纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能

姚懿宸, 董智佳, 姚馨馨, 葛美彤

(1.江南大学 针织技术教育部工程研究中心,江苏 无锡 214122; 2.无锡恒诺纺织科技有限公司,江苏 无锡 214105)

为积极应对全球温室效应加剧的气候变化,中国纺联在2021国际创新峰会上提出要推动“中国时尚品牌气候创新碳中和加速计划”,为了减少制冷设备的使用,实现低碳的衣着生活,凉感面料成为当下节能着装开发的热点[1-2]。凉感纤维通常具有较高的导热系数,能将人体产生的热量快速导出到外界环境。但常规凉感纤维吸湿性差,难以将人体表面的汗液排出,使人体与织物间产生黏着感[3-4]。纬编双层织物结构通过形成织物内外层湿润梯度,将汗液单向地从亲肤一侧传导至织物外层,使其在织物外层迅速蒸发,且导出的汗液不会回渗到面料内层,以维持面料与人体皮肤之间微环境的湿热平衡[5],可以改善织物的导湿透气性。目前市面上的单面运动面料普遍遮蔽性较差,单向导湿性能有限,难以织造较大的花型;而常规双面运动面料的平方米质量在170～210 g/m2,且结构较为简单,难以满足夏季运动时人们对于面料轻薄干爽的需求。

本文旨在开发系列具有单向导湿功能的轻薄凉感织物,根据单向导湿技术的原理,选用具有凉感性能的聚乙烯(PE)及其复合纤维编织亲肤面,涤纶编织织物使用正面,通过组织结构设计使面料有凹凸状的单侧网眼结构,减少面料与皮肤的贴附。最后测试获得样品的导湿透湿、接触凉感等性能,并分析评价不同纤维材料和组织结构对织物综合性能的影响。

1 织物开发

目前开发夏季运动面料采用的纱线常规线密度为8.33 tex,由于双面结构难以做到十分轻薄,本文全部采用5.56 tex的纱线,以减小织物厚度,并通过合理配置亲疏水纱线达到单向导湿的性能,设计组织结构形成单侧网眼,实现面料的凹凸效应。

1.1 原料选择

目前利用结构设计法实现织物的单向导湿功能主要是依靠纤维原料亲疏水性能的差异[6]。聚乙烯(PE)纤维属于本征型导热纤维,其高结晶度和取向度能使热量延纤维轴向快速传递,且具有较高的人体红外透过率和持续的热传导能力,稳态接触凉感有一定的优越性[7-8];聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)皮芯结构复合纤维的皮层组织为高密度聚乙烯,熔点低且柔软性好;芯层组织为聚丙烯,熔点高、强度高[9],有良好的导热能力和芯吸能力。

低温阳离子涤纶是涤纶纤维经阳离子改性,加入亲水性基团,降低结晶度,使其吸湿回潮率远高于普通涤纶;通过超细化纺丝技术制得的超细合成纤维涤纶线密度远细于普通涤纶纱线,其比表面积大,纤维之间的缝隙较大,形成更密集的毛细孔洞,使纤维的吸湿性和毛细芯吸能力得到极大提高,且纤维束内纤维根数增多,利于吸收和保留更多水分,改善了涤纶的亲水性[10]。

因此,选择PE纤维和PE/PP复合纤维编织内层疏水面;选择两种改性涤纶纱线编织外层亲水面。纱线具体规格参数如表1所示。

表1 纱线规格Tab.1 Yarn specifications

1.2 工艺方案

采用工艺1和工艺2搭配低温阳离子涤纶纱线和PE/PP复合纱线制备样品1和样品2,采用工艺3、4、5搭配超细纤维涤纶纱线和PE纱线制备样品3、4、5。其中,工艺1采用涤纶在针盘编织工艺反面和连接层,工艺2、3、4、5都采用凉感纤维在针盘编织工艺反面并编织连接层。基本工艺参数如表2所示。

表2 基本工艺参数Tab.2 Basic process parameters

工艺1的花型通过连接处的编织将线圈固定,跨越横列的线圈将网眼两侧收缩拉紧,使网眼呈现梨形,且呈单面,形成工艺正面,即亲肤面的凹凸结构。工艺3与工艺1选针形成的网眼结构类似,但由于采用上针隔行全成圈的组织结构,两面均较为平滑。工艺2、4、5采用集圈编织连接层,形成涤纶面的单侧网眼。绘制结构意匠图,如图1所示;并结合互联网针织CAD系统IKDS绘制线圈结构模拟图和侧视图,如图2所示。

图1 意匠图Fig.1 Pattern grid

图2 线圈结构模拟图和侧视图Fig.2 Coil structure simulation diagram and lateral view

1.3 后整理

1.3.1 染 色

聚乙烯吸湿染色性较差,染色时在涤纶编织面上色。该系列面料为吸湿排汗功能性面料,采用ICC吸湿排汗整理剂(鲁道夫化工有限公司),增强织物涤纶面的亲水性和吸湿性。该整理剂适合超细纤维织物的功能整理,赋予织物柔软、凉爽手感。

