三维导湿结构环保针织面料开发与吸湿速干性能评价

王 玥，王春红,2，徐 磊，刘胜凯，鹿 超，王利剑，杨 璐，左 祺

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)

保持服装在运动过程中的舒适干爽是运动服饰研究的重点，未来服用织物将朝着舒适、健康、绿色的方向发展，环保型吸湿速干织物是其中最重要的项目之一[1]。我国极力主张绿色环保的发展理念，服装面料的研发应将环保原则深入其中，着重选用可循环再利用材质的纤维等，在后整理程序中也应该注重面料功能与绿色化学的相辅相成[2]。莱赛尔纤维以天然植物纤维为原料，可在泥土中完全分解，对环境无污染[3]，纤维之间的亚微管可以调节水分吸收和释放。聚酯纤维是运动服装中最常用的纤维，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)宝特瓶回收再制成PET纤维被广泛运用于纺织品上，但再生涤纶强力略低，条干不匀率较大，吸湿快干性较差，这些性能上的不足阻碍了再生涤纶的普遍应用[4-5]。

从纤维到纱线再到织物，每个环节都会对面料的吸湿速干性能产生影响。从织物角度来讲，针织物特有的线圈结构使其具有独特的传输特性，例如水蒸气渗透性、空气渗透性、导热性和水分管理等[6]。织物的排汗导湿可通过化学法、等离子体改性法和结构设计法等实现。结构设计法无化学试剂的参与，环保且有利于织物与人体皮肤直接接触[7]，主要依据差动毛细效应原理、点或线接触以及芯吸效应原理来进行设计[8]。双面针织组织结构是运动服中较常见的织物结构。单面莱赛尔纤维织物排湿效果不太理想，与100%天丝织物或100%聚酯织物相比，皮肤接触层为涤纶且外层为天丝的双面织物有更好的吸湿速干效率[9]。近年来，国内外对于双面吸湿速干面料的研究大多集中在开发特殊结构的纤维和纱线，以及纤维和织物两面的化学改性等，从单向导湿三维结构角度来提高双面织物的吸湿速干性能研究较少[10-11]。

本文采用绿色环保的天丝和再生涤纶，设计新型三维导湿针织结构模型，根据模型特征设计开发双面针织物，分析比较其吸湿速干性能。并在该组织结构下，将天丝/再生涤纶织物同天丝/中空涤纶织物和天丝/杜邦TMSorona®织物进行对比。采用模糊综合评价并结合离差最大化法对吸湿速干单项组合试验法和动态水分传递法的试验结果进行对比分析。

1 试验部分

1.1 主要原料

天丝A100TM特种纤维短纤纱(18 tex，纤维直径为9.921 μm，兰精集团)；再生涤纶短纤维纱线(18 tex，纤维直径为10.582 μm，昆山丝冠纺织品有限公司)；再生涤纶长丝(16.7 tex(48 f)，丝束直径为18.633 μm；33.3 tex(96 f)，丝束直径为18.877 μm，昆山丝冠纺织品有限公司)；中空涤纶短纤纱(28 tex，纤维直径为15.647 μm，昆山丝冠纺织品有限公司)；杜邦TMSorona®高弹纱(33.3 tex(144 f)，丝束直径为14.845 μm，美国杜邦公司)。

1.2 织物结构设计

设计新型三维导湿针织结构模型开发双面变化纬编间隔针织物，三维模型及其截面示意图如图1所示。该模型上表面模拟织物皮肤接触层，具有疏水多孔性，下表面模拟织物外层，具有亲水多孔性，中间为连接层。变化纬编间隔组织模型的上下表面孔隙差异和连接层的疏松结构可加速气液通过。

图1 三维织物结构模型及其截面示意图

将双面变化纬编间隔组织织物与单面纬平针组织、蜂窝网眼组织和双面纬编间隔组织织物进行对比，采用龙星12 G电脑横机进行织造，4种针织组织结构图如图2所示。

图2 4种针织组织结构图

织物组织结构和原料组成如表1所示。3#织物与4#织物均由天丝与再生涤纶纱线交替喂入，进行弯纱成圈。5#织物的皮肤接触面由于再生涤纶长丝集圈线圈悬弧的存在使织物表面呈现凹凸效应，有利于织物形成灯芯点芯吸效应，从而提高其水分传输能力。纬编间隔组织织物皮肤接触面为再生涤纶，织物外层和集圈部分为天丝。变化纬编间隔组织是在纬编间隔组织基础上将织物皮肤接触面的1/2成圈线圈用集圈代替，且织物中间层去掉1/2集圈线圈，从而降低织物皮肤接触面紧度，增加织物中间层孔隙。为充分发挥功能性纱线的导湿性，10#织物和11#织物仅外层为天丝。

