单向导湿织物的研究现状与进展

张飞飞，王万安，景卓元，姜笑天，辛 昊

(中国人民解放军32181部队，陕西 西安 710000)

单向导湿织物对水分的单向传输能有效改善人体皮肤与织物间微气候的湿度，尤其在夏季，能够迅速将人体产生汗液传导至服装外表面并蒸发，可提高服装的穿着舒适度，避免细菌滋生，是具有广泛市场前景的功能性纺织品。

一些学者在对大自然的观察中发现了单向导湿现象，如巨大的杉树通过内部导管将水分从地下输送到杉树顶部[1]；甲壳虫利用后背[2]、蜘蛛利用蜘蛛丝[3]能够轻易从空气中收集水分；猪笼草唇部由于其特殊的表面微结构能够将水滴从叶笼内侧搬运到外侧，从而实现水滴逆地心引力方向运动[4]等，这些自然现象为实现单向导湿提供了理论依据，即差动毛细效应[5]、润湿性梯度效应[6]以及仿生蒸腾效应[7]。利用上述效应研制的织物与传统使用异形纤维[8]或超细纤维[9]制成的吸湿快干纺织品相比，不仅实现水分在纺织品内部定向输送，而且能够有效防止水分反方向渗透，即具备“导湿二极管效应”，有效保持了内层织物的干燥性，降低人体与织物之间黏着效应，提升服装的卫生性能。

近年来对单向导湿织物的研究已经成为纺织行业热点，但研究重心偏向应用，缺少对液态水在织物不同纬度中传递与扩散机制等基础研究。本文从单向导湿机制出发，综述了纤维改性、纱线加工、织物结构、后整理等加工单向导湿快干型织物的方法，同时对存在的机制问题进行了分析、对其发展前景进行了展望。

1 单向导湿织物的机制

根据出汗量的大小，汗液可分为无感出汗和有感出汗，无感出汗汗液主要以水汽状态通过纱线或纤维间孔隙内的空气进行传导。无感汗液凝结液态水和有感汗液导湿主要有2种途径，一是织物表面吸水，水分在织物表面扩散，增大与空气接触面积，将水分蒸发到外界；另一种是通过毛细孔洞传输到外层织物[10]，汗水不会在织物表面滞留，直接吸收到外侧蒸发，保持靠近皮肤一侧的干爽，这个过程涉及液态汗液的润湿与芯吸[11]，如图1[12-13]所示。

图1 润湿与芯吸过程Fig.1 Process of wetting and wicking. (a)Wetting of fabrics；(b)Interfiber wicking；(c)Wicking of yarn

由图1可见，液体首先吸附并铺展在纤维上，通过纤维沟槽的芯吸作用进行传导，由于织物里外层之间纤维细度、界面形状、纱线捻度等因素的不同会产生附加压力差，促使织物中的液态水自发从内层向外层流动，由此加强了织物的导湿性和快干性[14]；此外，织物内外层之间吸湿性的不同又会引起润湿性梯度效应[6]，驱动纺织品两侧的汗液自发运动[15]。综上归纳单向导湿的驱动力主要源于3个方面：①织物中毛细管弯月曲面的附加压力作用及液体表面的张力作用引导液体自动流动[16]；②在厚度方向设定多级空隙结构，大小不同空隙会形成压力差，使得液滴能够自发由大空隙向小空隙移动[17]；③液体突破压力在材料厚度方向的各向异性，使得液滴从疏水侧过渡到亲水侧的突破压力远低于相反方向，因而在疏水层的驱动作用下，加速液体由疏水层向亲水层定向输送[15]。综上，液滴在以上作用力的驱动下自发从一侧向另一侧定向运动，而在不施加外力的条件下无法反向运动[18]。

根据以上单向导湿机制分析，主要利用芯吸效应、差动毛细效应以及润湿性梯度效应制备定向导湿、快干功能服装面料，而影响上述效应的功能因素包括织物的里外层纤维性质、线密度和根数、织物里外层厚度、内外层线密度差以及后整理方法。