1.3.2 定 型

由于聚乙烯材质不耐高温,热定型温度不能超过115 ℃。经整理定型后,量得成品基本规格如表3所示。

表3 成品基本规格参数Tab.3 Basic specifications of finished products

2 测试设计

2.1 导湿透湿性能测试

2.1.1 单向导湿性及速干性

1) 芯吸高度。根据FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》测试织物的芯吸高度,分别测量经纬向数据各3组求平均值,作为评价其吸湿性能的指标。

2) 液态水分管理。根据标准GB/T 21655.2—2009《纺织品吸湿的评定 第2部分:动态水分传递法》中的相关指标,选用MMT液态水分管理测试仪,测试5组数据求平均值。

3) 滴水扩散面积。用滴管吸2 mL的有色溶液,在距离织物亲肤面2 cm的高度连续滴5滴,静待40 s,拍摄其扩散形态,并利用Imagej软件计算其不规则面积。

2.1.2 透湿性

衡量服装舒适性的一个重要指标就是纺织面料的透湿性能,按照GB/T 12704—1991《织物透湿量测定方法 透湿杯法》,选用YG601H-Ⅱ织物透湿仪进行测试,测试3组数据求平均值。

(1)

式中:WVT为每平方米每24 h的透湿量;m1为第一次称量试验组合体质量;m2为第二次称量试验组合体质量;S为试样试验面积;t为试验时间。

2.2 透气性测试

夏季服装要求面料有良好的透气性。依据GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》,选用YG461E-Ⅲ全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂),在样布不同部位测试10次,求平均值。

2.3 接触凉感性测试

根据GB/T 35263—2017《纺织品 接触瞬间凉感性能的检测和评价》,Q-Max值≥0.15 W/cm2,可视为接触瞬间凉感性能面料。采用平板式织物保温仪法来测量织物的导热系数以表征织物的接触凉感[11]。选用YG606D型平板式织物保温仪(宁波纺织仪器厂),测得保温率、导热系数、克罗值,并计算Q-Max值以表征织物接触凉感。

3 结果与分析

3.1 基本参数

由图3可见,厚度和平方米质量成基本呈正相关。选用纱线相同时,工艺2、4、5采用集圈结构编织连接层,支撑性更强,得到的样品厚度较大。工艺1、3的结构连接点更密集,织物亲水层和疏水层连接更紧密,因而其样品厚度较小。

图3 厚度与平方米质量之间的关系Fig.3 Relation between thickness and weight in grams

3.2 导湿透湿性能

3.2.1 单向导湿性及速干性

1) 芯吸高度。经测试得到经纬向芯吸高度,如图4所示。织物经向的芯吸高度均优于纬向芯吸高度,是由于织物纵向的毛细孔隙贯通性比横向好,毛细效应更明显[12]。样品1和样品2的毛细芯吸能力主要由PE/PP皮芯结构复合纤维提供,样品3、4、5的毛细芯吸能力主要由超细纤维涤纶提供。样品2的芯吸高度优于样品1,由于样品2连接层采用皮芯结构纤维,有利于水分的传导,织物芯吸高度更高。比较后三种工艺,连接层均采用PE纤维,而样品3由于厚度较小,其芯吸效果显著降低。

图4 经纬向芯吸高度Fig.4 Latitude and longitude core suction height

2) 液态水分管理评价。MMT液态水分管理测试仪测试得到内外层含水量/时间变化曲线和液态水分管理相关指数,如图5、图6所示。

图5 内外层含水量/时间变化曲线Fig.5 Water content/time curve of inner and outer layers

图6 液态水分管理相关指数Fig.6 Indexes related to liquid water management

PP纤维的回潮率小于0.03%,几乎不吸湿,而PE纤维的回潮率在0.1%～0.2%,略高于PP纤维,所以由PE/PP复合的纤维吸湿性略高于纯PE纤维。

当液体滴在测试面时,由于PE纤维的疏水性,水分在纤维间扩散,经连接层纱线的毛细效应传导到亲水层。样品1和样品2亲水层含水量始终高于疏水层,且差异明显,水分传导快速有效。样品3持续导湿效果欠缺,由于厚度小,且单侧网眼处显露亲水性纱线,使得单向导湿指数呈负值。

3) 速干性。最大浸湿半径和液态水扩散速度是表征织物速干性的重要指标。由表4和图7可见,对比样品1和样品2,PE/PP复合纤维编织连接层时,毛细效应好,导水速率快,液体还未在疏水层扩散即传导到亲水层被其吸收。因此,样品的疏水层最大润湿半径小于样品1,速干性能较好;对于后三种工艺,样品4的网眼间有涤纶浮线显露,导水速率相对较快。

表4 速干性相关表征指标Tab.4 Characterization indexes related to rapid drying

图7 亲肤面滴水扩散形态Fig.7 Droplet diffusion pattern of skin-friendly surface

3.2.2 透湿性

影响织物透湿性的主要因素是水气通过织物的传递途径,包括水气从面料孔隙扩散,以及通过纤维的亲水性和毛细效应使水分扩散到水气压较低的一侧扩散或蒸发[13]。试验所得数据如图8所示,再根据表4测得数据,样品1、2亲水纤维的吸水速率低于样品3、4、5,但由于样品1在亲肤面形成了较大的单侧网眼,利于水气向亲水面透过,而样品2、3、4、5形成的网眼均在涤纶面,水气无法直接接触亲水层,透湿性能明显低于样品1。对于采用相同纱线的后三种样品,样品4前后层采用集圈连接,且连接点较少,不利于水气扩散,透湿量较低。

