Janus织物的结构设计及其单向导湿性能

摘 " "要： 针对传统单向导湿Janus织物制备方法生产效率低、稳定性差等问题，利用存在润湿性差异的莫代尔和涤纶2种纤维构建Janus织物，探究接结点数量、织物组织等结构参数对Janus织物基础性能和单向导湿性能的影响规律。结果表明：莫代尔纤维和涤纶纤维通过机织法可以制备Janus织物；随着接结点数量的增加，织物的单向导湿性能降低；平纹组织的单向导湿效果优于2/2纬重平、2/2斜纹组织；接结点数量为1，两侧均为平纹组织时Janus织物的单向传递指数可达382.72，单向导湿性能相对最优。

关键词： Janus织物；结构设计；单向导湿；接结点数量；织物组织

中图分类号： TS105.11 " " " " " "文献标志码： A " " " " " " " "文章编号： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０2－００36－07

Structural design of Janus fabric and its unidirectional moisture conductivity

SHAN Mingjing， AN Chungeng

（School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： To solve the problems of low production efficiency and poor stability of preparation methods for traditional unidirectional moisture conductive Janus fabric， Janus fabric was constructed using modal and polyester fibers with differences in wettability. The influences of structural parameters such as number of junction points and fabric weave on the basic and unidirectional moisture conductive properties of Janus fabrics were investigated. The results showed that Janus fabrics could be made of modal and polyester fibers by weaving. Unidirectional moisture conductivity of fabric got worse with the increase of the number of junction points. Unidirectional moisture conductivity of plain fabric was better than those of 2/2 weft-backed plain and 2/2 twills fabric. When the number of junction points is 1 and both sides are plain weave， unidirectional transfer index of Janus fabric has reached 382.72， and unidirectional moisture conductivity is relatively optimal.

Key words： Janus fabrics； structural design； unidirectional moisture conductivity； number of junction points； fabric weave

自然界中存在很多有趣的单向导湿现象。蜘蛛丝由周期性出现的纺锤节和关节构成，纺锤节由杂乱的纳米纤维组成，而关节则是由整齐排列的纳米纤维组成。潮湿环境中，水滴在纺锤节处凝结，然后微小的水滴向关节方向流动，实现水分的定向传输[1]。仙人掌[2]、蝴蝶翅膀[3]这种两侧具有不对称结构[4-6]和属性的二维材料可称为Janus材料[7-10]。受这些自然现象的启发，将具有亲水/疏水不对称性的多孔Janus结构用于织物设计，可开发单向导湿织物[11-14]。Janus织物实现单向导湿的核心机理是通过两侧润湿性差异形成附加压力差[15-17]，水分在疏水层时，可以沿厚度方向的毛细管渗透到亲水层；而水分在亲水层时，会沿水平方向的毛细管扩散，不会渗透到疏水层，从而实现织物的单向导湿。

现有的几种制备Janus单向导湿织物的策略，其核心都是构建亲水/疏水结构。Wang等[18]和Zeng等[19]通过静电喷涂法在亲水棉织物上喷涂疏水涂层。Tian等[20]利用等离子体对疏水织物的一侧进行亲水改性处理。Wang等[21]利用浸渍涂布技术将光响应材料TiO2涂覆于涤纶织物表面，再对该侧进行紫外线照射，使该侧具备超亲水特性。但这些方法普遍存在生产效率低、操作繁琐、稳定性差等问题，不利于大规模生产。

本文利用莫代尔纤维和涤纶纤维的润湿性差异构建具有单向导湿功能的Janus织物，在此基础上，研究织物结构对Janus织物基础性能和单向导湿性能的影响规律，以期为高效、稳定地制备单向导湿Janus织物提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料与仪器

原料：涤纶单纱、莫代尔单纱，线密度均为15 tex，山东华纺股份有限公司产品。

仪器： DSTW-01型并捻联合试验机，天津市嘉诚机电设备公司产品；SGA598型全自动剑杆织机，江阴市通源纺机有限公司产品；JA5003A型电子天平，巩义市予华仪器有限责任公司产品；DL-101-1BS型电热鼓风干燥箱，天津市中环实验电炉有限公司产品；YG（B）141D型数字式织物厚度仪，温州大荣纺织标准仪器厂产品；YG461G型全自动透气仪，宁波纺织仪器厂产品；Porolux 1000型孔径分析仪，比利时普罗美特有限公司产品；DSA30S型接触角分析仪，德国Kruss公司产品；M290型液态水分测试仪，美国SDL Atlas公司产品。