2 单向导湿织物的纤维

有研究表明影响纤维导湿性的主要因素是纤维截面形状[19]以及纤维的亲疏水性[20]。相较于规整截面纤维，异形纤维在导湿性上具有优势，这主要是借助于异形纤维在纵向独特的沟槽结构，由此增强纤维芯吸效应，提升纤维吸湿排汗功效，此外具有较深且较窄的沟槽导湿性能更为优越[21]。同时，异形纤维不规整的截面形状增大了纤维的比表面积，促使液态水在纤维层面迅速向四周作平面状铺展，增大了织物散湿面积[22]，进一步提高纤维的散湿导湿性。通常可通过改变喷丝孔形状、双组分复合纺丝等方法改变纤维截面形状制备异形纤维。目前市面上常见的吸湿排汗异形纤维截面形状主要有“十”字形、“Y”形、“H”形和“W”形等。美国杜邦公司研发的Coolmax纤维[23]是典型的“十”字形纤维，借助凹槽的芯吸导湿结构，结合纤维表面细微长孔的毛细作用，迅速吸收皮肤表层湿气及汗水并将其排出体外蒸发。不同纤维截面异形度不同，线密度不同，比表面积不同，对应的导湿性不同，张一平等[22]研究了“Y”形、“十”字形和“CO”形聚酯纤维导湿性能，发现快干速率的排序是“CO”形、“十”字形、“Y”形。此外，由于异形截面的结构减少了与皮肤的接触面，穿着柔软舒适。

纤维对水的亲疏性会影响到液体的润湿性能，而润湿是纤维导湿的前提。若纤维表面亲水性差，纤维与液滴接触角大，液滴需克服较大表面能才能铺展，会影响到后续的芯吸作用，因此要改善纤维润湿性提升导湿性。一般常用化学改性方式，例如采用接枝共聚方法，通过将亲水基团附着到纤维分子链上提高纤维亲水性，改善纤维的润湿性能。侣利蕊等[24]在PET化学结构中引入磺酸基和醚键亲水基团，并将其纺制成“十”字形截面纤维，提升了其亲水导湿性，但是亲水性太好，纤维会因吸水膨胀而导致堵塞液体水传输，液体水很难转移到外层[25]，如涤纶[26]、丙纶[27]等纤维，纤维间水分传输主要靠微孔毛细管作用力，吸水性过于好会减少纤维间的空隙，影响水分的传递。

虽然对纤维导湿性能的研究很多，但主要集中在对较为成熟技术的改进优化，所研究的异形纤维截面形状多为“十”字形或三角形，很少涉及对截面形状的创新研发，不利于开发新型截面异形纤维；对于不同纤维截面形状和尺寸如何影响纱线内部、纤维之间所形成毛细空隙等基础问题目前也缺少完整的理论体系；关于无序随机排列的异形纤维所形成的纱线对纤维间毛细空隙的影响目前也少有相关研究，因此，需要加强对基础问题研究，形成一套完整的理论依据，支撑今后开发和应用单向导湿纤维品种。

3 单向导湿织物的纱线

纱线是通过加捻而成的纤维集合体。研究发现，纱线导湿过程主要涉及液体在纱线内部的扩散、流动以及蒸发等步骤，以上过程主要取决于纱线的润湿和芯吸能力[21]。而纱线的润湿性与纤维的润湿性有关，主要表现为液体在纱线表面的吸附和扩散行为，与纤维的亲水性正相关。影响纱线芯吸能力的因素包括纱线或长丝的细度、捻度及截面形状[21]。李德芹等[28]对纯棉平纹面料进行分析，探讨了不同纱线细度对芯吸高度的影响，通过实验发现纱线细度越细，经纬向芯吸高度越低，查安霞的[29]对比了不同捻度涤纶长丝的芯吸高度，发现随捻度增加，芯吸高度先增加，经过波峰后又下降。Monor等[30]基于液体在纱线中的芯吸现象，研究了纱线截面对液体在纱线中传递的影响，结果表明三叶形截面具有良好的芯吸作用。此外使用单一纤维制备的纱线，由于性能单一，所形成的纱线难以同时兼顾吸湿、导湿、放湿3项性能，致使织物的吸湿排汗快干功能受到影响，因此，通常采取混纺吸湿纤维和导湿放湿性纤维制备纱线，提高其导湿能力。王晓丽等[31]按照不同混纺比制备了亲水涤纶与棉的混纺纱，并分别对其进行了吸湿快干能力测试，结果表明吸湿快干性越好的纱线，其混纺纱中亲水涤纶所占比例越高。Firacis[32]纱线为典型的包覆纱，将优质长绒棉作为纱芯，一种特殊的聚酯长丝附着在其外部，综合了长丝纱线的触感以及优质棉的外观和特有性质，即使在湿热环境下大量出汗服装几乎不沾身，能够显著降低湿热感。

纱线导湿行为是一个复杂多变的过程，其导湿能力受到多方面因素的共同影响，难以用一套理论模型描述[33]。纱线吸湿性与纤维吸湿性相关；纱线间的空隙受到纤维形状、纱线捻度、加工参数等因素的影响，不同参数引起纱线空隙很大变化；再有，纱线因吸湿作用引起的膨胀变形致使空隙随时间而不同，进一步增大了研究难度。

4 单向导湿织物的结构

通过对织物组织结构的设计使织物内外两侧具有差动毛细效应，内外两侧的亲水性不同又会产生润湿性梯度效应，以上2种效应均可实现织物的单向导湿功能。按照加工方式的不同，织物可分为针织物、机织物、非织造织物，根据使用需求，织物能够设计成单层或多层织物。

