吸濕發(fā)熱織帶設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔣依志，陳 瑜，滕 婷，樊 平，羊 燚，沈 華

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.浙江澳亞織造股份有限公司，浙江 金華 322100)

0 引言

生產(chǎn)技術(shù)的變化帶來了發(fā)熱材料的發(fā)展。根據(jù)發(fā)熱方式的不同，發(fā)熱材料可分為吸濕發(fā)熱、化學(xué)發(fā)熱、電發(fā)熱、光能發(fā)熱和相變發(fā)熱5種[1]。吸濕發(fā)熱材料通過吸收人體所散發(fā)的汗氣以及空氣中的水分，將氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水并放出一定的熱量[2]，實(shí)現(xiàn)自主放熱。這類材料一般具有較高的回潮率，代表性纖維有易熱寶纖維[3]、Softwarm纖維[4]、EKS纖維[5]和N38纖維[6]等?；瘜W(xué)發(fā)熱材料通過在紡絲加工過程中摻雜某些化學(xué)物質(zhì)[7]，這類物質(zhì)會在使用過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出熱量達(dá)到發(fā)熱的效果。有研究者將鐵粉等混入聚合物中進(jìn)行紡絲，利用鐵粉不斷氧化放熱的性能開發(fā)出了一種化學(xué)放熱纖維[8]。電發(fā)熱材料通過加入碳纖維等導(dǎo)電介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)通電發(fā)熱的效果[9]。光能發(fā)熱材料通過吸收太陽輻射中的可見光和紅外線，將光能轉(zhuǎn)化為熱能[10]，達(dá)到發(fā)熱保暖的目的。相變發(fā)熱材料具有相變特性，會隨著外界溫度的變化而發(fā)生可逆固液態(tài)相轉(zhuǎn)化[11]，從液態(tài)到固態(tài)會放出熱量，從固態(tài)到液態(tài)會吸收熱量，因此能夠雙向調(diào)節(jié)溫度，使得人體與衣服間的溫度達(dá)到動態(tài)平衡。

織帶是指以各種紗線為原料所制成的狹幅狀織物或管狀織物，作為一種服裝用和產(chǎn)業(yè)用輔料，廣泛用于服裝服飾、鞋材、箱包等領(lǐng)域。而近些年來功能性織帶成為了織帶行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)方向。樊平等[12]利用錦綸長絲和阻燃紗線開發(fā)出一種耐高溫織帶，該種織帶遇明火不熔融也不延燃，具有良好的阻燃性能。余春林等[13]利用含有鋅鎵氮氧化物/氧化鋅納米粒子的涂層對織帶進(jìn)行處理，開發(fā)出一種防紅外線用迷彩織帶，防紅外線效果顯著。此外，目前市場上還有防霉抗菌織帶、防蚊織帶、三防(防水、防油、防污)織帶、香味織帶和遠(yuǎn)紅外織帶等。

吸濕發(fā)熱織帶具有廣泛的應(yīng)用場景，可以織造成護(hù)腕、護(hù)肘和護(hù)膝等運(yùn)動器具，同時也可以增加幅寬，設(shè)計(jì)成發(fā)熱腹帶等保暖產(chǎn)品，而目前關(guān)于吸濕發(fā)熱織帶的研究比較少見。在此背景下，本文選擇一種吸濕發(fā)熱紗線分別使用三種不同的組織結(jié)構(gòu)織造成機(jī)織雙層織帶。通過對織帶保暖性能的測試與分析，探究不同組織結(jié)構(gòu)和紗線配置對于織帶吸濕發(fā)熱性能以及熱濕舒適性的影響，為吸濕發(fā)熱織帶的開發(fā)提供參考。

1 織帶原料和織造

1.1 紗線原料

本文選擇的紗線混紡成分及比例為80%粘膠纖維/20%易熱寶纖維，規(guī)格為40s。其中易熱寶纖維為改性腈綸，利用接枝共聚技術(shù)在纖維大分子鏈上引入大量-COOH、-OH、-CONH等極性親水基團(tuán)[14]。因此，其回潮率高，吸濕能力強(qiáng)，發(fā)熱效果優(yōu)異。

1.2 紗線并捻

機(jī)織織帶上機(jī)織造對于紗線的強(qiáng)力有一定的要求，經(jīng)過試織后發(fā)現(xiàn)吸濕發(fā)熱紗線單紗強(qiáng)度不能滿足上機(jī)要求，為了后續(xù)織造順利進(jìn)行，使用HR600型并捻一體機(jī)將紗線并捻成雙股線以增加紗線的強(qiáng)力，從而提高可紡性。并線機(jī)參數(shù)設(shè)置為:卷繞速度:200m/min，張力片重量:3g，并合根數(shù):2根；倍捻機(jī)參數(shù)設(shè)置為:捻向:S捻，卷繞速度:40m/min，捻度:200捻/m。