1.2 Janus织物设计实验

Janus织物单向导湿机理如图1 所示。

Janus润湿性结构两侧存在润湿性差异，即一侧疏水，另一侧亲水。因此，在几种双层组织中选择接结双层组织，表经和表纬选择疏水性涤纶纤维，里经和里纬选择亲水性莫代尔纤维。并且选择“上接下”接结法进行织造。

实验分为两组，分别研究接结点数量和织物组织对Janus织物基础性能和单向导湿性能的影响。选用15 tex涤纶单纱和15 tex莫代尔单纱，通过并捻联合试验机并线加捻，捻向为S捻，捻度为50 捻/（10 ㎝），制成涤纶15 tex × 2股线和莫代尔15 tex × 2股线。表经和表纬选择15 tex×2涤纶股线，里经和里纬选择15 tex × 2莫代尔股线；经纱密度为600 根/（10 ㎝），纬纱密度为240 根/（10 ㎝），表里经纬纱排列比为1 ∶ 1；公制筘号150，每筘4入。本文所制备的5组织物其规格设计如表1所示。

表1中M1、M2、M3试样用于研究接结点数量的影响，在本文中表经下降和里纬交织构成接结点，接结点均表现在亲水面上，其数量会影响织物两侧的润湿性差异，以此来研究两侧润湿性差异大小对单向导湿性能的影响；M1、M4、M5试样用于研究织物组织结构的影响，不同织物组织结构构成的孔隙大小不同，以此来研究在接结点数量相同的条件下，不同毛细管半径对织物单向导湿性能的影响。

1.3 测试与表征

（1） 织物平方米克重测试：依据GB/T4669—2008《纺织品 机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》进行测试。

（2） 织物厚度测试：依据GB/T3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》进行测试。

（3） 织物透气率测试：依据GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》进行测试。

（4） 水分的蒸发率和蒸发速率测试：依据GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定》进行测试。织物在润湿后某一时刻的水分蒸发率是指到这一时刻为止水分蒸发量占织物未润湿之前原始质量的百分比：

Ei = （m - mi）/m0 × 100%（1）

式中：Ei 为在i时刻织物的水分蒸发率（%）；m0为织物未润湿之前的原始质量（g）；m为织物被滴水润湿后的质量（g）；mi为织物被润湿后在i时刻的质量（g）；m - mi为织物在i时刻的水分蒸发量（g）。在蒸发量 - 时间变化曲线中，蒸发量通常会在某点后变化趋缓，在该点之前的曲线上最接近直线的部分做切线，该切线的斜率即为水分蒸发速率。

（5） 织物平均孔径测试：采用Porolux 1000型孔径分析仪，根据泡点法进行测试。

（6） 接触角测试：采用DSA30S型接触角分析仪对双层织物的涤纶面和莫代尔面的水接触角进行测试。

（7） 织物单向导湿性能测试：采用M290型液态水分测试仪，依据《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》进行测试。单向传递指数指的是水分从上表面传递到下表面的能力，计算公式为：

2 结果与讨论

2.1 织物平方米克重与厚度

不同织物的平方米克重和厚度如图2所示。

由图2（a）可知，由M1、M2到M3，同一组织条件下随着接结点数量增加，织物平方米克重在增大。本文选择的是“上接下”接结法，随着接结点数量的增加，表经下降和里纬交织频繁，纱线曲屈波高，因此，织物平方米克重增大。接结点数量相同的M1、M4和M5平方米克重依次减小，是因为三者中织物组织依次是平纹、2/2纬重平、2/2斜纹，浮长线长度依次增长，纱线屈曲程度减小，因此，织物单位面积内质量相应减小。由图2（b）可以看出，M1、M2和M3厚度依次减小，说明随着接结点数量增加，织物上下两层交互紧密，织物厚度减小。M1、M4和M5厚度依次增大，这是由于纬重平织物表面会呈现纵凸条纹，斜纹织物表面会呈现斜向凸条纹，表面凸条纹增加了纬重平织物和斜纹织物的厚度。

