組合方式對(duì)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(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湘潭 411104；2.深圳市微納先材科技有限公司，深圳 518035）

當(dāng)環(huán)境溫度低于舒適性要求時(shí)，體表散熱大于體內(nèi)生熱導(dǎo)致的熱平衡被打破而引起冷應(yīng)激反應(yīng).人體處于低溫環(huán)境下，不僅會(huì)直接引發(fā)凍傷或其他疾病，還會(huì)間接誘發(fā)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(yán)寒環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致體溫急劇下降，嚴(yán)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(huán)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(hù).

從保暖原理出發(fā)，保暖材料可分為消極保暖和積極保暖兩大類(lèi)［5-6］，其中，消極保暖材料通過(guò)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(dòng)保暖材料不僅能阻止人體熱量的散失，還可吸收或存儲(chǔ)外界電能、化學(xué)能、太陽(yáng)能或人體自身散失的熱量等，并根據(jù)人體的需要自發(fā)吸收或釋放熱量調(diào)節(jié)溫度變化，以達(dá)到熱平衡.

考慮到成本和易穿著性，目前商業(yè)化的保暖材料多為消極保暖材料，且防寒服用內(nèi)膽保暖材料多采用人造纖維制備的保暖絮片.為實(shí)現(xiàn)保暖材料的多元化和功能化，眾多學(xué)者采用多種材料復(fù)合制備混合型和復(fù)合型新型保暖絮片，以彌補(bǔ)單一材料保暖絮片的不足.王薇等［5］通過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于同等厚度的羊毛保暖材料，以遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)，相對(duì)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(xì)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(yuǎn)紅外滌綸、異形滌綸、低熔點(diǎn)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(duì)熱風(fēng)絮片保暖性能、蓬松度、壓縮性能、透氣與透濕性能的影響規(guī)律.劉靜等［8］以中空滌綸直立棉熱風(fēng)非織造材料、超細(xì)纖維非織造材料為原料，探討了原料類(lèi)型、組合方式和超聲波復(fù)合工藝對(duì)“三明治”夾芯結(jié)構(gòu)保暖絮片其保暖性能、透氣與透濕性能的影響規(guī)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(fù)性能等進(jìn)行了研究.

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，消費(fèi)者對(duì)保暖絮片的要求日益多元化，超輕高保暖已成為新的發(fā)展趨勢(shì)之一［13］.靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維因其纖維線密度低、結(jié)構(gòu)蓬松、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)高保暖材料的優(yōu)選材料之一.為解決其結(jié)構(gòu)易坍塌、層間易剝離、生產(chǎn)成本較高等不足，可在骨架支持結(jié)構(gòu)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(fù)合保暖材料［16］，即在提高復(fù)合保暖材料整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)降低生產(chǎn)成本.

為深入探討納米纖維保暖絮片與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保暖絮片制備的復(fù)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(zhì)自支撐聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，考察疊層方式對(duì)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(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)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(fēng)絮片（深圳市微納先材科技有限公司提供）作為實(shí)驗(yàn)材料.如圖1 所示.

圖1 保暖絮片形貌

1.2 性能測(cè)試

參考《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》（GB/T 3820-1997），自制尺寸為35 cm×35 cm、質(zhì)量為50 g的壓板，測(cè)量在此壓板壓縮條件下5 min 后的試樣厚度，即以4 Pa 壓強(qiáng)條件下的表觀厚度為試樣的厚度，取5 個(gè)試樣的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo).在后續(xù)單位面積質(zhì)量、保暖性能、透濕性能以及透氣性能測(cè)試時(shí)，均以壓縮后試樣為測(cè)試對(duì)象.

參考《非織造布單位面積質(zhì)量的測(cè)定》（FZ/T 60003-1991），分別對(duì)納米纖維保暖絮片、熱風(fēng)絮片以及組合式樣的單位面積質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，取5 個(gè)試樣的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo).

參考《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》（GB/T 11048-2008），采用YG606G-Ⅱ型熱阻濕阻測(cè)試儀對(duì)試樣的保暖性能進(jìn)行測(cè)試，取3個(gè)試樣的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo).

依據(jù)《紡織品織物透濕性試驗(yàn)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(duì)試樣的透濕性能進(jìn)行測(cè)試.為真實(shí)反映試樣的透濕性能，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)確保試樣盡可能處于自然蓬松狀態(tài)，取3 個(gè)試樣的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo).

依據(jù)《紡織品織物透氣性的測(cè)定》（GB/T 5453-1997），采用YG461E-Ⅲ型全自動(dòng)透氣量?jī)x對(duì)試樣的透氣性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試面積為20 cm2，壓差設(shè)定為100 Pa，取10 個(gè)不同位置的測(cè)試結(jié)果的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo).

2 試驗(yàn)結(jié)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(fēng)熱風(fēng)絮片（S）及其組合試樣的實(shí)測(cè)單位面積質(zhì)量和厚度列于表1 中.

