組合方式對聚酰亞胺保暖材料熱濕舒適性能的影響

宋 滟，汪澤幸，何 斌，吳 璠

（1.湖南工程學院 紡織服裝學院，湘潭 411104；2.深圳市微納先材科技有限公司，深圳 518035）

當環境溫度低于舒適性要求時，體表散熱大于體內生熱導致的熱平衡被打破而引起冷應激反應.人體處于低溫環境下，不僅會直接引發凍傷或其他疾病，還會間接誘發高血壓、肺炎、慢性支氣管炎、心肌梗死等疾?。?-2］.短期暴露于極端嚴寒環境下會導致體溫急劇下降，嚴重情況造成凍傷甚至死亡［3-4］.以防寒服為代表的防寒裝備能夠作為人體與環境之間的緩沖體起到有效隔熱作用，為人體提供必要的熱防護.

從保暖原理出發，保暖材料可分為消極保暖和積極保暖兩大類［5-6］，其中，消極保暖材料通過選用低傳熱纖維、增加靜止空氣或阻擋熱輻射等方式減少人體熱量的損失；主動保暖材料不僅能阻止人體熱量的散失，還可吸收或存儲外界電能、化學能、太陽能或人體自身散失的熱量等，并根據人體的需要自發吸收或釋放熱量調節溫度變化，以達到熱平衡.

考慮到成本和易穿著性，目前商業化的保暖材料多為消極保暖材料，且防寒服用內膽保暖材料多采用人造纖維制備的保暖絮片.為實現保暖材料的多元化和功能化，眾多學者采用多種材料復合制備混合型和復合型新型保暖絮片，以彌補單一材料保暖絮片的不足.王薇等［5］通過對比測試發現，相對于同等厚度的羊毛保暖材料，以遠紅外三維卷曲中空滌綸、羊毛為原料制備的針刺保暖絮片保暖率更高，但透氣性能略低.朱海燕等［6］研究發現，相對于蠶絲絮片、羊毛絮片、棉絮片以及三維卷曲滌綸絮片，以70%黏膠纖維、20%細特滌綸纖維和10%雙組份滌綸纖維為原料制備的針刺保暖絮片具有較好的壓縮回彈性、保暖性和熱濕舒適性.湯小瑜等［7］以遠紅外滌綸、異形滌綸、低熔點滌綸以及不同線密度的中空滌綸為原料，探討了混紡纖維成分和混紡比對熱風絮片保暖性能、蓬松度、壓縮性能、透氣與透濕性能的影響規律.劉靜等［8］以中空滌綸直立棉熱風非織造材料、超細纖維非織造材料為原料，探討了原料類型、組合方式和超聲波復合工藝對“三明治”夾芯結構保暖絮片其保暖性能、透氣與透濕性能的影響規律.此外，仇何等［9-12］就仿羽絨保暖材料的制備工藝、保暖性能、彈性回復性能等進行了研究.

隨著經濟的發展和人類活動范圍的擴大，消費者對保暖絮片的要求日益多元化，超輕高保暖已成為新的發展趨勢之一［13］.靜電紡絲技術制備的納米纖維因其纖維線密度低、結構蓬松、比表面積大等優點，是輕質高保暖材料的優選材料之一.為解決其結構易坍塌、層間易剝離、生產成本較高等不足，可在骨架支持結構中引入聚氨酯納米纖維［14-15］，或以熔噴非織造布為接收面或芯層制備納米/微米纖維復合保暖材料［16］，即在提高復合保暖材料整體結構穩定性的同時降低生產成本.

為深入探討納米纖維保暖絮片與傳統結構保暖絮片制備的復合保暖絮片熱濕舒適性能的差異，本文以靜電紡絲制備的輕質自支撐聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風絮片為實驗對象，考察疊層方式對組合試樣的保暖、透濕與透氣性能的影響.

1.試樣制備與性能測試

1.1 實驗材料

本研究選擇聚酰亞胺納米纖維保暖絮片（江西先材納米纖維科技有限公司提供）；聚酰亞胺/滌綸熱風絮片（深圳市微納先材科技有限公司提供）作為實驗材料.如圖1 所示.

圖1 保暖絮片形貌

1.2 性能測試

參考《紡織品和紡織制品厚度的測定》（GB/T 3820-1997），自制尺寸為35 cm×35 cm、質量為50 g的壓板，測量在此壓板壓縮條件下5 min 后的試樣厚度，即以4 Pa 壓強條件下的表觀厚度為試樣的厚度，取5 個試樣的平均值為評價指標.在后續單位面積質量、保暖性能、透濕性能以及透氣性能測試時，均以壓縮后試樣為測試對象.