2.2 织物平均孔径

不同织物的孔径如图3所示。

由图3可以看出，M1、M2和M3平均孔径依次减小，说明随着接结点增加，织物上下两层交互更频繁，使织物变得更加紧密，平均孔径相应减小。M1、M4和M5平均孔径依次增大，说明在纱线捻度、线密度、经纬纱密度相同的条件下，平纹组织、2/2纬重平组织、2/2斜纹组织形成的孔隙依次增大，形成的织物逐渐疏松。

2.3 织物透气率

不同织物的透气率如图4所示。

织物透气性受经纬纱线密度、纱线捻度、经纬纱密度以及织物组织结构等因素影响，即取决于纱线之间、纤维之间形成的孔隙数量和大小。本文5组织物的纱线捻度、线密度以及经纬纱密度相同，因此，织物透气性产生差异的原因在于织物结构的不同。由图4可以看出，M1、M2和M3透气率依次降低，说明随着接结点数量的增加，表经频繁下降与里纬交织，一定程度上降低了空气的流通能力。M1、M4和M5透气率依次增加，结合图3可知，平纹组织、2/2纬重平以及2/2斜纹组织形成的平均孔隙依次增大，经纬纱交织次数越少，平均孔隙越大，织物越疏松，对空气阻碍程度越小，织物透气性越好。

2.4 织物水分蒸发率和蒸发速率

不同织物的水分蒸发性能如图5和表2所示。

单向导湿织物水分蒸发速率越高，意味着沿厚度方向传递的水分蒸发到大气中的速度越快，有利于提高织物的单向输水效果。国家标准规定，机织速干织物的水分蒸发速率至少要达到0.18 g/h。由图5可以看出：在10 min之前，M1、M2和M3蒸发量基本相同，M4和M5蒸发量相差不大，但两者蒸发量均高于M1、M2和M3，10 min之后5组织物蒸发量出现明显的差异，M5 ＞ M4 ＞ M1 ＞ M2 ＞ M3，到40 min时曲线趋于水平。由表2可知，5组织物均达到了速干织物的国标要求。M1、M2和M3的水分蒸发率和蒸发速率依次降低，织物速干性变差；而M1、M4和M5的水分蒸发率和蒸发速率依次增大。M4和M5的水分蒸发率和蒸发速率比较高的原因主要有3点：①2/2纬重平和2/2斜纹浮长线较长，水分容易水平扩散；②M4和M5表面均有凸条纹，增大了水分与空气的接触面积；③二者内部疏松，孔隙较大，在空气可以流通的通道中，增大了水分与空气的接触面积。因此，与M1、M2和M3相比，M4和M5 蒸发率和蒸发速率好，速干性更好，有利于长时间保持单向导湿效果。

2.5 织物表面水接触角

2.5.1 静态水接触角

图6分别展示了M1—M5织物涤纶层和莫代尔层的静态水接触角。

由图6可以看出，涤纶层的水接触角均大于90°，小于150°，说明该层表现疏水性。莫代尔层水接触角均小于5°，说明该层均表现超亲水性。5组织物一面疏水，一面超亲水，形成了Janus润湿性结构，由此说明，本文成功制备了5组Janus织物。

2.5.2 动态水接触角变化

5组织物的莫代尔层静态水接触角约为0°，无法分析动态水接触角，因此，仅分析涤纶层的动态水接触角。本文将液滴从0 s到水接触角变为0°的时间统称为水接触角保持时间。图7分别展示了5组Janus织物表层水接触角随时间变化的曲线和表观图像。

由图7可以看出，M1、M2、M3的接触角保持时间远小于M4、M5，因为与2/2纬重平和2/2斜纹相比，平纹组织紧密，形成的孔隙最小，在一定范围内毛细管力随着毛细管半径的减小而增大，因此，M1、M2、M3产生的毛细管力大于M4、M5，液滴在较大的毛细管力作用下迅速打破平衡状态，沿着水平和垂直于厚度方向的毛细管传递到织物各处。从M1、M2、M3的接触角—时间变化曲线可知，随着接结点数量的增加，接触角保持时间变短，曲线斜率增大，接触角变化速率加快。这是由于随着接结点数量的增加，织物表里层交互增加，润湿性差异减小，导致了接触角保持时间变短，变化速率加快。

2.6 织物单向导湿性能

2.6.1 含水量变化

图8为分别在涤纶侧和莫代尔侧喷水时织物的最终含水量情况。

由图8最终状态下含水量环形图可以看出：5组Janus织物从涤纶侧喷水时，莫代尔面的含水量均大于上涤纶面，从莫代尔侧喷水时则莫代尔面含水量均大于涤纶面，说明水分更倾向于从润湿性差的涤纶面向润湿性好的莫代尔面传递，而在相反方向上水分的传递会受到一定的阻碍，表现出水分传输的单向性。

