改性腈綸吸濕發熱機織物結構設計與性能研究

姚文麗 高姝一 馬 磊 薛慶龍 張瑞云

（1.東華大學，上海，201600；2.中國紡織信息中心，北京，100020；3.江蘇聯發紡織股份有限公司，江蘇南通，226600）

具有調溫功能的材料可以在外界環境刺激下產生一定響應，對于冬季保暖織物而言，調溫功能可以在不增加織物厚度的情況下給人體帶來更多熱量，使人體獲得暖感。其中，吸濕發熱纖維是一類通過吸濕將人體-服裝微氣候中運動的水分子吸附獲得部分熱能的調溫材料，在紡織領域具有很好的應用前景［1］。市場中常見的吸濕發熱纖維有亞丙烯酸鹽系纖維、改性聚丙烯酸類纖維、超細特腈綸以及改性腈綸等［2］。改性腈綸是通過增加親水基團使纖維吸濕性大大提高。除了親水基團吸濕轉換產生的熱能給人體帶來暖感外，高吸濕性還能使人皮膚表面保持干爽，避免了人體出汗產生的濕冷感［3］。目前針對吸濕發熱纖維的產品研發，利用紗線和織物不同結構的配合是發揮纖維功能性的一個重要途徑［4］。方國平采用賽絡集聚紡設計了不同配比的改性腈綸混紡紗線，當與其他化纖混紡時，改性腈綸占比達20%時，才能達到FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》中規定的標準；而與棉纖維混紡時，含量為15%即可實現更強的吸濕發熱功能［5］。

有關吸濕發熱織物結構的研究主要涉及針織面料，設計時往往采用多層結構，通過不同層間的結構配置形成吸濕發熱的單向導濕效果［6］?；诖?，本研究開發了改性腈綸吸濕發熱機織物，通過織物層間配置設計，測試分析不同組織結構對織物熱濕舒適性能及調溫功能的影響，并進一步探究織物速干性能與其吸濕發熱功能性間的關系，為開發兼具吸濕發熱和速干功能的保暖舒適機織物提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

試驗材料：改性腈綸、棉纖維、粘膠纖維、異形滌綸。

儀器：傅里葉紅外分析儀（Perkin Elmer公司）、DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡（上海電子光學技術研究所）、YG747型通風式快速八籃烘箱（常州市雙固頓達機電科技有限公司）、LLY-06 EDC型電子單纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司）、XD-1型振動式纖維細度儀（上海新纖儀器有限公司）、FA2004A型電子天平（上海恒平科學儀器有限公司）、YG606E型織物熱阻測試儀（溫州方圓儀器有限公司）、YG461E型全自動透氣儀（寧波紡織儀器廠）、FFZ191型水分蒸發速率檢測儀（溫州方圓儀器有限公司）。

1.2 測試方法

織物透氣性測試參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測試面積20 cm2，測試壓力100 Pa，每塊試樣測試10次，結果取平均值。

導熱性能的測試參照GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發熱板法）》，測得織物的熱阻。

吸濕發熱性能測試參照GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發熱性能試驗方法》，將組合試樣置于105℃烘箱中烘燥至恒重，冷卻后快速轉移至恒溫恒濕箱中進行測試。測試條件為溫度20℃，相對濕度90%，測試過程中用溫度傳感器記錄30 min內每隔10 s試樣的溫度以及空白對照溫度。根據所得數據繪制織物的溫升值-時間曲線并記錄最高溫升值和平均溫升值。

芯吸高度測試參照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，測量30 min時織物的芯吸高度，試樣280 mm×30 mm，每塊織物分別測試沿經向和緯向的試樣各3塊，結果取平均值。并根據GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態水分傳遞法》，測試織物浸水面和滲透面的液態水擴散速度、吸水速率以及最大浸濕半徑等參數［7］。

