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不同类型防水透湿织物的液态水分管理能力
时间: 2017-06-21点击量:

防水透湿织物在一定的水压下不会被水渗透,但人体散发的汗液蒸气却能通过织物扩散或传递到外界,不在体表和织物之间积聚冷凝使人感觉黏湿和闷热,从 而 实 现 织 物 防 水 性 能 和 透 湿 性 能 的 统一[1],以保持服装的舒适性,它是一种高技术、独具特色的功能性织物。
市场上的防水透湿织物主要有利用孔隙自然扩散机制设计的具有防水透湿功能的高密织物、利用微孔透湿机制设计的微孔膜防水透湿织物、利用高分子间“孔”和 亲 水 基 团 透 湿 机 制 设 计 的 无 孔 膜 防水透湿织物和利用形状记忆高分子材料的温敏性导致的透湿 性 变 化 设 计 的 防 水 透 湿 织 物[2]。防 水 透湿织物按生产技术可分为高密(超高密) 织物、层压复合织物和涂层织物 3 类[3]。具有四凹槽截面的聚酯纤维 CoolMax 是一种具有导汗、快 干、凉 爽 舒 适 功 能 的 纤 维[4]。以 热 塑 型聚氨酯( TPU)为原料的透湿薄膜及涂层也可兼具防水和透湿功能。TPU 薄膜除具有极好的透气透湿、防风、耐寒保暖性外,还具有比较优异的弹性、韧性、高拉伸强度和伸长率,其良好的柔顺性使织出的织物手感柔软,这种材料既具有良好的阻隔性,又有较好的呼吸能力[5]。
目前对防水透湿织物的研究多集中在防水透湿薄膜及涂层的设计机制、生产技术和防水透湿织物的测试方法与评价及其应用领域与发展趋势上,但利用液态水分 管 理 测 试 仪( MMT) 对 特 定 的 防 水 透湿处理和后整理的织物进行实验研究的相对比较少。许多学者对影响织物导湿性能的因素也做了相应的研究,例如纤维的成分、纤维表面结构、纤维之间及纱线之间的孔隙 大小和形状、纱 线 结 构 ( 捻度)、织 物 厚 度 和 组 织 结 构 等[6]。王 耀 武 等[4]对CoolMax 平纹织物的吸湿性、透湿性能进行了测试,从而得出 CoolMax 纤 维 含 量 为 30% 时 平 纹 织 物 的吸湿性和透湿性能较好的结论。
本文运用液 态 水 分 管 理 测 试 仪( MMT) 分 别 对经不同表面处理的机织和针织面料进行测试,根据测得的数据量化织物的三维水分扩散及转移特性,对透湿处理机织物与 TPU 涂层机织物,CoolMax 针织物与层压 TPU 薄膜针织物以及 TPU 涂层机织物与底部层压 TPU 透明膜针织物进行比较研究。
1. 1 试样准备
实验中所用的 7 种面料包括机织面料 3 种,针织面料 4 种,规格如表 1 所示。根据 ASTMD 1776,环境 温 度 控 制 在 ( 20 ± 1) ℃ ,相 对 湿 度 为 ( 65 ±2) % 。用蒸馏水在超声波清洁器中将试样清洗5 min,用微调电容器除去试样上的水分,再用 蒸 汽熨斗除去样品上的皱痕,在测试前将试样水平放置在恒温恒湿实验室内24 h。
1. 2 实验仪器
液态水分管 理 测 试 仪( MMT) 是用来测试织物液态水分动态管理能力的仪器。该仪器由 2 个上下同心的传感器组成。测试中通过输送标准测试溶液到织物的表面以模拟人体排汗的过程。样品上的溶液经过由织物表层向外扩散和向底层转移,然后再在织物底层向外扩散 3 个过程。传感器测试并记录表、底层不同位置之间的电阻变化,测得试样在各个环形内(直 径 分 别 为 5、10、15、20、25、30 mm) 的 导水性能,得到溶液的浸湿、转移和扩散等数据,从而量化表征织物的单向导湿性能,综合评估织物对液态水分的动态管理能力[7]。
