熔噴/針刺多層非織造材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)服用保暖性能的影響

（南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019）

絮片、羽絨、絮氈、雙面絨、網(wǎng)孔織物等材料[1-5]是常用于擋風(fēng)御寒的服裝材料。但是在使用中發(fā)現(xiàn)，保暖性能好的服裝材料有時(shí)并不能給穿著者帶來(lái)舒適的服用體驗(yàn)。因?yàn)槌艘挛锉Ｅ阅苤?，厚重感、悶熱感等都?huì)影響消費(fèi)者的穿著體驗(yàn)[6-7]。因此，如何使材料在擁有保暖效果的同時(shí)又能輕盈透氣是人們非常關(guān)心的問(wèn)題。非織造加工技術(shù)用于保暖絮片材料的生產(chǎn)[8-14]，是一種起源于紡織但又超越了紡織的加工技術(shù)[15]，具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、加工方法多樣等優(yōu)點(diǎn)，成為保暖類服用輔料制備的重要組成。岳素娟等[16]人對(duì)比了熔噴、超細(xì)梳理絮片、羽絨和羊毛等幾種多層復(fù)合保暖材料的保暖性能；畢紅軍等[17]人比較了幾種低面密度針刺/織造絎縫保暖材料的保暖性能；仇何等[18]人對(duì)熔噴復(fù)合保暖材料的制備進(jìn)行了研究。然而，目前鮮見(jiàn)有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)保暖性能的影響這一問(wèn)題的論述。本文以非織造保暖材料中常用的針刺保暖材料和熔噴材料作為單層材料，研究了4 類具有不同結(jié)構(gòu)的多層材料的保暖性和透氣性，分析了多層服用保暖材料的材料組成、材料結(jié)構(gòu)等16 種組合方式與多層材料的保暖性和透氣性的關(guān)系，研究結(jié)果可為單層、多層服用保暖材料的加工提供參考。

1 原料和儀器

本文選取兩種面密度相近但保暖性能差異較大的PP/PA 針刺材料和兩種面密度、保暖性能差異都較大的熔噴材料（PP、PP/PET），其基本物理性能、保溫性能和透氣性能（均為平均值）分別如表1、表2 所示。

表1 單層針刺材料性能Tab.1 Properties of single layer needle punched material

表2 單層熔噴材料性能Tab.2 Properties of single layer melt blown material

本文所用測(cè)試儀器包括：YG（B）141 手持式織物厚度儀（常州第二紡織廠），BSA224S-CW 電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司），YG（B）461E 織物透氣量測(cè)試儀（溫州大萊紡織儀器有限公司），YG606N 平板式織物保暖測(cè)試儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

2 多層材料的組合設(shè)計(jì)

織物的熱傳遞包括：一部分熱通過(guò)纖維傳導(dǎo)；一部分熱通過(guò)織物中纖維間空氣的微弱對(duì)流進(jìn)行傳遞；還有一部分熱通過(guò)纖維與纖維表面的輻射進(jìn)行傳遞[19]。保暖材料的結(jié)構(gòu)疏密程度會(huì)影響保暖材料內(nèi)部的靜止空氣存量，從而影響保暖材料的保暖性能。由于針刺材料和熔噴材料從纖維的微觀結(jié)構(gòu)到成品的宏觀結(jié)構(gòu)都有很大區(qū)別，很難界定相互間的疏密程度，所以本文的結(jié)構(gòu)疏密劃分首先是在同種保暖材料內(nèi)進(jìn)行的。例如，對(duì)于針刺單層保暖原料而言，因?yàn)獒槾滩牧螻1的平均透氣率小于針刺材料N2的平均透氣率，所以在此認(rèn)為N1的結(jié)構(gòu)是密結(jié)構(gòu)，N2的結(jié)構(gòu)是松結(jié)構(gòu)。同樣的原因，認(rèn)為熔噴材料M1的結(jié)構(gòu)是密結(jié)構(gòu)，M2的結(jié)構(gòu)是松結(jié)構(gòu)。然而，密和松兩種結(jié)構(gòu)是相對(duì)而言的。將同種保暖材料以透氣率作為劃分密和松結(jié)構(gòu)的依據(jù)擴(kuò)展到異種材料，可以得到不同種保暖材料的相對(duì)密松結(jié)構(gòu)。例如，熔噴材料M1的平均透氣率小于針刺材料N2的平均透氣率，所以當(dāng)這兩種材料組合時(shí)，可以認(rèn)為M1是密結(jié)構(gòu)，N2是松結(jié)構(gòu)。同理，當(dāng)熔噴材料M2和針刺材料N1組合時(shí)，認(rèn)為M2是密結(jié)構(gòu)，N1是松結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，本文分別對(duì)多層材料的結(jié)構(gòu)組合和原料組合進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