2 改性腈綸性能特點

2.1 纖維表觀形態

圖1為改性腈綸的掃描電鏡。

圖1 改性腈綸掃描電鏡

由圖1可以看出，改性腈綸橫截面形狀為近似圓形或橢圓形，界面輪廓呈不規則鋸齒或波浪狀。由于濕法紡絲凝固浴的作用，改性腈綸有明顯的皮芯結構，改性腈綸皮層與芯層形貌有一定差異性，表現為部分纖維芯層存在孔洞和輕微的皮、芯層分離現象。改性腈綸表面結構粗糙呈樹皮狀，表面沿縱向布滿了高低起伏的狹長溝槽。這種表面結構一方面增加了纖維比表面積，為水分的吸附提供了更多結合位點；另一方面，溝槽有利于形成纖維的導濕通道，從而提高纖維的芯吸性能。

2.2 纖維分子結構

圖2為改性腈綸和棉纖維的紅外光譜。

圖2 改性腈綸和棉纖維的紅外光譜

圖2中，棉纖維在2 899 cm-1的位置為亞甲基C—H的不對稱伸縮振動峰，1 026 cm-1處表現為多糖類纖維素的C—O伸縮振動峰，558 cm-1處為C—H面外彎曲振動峰。在存在親水基團的位置中，兩種纖維的紅外光譜在3 332 cm-1處和2 899 cm-1有著相似的形狀，3 332 cm-1處峰形較寬，屬于羥基—OH或—NH的伸縮振動吸收峰。改性腈綸在1 546 cm-1和1 399 cm-1的位置分別對應了—COO—的非對稱和對稱伸縮振動峰，證實了羧酸基團的存在。從紅外光譜可以看出，改性腈綸中含有比棉纖維更多的親水官能團。

2.3 纖維基本性能測試

改性腈綸與棉纖維的基本性能測試結果如下。

從以上數據可以看出，改性腈綸較棉纖維粗，強度也較小，結合纖維的掃描電鏡分析，強度較小可能是由于皮芯結構中纖維的缺陷造成的。較低的強力導致改性腈綸的可紡性較棉纖維差。所以，改性腈綸往往與其他纖維混紡使用。改性腈綸的斷裂伸長率比棉纖維大，纖維具有柔韌的特點。其最大的特點是回潮率高達33.2%，是棉纖維的近3倍。因此將改性腈綸與棉纖維混紡使用，可以提高纖維可紡性和織物的回潮率。

3 改性腈綸吸濕發熱保暖面料設計

考慮到織物的保暖性，各層的組織結構應最大限度防止熱量的散失。蜂巢組織利用長短浮長線的間隔配置使織物表面產生凹凸不平、形似蜂巢的外觀效果，凸起部分能形成容納大量靜止空氣的通道。設計以蜂巢組織為基礎組織的多層織物結構，相較于單層蜂巢組織，可減少織物內部空氣的流動，提高織物的保溫性能。本研究設計了6種保暖機織物，其中織物1和織物2為雙層組織，表層采用蜂巢組織，里層采用一上三下右斜紋；織物3為雙層組織，表里層均采用蜂巢組織；織物4為緯三重組織，表層八枚三飛經面緞紋，中間層二上二下左斜紋，里層八枚三飛經面緞紋；織物5為三層組織，表層采用蜂巢組織，中間層采用二上二下右斜紋，里層采用蜂巢組織；織物6為三層組織，表層采用蜂巢組織，中間層采用平紋，里層采用蜂巢組織。具體規格見表1和圖3。

表1 織物基本結構參數

圖3 織物組織

為了使改性腈綸較大程度吸收水分而不直接與皮膚接觸造成濕冷感，根據差動毛細效應理論，使用不同組分和線密度的紗線設計出多層織物結構，以形成內外毛細壓力差。由此，面料里層采用導濕性能優良的紗線形成導濕層，可以快速將水分導出。采用表面帶溝槽的異形截面滌綸長絲為織物里層和經向用紗，充分發揮其導濕透氣的功能。對于雙層織物而言，織物表層為吸濕發熱功能層。三層織物的結構功能示意見圖4，由于增加了吸濕儲濕中間層，可以延長表層吸濕發熱的過程。粘膠纖維的回潮率一般為13%，在常見纖維中吸濕性較強。本研究在三層織物中以粘膠9.8 tex紗作為中間層，其吸濕性能處于里層和表層之間，中間層采用較表層和里層紗更細的紗，在里層水分向外傳遞時，其較強的毛細壓力作用使水分不會迅速擴散到表層，即起到儲水的作用。在具體紗線配置上，雙層織物經紗為滌綸14.8 tex長絲，緯紗表層為棉/改性腈綸85/15 14.8 tex紗，里層為滌綸14.8 tex長絲；三層織物經紗為滌綸14.8 tex長絲，緯紗表層為棉/改性腈綸85/15 14.8 tex紗，中間層為粘膠9.8 tex紗，里層為滌綸14.8 tex長絲。