图8 透湿量Fig.8 Moisture transmission

3.3 透气性

影响织物透气性的因素主要是织物组织结构的紧密程度及孔隙大小和分布。试验得到的数据如图9所示,根据组织设计,样品1的网眼较样品2大,则其获得的透气率更加优异。相较于样品1和样品2,样品3前后层连接较为紧密,其厚度和平方米质量更小,减少了气流透过的路径,利于织物透气。样品4和样品5添加浮线或集圈组织,结构疏松,且网眼花型相对小而密集,透气性较好。

图9 透气率Fig.9 Ventilation rate

3.4 接触凉感性能

织物的热传递性能是反映织物导热、隔热等性能的重要基础。纤维性质、织物结构、厚度等均会对其热传递性质产生影响[14]。导热系数越大,越有利于将皮肤产生的热量传导到外界,带给人体接触凉感。测试结果如表5所示,根据试验测量所得数据及Q-Max与导热系数的转化关系(式(2))得到图10。

Q-Max=λ×T

(2)

式中:Q-Max为织物瞬间凉感热流量,W/cm2;λ为导热系数,W/(m2·℃);T为温度,℃。

表5 热传递性能测试结果Tab.5 Heat transfer performance test results

图10 Q-Max值Fig.10 Q-Max value

样品1、样品2和样品3的Q-Max值达到了GB/T 35263—2017认定的接触凉感性能基本要求,采用PE/PP皮芯结构复合纱线的凉感性能较为显著,其中样品1的接触凉感性能最优。对于样品3、4、5,由于样品3的平方米质量和厚度均较小,其导热性能更优良,接触凉感较好。

3.5 综合评价

通常情况下织物越厚,连接层支撑能力越强,导湿能力越好,亲肤面越干爽,单向导湿效果越佳。而本文开发系列织物拟应用于夏季运动服装,轻薄的材质更加柔软贴肤,能减轻人体负担,提高透气透湿性能。综合考虑以上因素,再对其进行综合评价。

采用客观赋权的变异系数法,根据实验所测的各项性能数据(表6),计算各性能指标的权重[15]。由于织物要求越轻薄越好,因此将平方米质量和厚度标准化,取其倒数,根据下式计算各性能所占权重。

(3)

表6 性能测试数据汇总Tab.6 Summary of performance test data

根据表7所得各项性能指标的权重值,计算织物的综合评价指数Y。其中,各项性能占比排序为:单向导湿性能>接触凉感性能>透气性能>透湿性能>织物平方米质量=芯吸高度>厚度。

Y=0.203y1+0.418y2+0.107y3++0.111y4+
0.064y5+0.064y6+0.033y7

(4)

式中:Y为综合评价指数;yi为标准化后的第i项性能指标,其中y1为Q-Max,y2为单向导湿指数,y3为透湿量,y4为透气率,y5为平方米质量倒数,y6为芯吸高度,y7为厚度倒数。

经计算得到如图11所示的综合评价指数。样品综合性能由优至劣排序为:1>5>2>3>4。由于样品1采用连续多路的成圈,在亲肤面形成较大的单侧网眼,透湿透气效果得到提升,且呈现凹凸效果,面料的干爽和接触凉感优异;样品2由于连接层支撑较好,厚度和平方米质量均较大,利于织物单向导湿。样品3表面平滑,凹凸效果不明显,因为连接处较多,厚度相对减小,最为轻薄;样品4、样品5通过集圈跨越多个横列同样形成单侧的网眼,但在疏水一侧,且虽然网眼循环较密集,但花型较小,凹凸效果不明显。

表7 样品7个性能指标权重值Tab.7 Weight values of seven performance indexes of the samples

图11 综合评价指数Fig.11 Comprehensive evaluation index

4 结 论

本文设计了一系列凉感聚乙烯纬编双面织物的开发流程,并结合互联网针织CAD系统IKDS对织物结构进行了模拟,通过改变纱线配置和编织工艺,探究其对织物相关性能的影响,为夏季运动面料的开发提供新的思路。通过对试验结果的分析整理,应用客观赋权的变异系数法对织物主要功能性赋权计算,对其综合性能进行评价,表明纱线种类、纱线配置及织物组织结构等对织物的接触凉感、单向导湿性等热湿舒适性的影响较为显著。

1) 采用PE/PP皮芯结构复合纤维编织亲肤面的织物整体的接触凉感优于采用纯PE纱线的织物。

2) 亲肤面形成较大的单侧网眼时,有明显的凹凸效果,可以减少面料与皮肤的贴附面积,且显著提高其单向导湿、透气和接触凉感性能,同时能满足织物轻薄的需求。

3) 连接层采用芯吸效果好的异形纤维或超细纤维可以提高织物的芯吸性能,改善织物导湿透湿能力。

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