表1 試樣單位面積質(zhì)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(fēng)熱風(fēng)絮片及其組合試樣的單位面積質(zhì)量和試樣厚度均存在一定的波動(dòng)，究其原因，主要是由于納米纖維保暖絮片與熱風(fēng)保暖絮片在單位面積質(zhì)量和厚度方面存在不勻狀態(tài).對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單位面積質(zhì)量，厚度的波動(dòng)相對(duì)較小，且均不超過(guò)6%.

2.2 保暖性能

1#～6#試樣的保暖性能測(cè)試結(jié)果列于表2，從表中可以看出，相對(duì)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(fēng)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(wú)顯著差異.

表2 試樣保暖性能測(cè)試值

由于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的單位面積質(zhì)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(duì)較差；聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片的單位面積質(zhì)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(zhǎng)，從而聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片表現(xiàn)出較高的保暖性能.

對(duì)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(fēng)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(yōu)于單一組分試樣.

相對(duì)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(fēng)絮片保暖性能明顯優(yōu)于聚酰亞胺納米纖維保暖絮片，故而4#試樣表現(xiàn)出較好的保暖性能.

對(duì)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(wú)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(wú)顯著差異；此外，對(duì)比5#和6#試樣可以發(fā)現(xiàn)，在本文試驗(yàn)條件下，材料成分組合相同時(shí)，組合順序?qū)M合試樣的保暖性能并無(wú)顯著影響.

為進(jìn)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(zhì)量的克羅值為保暖效率，并將其與單位面積質(zhì)量和克羅值繪于圖2 中.從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，雖然聚酰亞胺納米保暖絮片因單位面積質(zhì)量低而導(dǎo)致整體保暖性能較差，但卻表現(xiàn)出較高的保暖效率.聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片雖然因單位面積質(zhì)量較高而導(dǎo)致整體保暖性能較好，但卻表現(xiàn)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(xì)，孔隙率較高、空隙曲折程度高、傳熱路徑長(zhǎng)，同等單位面積質(zhì)量條件下，可容納的靜止空氣較多；此外，聚酰亞胺其導(dǎo)熱系數(shù)較低，故而相對(duì)于聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片，聚酰亞胺納米纖維保暖絮片表現(xiàn)出更高的保暖效率.

圖2 不同組合試樣的保暖效率

相對(duì)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(zhì)量也隨之增加，且聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的比例相對(duì)較低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為21.7%），從而宏觀表現(xiàn)為對(duì)組合試樣保暖效率的提高程度并不明顯.

相對(duì)于3#試樣，因聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片的保暖性能較高，4#試樣宏觀表現(xiàn)出較高的保暖性能；但因聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至6.5%，從而4#試樣的保暖效率相對(duì)較低.

相對(duì)于4#試樣，5#和6#試樣亦因聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片的加入，宏觀表現(xiàn)出較高的保暖性能，但聚酰亞胺納米纖維保暖絮片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（約為12.2%），從而表現(xiàn)出較高的保暖效率.

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于由聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片構(gòu)成的組合試樣，隨著單位面積質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(guān)注的是，2#試樣為單一的聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)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(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要是組合試樣在組分材料自重下產(chǎn)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(píng)估聚酰亞胺納米纖維保暖絮片、聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)絮片及其組合試樣的穿著舒適性能，對(duì)6種試樣的透濕與透氣性能的測(cè)試結(jié)果如表3 所示.

從表3 中可以看出，相對(duì)于聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)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(fēng)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(zhì)，因此均表現(xiàn)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(jié)構(gòu)材料，相對(duì)于聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)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(nèi)部的傳遞作用更加顯著，因而宏觀表現(xiàn)出略低的透濕性能，并導(dǎo)致透氣性能下降；此外，在透氣性能測(cè)試過(guò)程中，外加壓力作用下空氣流過(guò)纖維表面時(shí)，因纖維表面非絕對(duì)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(dǎo)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(zhǎng)度方向存在明顯的粗細(xì)不均，空氣流過(guò)纖維表面時(shí)，對(duì)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(xiàn)出相對(duì)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(fēng)絮片對(duì)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(fēng)絮片.熱環(huán)境條件下，處于靜坐姿態(tài)時(shí)，人體出汗量為1 440～4 800 g/（m2·24 h），寒冷環(huán)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(mǎn)足服用需求，可及時(shí)將濕氣排出衣外，保持良好的熱濕平衡，防止悶熱.

3 結(jié)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(fēng)絮片為研究對(duì)象，探討了組合方式對(duì)復(fù)合保暖絮片保暖性能、透氣與透濕性能的影響規(guī)律，本文實(shí)驗(yàn)條件下的主要結(jié)論如下：

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

（2）相對(duì)于聚酰亞胺/滌綸熱風(fēng)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(duì)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(duì)于單一成分保暖絮片，組合試樣表現(xiàn)出較高的保暖性能，但保暖效率、透氣與透濕性能相對(duì)較低.

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