圖4 三層織物結構功能示意圖

4 織物性能測試與分析

4.1 織物保暖性能

由于不同結構織物的靜止空氣狀態不同，以及不同織物材料的導熱系數差異，所以影響保暖性的因素較多，保暖性的評價主要測試織物的透氣性以及導熱性能?？椢?～織物6的透氣率依次為991.26 mm/s、376.94 mm/s、632.46 mm/s、141.74 mm/s、1 125.12 mm/s、1 039.65 mm/s。由此可知，織物4的透氣性最差，這是因為緯三重組織1個系統的經紗同時與3個系統的緯紗交織，不同系統的緯紗交疊形成緊密的結構，氣流通過的阻力較大。其余5塊織物中均包含了蜂巢組織結構。雙層織物中，織物1的透氣率最優，織物3其次，織物2最差，織物1的緊度最小，結構較為松散，透氣性能良好。同樣，織物3里層為蜂巢組織，其結構較織物2里層為一上三下右斜紋的織物更加松散，因而織物透氣性較好?？椢?和織物6三層織物結構決定了在相同密度下，其紗線分布于不同平面，導致同一平面所含紗線量不及雙層織物。另外，三層立體結構能形成更多的孔隙通道，有利于氣流通過，所以織物5和織物6透氣性均較好。而且與織物6中間層為平紋相比，織物5中間層采用二上二下右斜紋時的織物透氣性更優。

織物的熱阻測試結果見表2。

表2 織物熱阻

由表2可知，除了織物4，三層織物的熱阻均大于雙層織物?？椢?盡管具有與其他兩種組織結構相近的單位面積質量，但由于織造時要使三組緯紗相互重疊，織物結構緊密，厚度較小，所以熱阻小。對比織物1、織物2可知，織物2經密和緯密較大，單位面積質量和厚度也較大，使織物中空氣通過的阻力增大，從而擁有較大的織物熱阻。對比織物2、織物3可知，雙層織物中表里層均為蜂巢組織的織物保暖性更優，這是因為雙層蜂巢組織在組織點凸起處能形成更多空氣層?？椢?、織物5和織物6的單位面積質量相差不大，但三層織物的厚度更大，且增加中間層接結組織后，織物受剪切力作用時不易產生變形，即空氣層的穩定性更好，所以熱阻表現為織物5和織物6更大。同理，中間層為平紋組織的織物6結構更為穩定，所以熱阻最大。

4.2 吸濕發熱性能

織物的溫升值隨時間的變化曲線以及平均溫升值和最高溫升值分別見圖5和表3。

由圖5和表3可知，織物1的平均溫升值和最高溫升值都是最低的，究其原因，織物吸濕發熱的效果主要是由所包含的吸濕發熱材料的含量決定的?？椢?的經密和緯密小，織物所含改性腈綸少，其吸濕發熱性能最差。而對比其余5塊織物可知，織物結構是影響吸濕發熱性能的另一個因素。其中，三層織物的最高溫升值普遍大于雙層織物。分析可得，三層織物中擁有更多儲存靜止空氣的空隙，使得放出的熱量不易散失?？椢?的最高溫升值較高，平均溫升值是6種織物中最大的，可以認為其吸濕發熱量較大，發熱功能較持久，具有較優的吸濕發熱性能。

圖5 織物的溫升值-時間曲線

表3 織物的平均溫升值和最高溫升值

以上研究表明，通過科學的結構設計，可以在一定程度上改善吸濕發熱面料的發熱性能。但參考FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》中對針織物平均溫升值不小于3℃的要求，6塊織物的平均溫升值均未達到，僅織物4和織物5滿足其中對最高溫升值不小于4℃的要求。綜上，三層織物更有利于最高溫升值和平均溫升值的提高，但在相同織物密度的情況下，三層織物功能層所含改性腈綸含量較雙層織物有所下降，此時可以通過增加織物密度或混紡紗中改性腈綸的配比來進一步增強吸濕發熱效果。

