湿态下拉伸细化羊毛机织物热湿舒适性研究

李 妍，刘刚中，严月萍，王 升，王恩清，刘洪玲，于伟东

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620； 2.山东南山智尚科技有限公司，山东 烟台 265716)

随着生活水平的改善和科学技术的发展，人们对服装的需求已不仅满足于保暖和时尚，面料舒适性也变得极为重要，尤其是热湿舒适性[1]。人体剧烈运动时，出汗量增加导致织物含水率增大，会使人体在生理和心理上产生不适感，因此对于运动过程中衣物的选择，应着重考虑其在湿态下吸湿导热、排汗等性能是否满足热湿舒适性要求。

羊毛纤维是纺织工业中最重要的天然材料之一[3]，其手感丰满，具有良好的保暖性、回弹性和吸湿性。随着羊毛产品在高档服饰中的应用增多，对精纺羊毛面料湿态下的热湿舒适性能的研究引起人们广泛的关注[4]。Akcagun等[5]分别研究了纯羊毛织物、羊毛/疏水纤维混纺织物在正常状态、干燥状态和润湿状态下的热湿舒适性，发现随着织物含水率增大，织物的热导率和热吸收率均大幅提高，具有更好的热舒适性能。Memis等[6]采用形状记忆聚氨酯对羊毛织物进行涂层处理，使织物在不同温度、不同湿度下都能保持干燥，可以应用于人体显汗状态和体温变化环境下的智能服装。周苏萌等[7]研究了不同润湿程度下织物热阻的变化情况，发现羊毛织物热阻随含湿量增加而单调递减。

粗羊毛整体偏粗且细度离散大，所制成的服装使人体穿着时有刺痒不适感。而细羊毛价格昂贵，为了降低服装成本，人们开始探索羊毛拉伸细化技术。该技术操作周期短、成本低且效果较好，是羊毛纤维改性处理的重要突破[8]，其可将纤维直径减小3～4 μm[9]，使其细度接近羊绒甚至比羊绒更细。随拉伸比的增大，羊毛纤维直径逐渐减小[10]，纤维截面形状为异截面，具有丝般的光泽，手感柔软，还保留了理想的悬垂性与吸湿性[11]。拉伸细化技术的使用使得粗羊毛加工后具有与高支纱线同样的效果，极大降低了生产成本。对于拉伸细化羊毛，现有研究主要集中在拉伸细化机制以及产品开发应用，同时对拉伸过程中羊毛纤维的微观结构变化进行探究[12]，而对于人体运动过程中，羊毛织物在不同含水率状态下的微观结构和热湿舒适性能等方面的研究较少。

为评价润湿状态下羊毛织物的热湿舒适性能，本文以5种不同含水率的细化羊毛机织物为研究对象，探究其微观结构、热湿舒适性能，以期为羊毛织物的进一步开发利用提供依据。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

细化羊毛织物(山东南山智尚科技股份有限公司)，组织结构为2/2右斜纹，经、纬纱线密度均为10.0 tex，织物经、纬密分别为648、418 根/(10 cm)，织物面密度为266 g/m2。

DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)；JA12002型分析天平(上海楚定分析仪器有限公司)；JC2000C1型接触角测试仪(上海中晨数字技术有限公司)；Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪(德国布鲁克公司)；KES-F7-IIB型接触冷暖感试验仪(上海罗中科技发展有限公司)；T3 Pro型红外热像仪(烟台艾睿光电科技有限公司)；YG606E型织物热阻测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)。

1.2 不同含水率织物的制备

将织物裁剪成所需大小，在去离子水中充分浸泡24 h，确保织物完全润湿，再利用烘箱分别将织物烘干至所需含水率，即0%、25%、50%、75%、100%。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 结构表征

采用Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪对不同含水率的羊毛织物试样进行红外扫描。光谱扫描范围为4 000～650 cm-1，扫描次数为128。

1.3.2 热舒适性能测试

1.3.2.1热 阻

参考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YG606E型织物热阻测试仪进行测试。裁取不同含水率试样各3块，试样尺寸为35 cm×35 cm，测试结果取各含水率下热阻、导热系数平均值。实验参数设置：设定实验板、保护板底板温度为36 ℃,即设置上限温度为36 ℃；设置下限温度为35.9 ℃ ；设置预热时间至少为30 min；循环次数至少为5个周期。