1.3 織帶織造原料

表1 織帶織造原料

1.4 織帶設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的織帶為機(jī)織雙層組織，設(shè)計(jì)寬度為7cm，正反面均選擇如下三種組織結(jié)構(gòu):三上一下的斜紋、四上二下的斜紋和六上二下的斜紋，飛數(shù)都為2。上機(jī)紋板圖如圖1所示，自下而上每一橫行表示對應(yīng)的每一頁綜框，前兩頁綜框穿彈性紗，其余綜框穿吸濕發(fā)熱紗線。穿綜采用順穿法，每6根吸濕發(fā)熱紗線之間穿入一根彈性紗來保證織帶具有一定的彈性，穿入吸濕發(fā)熱經(jīng)紗312根，彈性紗55根，共計(jì)經(jīng)紗367根。

圖1 上機(jī)紋板圖

為了測試和分析不同組織結(jié)構(gòu)和不同紗線配置對于織帶發(fā)熱保暖性能的影響，設(shè)計(jì)了6種織帶，見表2:

表2 織帶基本參數(shù)

2 紗線及織帶性能測試

2.1 纖維及紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)測試

使用DXS-10ACKT掃描電子顯微鏡分別對纖維和紗線進(jìn)行縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察。制樣時用導(dǎo)電膠將各根纖維和紗線逐根平行固定在樣品臺上，之后將樣品臺放入離子濺射儀中進(jìn)行噴金處理，以提高樣品成像的分辨率和清晰度；觀察時先在低倍數(shù)的情況下找到目標(biāo)位置，再慢慢放大倍數(shù)，微調(diào)亮度、對比度等參數(shù)，最終得到高質(zhì)量的樣品圖像。

2.2 紗線紅外光譜測試

使用Spectrum Two傅里葉變換紅外光譜儀對紗線進(jìn)行測試，得到紗線的紅外光譜圖。設(shè)定掃描范圍為4000cm-1～400cm-1，實(shí)驗(yàn)時先進(jìn)行空白背景掃描，完成后將紗線緊密平鋪在測試區(qū)域進(jìn)行測試，得到初始光譜圖，再通過對其進(jìn)行基線校準(zhǔn)、平滑處理和標(biāo)記峰值等步驟得到最終的紅外光譜圖。

2.3 織帶透氣性測試

參照GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》試驗(yàn)方法，使用YG461E全自動透氣性測試儀對織帶進(jìn)行透氣性測試，設(shè)置通氣孔面積為20cm2，壓差為100Pa，每種織帶選取不同的位置測試10次，結(jié)果取平均值。

2.4 織帶透濕性測試

參照GB/T 12704.1-2009《紡織品織物透濕性試驗(yàn)方法》，使用FX3180透濕率分析儀對織帶進(jìn)行透濕性測試，設(shè)置透濕儀的溫度為38℃，相對濕度為90%，每種織帶選取三個不同的部位進(jìn)行測試，結(jié)果取平均值。

2.5 織帶熱阻測試

參照GB/T 11048-2008《紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》試驗(yàn)方法，使用KES-F7熱學(xué)性能測試儀對織帶進(jìn)行熱阻測試，設(shè)置儀器冷卻底座溫度為20℃，熱板溫度為33℃，記錄最終實(shí)際溫差ΔT和平均功率W，按照式(1)計(jì)算每種織帶的熱阻，每種織帶選取不同位置測試3次，結(jié)果取平均值。

式中，R為織帶的熱阻(m2·℃·w-1)；A為熱板面積(0.0025m2)；ΔT為冷卻底座與熱板的實(shí)際溫差(℃)，W為平均功率(w)。

2.6 織帶吸濕發(fā)熱性能測試

參照GB/T 29866-2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》，對織帶進(jìn)行吸濕發(fā)熱測試。將規(guī)定組合試樣置于105℃烘箱中烘燥至恒重，之后將試樣放入密封袋中，在20℃恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室中冷卻30min。冷卻結(jié)束后，將組合試樣從密封袋中拿出，插入JK808多路溫度傳感器，并快速轉(zhuǎn)移至溫度(20±0.5)℃、濕度(90±4)%的環(huán)境中測量40min內(nèi)織帶溫度的變化情況，每10s記錄一個數(shù)據(jù)，最后繪制織帶升溫曲線圖，并計(jì)算30min內(nèi)最大升溫值和平均升溫值。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

