加，同时平均升温小幅度变化。

图3 克重、回潮率对吸湿发热性能的影响

3.2.2 结构

材料的紧密程度、绒毛密度等因素影响产品的热量传递性能，从而影响吸湿发热性能。由表1可知，10号样品的克重高于17号样品，两者的回潮率相当，由于前者是疏松的针织结构、后者是紧密的针织绒类，前者的热量传递较快，最高升温和平均升温指标均显著低于后者。样品16和17均为涤纶/黏纤起绒织物，回潮率相近，但16号样品的绒毛较密，克重大于17号样品，最高升温和平均升温都显著高于17号样品。

4 结语

纺织材料的吸湿发热性能主要与回潮率、热量传递性能有关。一方面，在相同条件下，材料的回潮率越大，最高升温和平均升温越大，吸湿发热性能越好；另一方面，当织物的回潮率相近时，织物的吸湿发热性能与热量传递性能成反比。

对于样品较薄的棉机织物，最高升温一般为6.3~6.8 ℃，平均升温为1.5~1.8 ℃。针织内衣产品受纤维成分和回潮率的影响，最高升温范围为2.0~10.2 ℃，平均升温在0.6~3.7 ℃。毛绒密度和材料松紧结构是影响针织绒类产品吸湿发热性能的关键因素。对于絮片型材料，克重及回潮率的相互作用是影响材料吸湿发热性能的关键因素。

新产品的开发一方面要尽可能提升产品的吸湿性能，另一方面应通过结构、厚度、克重等参数的合理设计，减少织物的热量传递。例如，选择回潮率高的纤维（如黏纤、棉）或者提升其混纺比例，可以有效提升针织内衣产品的吸湿发热性能，增加起绒密度或者设计双面起绒可以提升绒类产品的吸湿发热性能，提高吸湿纤维的混纺比例和增加产品的厚度可以有效提升絮片材料的吸湿发热性能。