4.1 单层单向导湿速干织物

单层单向导湿速干织物可以单独使用具备吸湿排汗快干功能的纯纺纱、混纺纱、复合纱线编织加工或使用亲疏水性不同的纱线搭配加工制成。制成织物的纱线在纵向沟槽具有毛细管芯吸作用，由此皮肤表层产生的汗液借助沟槽向织物平面方向传递，保持服装贴身面的干爽状态，有效改善了服装的穿着舒适性[34]。何立锋等[35]利用高导湿差别化纳米硅扁平聚酯长丝交织超细旦聚酯长丝，结合新型提花添纱工艺，开发出吸湿凉爽舒适性针织面料，有效解决了蚕丝面料夏季出汗黏着，单向导湿工艺差的技术难题；李梦茹等[36]选取Cooldry网络长丝和丝光棉结合，以经花织物为载体，开发出了反面导湿正面吸湿的织物面料。

4.2 多层单向导湿速干织物

多层单向导湿织物包括双层和3层结构织物。双层结构织物在材料使用上通常采用内疏水外亲水设计，内层织物的疏水导湿纤维能够快速将汗液导向外层，保持内层干爽性；外层织物的亲水性纤维能够加快汗液的传递和蒸发，使织物整体透气性良好。在结构设计上采用特定的组织将内外层连接，在织物内外两面准确分布吸湿性不同的2种纤维，由于纤维吸湿性差异引起的梯度润湿效应，进一步增强织物的导湿和散湿效果。棉盖涤纺织品[37-38]就是最为典型的双层单向导湿纺织品，将疏水涤纶纱作为地纱，亲水棉纱为面纱，借助正反面[47]吸水性的明显差异，由此在吸水速度、最大吸水量等方面不同，织物表现出单向导湿的特性。类似产品还有棉盖Cooldry织物、棉盖丙纶[39]等。此外，利用纤维异形度和线密度差异形成差动毛细效应，可织制出定向导湿面料，如蜂窝结构织物[40]、鱼眼结构织物[41]，由于内外层织物毛细孔洞大小不一致，可以加强芯吸效果。

为加强织物的导湿能力，还可进一步在贴身传导层加上点状突起组织点(称灯芯点)，灯芯点结构示意图如图2[17]所示。通过对组织点位置与密度恰当安排与设计，使汗水借助组织点由疏水层迅速传导至亲水层，提高服装的排汗率。侯秋平等[42]选用H形截面吸湿快干涤纶和彩棉为原料，设计了以灯芯点结构为连接点，将织物疏水内层与亲水外层连接复合，提升了织物的汗渍传递速率，促进了汗液从内向外的渗透扩散。

图2 灯芯点结构示意图Fig.2 Schematic diagram of lamp wick structure

3层织物结构利用杉树吸水的差动毛细管效应原理[5]，如同植物中干、茎、叶中木质部导管直径变化，织物结构从内到外空隙呈梯度递减，形成外层静水压差[43]，提高织物单向导湿性，同时利用外层组织小空隙产生的“蒸腾拉力”提升水分导湿的原动力[7]。利用这一原理开发多种组合的织物，按照其结构由内向外可分为里层、中层和外层，里层吸湿导湿，中层储水导湿，外层蒸发散湿。刘杰等[44]采用木棉/棉混纺纱线、Coolmax纱线，设计一种表里层松、紧组织空隙呈梯度变化的三维单向导湿织物。张慧敏等[45]选用3种线密度不同的丙纶长丝为原料，利用线密度梯度构造3种导湿性不同的功能层，织造了具有单向导湿性能的正交、角联锁和多层接结3种结构的15种三维机织物，通过测试分析其导湿性能发现，织物均具有优异的单向导湿性能。

4.3 织物组织结构对单向导湿的影响

织物品种不同，加工方式不同，其单向导湿性也不同。对于机织物而言，在其他条件相同情况下，将吸湿性好的纤维作经纱[46]或者降低纬纱密度，均可提升织物单向导湿速干性。织物组织结构也会影响其吸湿导湿性，汪月灵等[48]采用热板法测试了不同组织结构织物吸湿速干性，发现导湿速干效率排序为平纹、透孔、斜纹、缎纹、蜂巢。针织物方面，汗液传导示意图如3所示。线圈数量越多，线圈越大，织物表面积越大，越有利于水分散发[49]，因此增加孔隙数量，提高正反面线圈数比例，织物毛细作用越好，芯吸效应越强[50]。织物面密度[51]是影响非织造织物单向导湿性能的主要因素，增大非织造材料面密度，单位体积内纤维含量增多，导流通道弱化，厚度增大，导湿性就会越差。