吸濕發(fā)熱纖維(改性腈綸)的縱向表面掃描電鏡圖如圖2所示。由圖2可知，纖維表面結(jié)構(gòu)粗糙，沿軸向分布長短不一、深淺不勻的豎紋狀溝槽，這種特殊結(jié)構(gòu)增大了纖維的比表面積，提升了纖維表面吸附能力，為水分子的附著提供了更多結(jié)合位點(diǎn)，水分子就越容易緊貼在纖維表面。同時溝槽也能夠增強(qiáng)纖維的芯吸效應(yīng)，提高纖維對水分的吸附和快速轉(zhuǎn)移能力，使得纖維吸濕性增強(qiáng)，這些都有利于纖維吸濕發(fā)熱性能的發(fā)揮。

圖2 纖維縱向形態(tài)(×3.0K)

吸濕發(fā)熱紗線的縱向表面掃描電鏡圖如圖3所示。由圖3可知，紗線由若干根纖維集聚而成，微觀來看總體比較規(guī)整，條干上有小部分纖維出現(xiàn)抽拔和外翹的現(xiàn)象，形成了少量毛羽。

圖3 紗線縱向形態(tài)(×0.1K)

3.2 紗線紅外光譜圖分析

紗線紅外光譜測試結(jié)果如下頁圖4所示。由圖4可知，紗線在3310cm-1處的吸收峰較寬，這是由O-H、N-H收縮振動引起的，表明紗線中存在-OH和-NH；在2912cm-1的吸收峰是由C-H伸縮振動產(chǎn)生的，表明存在-CH；在1644cm-1的吸收峰是由C＝O引起的，表明存在羰基；在1368cm-1處的吸收峰是由-COOH伸縮振動引起的，表明存在羧基；在1019cm-1處的振動是由C-N伸縮振動產(chǎn)生的。分析表明，紗線中存在氨基、羧基、羥基等多種極性親水基團(tuán)，能與水分子直接結(jié)合形成氫鍵，吸附水分子的能力較強(qiáng)，這是其回潮率(17.34%)較高的主要原因。

圖4 紗線紅外光譜圖

3.3 織帶透氣性

圖5 是不同組織對織帶透氣性能的影響。由圖5可知，織帶A1和A4織帶的透氣性能相對較差，分別為9.58 mm/s和27.31 mm/s；織帶A3和A6透氣性能最好，分別為78.76 mm/s和87.93 mm/s，這是因?yàn)榭棊1和A4的組織為三上一下斜紋，其經(jīng)緯紗之間交織更加頻繁，經(jīng)緯密更大且交織點(diǎn)更多，使得織帶最為緊密，紗線間孔隙率降低，蓬松性較差，導(dǎo)致氣流不易通過，因此透氣性相對較差。

圖5 不同組織對織帶透氣性能的影響

圖6 是不同緯紗對織帶透氣性能的影響。由圖6可知，當(dāng)緯紗為3＃紗(300D滌綸)時織帶透氣性能略微好于緯紗為2＃紗(吸濕發(fā)熱紗線)時的透氣性能。這是因?yàn)樵诳椩鞎r加捻的緯紗使得織帶的修邊效果較差，因此為了保證成型質(zhì)量，本次試驗(yàn)選擇了未加捻的吸濕發(fā)熱單紗作為緯紗，其細(xì)度為40s(≈133D)，比300D滌綸更細(xì)，因此織造時其緯紗接觸更加緊密，抱合力增大，紗線間隙相對較小，織帶兩層之間貼合度增大，在相同壓差的情況下氣流通過會受到更大的阻礙，因此其透氣性更差。

圖6 不同緯紗對織帶透氣性能的影響

3.4 織帶透濕性

下頁圖7是不同組織對織帶透濕性能的影響。由圖7可知，織帶A1和A2的透濕率相差不大，均好于A3；織帶A4的透濕率為3684 g/(m2·d)，優(yōu)于A5和A6?？棊3和A6的透濕性能最差，這是因?yàn)樗鼈兪褂玫慕M織為六上二下斜紋，其浮線較長，不如三上一下斜紋織帶表面平整，因此較厚較大，雖然透氣性優(yōu)于三上一下斜紋織帶，但厚度增加的同時使得水汽通過織帶的通道變長，纖維與水分子的接觸點(diǎn)變多，使得對水分子傳遞的阻礙作用就越強(qiáng)，水汽的通過能力變?nèi)酰虼肆隙滦奔y織帶的透濕性能最差，三上一下斜紋織帶最好。而A2織帶透濕率略優(yōu)于A1織帶的原因可能是因?yàn)槎叩暮穸容^為接近，而A2織帶的交織點(diǎn)個數(shù)少于A1織帶，對于水分子通過的阻礙作用相對較低，因此出現(xiàn)了二者透濕率比較接近的情況。