表1 针织物的组织结构和原料组成

1.3 织物吸湿速干性能测试

1.3.1 织物水分传递性能

由于液态水分管理测试仪更适合用于结构均匀，不含导电纤维与未经过化学整理的织物，因此参照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》，采用M290型液态水分管理测试仪测试11种针织物的动态水分传递性能[12]。试验通过在1 L蒸馏水中放入约9 g的氯化钠来模拟人体汗液。

1.3.2 单项组合试验

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》中的吸水率测试方法，分别裁取5块尺寸为10 cm×10 cm试样进行测试。

参照上述标准中的芯吸高度测试法，分别裁取长边平行于织物经向和纬向的试样各3块，测量 30 min 时液体芯吸高度的最大值。

参照上述标准中的水分蒸发速率和蒸发时间测试方法，分别裁取尺寸不小于10 cm×10 cm试样 5块进行测试。将试样悬挂于标准大气环境中，每隔(5±0.5)min 称量质量。

参照GB/T 12704.1—2009《织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，使用YG(B)216-Ⅱ型织物透湿量仪，分别裁取3块直径为7 cm的圆形样片进行测试。根据一定时间内试验组合体质量的变化计算试样单位时间内的透湿。

由于滴水扩散时间测试方法中对“不再呈镜面反射”这一现象的判断存在较大的人为因素，因此本文暂不讨论织物的滴水扩散时间[13]。

2 结果与讨论

2.1 织物动态水分传递性能分析

按照GB/T 21655.2—2009的评级标准，对各项指标进行级别评定。测试得出，织物6#、7#、9#、11#既具有吸湿速干性，也达到吸湿排汗性要求。织物1#、3#、4#、5#、8#、10#达到吸湿速干性要求。5种单面织物中，除2#织物外，其他织物的润湿时间达到 4级或更高，这是因为天丝纤维表面的亲水基团能与水分子结合生成氢键吸附水分。织物水分扩散位置与时间关系示意图如图3所示。

图3 织物水分扩散位置与时间关系示意图

由图3可看出，2种纬编间隔组织织物由于织物双面纤维毛细管差异，毛细芯吸效应促进液体从皮肤接触面传到织物外层，在水分扩散过程中织物外层先被浸湿，是良好的水分管理织物。7#织物相对于6#织物，皮肤接触面纱线线密度增大导致织物紧度增大，毛细芯吸效应减弱，因此吸水速率、浸润半径、水分扩散速率、汗液单向传输能力减小，织物底层水分扩散程度减弱。8#、9#织物与6#、7#织物相比，织物双面水分都可以被快速浸湿和吸收，扩散面积较大。这是因为织物皮肤接触层和中间层孔隙增大，织物内外较大的附加压力使液态水自动从皮肤接触层流向外层，符合差动毛细效应原理[14]。由于变化纬编间隔织物较为疏松，8#、9#织物仅具有轻微单向传输水分能力，是良好的快吸收快干燥双面针织物。10#织物与9#织物相比，再生涤纶长丝换为杜邦高弹丝，液态水动态传递性能整体略微降低。这是因为Sorona®分子结构中的弯曲链段使其具有高弹性，织物皮肤接触面非常紧密，使织物毛细芯吸效应减弱[15]。11#织物皮肤接触面和中间层为中空涤纶纱线，其疏水性和纤维中空结构极大提高了汗液单向传输能力，且织物外层水分大面积快速扩散。

2.2 织物吸水率分析

11种织物的吸水率测试结果如图4所示。各织物的吸水率均达到200%以上。4种组织结构中，吸水率由大到小排列依次为变化纬编间隔组织、蜂窝网眼组织、纬平针组织和纬编间隔组织。4种纬平针织物中，天丝织物的吸水率最大，达到338%。天丝与再生涤纶交织织物的吸水率比纯天丝织物差。2种纬编间隔组织织物相比，随着皮肤接触面纱线旦数增加，织物中再生涤纶的占比增加，织物吸水率降低。相比6#和7#，8#和9#织物的吸水率显著提升，这是由于织物的皮肤接触层紧度降低，实现织物的内松外紧，通过差动毛细效应原理使得液体更好地从疏水面传递到亲水面。