1. 3 实验方法
每种试 样 准 备 10 块,尺 寸 为80 mm × 80 mm。可测量并计算出 10 个指标来确定每个试样的液态水分管理性能,如浸湿时间( 表层 /底层)、吸水速度(表层 /底层)、最 大 浸 湿 半 径( 表 层 /底 层)、液 态 水分扩散速度( 表 层 /底 层)、累积单向传递能力及整体液态水分管理能力等[8]。
浸湿时间是指测试开始后织物的表层与底层分别开始湿润的时间,以 s 为单 位 记 录 湿 润 曲 线。吸水速度是指织物表层和底层的平均吸收水分的能力,即注水 时 间 内 含 水 率 变 化 曲 线 的 平 均 斜 率 值。最大浸湿半径是指织物表层与底层的最大浸湿半径。液态水分扩散速度是指织物表面浸湿后扩散到最大浸湿半径时沿半径方向液态水的累积传递速度。累积单向传递能力是指织物表、底层累积水含量的差值。整体液态水分管理能力是反映织物整体液态水分管理能力的指标。
实验过程中将预处理的试样放在液态水分测试仪的 2 个 上 下 同 心 的 感 应 器 之 间,每 种 面 料 测 试10 个子样,每 次 测 试 在2 min内 完 成。对 每 组 样 品的异常值进行数据剔除,然后分别求平均值,数值按GB /T 8170—2008《数 值 修 约 规 则 与 极 限 数 值 的 标示和判定》约到 0. 01。

2 结果和讨论
2. 1 实验数据分析
2. 1. 1 防水透湿机织物
表 2 示出 3 种机织物表层 /底层的 浸 湿 时 间 和吸水速度。机织物表层的浸湿时间均较短(5 ~ 19 s为中速) ,吸 水 速 度 都 比 较 快 ( 50 ~ 100% /s 为 快速) ,底层浸湿时间远远长于上表面,吸水速度也较慢(0 ~ 9% /s 为非常慢)。可见织物表层浸湿后,汗液不能很快地传递到底层,说明经过透湿和 TPU 涂层处理的锦纶机织物的透湿性能较差,而底层均具有较强的防水 性 能。TPU 涂 层 处 理 的 织 物 WF2 和WF3 表、底 层 的 吸 水 能 力 相 当。比 较 而 言,织 物WF1 表层的吸水速度较快,说明表层具有较强的水分吸收能力。这主要是因 为 织 物 WF1 经 过 透 湿 整理后表面能增大[9],使得织物与水分接触时表面能够快速地浸湿。
 3 示出 3 种机织物的最大浸湿半径和液态水分扩散速度。3 种机织物底层最大浸湿半径和水分扩散速度均为 0,表层都相对较小(0 ~ 7 mm为非湿润,0. 0 ~ 0. 9 mm /s为 非 常 慢) ,其中经过透湿处理的斜纹织物 WF1 表层水分扩散速度快于织物 WF2,织物 WF2 又快于 WF3。这主要是因为织物 WF2 面密度较小,使得液态水分在织物表面扩散的阻力小,较易进行扩散。以上结果表明,3 种机织物吸湿后,水分不能迅 速 地 在 其 表、底 层 扩 散,液 体( 汗 液) 不易从织物贴近皮肤的一侧传递到外侧并迅速蒸发干燥,可见经过透湿和 TPU 涂层处理的锦纶机织物表现出较差的水分扩散性能。