參考《非織造布單位面積質量的測定》（FZ/T 60003-1991），分別對納米纖維保暖絮片、熱風絮片以及組合式樣的單位面積質量進行測定，取5 個試樣的平均值為評價指標.

參考《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》（GB/T 11048-2008），采用YG606G-Ⅱ型熱阻濕阻測試儀對試樣的保暖性能進行測試，取3個試樣的平均值為評價指標.

依據《紡織品織物透濕性試驗方法第一部分：吸濕法》（GB/T 12704.1-2009），采用YG601-I 型電腦式織物透濕儀對試樣的透濕性能進行測試.為真實反映試樣的透濕性能，測試過程中應確保試樣盡可能處于自然蓬松狀態，取3 個試樣的平均值為評價指標.

依據《紡織品織物透氣性的測定》（GB/T 5453-1997），采用YG461E-Ⅲ型全自動透氣量儀對試樣的透氣性能進行測試，測試面積為20 cm2，壓差設定為100 Pa，取10 個不同位置的測試結果的平均值為評價指標.

2 試驗結果與分析

2.1 單位面積與厚度

聚酰亞胺納米纖維絮片（N）、聚酰亞胺/滌綸風熱風絮片（S）及其組合試樣的實測單位面積質量和厚度列于表1 中.

表1 試樣單位面積質量

從表1 中可以看出，聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸風熱風絮片及其組合試樣的單位面積質量和試樣厚度均存在一定的波動，究其原因，主要是由于納米纖維保暖絮片與熱風保暖絮片在單位面積質量和厚度方面存在不勻狀態.對比分析發現，相對于單位面積質量，厚度的波動相對較小，且均不超過6%.

2.2 保暖性能

1#～6#試樣的保暖性能測試結果列于表2，從表中可以看出，相對于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片（1#試樣）和聚酰亞胺/滌綸熱風絮片（2#試樣），組合試樣（3#～6#試樣）的保暖性能較佳，且4#～6#組合試樣的保暖性能并無顯著差異.

表2 試樣保暖性能測試值

由于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的單位面積質量較低（約為15 g/m2），且較薄，滯納的靜止空氣量較少，垂直于材料方向上的傳熱路徑較短，因而保暖性能相對較差；聚酰亞胺/滌綸熱風絮片的單位面積質量較高（約為105 g/m2）且較厚，材料滯納的靜止空氣量較多，傳熱路徑較長，從而聚酰亞胺/滌綸熱風絮片表現出較高的保暖性能.

對于組合試樣，因其為聚酰亞胺納米纖維保暖絮片和聚酰亞胺/滌綸熱風絮片在厚度方向的疊加，傳熱路徑增加，因而組合試樣的保暖性能優于單一組分試樣.

相對于3#試樣采用N/S/N 的組合方式，4#試樣采用S/N/S 組合方式，因聚酰亞胺/滌綸熱風絮片保暖性能明顯優于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片，故而4#試樣表現出較好的保暖性能.

對于4#～6#組合試樣，因聚酰亞胺納米纖維保暖絮片保暖性能較差，無法顯著提高組合試樣的保暖性能，因而4#～6#組合試樣的保暖性能無顯著差異；此外，對比5#和6#試樣可以發現，在本文試驗條件下，材料成分組合相同時，組合順序對組合試樣的保暖性能并無顯著影響.

為進一步比較和分析不同試樣的保暖性能，定義試樣單位面積質量的克羅值為保暖效率，并將其與單位面積質量和克羅值繪于圖2 中.從圖2 中可以發現，雖然聚酰亞胺納米保暖絮片因單位面積質量低而導致整體保暖性能較差，但卻表現出較高的保暖效率.聚酰亞胺/滌綸熱風絮片雖然因單位面積質量較高而導致整體保暖性能較好，但卻表現出較低的保暖效率.究其原因，主要是由于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片纖維直徑較細，孔隙率較高、空隙曲折程度高、傳熱路徑長，同等單位面積質量條件下，可容納的靜止空氣較多；此外，聚酰亞胺其導熱系數較低，故而相對于聚酰亞胺/滌綸熱風絮片，聚酰亞胺納米纖維保暖絮片表現出更高的保暖效率.

圖2 不同組合試樣的保暖效率

相對于2#試樣，3#試樣的保暖效率有小幅度提高，但提高程度并不顯著.分析其原因，主要是聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的加入雖可有效提高整體的保暖性能，但組合試樣的單位面積質量也隨之增加，且聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的比例相對較低（質量分數約為21.7%），從而宏觀表現為對組合試樣保暖效率的提高程度并不明顯.