4.3 織物芯吸和液態水分管理性能

經測試，織物1～織物6的經向芯吸高度分別為12.15 cm、13.00 cm、11.85 cm、13.85 cm、12.20 cm、12.20 cm，緯向芯吸高度分別為12.40 cm、13.05 cm、12.95 cm、13.85 cm、11.15 cm、11.85 cm。由此可知，三層織物中除了緯三重組織，緯向芯吸高度均較雙層織物小，是因為雙層織物緯紗中的改性腈綸相對更多，而改性腈綸含有更多的親水基團。6種織物中，緯三重織物芯吸性能最好，這是因為其紗線間排列更緊密，從而纖維間形成的毛細管間隙較小，芯吸壓力較大，芯吸作用較強，而且緯三重織物經緯向芯吸高度基本一致?？椢?和織物6的經向芯吸高度高于緯向芯吸高度，是因為織物的經密均大于緯密，即單位長度里所含經紗根數比緯紗多，能夠形成更多的毛細管，所以經向芯吸高度更大。同理，織物2相對于織物1增加了經緯紗根數，因而芯吸高度優于織物1?？椢?中經向芯吸效應不及緯向，這是因為里層采用了一上三下右斜紋組織，造成經緯向對應的組織點分布不同，當經緯密增加后，這種差異會減小。

不同織物的液態水分管理性能根據GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態水分傳遞法》進行評級，見圖6。具體的液態水分管理測試結果見表4，浸水面測試的是織物組織結構的里層，滲透面測試的是織物組織結構的表層。

圖6 織物液態水分管理性能評級

由表4和圖6可知，除織物4外，其他5種織物的液態水單向傳遞能力達到了5級，表明這5種織物均具有優良的單向導濕性?？椢?的單向導濕能力最差，浸水面浸濕時間最短，浸水面吸水速率、最大浸濕半徑和液態水擴散速度均最高?？椢?液態水分管理性能指標均達到3級及以上，表明其同時具有吸濕速干性和吸濕排汗性，也進一步說明在吸濕發熱性能測試結果中，該織物最高溫升值較高，但持續升溫的時間較短的內在原因。

表4 織物液態水分管理性能測試結果

從表4可知，織物2與織物1的主要差異體現在浸濕時間上，因為織物1的密度較小，紗線排列疏松，織物最薄，導致其浸水面浸濕過程較快?？椢?表層和里層均采用蜂巢組織，織物中間形成的空隙有利于水分存儲而不利于水分通過，因而出現較大的浸水面浸濕時間和較小的液態水擴散速度，其浸水面最大浸濕半徑也較小?？椢?和織物6的最大浸濕半徑呈現出與織物3相同的規律，但相較而言，采用了三層組織，增加了垂直于織物平面的連接紗，織物導濕性能有所提高。尤其是織物5，在3種織物中浸濕時間最短，浸水面浸濕半徑、吸水速率和液態水擴散速度最大。綜上，在所設計的吸濕發熱機織物中，織物5最高升溫值最優的原因在于其優異的吸濕性能，吸濕發熱持續時間更長的原因在于較大的浸水面浸濕半徑以及較大的液態水擴散速度。

5 結論

本研究基于改性腈綸吸濕發熱纖維的特性，開發不同織物結構的吸濕發熱機織物，通過熱濕舒適性相關性能測試與分析，發現提高織物功能不僅要從纖維功能性的角度考慮，利用科學的層間紗線配置，形成導濕-儲濕-吸濕發熱的梯度搭配，還要從織物自身的保暖性能設計出發。選擇的三層蜂巢組織一定程度上提升了織物的保暖性，且具有透氣性好、單向導濕性能優異的特點，其中，中間層為二上二下右斜紋的吸濕發熱機織物綜合性能更優。參照現有關吸濕發熱針織內衣的吸濕發熱標準來看，所得織物的平均吸濕發熱性能低于規定值。一方面，應根據機織物的使用需求制定適用于吸濕發熱機織物的測試與評價標準；另一方面，在織物設計時可以通過增加功能層紗線密度或混紡紗中改性腈綸的含量來進一步提升其功能性。