图4 吸水率测试结果

2.3 织物芯吸高度分析

11种织物的芯吸高度测试结果如图5所示。除了2#织物、8#织物、11#织物以外，其他8种织物的横纵芯吸高度均在100 mm以上，达到了标准中针织类产品芯吸高度要求。由于针织物纵密均明显比横密大，因此面料的纵向纱线相对于横向更加密集，水分传递的速率更快[16]。单面织物中，原料的选择是影响芯吸高度的主要因素，吸湿性较强的织物芯吸高度较高。双面织物中，降低织物孔隙有助于增强液态水的传递路径，从而提高芯吸高度[17]。

图5 芯吸高度测试结果

2.4 织物蒸发速率和透湿率分析

图6、7分别示出织物蒸发量和蒸发速率测试结果。2#织物受再生涤纶疏水性影响，大量水分从织物孔隙滴落，未被织物吸收，因此本文不分析其蒸发量和蒸发速率。单层织物中，再生涤纶的疏水性使织物具有良好的散湿性能，这是因为织物与水分子产生排斥从而使织物表面的水分子迅速扩散[18]。双面织物比单面织物的水蒸发速率和蒸发量高，这是由于皮肤接触层涤纶的疏水性与织物外层天丝的亲水性反差形成的润湿梯度效应有利于液体单向传导，加快织物外表面水分与空气的接触速度。2种双面针织组织结构对织物的水蒸发速率影响较小。

图6 蒸发量测试结果

图7 蒸发速率测试结果

图8示出织物透湿率测试结果。可以看到单层织物透湿性较好且差异较小，这是因为透湿率与织物密度成反比，织造的纬平针织物线圈长度较大，织物孔隙较大，密度较小。

图8 织物透湿率测试结果

织物组织结构是影响透湿率的重要因素，单层织物的透湿率优于双面织物。4种变化纬编间隔组织织物中，由于10#织物和11#织物密度较大，透湿率较小。通过比较织物的水分蒸发速率和透湿量这2个表征织物速干性的指标，可知9#织物的速干性能最好。对比2种双面组织织物发现，7#织物和9#织物的蒸发速率和透湿率要高于6#织物和8#织物，因此织物中再生涤纶长丝比例的合理利用可有助于提高织物的速干性。

3 吸湿速干织物综合评价

根据湿传递机制，采用单一指标进行评价，会使结果产生分散性，评价效果不全面，因此需要对与织物吸湿速干有关的各项性能进行综合评判[19]。由于再生涤纶纬平针织物吸湿速干性能均比较差，因此本文采用模糊综合评价法对其他10种织物的吸湿速干性能进行综合评价[20]，比较动态水分传递法与单项组合试验测试结果一致性，获得面料综合吸湿速干性能的优劣排序，为吸湿速干服装设计开发做参考。

3.1 单因素评判矩阵的建立

建立因素集U1={u1，u2，u3，u4}，其中u1～u4分别为吸水率、横向芯吸高度、蒸发速率和透湿率。建立因素集U2={ua，ub，uc，ud，ue，uf}，其中ua～uf分别为浸水面浸湿时间、渗透面浸湿时间、浸水面吸水速率、渗透面吸水速率、渗透面最大润湿半径和渗透面液态水分扩散速率。以10种织物作为评价对象集，V={1#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#，10#，11#}。输入原始数据，根据单因素评判得到单项组合试验法与动态水分传递法的评判矩阵R1和R2[21]。

3.2 权重集的确定

采用离差最大化法确定各指标的权重(wi)，通过计算后得到单项组合试验法和动态水分传递法各指标的权重集分别表示为W1=(w1，w2，w3，w4)，W2=(wa，wb，wc，wd，we，wf)。算法如下：

式中：rij表示评判矩阵中第i行第j列的值；rik表示评判矩阵中第i行第k列的值。

得到各指标的权重如下：W1=(0.212，0.229，0.291，0.268)，W2=(0.111 28，0.132 03，0.174 35，0.189 43，0.220 38，0.172 53)。

3.3 模糊综合评价矩阵的确定

模糊综合评价矩阵B通过权重集W和单因素评判矩阵R获得，综合评价值越大，吸湿速干性能越优。综合评判矩阵B1=(b1，b2，b3，b4)，B2=(ba，bb，bc，bd，be，bf)，计算公式为

