棉涤包芯纱机织物单向导湿及快干性能研究

谢治云 蒋培清 乐鹏涛 张 瞳 李文斌

（1.武汉纺织大学，湖北武汉，430200；2.湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室，湖北武汉，430200；3.惠州学院，广东惠州，516007；4.际华三五零六纺织服装有限公司，湖北武汉，430030）

人体散热的途径主要有传导、对流、辐射和蒸发，在热环境或运动条件下会刺激人体产生热性出汗。当环境温度超过29℃时，主要靠蒸发散热来维持热湿平衡［1］。而汗液的蒸发主要由“皮肤-服装-环境”系统对人体与服装之间的热湿舒适环境进行调节［2］。在人体蒸发散热的同时，必然引起服装与皮肤间微气候区的湿度上升，使人体产生不舒适感。因此，液态水的湿传递对服装舒适性至关重要［3］。近几年来，单向导湿以及快干面料已被证明能够快速且有效地调节人体与服装间的微环境，该类面料能将人体汗液通过织物内外层的差动毛细效应迅速蒸发掉［4］，使人体能够在长时间处于舒适状态。

纯棉面料具有较好的吸湿性，多应用于贴身衣物穿着，棉纤维中亲水基团的存在，使得其织物具有较好的亲水性，但这些亲水结合点易使水分滞留在这些亲水纤维中，导致水分在棉织物中的传导和散湿较差［5］。因此，众多学者致力于研制既具有吸湿性质又具有优良散湿性能的服用面料。目前，已有研究聚焦在纤维材料的物理改性［6］，对已有的化学纤维进行截面改造，改造后的纤维截面呈三叶草形［7］、Y形［8］、凹凸截面形［9］等异形结构，此种纤维表面特殊的沟槽结构可以使液态水吸附在纤维表面，从而通过织物快速吸湿，但此种方法技术较为复杂；也有很多学者通过对组织结构设计获得单向导湿快干织物，设计出内外层不同松紧度的双层组织结构，利用表里层的空隙差产生的毛细差动效应使织物获得单向导湿性能［10］；这些研究大都基于针织物和双层织物研究范围，对于单层机织物的单向导湿及快干性能的研究并不充分。本研究着重探讨棉涤包芯纱机织物的单向导湿以及快干性能，以期为舒适性运动服装面料生产厂家提供可靠的理论依据。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验用纱线规格参数：纱线1为C 29.5 tex×2，纱线2为C 14.8 tex×2，纱线3为C/T 65/35 29.5 tex×2，纱线4为C/T 65/35 14.8 tex×2。纱线3和纱线4均为棉涤包芯纱，芯丝为涤纶长丝，所有纱线均外购。

1.2 试验药品和仪器

药品：氢氧化钠（天津市北辰方正试剂厂，AR）、渗透剂（上海申致化工有限公司）、拒水剂Fwo-990s（上海市纺织印染材料研究工程中心）、拒水辅助剂（上海市纺织印染材料研究工程中心），去离子水为实验室自制。

仪器：HH-ZK4型恒温水浴锅（巩义市瑞德仪器设备有限公司），DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱（上海浦东荣丰科学仪器有限公司），电子天平（精度0.01g）（福州华志科学仪器有限公司），SGA589-SD型半自动打样机（江阴市通源纺织有限公司），YG（B）871型毛细管效应测定仪（温州大荣纺织标准仪器厂），FFZ191型水分蒸发速率检测仪（温州方圆仪器有限公司），M290型液态水分管理测试仪（Moisture Management Tester，MMT）（SDL Atlas中国）。

1.3 试验过程

1.3.1 纱线处理

亲水处理工艺。首先，在1 000 mL去离子水中加入10 g NaOH和2 g渗透剂，搅拌均匀后得到亲水整理溶液；其次，分别将上述4种纱线放进配置好的亲水整理溶液中，浴比1∶20；然后，在恒温水浴锅中缓慢升温至100℃（升温速率为5℃/min），并在100℃下煮漂30 min；最后，将纱线从亲水整理溶液中取出，用80℃的蒸馏水清洗1次后再采用20℃蒸馏水清洗2次～3次，自然风干待用。