1.3.2.2表面温度

裁取不同含水率试样各5块，试样尺寸为5 cm×5 cm，采用T3 Pro型红外热像仪观察羊毛织物表面温度，测试结果取各含水率下表面温度平均值。

1.3.2.3接触冷暖感

参考GB/T 35263—2017 《纺织品 接触瞬间凉感性能的检测和评价》，采用KES-F7-IIB型接触冷暖感测试仪进行测试。裁取5块试样，每种含水率各1块，尺寸为200 mm×200 mm，每块测量3次，测试结果取各含水率下瞬间接触冷感系数平均值。设置载样台温度为20 ℃，热检测板温度为35 ℃，与载样台的温差为15 ℃，测试得到接触凉感系数(Q-max)。

1.3.3 湿舒适性能测试

1.3.3.1饱和吸水率与干燥速率

参考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》，采用分析天平称量试样饱和吸水及干燥过程中的质量，裁取3块尺寸为10 cm×10 cm的试样，表征织物的吸湿与速干性能，测试结果取平均值。

1.3.3.2浸润性能

采用JC2000C1型接触角测试仪，测量水接触角。每种含水率各取5块试样，裁取载玻片大小，将织物预处理后用双面胶黏到载玻片上，测试结果取各含水率下接触角的平均值，表征织物的亲、疏水性能。

1.3.3.3芯吸性能

采用自制装置，以铁架台、刻度尺、表面皿搭建芯吸实验装置。裁取5块试样，试样尺寸为1 cm×15 cm，将织物顶端固定于支架固定端，刻度尺与垂直织物平行放置，将织物放入装有苏丹三染色正己烷、水稀释的蓝墨水的表面皿中，开始计时，在规定时间内量取液体在织物上的芯吸高度，来表征织物的芯吸性能。

2 结果与讨论

2.1 结构分析

通过测定织物的红外吸收光谱，分析酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带吸收峰的变化，探究水分对羊毛织物结构的影响。不同含水率的拉伸细化羊毛织物的红外光谱图见图1。

图1 不同含水率拉伸细化羊毛织物红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of stretched wool fabrics with different moisture content

由图1示出，在3 276 cm-1处附近有1个强吸收带，对应氢键缔合的—OH基团的伸缩振动。当拉伸细化羊毛织物的湿度增加时，峰强度显著增大。在1 629 cm-1处附近为酰胺Ⅰ(CONH键)的吸收峰，随着织物含水率的增大，峰强度明显增强，说明织物润湿过程中微观结构发生改变。在1 629 cm-1处同时也是β-折叠结构的特征峰，而原毛的微观结构为α-螺旋结构，峰位在1 650 cm-1处，结果表明经过拉伸细化后，羊毛纤维的结构由α-螺旋结构转变为β-折叠结构。由图1示出，随着织物含水率增大，峰位从1 626 cm-1处偏移至1 629 cm-1处，且峰强度增大，说明在水驱动过程中，水分子在羊毛纤维内部建立了氢键交联。由此可知，水分子会导致大分子链段之间连接键的断裂和重组。

为了准确表征水分对拉伸细化羊毛二级结构的影响，选择不受水分影响的1 450 cm-1处吸收峰(—CH3、—CH2—)作为参考峰，对3 276 cm-1(—OH)和1 629 cm-1(β-折叠)吸收峰值进行讨论，计算吸光度比值M1(A3276/A1450)和M2(A1629/A1450)，分析其与织物含水率的关系。A3276与A1450比值M1、A1629与A1450比值M2见图2。

图2 织物含水率与吸光度比值Fig.2 Ratio of fabrics moisture content to absorbance

由图2示出，吸光度比值M1随织物含水率的增大而增大，且湿态下该比值远大于干态，表明随着织物含水率的增大，分子内原有的氢键被破坏，水分子与蛋白质大分子间形成了新的氢键交联。随着织物含水率增大，M2逐渐增大，表明蛋白质分子内β-折叠结构逐渐增多。