表 4 示出 3 种机织物的累积单向传递能力和整体液态水分管理能力。其累积单向传递能力都很弱( < - 50% 为 差) ,斜 纹 织 物 WF3 相 对 于 平 纹 织 物WF2 具 有 较 好 的 水 分 单 向 传 递 能 力,由 此 可 见,虽然织物的成分和处理方法相同,但由于组织结构不同,织物的湿传递性能也存 在差异。 另 外,织 物WF2 和 WF3 相较于透湿处理的 WF1 具有较差的水分单向传递能力和管理能力。这主要是因为由锦纶纤维织成的织 物 WF2 和 WF3,表 层 的 TPU 涂 层 在织物的表面施加了 1 层连续的微孔膜,使得织物表面的空隙被涂层剂封闭或减少,水分子不易穿透涂层进入到织物的另一侧,从而说明织物表面处理方法对织物动态水分传递能力的影响较为明显。
2. 1. 2 防水透湿针织物
表 5 示出针织物的浸湿时间和吸水速度。织物KF1、KF2 和 KF3 表层的浸湿时间相对于底层较长,说明这 3 种针织物表层浸湿能力皆强于织物贴近皮肤的 一 侧,尤 其 以 织 物 KF1 表 现 最 为 突 出。织 物KF1 内表面吸水速度较慢,而外表面非常迅速,说明水分在其外表面能很快地转移。这主要是由于 KF1为 CoolMax 纤维和涤纶纤维混纺织物,CoolMax 纤维扁平型的四凹槽截面使相邻纤维易于靠拢,形成毛细管效应强的细小芯吸管道多,加上较大的比表面积[10],使得汗水排到织物外表面的同时,能 够 快 速地蒸发到周围的空气中。织物 KF2 表、底层的吸水速度都比较快,说明经过吸排助剂处理的涤纶纤维织物表、底层均具有较强的透湿性能。这主要是因为 KF2 相对于 其 他 织 物,其 面 密 度 较 低,使 得 液 态水能较快地通过织物纱线间的孔隙和纤维间的孔隙从分压高的织物表面向分压低的另一侧渗透。当人体显著蒸发出汗时,织物 KF2 能较快地将人体与织物接触表 面 的 汗 液 吸 收 并 传 递 到 外 侧。织 物 KF3外表面吸水速度远低于 KF2,但其织物内表面吸水能力却非常强,说明层压 TPU 薄膜比吸排助剂处理更易达到吸 湿 排 汗 的 效 果。织 物 KF4 表 层 吸 湿 能力较强且吸水速度也较快,相反其底层吸水速度很慢且很难浸湿。
表 6 示出针织物的最大浸湿半径和液态水分扩散速度。织物表、底层最大浸湿半径从大到小排序为 KF2 > KF1 > KF3 > KF4,前 3 种织物底层的最大浸湿半径和液态水分扩散速度均大于表层,而织物KF4 反之,由此说明织物 KF1、KF2 和 KF3 底层的水分扩散能力均强于织物的表层,织物 KF4 底部层压的透明膜阻碍了水分向织物内部和表层的扩散。水分在织物 KF3 表层的扩散速度慢于 KF2,但底层却比 KF2 稍 快,为6. 97 mm /s。表 明 当 液 态 水 分 子 进入到织物表、底层时,水分子能够在织物表面迅速扩散并干燥,以减少贴近肌肤一侧水分的积压,缓释衣物穿着时的 不 舒 适 感。这 主 要 是 因 为 织 物 KF3 是将普通涤纶织 物 与 TPU 薄 膜 通 过 层 压 工 艺 复 合 在一起的织物,不仅保留了涤纶织物原有的功能,更增加了 TPU 薄膜透湿亲水的特性。
 7 示出针织物的累积单向传递能力和整体液态水分管理 能 力。3 种 织 物 KF1、KF2 和 KF3 都 具有很强的液 态 水 分 累 积 单 向 传 递 能 力 ( > 400% 为极好)和整体液态 水 分 管 理 能 力(0. 60 ~ 0. 80 为 非常好) ,其中织物 KF1 和 KF2 的能力相当,说明罗纹组织结构的 CoolMax 纤维织物与经过吸排助剂处理的涤纶纤维织物同样能够达到织物所要求的动态水分传递性能;织物 KF4 的累积单向传递能力和液态水分管理能力都较差,这主要是因为由锦纶纤维织成的针 织 物 KF4,底 部 层 压 1 层 TPU 透 明 膜,导 致水分滞留于织物贴近皮肤的一侧,不能较迅速地扩散并传递到织物外表面。