拒水处理工艺。在1 000 mL去离子水中加入20 g拒水剂和5 g拒水辅助剂，搅拌均匀后得到拒水整理溶液；分别将4种纱线放入拒水整理溶液中，浴比1∶20；将纱线和拒水整理溶液放入恒温水浴锅中缓慢升温至80℃（升温速率为5℃/min），并在80℃下煮漂30 min；将纱线从亲水整理溶液中取出，用80℃的蒸馏水清洗1次后再采用20℃蒸馏水清洗2次～3次；而后将纱线放入烘箱，在105℃下预烘30 min，再在150℃下烘干2 min后取出待用［11］。

1.3.2 织物织造

将经过亲水处理的4种纱线作为经纱，经过拒水处理的4种纱线作为相对应的纬纱，以经山形斜纹组织织造4种织物，纱线1～纱线4依次对应织物1～织物4。织物上机图见图1。其中织物1和织物3的经密均为283根/10 cm，纬密均为237根/10 cm；织物2和织物4经密均为325根/10 cm，纬密均为330根/10 cm。

图1 织物上机图

2 测试表征

2.1 润湿性能测试

试验仪器有0.1 mL的注射器、量尺、秒表。试样规格10 cm×10 cm。试验条件：在织物上方一定距离滴定0.05 mL的三级水，测量1 min后扩散长度a和扩散宽度b，多次测量取平均值。因为扩散形状类似椭圆，按公式（1）计算润湿面积S。

式中：a为扩散长度（cm），b为扩散宽度（cm）。

2.2 芯吸高度的测试

采用毛细效应测试仪，参照FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》测试织物芯吸高度。试样规格30 cm×3 cm。试验条件：毛细效应测试仪中所用溶液为三级水，水温为30℃，分 别 记 录0.5 min、1.0 min、1.5 min、2.0 min、5.0 min、10.0 min、15.0 min、20.0 min、25.0 min、30.0 min时刻织物的芯吸高度。

2.3 吸湿速干性能测试

采用FFZ191型水分蒸发速率检测仪测试织物水分蒸发速率，参照GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定第1部分：单项组合试验法》。试样规格10 cm×10 cm。试验条件：将0.2 mL的三级水均匀滴到试样上，待水分完全扩散进织物时，立即悬挂于仪器内，连续称重记录每隔3 min的水分蒸发量。

2.4 织物单向导湿性能测试

采用M290型液态水分管理测试仪测试单向传递能力。参照AATCC 195—2011《纺织织物液态水分管理性能》和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》。试样规格9 cm×9 cm。试验条件：测试织物正面和反面在注水120 s内的浸湿时间、吸水速率、最大浸湿半径和液态水扩散速度来计算织物的单向导湿能力。

3 结果与分析

3.1 润湿性能

织物润湿面积是织物发生芯吸作用的前提［12］，关系到织物的吸湿快干性能。由于织物的结构具有各向异性［13］，织物中不同方向的润湿具有各向异性，与纤维和纱线的形态、织物组织结构以及织物后整理有关［14］。水在4种织物正面（亲水面）润湿的扩散情况见图2和表1。

图2 织物润湿实物图

表1 织物润湿面积

由图2可知，水分在每种试样的扩散长度均大于扩散宽度，这是因为所设计的织物组织结构为经山形斜纹，织物正面纱线纹路整体呈经向，纱线与纱线之间形成了较多的毛细管［15］。且经纱在上机过程中具有一定的上机张力，水分在经纱内部所形成的毛细管中的传输路径不会因为纱线的弯曲而堵塞，所以水分在织物中的经向传导较好。再由表1可知，织物4的润湿面积为8.45 cm2，相比织物2提升了77.1%。这主要是因为棉涤包芯纱由棉纤维包覆涤纶长丝而成。涤纶由于缺乏亲水基团导致其几乎不吸湿，而是通过涤纶纤维间的毛细管对水进行传导，从而具有优异的导湿性能［16］，当其织物接触液态水时，通过棉纤维对水的吸附以及芯部涤纶长丝的导水作用，使得水分在织物中的扩散速率较快。而在棉织物中，纯棉纱线中的棉纤维在吸湿后发生膨胀，堵塞了纤维之间形成的毛细管，水分无法快速通过毛细管向周围扩散，从而减弱了水分在棉织物中的扩散润湿。

3.2 芯吸高度

织物的芯吸作用是水分在织物中发生动态传递的重要过程，由于织物中纤维与纤维之间、纱线与纱线之间和织物组织结构之间存在着各种不同的孔隙，构成了大量的毛细管，使得水分在织物中发生毛细芯吸效应。4种织物芯吸高度测试结果见图3。