2.2 热舒适性能分析

2.2.1 热 阻

采用平板法测试织物持续性导热性能。不同含水率拉伸细化羊毛织物热阻及导热系数见图3。

图3 不同含水率羊毛织物热阻与导热系数Fig.3 Thermal resistance of wool fabrics with different moisture content and thermal conductivity

由图3示出，随着织物含水率增大，织物热阻逐渐减小，织物导热系数逐渐增大，可见织物润湿后导热性能变好，这是由于织物润湿后，水分会充满纱线间孔隙，使孔隙内空气含量降低，而水的热传导能力比羊毛织物和空气大得多，因此织物润湿状态下能够传导更多热量。

2.2.2 热传感

不同含水率拉伸细化羊毛织物表面温度如图4所示，不同含水率拉伸细化羊毛织物红外热成像如图5所示。

用加热板(36 ℃)对羊毛织物加热，模拟织物与人体皮肤接触的瞬间，测试织物表面温度的高低。采用红外热像仪，通过其内部处理器将数字信号转换成织物表面热辐射图，可以将织物的红外辐射温度分布以图像的形式表示出来，从而得到织物表面温度分布状况[13]。

图4 不同含水率羊毛织物表面温度Fig.4 Surface temperature of wool fabrics with different moisture content

图5 不同含水率羊毛织物红外热像图Fig.5 Infrared thermal image of wool fabrics with different moisture content

由图5可知，干态时织物表面温度与加热板温度差较小，与人体皮肤温度较为接近，拉伸细化毛织物处于干燥状态时，人体穿着不会产生温度突变，具有舒适感。当织物被润湿时，表面温度明显下降，干湿态温差高达近10 ℃，这是由于织物与加热板接触时，纤维内水分蒸发吸热，会使织物表面温度降低。由图4可知，随着织物含水率增大，其表面温度变化不大，这是由于羊毛纤维具有天然的卷曲，且弹性大，在织物间存在微气候。

2.2.3 接触冷暖感

皮肤与织物接触时，由于二者之间温度不同，存在温度差异和热量传递，导致接触部位的皮肤温度发生变化。人体皮肤温度往往高于织物温度，所以当织物与皮肤接触时，皮肤表面温度会降低，如果接触前后温度差值太大，会使人感到不舒适[14]。不同含水率拉伸细化羊毛织物接触凉感系数如图6所示。

图6 不同含水率羊毛织物的接触凉感系数Fig.6 Contact cooling coefficient of wool fabrics with different moisture content

当Q-max>0.15 W/cm2时，织物具有瞬间接触凉感性能[15]。由图6示出，不同含水率羊毛织物Q-max值均大于0.15 W/cm2，具有接触凉感。随着织物含水率增大，Q-max值逐渐增大，织物传热能力逐渐增强，与皮肤接触时凉爽感越明显。

织物的接触冷暖感与织物含水率、织物内孔隙率等有关[16-17]。织物含水率对织物接触冷暖感有显著影响，由于水的导热速度比纤维、织物快，当织物中含有较多水分且与皮肤贴合时，皮肤会将表面的热量快速传递给织物，织物中的水分蒸发，吸收皮肤表面大量热量，皮肤温度迅速降低，使人产生很强的冷感。随着织物含水量增大，纤维吸水引起膨胀，使织物孔隙减小，空气含量降低，由于水的导热系数大于羊毛纤维和空气的导热系数，因此，织物含水率越大，其热传导性越好，瞬间接触冷感更明显。

2.3 湿舒适性能分析

2.3.1 饱和吸水率与干燥速率

织物的吸湿与干燥性能是织物热湿舒适性的重要评价指标，人体出汗时，织物会吸收皮肤表面的汗液，只有将其迅速传导到空气中，才能保证人体舒适[18]。织物的饱和吸水率与干燥速率可以表征其吸汗、导湿排汗的能力。将织物在水中浸泡24 h后取出，使其完全润湿，称取织物质量，即织物饱和吸水时的湿态质量，计算饱和吸水后织物湿态质量与初始干态质量的比值，得到织物饱和吸水率为105.19%。