相對于3#試樣，因聚酰亞胺/滌綸熱風絮片的保暖性能較高，4#試樣宏觀表現出較高的保暖性能；但因聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的質量分數下降至6.5%，從而4#試樣的保暖效率相對較低.

相對于4#試樣，5#和6#試樣亦因聚酰亞胺/滌綸熱風絮片的加入，宏觀表現出較高的保暖性能，但聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的質量分數較高（約為12.2%），從而表現出較高的保暖效率.

由圖2 可以發現，對于由聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風絮片構成的組合試樣，隨著單位面積質量的增加，組合試樣的整體保暖性能隨之提高，但組合試樣的保暖效率取決于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的質量分數，聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的含量越多，保暖效率越高.

值得關注的是，2#試樣為單一的聚酰亞胺/滌綸熱風絮片，其整體保暖性能低于組合試樣，其保暖效率略低于3#試樣，但高于4#～6#試樣.探討該現象產生的原因，主要是組合試樣在組分材料自重下產生的壓縮所致.

2.3 透濕與透氣性能

透濕與透氣性能是影響服裝舒適性能的重要因素，為評估聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風絮片及其組合試樣的穿著舒適性能，對6種試樣的透濕與透氣性能的測試結果如表3 所示.

從表3 中可以看出，相對于聚酰亞胺/滌綸熱風絮片（2#試樣），聚酰亞胺納米纖維保暖絮片（1#試樣）的透濕性能略低，但透氣性顯著較低.分析其原因，主要是由于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片和聚酰亞胺/滌綸熱風絮片均為高空隙率材料，且聚酰亞胺和滌綸均為低吸濕材質，因此均表現出接近的透濕性能；但聚酰亞胺納米纖維保暖絮片為典型的多層結構材料，相對于聚酰亞胺/滌綸熱風絮片，水汽和空氣流通傳遞通道更加曲折，水汽和空氣在材料內部的傳遞作用更加顯著，因而宏觀表現出略低的透濕性能，并導致透氣性能下降；此外，在透氣性能測試過程中，外加壓力作用下空氣流過纖維表面時，因纖維表面非絕對光滑及空氣黏性，緊貼纖維表面的空氣層受到阻滯作用，流速降低并影響相鄰的空氣層，導致材料的透氣性能下降；聚酰亞胺納米纖維保暖絮片中纖維線密度較低，比表面積較高，且沿纖維長度方向存在明顯的粗細不均，空氣流過纖維表面時，對空氣的阻滯作用更為顯著，從而聚酰亞胺納米纖維保暖絮片表現出相對較低的透氣性能.

此外，因聚酰亞胺納米纖維保暖絮片和聚酰亞胺/滌綸熱風絮片對水汽傳遞和空氣流通均具有阻礙作用，因而組合試樣的透濕與透氣性能均低于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片和聚酰亞胺/滌綸熱風絮片.熱環境條件下，處于靜坐姿態時，人體出汗量為1 440～4 800 g/（m2·24 h），寒冷環境下，顯汗出汗量將極大減少，為360～480 g/（m2·24 h）［17］.6 種試樣的透濕率均高于2 500 g/（m2·24 h），且透氣率均高于70 mm/s，即均能滿足服用需求，可及時將濕氣排出衣外，保持良好的熱濕平衡，防止悶熱.

3 結論

本文以靜電紡絲制備的聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風絮片為研究對象，探討了組合方式對復合保暖絮片保暖性能、透氣與透濕性能的影響規律，本文實驗條件下的主要結論如下：

（1）聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風絮片及其組合試樣均表現出較好的熱濕舒適性能，滿足防寒保暖絮片的性能要求；

（2）相對于聚酰亞胺/滌綸熱風絮片，聚酰亞胺納米纖維保暖絮片雖然整體保暖性能、透氣和透濕性能相對較低，但其保暖效率較高，是超輕高保暖絮片的理想材料之一；

（3）相對于單一成分保暖絮片，組合試樣表現出較高的保暖性能，但保暖效率、透氣與透濕性能相對較低.

需要注意的是，本文僅對壓縮試樣的保暖性能、透氣與透濕性能進行了測試和分析，為全面評估保暖材料的熱濕舒適性能，還需對其壓縮性能、耐洗滌性能以及絎縫前后的熱濕舒適性能進行較為全面的測試和分析.