2. 2 结果与讨论
2. 2. 1 透湿处理与 TPU 涂层处理机织物
图 1 示出织物 WF1 和 WF3 的水含量随时间变化的情况。由图可知,2 种织物表层均于12 s左右开始浸湿,25、30 s时 2 种织物水含量分别达到最大值1 117. 6% 和1 084. 6% 。经过透湿处理的织物 WF1单向传导水分的能力和动态传递性能都非常差,贴近皮肤的一侧具有良好的吸湿性,但外表面却很难浸湿,水含量 仅 为 50% 。这 主 要 是 因 为 WF1 是 斜纹锦纶机织物,经过透湿整理后,其内表面能增大,织物与水接触时,织物表面上的水分能迅速地向四周扩散,形成一定的散湿面积,但是经过处理的织物纱线间的空隙减小,机织物的毛细效应较差,使得水分从表层向底层传递的速度较慢,较难散湿。
WF1 和 WF3 虽然同为锦纶织物且都是斜纹组织结构,但由于织物表面性能不同,织物的性能也存在着差异。WF3 是经过 TPU 涂层处理的织物,其各项指标都比 WF1 小,实验完成后底层仍处于干燥的状态。这主要是因为连续的涂层材料及无孔薄膜表面及本体为均匀致密结构[11 - 12],通过在涂层上经过特殊方法形成的微孔结构或涂层剂中的亲水基团与水分子作用。人体穿着该面料制成的衣物运动出汗后,皮肤表面的汗水开始蒸发,蒸发的水气扩散并聚集在服装与人体之间的衣下微气候中,使衣下微气候的气浓度升高[13],织物却不能及时地将汗液传递到外表面并蒸发到周围空气中,导致衣内湿度增加,造成穿着时的热感和黏湿感。图 2 织物 KF1 和 KF3 水含量随时间变化情况Fig. 2 Water content vs time of fabricKF1 ( a) and fabric KF3 ( b)
2. 2. 2 CoolMax 纤维与层压 TPU 薄膜针织物织物 KF1 和 KF3 表层 /底层水含量随时间变化的情况如图 2 所 示。织 物 KF1 表层和底层分别在40 s和5 s时 开 始 浸 湿,表 层65 s时 水 含 量 达 到 最 大值,接近 200. 0% ,底 层55 s时 水 含 量 为1 892. 0% 。
织物 KF1 底层浸湿时间较长,吸水速度和水分扩散速度较慢,而表层具有较强的浸湿能力、较快的吸水速度和水分扩散速度,且织物具有较强的单向传递能力和液态水分管理能力。这主要是因为 CoolMax纤维织成的织物 KF1 是一种新型异截面聚脂纤维,它的截面呈扁平型的凹凸槽结构,并有 4 条排管道形成许多毛细效应较强的细小芯吸管[14],能够改善水分疏 导。与普通圆形纤维的横截面不同,KF1纤维比表面积较大,当织物底层被汗水浸湿,汗水扩散至该织物表层后,能快速蒸发到周围大气中去,具有优良的导湿快干性能。
与 KF1 一样,层压 TPU 薄膜织物 KF3 也是罗纹组织结构,二者表、底层的液态水分扩散速度相当,其单向传递能力和液态水分管理能力均较强,尽管其底层吸水速度远不及织物 KF1,水 含 量 最 大,为1 742. 8% ,但表层吸湿能力明显优于织物 KF1,12 s时 开 始 浸 湿,到 25 s 时水含量达到最大,为1 400. 0% 。说明水分子在织物底层能够迅速地浸湿并传递到 表 层。这 主 要 是 因 为 TPU 薄 膜 的 透 湿主要通过其亲水特性来实 现,按 吸 附—扩 散—解 吸的方式将水气分子由高湿度侧传递到低湿度侧[15]。