B=W·R

(2)

得到B1=(0.466，0.396，0.542，0.601，0.441，0.630，0.516，0.871，0.707，0.328)，B2=(0.802，0.893，0.875，0.674，0.288，0.096，0.882，0.857，0.347，0.199)。通过单项组合试验综合评价，10种织物的吸湿速干性能优劣排序为：9#、10#、7#、5#、4#、8#、1#、6#、3#、11#织物，通过动态水分传输综合评价，10种织物的吸湿速干性能优劣排序为：3#、8#、4#、9#、1#、5#、10#、6#、11#、7#织物。可发现，2种吸湿速干评价结果不一致，这是因为单项组合试验中用吸水率和芯吸高度2个指标表征织物对水分的吸附能力；用水分蒸发速率和透湿率表征织物的速干性。而在动态水分传输中，用浸湿时间、吸水速率表征织物的吸湿性；用渗透面最大浸湿半径、渗透面液态水扩散速度来表征织物的速干性。芯吸高度和浸湿时间是从织物不同维度体现的毛细管效应，芯吸高度是纤维间形成的毛细管弯曲面存在附加引力引导液体流动，此时纱线本身的结构对织物的芯吸高度影响较大[22]。浸湿时间是织物内外层纤维间的毛细芯吸效应和单向导湿的结果，此时织物的组织结构对其影响较大。水分蒸发速率和渗透面最大浸湿半径、渗透面液态水扩散速度相关度较大，水分以较快速度扩散到织物表面上，润湿区域变大，则水分蒸发越快。透湿率是在单位时间内垂直通过单位面积织物的水蒸气质量，由于织物内外的水蒸气压差，无感蒸发的气态水分通过纤维和纱线间的空隙向外扩散，而在动态水分传输中未能体现水汽的传输。

通过2种方法的评判矩阵进行综合评价，得出评价矩阵B3，计算公式为

得到B3=(0.634，0.645，0.708，0.638，0.365，0.363，0.699，0.864，0.527，0.264)。通过整体模糊综合评价，10种织物吸湿速干性能优劣排序为：9#、4#、8#、5#、1#、10#、6#、7#、11#织物。可看出10种针织物中，采用变化纬编间隔组织织造的18 tex天丝与33.3 tex(96 f)再生涤纶长丝混织织物吸湿速干性能最好，优于天丝与2种功能性纱线混织织物。说明新型三维导湿针织结构下，降低织物皮肤接触面紧度和增加织物层间孔隙时，采用合适比例的疏水丝束可获得吸湿速干性能优异的织物，有潜力应用于绿色环保型运动服装领域。采用纬平针组织织造的天丝与再生涤纶长丝针织物吸湿速干性能较好，有潜力应用于夏季运动服装面料。

4 结 论

本文通过设计新型三维导湿针织结构模型，开发变化纬编间隔双面针织物，采用绿色环保的天丝和再生涤纶、快干功能性纱线中空涤纶和杜邦TMSorona®高弹丝，围绕纬平针组织、蜂窝网眼组织、纬编间隔组织和变化纬编间隔组织开发针织物，分析其吸湿速干性能。采用模糊综合评价对吸湿速干单项组合试验和动态水分传递法的试验结果进行对比分析，得出以下结论。

1)所开发的双面针织物中，降低织物皮肤接触面紧度，汗液单向传输能力提高，织物吸水率提高，芯吸高度降低。所开发的织物中，双层织物比单层织物的水蒸发速率和蒸发量高，透湿率小。单层织物中，采用纬平针组织织造的天丝/再生涤纶长丝混合针织物吸湿速干性能优异，面料轻薄，有潜力应用于夏季服装面料。

2)通过模糊综合评价对织物的吸湿速干性能优劣排序发现，由于动态水分传递法与单项组合试验法评价维度和侧重点不同，测试结果不一致，只有二者相结合才能更充分反映织物的吸湿速干性。采用变化纬编间隔组织织造的18 tex天丝与33.3 tex(96 f)再生涤纶长丝混织织物吸湿速干性能最好，优于天丝与2种功能性纱线织造的变化纬编间隔织物。通过新型三维导湿针织结构，采用合适比例的天丝和再生涤纶可以织造出吸湿速干性能优异的针织品，拓宽了绿色环保型运动服装面料的研发思路。