织物质量随干燥时间变化曲线见图7。经测量，织物干燥速率为16.64 mL/h。由图7示出，180 s前，水分蒸发量大，干燥速率快，随后水分蒸发缓慢，干燥速率减慢。在织物快速干燥阶段，蒸发的水分以自由水为主，因为自由水与纤维结合能力弱，可以迅速传输到织物表面，使织物表面保持润湿，织物表面蒸发作用便会以恒定的速率进行；当织物中的自由水逐渐被蒸发完全，会出现“临界水分含量”，由文献[19]可知“临界水分含量”与织物的尺寸和结构有关，在该临界值出现后，织物进入干燥速率下降阶段，被蒸发的水分以结合水和中间水为主，由于结合水与纤维结合能力强，不易从纤维内部或纤维间隙移动到织物表面，此时蒸发作用发生在织物内部，干燥速度低于织物表面自由水的干燥速度，因此干燥后期干燥速率降低。当织物内含水量与所处环境湿度达到动态平衡时，织物将停止蒸发水分，干燥过程结束。

图7 织物质量随干燥时间变化曲线Fig.7 Variation curve of fabrics quality weight with drying time

2.3.2 浸润性能

服装的润湿能力通常用水接触角来表示。如果水接触角大于90°，则该织物是疏水性表面，如果水接触角小于90°，则该织物是亲水性表面[20]。对拉伸细化羊毛织物的不同含水率试样进行水接触角测试，测试中选用5 μL的水滴作为测试液。观察水滴的铺展与渗透，测量接触角大小并分析织物亲、疏水性能。不同含水率细化毛织物水接触角大小如图8所示。

图8 不同含水率羊毛织物水接触角大小Fig.8 Water contact angle of wool fabrics with different moisture content

由图8可知：拉伸细化羊毛织物含水率为0%、25%时，接触角大于90°，表现为疏水性；随着织物含水率增大，为50%、75%、100%时，拉伸细化羊毛织物接触角逐渐减小并最终渗透，且接触角均小于90°，表现为亲水性。

织物是由大量纤维和空气组成的集合体，具有大量孔隙，除了组成织物的纱线和纤维外，还存在空气介质，因此不能将其看做单一的平面来探究其润湿性能，应同时考虑多种固体表面的共同作用，接触角公式见式(1)[21]。

cosθLV=fLcosθL-fV

(1)

式中：θLV为水分与织物的浸润接触角；θL为水分与纤维的浸润接触角；fL为纤维的外观表面积分数；fV为孔隙的外观表面积分数。

干燥状态下羊毛织物纤维和纱线间结构疏松，孔隙中存在大量静止空气，当水分子与织物接触后，将会遮挡住纤维间、纱线间孔隙，使其内部空气无法排出，形成若干小气泡，停留在与水滴的接触底面，阻碍水分子润湿纤维，所以干燥状态的羊毛织物呈疏水性。当织物含水率增大到25%时，纤维吸湿膨胀，孔隙率较织物含水率为0%时有所减小，由式(1)可知，随着织物中孔隙率的减小，孔隙的外观表面积分数fV减小，则水分与织物的接触角减小，但此时水分子主要以结合水和中间水存在于纤维中，纤维膨胀程度较小，孔隙变化不大，因此接触角虽较织物含水率为0%时有所减小，但依然呈疏水性。随着织物含水率逐渐增大到100%，织物中自由水含量逐渐增多，纤维内孔隙率和纱线间孔隙率逐渐减小，因此织物的接触角逐渐减小并呈亲水性，表现出良好的吸湿性能。

2.3.3 芯吸性能

芯吸效应是由于毛细管弯月形曲面附加压力的作用，引导液体自动流动的过程[22]，芯吸性能测试是最直观的表现织物吸汗能力和扩散能力的一种方法。

芯吸是指在毛细管压力的作用下，液体自发流入多孔介质的反应。毛细管作用与液体分子-介质之间的作用力、液体的表面张力有关，当液体与介质之间的分子间黏附力强于液体中分子间的内聚力时，就会发生毛细管作用[23]。织物通常被认为是一种多孔材料，织物内毛细管是由纤维的孔隙、纱线的孔隙以及纱线间孔隙构成的。织物的芯吸速率受纤维之间毛细管空间的大小和毛细管形状的影响，芯吸能力受织物孔隙率和润湿性能的影响[24]。