在多層材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)上述4 種類型單層材料選取具有明顯結(jié)構(gòu)特征的4 種結(jié)構(gòu)組合以便比較，如表3 所示。

表3 多層材料結(jié)構(gòu)組合表Tab.3 Structure types of multilayer material

2.2 原料組合設(shè)計(jì)

為了比較熔噴材料與針刺材料及其不同的組合形式對(duì)保暖性能的影響，設(shè)計(jì)如表4 所示的4 種原料組合形式。

表4 多層材料原料組合表Tab.4 Ingredient combinations of multilayer material

2.3 多層材料的結(jié)構(gòu)及原料組合

對(duì)以上多層材料的結(jié)構(gòu)組合及原料組合進(jìn)行全排列，形成16 種具有不同結(jié)構(gòu)和原料組合特征的試樣，如表5 所示。

表5 16 種具有不同結(jié)構(gòu)和原料組合特征的試樣Tab.5 16 types of samples with varied structures and ingredient combinations characteristics

2.4 性能測(cè)試

厚度：使用YG（B）141 手提式織物厚度儀在每塊試樣上選取3 個(gè)不同的點(diǎn)，施加100 cN 的壓力，每個(gè)點(diǎn)壓盤(pán)停留30 s，讀出厚度，取平均值。

面密度：從每種試樣上剪取3 塊10 mm×10 mm待測(cè)樣品，分別用BSA224S-CW 電子天平測(cè)量質(zhì)量，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取平均值，根據(jù)公式（1）計(jì)算材料的面密度。

其中：σ 為試樣的面密度；m 為試樣的平均質(zhì)量；S為試樣的面積。

保暖性能：試樣尺寸300 mm × 300 mm，使用YG606N 平板式織物保暖測(cè)試儀，按照GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定（蒸發(fā)熱板法）》測(cè)試。

透氣性能：試樣尺寸300 mm × 300 mm，使用YG（B）461E 織物透氣量測(cè)試儀，按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 厚度分布

圖1 為多層保暖材料的厚度分布趨勢(shì)圖。由圖1 可見(jiàn)：多層保暖材料組合后其厚度大致分布在10～13 mm 之間；這16 種多層材料樣品的厚度分布略有差異，但其線性趨勢(shì)和指數(shù)趨勢(shì)都在11～12 mm 之間。

3.2 面密度分布

圖2 為多層保暖材料的面密度分布趨勢(shì)圖。由圖2 可以看出：多層材料的面密度分布在1 000～1 600 g/m2之間；線性趨勢(shì)和指數(shù)趨勢(shì)分別在1 300～1 450 g/m2之間和1 200～1 400 g/m2之間。這一方面是因?yàn)閱螌尤蹏姴牧媳旧淼拿婷芏却嬖诓町悾硪环矫媸且驗(yàn)椴牧霞庸ぶ械牟粍蚍从吃诿婷芏炔粍蛏?。但是由于這16 種多層材料的面密度與硬質(zhì)棉的高面密度范圍相一致，所以在保暖特征上具有相似的特點(diǎn)，因此認(rèn)為這些面密度的差異對(duì)于保暖性能的影響很小，可以忽略不計(jì)。

3.3 不同材料對(duì)保暖性能的影響

圖3 為不同疊層材料組成織物的克羅值。由圖3 可以看出，Ⅰ類和Ⅱ類材料的保暖性均產(chǎn)生了顯著的差異性，而Ⅲ類和Ⅳ類材料的保暖性則沒(méi)有顯著差異。從材料的組成來(lái)看，Ⅰ類材料全部由熔噴材料組成，Ⅱ類材料全部由針刺材料組成，Ⅲ、Ⅳ類材料均由針刺+熔噴材料組成。針刺絮片的纖維細(xì)度一般在幾十微米，熔噴絮片的纖維細(xì)度一般在10 μm 以下，這說(shuō)明材料的組成差異性越大，越有助于材料表現(xiàn)穩(wěn)定的保暖性能。反之，材料的組成差異性越小，越有可能造成保暖性能上的不穩(wěn)定性。

3.4 不同結(jié)構(gòu)對(duì)保暖性能的影響

圖4 為不同結(jié)構(gòu)組成織物的克羅值。由圖4 可以看出，不論多層材料是由哪種材料組成，C（密松松密）結(jié)構(gòu)材料的克羅值始終最高，保暖性能最好。分析其原因主要是：多層保暖材料表面密，致密層材料本身結(jié)構(gòu)細(xì)密、纖維分布的雜亂程度高。人體屬于既能輻射熱量又能吸收熱量的黑體材料。如圖5 所示，處于最內(nèi)側(cè)的致密保溫材料有助于增強(qiáng)對(duì)人體輻射熱量的反射，并被人體吸收；最外側(cè)的致密保溫材料相當(dāng)于減少了單位面積中的熱量通路，有助于減少保溫材料與外界的熱量交換；中間兩層的材料比較蓬松，纖維間的空隙率大，這種高孔隙率的結(jié)構(gòu)使得材料儲(chǔ)存了大量的靜止空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比一般纖維的導(dǎo)熱系數(shù)要小得多，所以傳導(dǎo)損耗的熱量小，并且靜止空氣層中的纖維阻止了纖維表面附近空氣的流動(dòng)，起著隔熱保暖的作用，所以C（密松松密）結(jié)構(gòu)的保暖性能最優(yōu)。