图3 针织物汗液单向导湿示意图Fig.3 Schematic diagram of knitted fabric′s unidirectional wettability

市场上单向导湿织物很多，但织物面密度往往过高，使用静电纺丝技术[53]，产量又受限，且结构设计多应用于针织物，对机织物和非织造物的结构设计还很少[54]。此外，在单向导湿织物的设计和加工原理方面，缺乏评价液态水在织物中的流动机制的基础理论支撑，也尚未形成一套完整的单向导湿织物设计和加工原理。

5 单向导湿织物的后整理

通过化学改性方法，如化学助剂、等离子体改性和光催化处理等方法对织物进行功能性整理，使织物兼具吸水、透湿和快干的特性，进而实现织物内外层亲疏水性差异，产生梯度润湿性，拉动液体单方向流动。依据整理面的不同，可分为单面整理、双面整理和梯度整理。

5.1 单面整理

单面整理按照整理剂的不同可分为亲水整理和疏水整理。亲水整理针对织物外层进行亲水处理，可使用亲水性助剂[55]、等离子体处理[56]和光催化处理[57]等方法改善织物外层材料亲水性。Carran等[58]将纳米沸石整合到羊毛织物表面，整理后的羊毛织物水接触角从148°降低到50°，大幅提高了导湿能力；李辉芹等[59]将棉织物与粘胶织物在以钛酸丁酯为前躯体的二氧化钛溶胶中二浸二轧，经过整理后织物的接触角分别达到135°与139°，而后进行光催化整理，接触角在2 h内变为0°，使织物获得了单向导湿能力。疏水整理则主要通过疏水剂对织物内层进行拒水处理，汪南方等[60]采用浆点印制法对纯棉织物进行单向疏水整理，整理后单向导湿效果达到4.5～5.0级。

5.2 双面整理

相较于单面整理，双面整理更为普遍，通过对织物内外两侧分别进行疏、亲水处理，实现更加高效的导水效果。目前市面上最为普遍产品就是涤盖棉织物[61-62]，以亲水性涤纶纱为面纱，再通过印花、浸扎等方式对织物反面疏水整理，在织物两侧形成亲疏水差异。非织造物的单向导湿整理通常使用此方法，王洁等[63]采用泡沫整理法对纺黏—熔喷—纺黏(SMS)手术衣材料进行一面亲水整理三拒(拒酒精、拒油、拒血液)一抗(抗静电)整理，使材料在具有防护性的同时具有单向导湿性能。

5.3 梯度整理

利用织物气/液的扩散性在织物厚度方向构建化学梯度，包括气相化学沉积和液相化学沉积，通过精准控制时间，在织物纵向产生一个贯穿平面的化学梯度，产生润湿梯度性，进而具备单向导湿性。Tian等[64]使用POTS(全氟辛基三乙氧基硅烷)蒸气对棉织物进行熏蒸，随着POTS蒸气在织物内部的扩散，与棉纤维表面羟基发生反应，在厚度方向形成亲疏水梯度而具备单向导湿性。液相与气相方法类似，将织物漂浮在液体上，通过织物吸湿在厚度方向发生反应。气相与液相沉积方法简单，操作便捷，但是难以把握反应时间，而且对于材料厚度要求较高。

经过整理后的织物，其芯吸效应得到很大程度的提高，有些吸收的水分甚至超过自身质量数倍。然而，经过后整理方式将整理剂附着在织物上，虽然工艺成熟、成本低，但是耐水洗性能差，频繁水洗部分助剂会脱落或随机黏在织物内外面，导致单向导湿性变差。此外，经整理的织物表面手感粗糙、发硬，穿着体验较差，不能给使用者提供良好舒适性。对于合成纤维面料而言，纤维不能将水分吸收到纤维内部，在临界出汗时会感到闷热。

6 结束语

单向导湿织物作为一种功能性纺织品，发展迅速，前景广阔。本文从制备异形截面纤维、优化纱线结构、设计织物结构和进行后整理等方式阐述了开发单向导湿织物，罗列国内外大量研究结果，同时提出了基础性问题研究的不足，如如何平衡纤维润湿性与截面形态关系、纱线细度与捻度相关关系对于导湿性能影响、多层织物空隙的大小排布最有利导湿等基础问题究还不够深刻，无法精准指导生产。

此外，目前多数单向导湿织物的开发及测试通常是建立在常温常湿环境下，而对于高温高湿环境下的高负荷运动，如竞技运动、军人体能训练，常常伴随着大量汗液排出，超出一般服装的最大导湿能力。因此，为了满足不同领域和使用者的需求，研发特殊环境下的单向导湿织物是未来导湿纺织品的一个重要研究方向。