圖7 不同組織對織帶透濕性能的影響

下頁圖8是不同緯紗對織帶透濕性能的影響。由圖8可知，當(dāng)緯紗為2＃紗(吸濕發(fā)熱紗線)時織帶的透濕性好于緯紗為3＃紗(滌綸)，這是因?yàn)槲鼭癜l(fā)熱紗線的回潮率遠(yuǎn)高于滌綸，纖維中存在的大量極性親水基團(tuán)對水分子的親和能力較強(qiáng)，并且其表面的粗糙不規(guī)則溝槽結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了纖維的芯吸效應(yīng)，有利于水分子的吸附與擴(kuò)散，在單位時間能傳導(dǎo)更多的水分子，因此2＃緯紗織帶的透濕性要優(yōu)于3＃緯紗織帶。

圖8 不同緯紗對織帶透濕性能的影響

3.5 織帶熱阻

圖9 是不同組織對織帶熱阻的影響。由圖9可知，六上二下斜紋織帶的熱阻最大，是三上一下斜紋織帶熱阻的1.9倍左右，這是因?yàn)榱隙滦奔y組織浮線較長，在織帶表面微微凸起形成類似起絨效果，增大了織帶厚度的同時也改善了織帶的蓬松性，在織帶表面能夠儲存較多的靜止空氣，通過織帶向外部散失的熱量較少，因此熱阻最大，保暖性最好。而三上一下斜紋浮線較短，織帶表面較為平整，含有的靜止空氣少，并且厚度較小，對熱量傳導(dǎo)的阻礙作用最弱，因此熱阻最小，保暖性較差。

圖9 不同組織對織帶熱阻的影響

圖10是不同緯紗對于織帶熱阻的影響。由圖10可知，兩種不同緯紗織帶的熱阻比較接近，這是因?yàn)楸疚目椩斓目棊榻?jīng)密較大的彈性織帶，且為雙層組織，緯紗被上下兩層斜紋組織緊密地包覆住，因此相比組織來說，緯紗對于織帶熱阻的影響程度較小，并非主要決定性影響因素，所以二者熱阻大小比較接近，并無明顯影響規(guī)律。

圖10 不同緯紗對織帶熱阻的影響

3.6 織帶吸濕發(fā)熱性能

表3 織帶30分鐘內(nèi)最大升溫值和平均升溫值

從圖11可以看出，開發(fā)的織帶具有良好的吸濕發(fā)熱效果。當(dāng)織帶的緯紗相同時，組織采用六上二下斜紋的織帶發(fā)熱效果最好，最高升溫值和平均升溫值均比三上一下斜紋織帶高出2℃左右，這是因?yàn)榱隙滦奔y織帶單位面積的紗線含量最高，織帶測試樣在單位時間內(nèi)吸濕量相對較大，吸濕發(fā)熱所產(chǎn)生的熱量最多，發(fā)熱性能最為優(yōu)異。同時六上二下斜紋織帶的厚度最厚，含有的靜止空氣多，熱阻大，能有效降低內(nèi)外層的熱交換，對熱量逸散的阻礙作用最強(qiáng)，30分鐘內(nèi)平均升溫值最高，保暖性最強(qiáng)。

圖11 織帶發(fā)熱升溫曲線

當(dāng)織帶組織相同時，相比于300D滌綸，緯紗為吸濕發(fā)熱紗的織帶吸濕發(fā)熱效果更好，這是因?yàn)槲鼭癜l(fā)熱紗線在織帶中整體含量明顯增加，而發(fā)熱紗線的回潮率優(yōu)于滌綸，在相同時間內(nèi)能吸收更多的水分，產(chǎn)生更多的熱量，發(fā)熱效果更好。

4 結(jié)論

本文以設(shè)計(jì)開發(fā)具有吸濕發(fā)熱效果的彈性織帶為目的，探討了不同組織結(jié)構(gòu)和紗線配置對于織帶吸濕發(fā)熱效果和熱濕舒適性的影響，為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一定的參考依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)可知，本次實(shí)驗(yàn)選擇的紗線中含有大量的極性親水基團(tuán)，因此其吸濕性能較好，組織選用六上二下斜紋、緯紗選用吸濕發(fā)熱紗線的織帶發(fā)熱效果最好，最高升溫值為13.8℃，平均升溫值為9.1℃。此外，不同的紗線配置和組織結(jié)構(gòu)對于織帶的透氣、透濕和熱阻都有不同程度的影響，說明在設(shè)計(jì)吸濕發(fā)熱織帶時要結(jié)合產(chǎn)品用途和具體需求綜合地去考慮紗線配置和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大可能發(fā)揮出它們的特點(diǎn)和優(yōu)勢。