图3 织物芯吸高度

由图3可知，织物1、织物2、织物3和织物4在相同环境温湿度条件下，芯吸高度分别为12.5 cm、11.8 cm、15.5 cm和12.5 cm。在0 min～3 min之间，织物的芯吸高度快速上升，这是由于刚开始水源充足，水分快速通过织物中的组织结构空隙呈铺张式传递；在3 min～20 min之间，水分主要通过纱线之间形成的毛细管传导，速度逐渐减小；在20 min～30 min之间，水分主要通过纤维与纤维之间形成的毛细管传导，水分的传递更加细微；其中，纯棉织物在30 min后基本处于平衡状态，而棉涤包芯纱织物中水分依然存在传导现象。两种棉涤包芯纱织物的芯吸高度均大于纯棉织物，这是由织物的润湿性决定的，结合润湿性的测试结果，即可表明棉涤包芯纱织物对液态水的传导能力优于纯棉织物。

3.3 吸湿速干性能

织物在自然状态下的水分蒸发量是表征织物速干性能的重要指标。根据每3 min的水分蒸发量绘制曲线，曲线的斜率即为水分蒸发速率。结果见图4。

图4 蒸发量-时间曲线

由图4可知，织物1～织物4的水分蒸发速率依次为0.18 g/h、0.24 g/h、0.25 g/h、0.44 g/h。GB/T 21655.1—2008指出，水分蒸发速率不小于0.18 g/h的机织物具有速干性，故而4种织物均具有速干性能。究其原因，织物两面的亲疏水性差异使得水分依靠织物两面差动毛细效应快速从疏水层传输到亲水层达到速干效果；织物4的蒸发速率最大，相比于织物2提高了83.3%。这也间接表明了织物的蒸发速率与其润湿面积呈正相关，液态水在织物中的扩散面积越大，其蒸发面积越大，单位时间内的水分蒸发量也就越多。

3.4 单向导湿性能

MMT单向导湿性能测试是通过测试120 s内织物正反两面含水量的变化情况，得出织物浸湿时间、吸水速率、最大浸湿半径、液态水扩散速度、单向传递指数等评价指标［17］。本试验将所设计的织物反面作为浸水面，正面作为渗透面进行测试。测试可知，织物1～织物4的水分单向传递指数依次为313.0、554.1、444.5、938.5。织物4的水分单向传递能力最好，相比于织物2提高了69.4%。GB/T 21655.2—2019指出单向传递指数不小于3级的织物具有吸湿速干排汗性。故设计织造的织物均具有一定的单向导湿性能，但效果有所不同。

设计的织物结构中疏水面分布着大量的拒水组织点和少数亲水组织点，亲水面分布着大量的亲水组织点和少量的拒水组织点。水滴在疏水面通过亲水组织点在由正反两面亲疏水性差异形成的差动摩擦效应下传导到亲水面，从而实现了织物的单向导湿特性。在纱线材质相同的情况下，纱线越细，织物的单向导湿能力增加越明显。这可能是因为纱线越细，纱线之间的比表面积越大，纱线与纱线之间形成毛细管通道越多［18］，液态水更易从疏水面传输到亲水面。在纱线细度相同的情况下，棉涤包芯纱表现出更好的单向导湿性能，其主要原因是包芯纱内部涤纶长丝的存在，在棉纤维吸湿后，纤维内部涤纶对水的传导作用使得水在织物正反两面之间得以传递；而水作用于纯棉织物表面，在纱线内部引起纤维膨胀，减少了织物正反两面之间由纤维与纤维间形成的毛细管通道，从而减弱了纯棉织物的单向导湿能力。

4 结论

（1）棉涤包芯纱织物的润湿性能明显优于纯棉织物。织物4的润湿面积相比于织物2提高了77.1%，纱线细的织物润湿面积较纱线粗的织物更大。

（2）棉涤包芯纱织物的芯吸性能优于纯棉织物，纱线粗的织物芯吸高度优于纱线细的织物，影响织物芯吸高度的因素主要为纱线的结构性能、纤维间的空隙和纱线间的空隙。

（3）所设计织造的织物均具有较好的速干性，织物4速干性相比于织物2提高了83.3%，且纱线细的织物速干性优于纱线粗的织物。

（4）设计织造的4种织物均具有较好的单向导湿性能，织物4的水分单向传递能力最高，相比于织物2提高了69.4%，说明棉涤包芯纱织物具有较优的单向导湿性能。