毛细管压力越大，织物吸水能力越强，根据拉普拉斯方程，将毛细管半径近似圆形横截面可得式(2)。

(2)

式中：P为毛细管压力，N/m2；αLG为液体表面张力，N/m；δ为织物与液体接触角，(°)；r为毛细管半径,m。

同时，芯吸是由于毛细管压力而产生的液体黏性流动的过程，根据Poiseuilles(泊稷叶)定律，可得式(3)。

(3)

式中：v为液体在毛细管中流动的线速度，m/s；q为流量，m3/s；u为黏滞系数，Pa·s；L为毛细管长度，m。

由式(2)可知，接触角越大、毛细管半径越小、液体表面张力越大，则毛细管压力越大，芯吸能力越强，液体上升高度也就越大。但式(3)表明，越大的孔洞与缝隙，将具有越大的流量与越快的上升速率，因此，毛细管半径应该有一个合适的中间值，使得液体有较快的上升速率和较高的芯吸高度，即织物既具有较好的吸湿能力，又具有较高的吸湿速率[25]。

不同含水率羊毛织物水芯吸高度和正己烷芯吸高度分别见图9、10。

图9 水芯吸高度Fig.9 Water core wicking height

图10 正己烷芯吸高度Fig.10 N-hexane wicking height

由图9、10可知，当织物含水率从0%增加到50%时，纤维吸湿膨胀，毛细管半径随织物含水率增大而减小，毛细管压力逐渐增大，由上文可知，此时接触角逐渐减小，因此，蓝墨水芯吸高度逐渐增大，正己烷芯吸高度逐渐减小。织物含水率为0%时，其蓝墨水芯吸高度极低，正己烷芯吸高度较高，呈现明显的拒水吸油性。当织物含水率从50%增大到100%时，蓝墨水芯吸高度与正己烷芯吸高度均逐渐减小，推断此现象与毛细管半径吸湿膨胀有关。当织物含水率大于50%时，随毛细管半径减小液体在毛细管中流动线速度减小，流量减小，但较细的孔隙会导致较高的毛细管压力，提高液体的扩散距离，因此织物含水率为50%时的毛细管半径对织物吸湿最为有利，此时织物吸湿效果最好，表现出较好的导水性。由于水的表面张力大于正己烷的表面张力，因此蓝墨水芯吸高度大于正己烷芯吸高度。由图可知，织物芯吸高度曲线有明显的转折点，在芯吸初始阶段，芯吸速率快，曲线斜率大；芯吸后期芯吸高度上升缓慢，曲线斜率趋于平缓。这是由于纱线之间的孔径较大、孔径分布广泛，负责短期快速芯吸，该阶段可表征织物能否在短时间内快速进行吸湿排汗[26]；纤维在纱线中形成微观的毛细管效应，负责长期芯吸[27]，在向上的毛细管作用力和向下的重力平衡作用下，以缓慢的扩散速率达到最大芯吸高度，芯吸速率呈下降趋势。

3 结 论

为研究含水率对拉伸细化羊毛机织物热湿舒适性能的影响，本文将织物处理成5种不同含水率状态，分别测试织物的热传递性能及湿传递性能，通过分析得出以下结论：

①拉伸细化羊毛织物润湿后，表面温度明显降低，但随着织物含水率增大表面温度变化不大。织物润湿后能够维持其表面温度基本不变使人体感到舒适。

②拉伸细化羊毛织物含水率小于40%时，织物内水分以结合水和中间水为主，与纤维结合比较紧密，纤维间孔隙、纱线间孔隙有一定程度的减小，浸润性能较干燥状态时略有改善，但大量存在于纱线孔隙内的空气阻止水分子进一步接触纤维，织物仍然呈现疏水性；织物含水率达到50%左右时，接触凉感越来越明显，热传递性能较好，此时毛细管压力和液体流速、流量达到平衡，织物导湿性能达到最好；织物含水率大于50%时，织物内水分以自由水为主，水分子逐渐充满纱线间孔隙，空气含量大幅度减小，织物呈亲水性，吸湿效果良好、干燥速率较快；此时毛细管半径过小，液体流量和流速受限，导湿能力略有降低，但均强于干燥状态下织物的导湿能力。