为了研究接结点数量和织物组织对Janus织物含水量-时间变化的影响，本文将M1、M2、M3试样组和M1、M4、M5试样组的含水量-时间变化曲线分别进行比较，如图9所示。

由图9可以看出，均为平纹组织的3种织物M1、M2、M3中，M1织物在不同方向的水分传输过程中的上下表面含水量差值均为最大，M2次之，M3最小，说明M1的单向输水性能优于M2、M3，M1的涤纶面更容易将水分渗透到莫代尔面，而在反方向上能让水分更好地在莫代尔面扩散，阻碍其渗透到涤纶面。由此说明，随着接结点数量的增多，虽然增加了水分的传输通道，但是降低了织物上下两层的润湿性差异，导致织物单向输水性能变差。比较接结点数量相同而织物组织不同的M1、M4、M5，在水分从涤纶面向莫代尔面传输过程中，M1织物的上下表面含水量差异略大于M4，M5最小。这是由于在一定范围内毛细管力随着毛细管半径的减小而增大，3种织物中平纹织物M1结构最紧密，2/2纬重平织物M4次之，2/2斜纹织物M5结构最疏松，因此，M1毛细管力最大，更容易将水分从涤纶面传递到莫代尔面。而在水分从莫代尔面向涤纶面传输的过程中， 20 s之后，M1上、下表面的含水量在三者中最高，含水量差值M5最大，M4次之，M1最小。这是由于织物上下两面织物组织相同，织物两表面形成的毛细管半径大小一致。在水分反方向传输时，M1的毛细管力依然是三者中最大的，液滴在莫代尔面扩散的同时，还要受到毛细管力的作用向涤纶面传递，因此，M1两表面的含水量均最高，说明平纹组织由于两侧毛细管半径小，提高了水分的双向传输能力。M5由于毛细管半径大，产生的毛细管力小，对液滴向涤纶面传递的作用力不足，水分可以在莫代尔面更好地扩散。

2.6.2 单向传递指数

不同织物的单向传递指数如图10所示。

由图10可以看出，5组织物涤纶侧单向传递指数均为正值，说明液态水可以轻松地从涤纶侧传递到莫代尔侧；莫代尔侧的单向传递指数均为负值，说明液态水由莫代尔侧向涤纶侧的传递受到阻碍，在莫代尔侧进行水平扩散。由此说明，本文所制备的5组织物均具有单向导湿能力。M1、M2和M3涤纶侧的单向传递指数依次降低，而莫代尔侧的单向传递指数则依次增大。这是由于随着接结点数量的增加，织物两侧交互增加，润湿性差异减小，织物单向导湿能力下降。M1、M4和M5两侧的单向传递指数均依次降低，因为三者分别是平纹组织、2/2纬重平组织、2/2斜纹组织，所形成的孔隙增大，毛细管力减小，液态水向下层渗透的速率降低，单向导湿性能降低。

在涤纶侧，M1、M2、M4和M5的单向传递指数均大于300，达到了单向导湿织物国标中的最高标准，M3的单向传递指数满足国标基本要求。为了提升Janus织物单向导湿性能，涤纶侧的单向传递指数应大，莫代尔侧的单向传递指数应小，因此，接结点数量不宜为4。

3 结 论

为探索机织方法构建单向导湿Janus织物的可行性，研究其结构参数对单向导湿性能的影响，本文利用涤纶双股线和莫代尔双股线织造了双层织物，设计了5组样品，测试了织物的基础性能、静态水接触角、动态水接触角、单向传递指数等指标，结果表明：

（1） 5组织物两侧具有明显的润湿性差异，均为Janus织物。

（2） 随着接结点数量的增加，Janus织物上下层交织更加频繁，两侧润湿性差异减小，织物单向导湿性能降低，织物速干性变差，不利于较长时间的单向导湿过程。当接结点数量为1时，单向导湿指数可达382.72，单向导湿性能最好。

（3） 平纹、2/2纬重平、2/2斜纹织物纱线交织的次数依次减小，形成的孔隙依次增大，毛细管力依次减小，单向导湿效果降低，但都高于国标五级标准。

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本文引文格式：

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