3.5 不同材料對(duì)透氣性能的影響

圖6 為不同材料組成織物的透氣率。由圖6 可以看出，無(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)，材料Ⅱ（N1+N2）的透氣性都最大，而材料Ⅰ（M1+M2）的透氣性始終最小。材料Ⅰ都是由單層熔噴材料疊加而成，熔噴材料中纖維的比表面積大，纖維間結(jié)構(gòu)緊密，不利于空氣的流通。材料Ⅱ都是由針刺材料組成，針刺材料的纖維比表面積相對(duì)較小，由于成網(wǎng)時(shí)的機(jī)械穿刺作用造成較大的孔隙率，利于空氣的流通，所以透氣性高。材料Ⅲ和Ⅳ的透氣性均介于這兩者之間。

3.6 不同結(jié)構(gòu)對(duì)透氣性能的影響

圖7 是不同結(jié)構(gòu)組成織物的透氣率。由圖7 可見(jiàn)，在相同種類材料的情況下，4 種結(jié)構(gòu)的多層材料透氣性雖然比較接近，但是A（密密松松）結(jié)構(gòu)的透氣性明顯好于其他3 種，這個(gè)現(xiàn)象在A 結(jié)構(gòu)的第Ⅳ種材料組成（M2M2N1N1）中的表現(xiàn)尤為明顯。分析其原因是：空氣通過(guò)最蓬松的兩層材料所受阻力最小，相同時(shí)間內(nèi)，穿透A 結(jié)構(gòu)材料所剩的空氣比別的結(jié)構(gòu)多，所以在第IV 種材料組合中，A 結(jié)構(gòu)的透氣率最高。

3.7 多層材料保暖性能、透氣性能綜合分析

從圖3 至圖7 可以看出，C（密松松密）結(jié)構(gòu)的保暖性能最好，A（密密松松）結(jié)構(gòu)的透氣性能最好，C 結(jié)構(gòu)的透氣性能除了第Ⅳ種材料組合明顯低于A結(jié)構(gòu)外，其余幾乎一樣，所以C 結(jié)構(gòu)的多層材料能夠兼顧高保暖和良好的透氣性。

從圖3 至圖7 還可以看出，C（密密松松）結(jié)構(gòu)中第Ⅰ種材料組合（M1M2M2M1）的保暖性能最優(yōu)，但是透氣性最差，原因是熔噴材料密度大，纖維間排列比較密，所以透氣性能較差。C 結(jié)構(gòu)中第Ⅱ種（N1N2N2N1）和第Ⅳ種（M2N1N1M2）材料組合都兼顧高保暖與高透氣。

將表1 和表2 單層材料的保暖性能與以上多層保暖材料的測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：多層材料的保暖效果不僅不與面密度或者厚度上的疊加成正比，而且明顯落后于面密度或者厚度上的疊加。說(shuō)明面密度在1 000～1 600 g/m2之間的多層材料的保暖效率不高，保暖材料的成本過(guò)大。將單層材料的透氣性能與多層材料的透氣性能相比較發(fā)現(xiàn)，多層材料表現(xiàn)出的透氣性能落在兩種單層熔噴材料的透氣性能區(qū)間里。說(shuō)明將熔噴材料或者針刺材料疊加后仍然可以獲得類似于單層熔噴材料的透氣性能。特別值得說(shuō)明的是，當(dāng)多層材料完全由針刺材料組成時(shí)，其顯示出最好的透氣性能。

4 結(jié)論

本文以兩種針刺絮片和兩種熔噴絮片為基礎(chǔ)，探討了多層服用保暖材料的材料組成、材料結(jié)構(gòu)等對(duì)材料的保暖性能和透氣性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

1）單層材料種類的差異性越大，越有助于多層材料表現(xiàn)出穩(wěn)定的保暖性能；反之，單層材料的組成差異性越小，越有可能造成多層材料保暖性能上的不穩(wěn)定性。

2）不論多層材料由哪種單層材料組成，C（密松松密）結(jié)構(gòu)能夠兼顧高保暖和良好的透氣性。

3）面密度在1 000～1 600 g/m2的多層材料的保暖效率不高，保暖材料的成本過(guò)大，其透氣性能類似于單層熔噴材料。