人体穿着该面料制成的服装,在运动时产生的汗液能够通过面料迅速地向外传递,并加速液态水分的蒸发,从而保持身体的干爽和舒适。图 3 织物 WF3 和 KF4 水含量随时间变化情况Fig. 3 Water content vs time of fabric WF3 ( a)and fabric KF4 ( b)
2. 2. 3 TPU 涂层机织物与层压 TPU 透明膜针织物图 3 示出织物 WF3 和 KF4 表、底层水含量随时间变化的情况。织物 WF3 在 12 s 时开始浸湿,水含量达到最大值1 084. 6% 时仅为30 s,但 其 底 层 却 处于干燥状态,属于快速吸收缓慢干燥的织物。WF3是 TPU 涂层工艺处理的锦纶纤维机织物,其组织结构比较紧密,表层具有较强的吸收水分的能力,虽然吸收速度很快,但是水分扩散的面积比较小,扩散速度也非常慢,织物底层不易浸湿,水分也不易扩散。TPU 涂层处理的机织物限制了人体汗液的蒸发,并使水气凝结在织物的底层,如贴身穿着易导致穿着时的不适感。KF4 是底部层压 TPU 透明膜的锦纶针织物,织物质地松软,其累积单向传导能力和液态水分管理能力与织物 WF3 相似,织物的透湿性能和动态水分传递能力均较差。尽管织物 KF4 在8 s时 表 层 就 开始浸湿,但 到 2 min 结束时水含量才达到最大值1 077. 2% 。因为织物 KF4 的底部薄膜表面无孔,其防水性来自薄膜本身的连续性 和 较 大 的 膜 面 张力[16],液态水分 子 不 易 进 入 到 纤 维 内 部,同 样 外 界的雨水也很 难 进 入 到 织 物 的 内 部,防 水 效 果 很 好。人体穿着此类织物制成的服装时,皮肤表面的汗水一部分蒸发扩散,另一部分水分子则凝结在服装面料中的纱线表面,不易从贴近皮肤的一侧传导至服装外表面。

3 结 论
织物 WF1、WF2、WF3 和 KF4 表 层 浸 湿 时 间 比较短,吸水速度都较快,而底层却很难浸湿,且水分在织物 表、底 层 的 扩 散 速 度 和 半 径 均 较 小。织 物KF1 底层浸湿能力远远强于其表层;织 物 KF2 表、底层吸湿能力较强且吸水速度也较快;织物 KF3 底层吸水速度较慢,但其表层吸水能力却非常强;织物KF1、KF2 和 KF3 底层的水分扩散能力均强于织 物的表层。
实验表明,经过透湿和 TPU 涂层处理的锦纶机织物的透湿性能和水分扩散性能较差,而底层均具有较强 的 防 水 性 能。罗纹组织结构底部层压 TPU透明膜的锦纶 针 织 物 和 TPU 涂 层 锦 纶 斜 纹 机 织 物的透湿性能和动态水分传递能力均较差。TPU 涂层处理的斜纹锦纶机织物相对于平纹织物具有较好的湿传递能力;另外织物表面处理方法不同对织物动态水分传递能力的影响较为明显。
机织物经透 湿 处 理 比 TPU 涂层处理更易达到透湿的效果,而实际生产过程中,TPU 涂层织物外表面具有较好的防水功能。实验结果表明,层压 TPU薄膜与 CoolMax 纤维织物整体液态水分管理能力均较好,同样能够达到织物所要求的水分传递性能,而层压 TPU 薄膜织物表层的水分吸收能力比 CoolMax纤维织物 优 越。为 达 到 透 气 透 湿 效 果,CoolMax 织物作为底层,外 表 面 层 压 TPU 薄 膜,二 者 可 组 合 成2 层或者 3 层,或 者 可 将 这 2 类面料制成的服装搭配穿 着,内 层 穿 CoolMax 织 成 的 服 装,外 层 穿 层 压TPU 薄膜的服装来达到防水透湿的效果。

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