（纺织材料与纺织品设计专业论文）cool+max织物湿舒适性研究及产品开发.pdf

摘要 摘要 服用纺织品的湿舒适性能是影响着装人体舒适性的重要因素。本 文首先对杜邦公司丌发的c o o l m a x 纤维的导湿性能和一般物性进行 了测试研究；其次，从湿传递过程出发，分析探讨了织物的湿传递机 理，并从水蒸汽吸附、毛细运输、凝结、扩散、表面蒸发性能等方面 分析了c o o l m a x 的传湿性能；然后研究了纱线捻度、织物结构对毛细 效应的影响；在此基础上设计开发了几个c o o l m a x 功能性织物品种， 实测了c o o l r a a x 织物的导湿性能和静态、动态湿舒适性能，研究结果 表明：纤维原料结构、织物孔隙率、厚度是影响织物湿舒适性的主要 因素。 关键词；c o o l m a x ，芯吸效应，舒适性，湿传递性能，织物结构， 微诋一 a b s t r a c t a b s t r a c t m o i s t u r ec o m f o r tp r o p e r t i e so ft e x t i l ef a b r i ca r et h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h es u b j e c t i v ec o m f o r t i nt h j sp a p e r ， f i r s t l y ，t h em o i s t u r ec o n d u c t i o na n do r d i n a r yp h y s i c a lp r o p e r t i e so f c o o l m a xf i b e r sm a n u f a c t u r e db yd u p o n ga r et e s t e da n ds t u d i e d ：s e c o n d l y ， t h em e c h a n i s mo ft h ef a b r i cm o i s t u r et r a n s p o r ti ss t u d i e do nt h eb a s i s o fm o i s t u r et r a n s p o r tp r o c e s s ，i na d d i t i o n ，t r a n s p o r t i n gm o i s t o r e p r o p e r t i e so fc o o l m a xi na d s o r p t i o no fw a t e rv a p o r ，c o n d e n s a t i o no l w a t e rv a p o r ，w a t e rt r a n s f e ri nc a p i l l a r y ，d i f f u s i o no fw a t e rv a p o r a n d w a t e rv a p o r i z a t i o no nf a b r i c s u r f a c ea r e a n a l y z e d ：f i n a l l y ，t h e i n f l u e n c e so fy a r nt w i s ta n df a b r i cc o n s t r u c t i o nu p o nc a p i l a r ye f f e c t a r ed i s c u s s e d 0 nt h i sb a s i s s e v e r a lv a r i e t i e so fc o o l m a xf u n c t i o n a l f a b r i c sa r ed e s i g n e d a n dt h em o i s t u r e c o n d u c t i o np r o p e r t i e s a n d s t a t i c d y n a m i cm o i s t u r ec o m f o r to fc o o l m a xf a b r i c sa r et e s t e d ，t h e r e s u l t si n d i c a t e t h a tm o i s t u r ec o m f o r t p r o p e r t i e s a r e m a i n l y d e t e r m i n e db yf i b e rc o n s t r u c t i o n ，p o r ep e r c e n t a g ea n dt h i c k n e s so t f a b r i c s 1 1 阳l 龋：c o o l m a x ，w i c k i n g ，c o m f o r t ，m o i s t u r et r a n s p o r tp r o p e r t y f a b r i cc o n s t r u c t i o n ，m i c r o c l i m a t e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 服装穿着舒适性 随着社会的发展和科学技术的进步，人们生活水平的日益提高，舒 适性在服装服用性能中的地位愈来愈显著，人们对服装的要求已不再满 足于结实耐穿，或款式新颖，而是人体的舒适性要求，服装舒适性除形 态尺寸上的舒适性，即不防碍人体自由活动外，还包括对人体的保护作 用，在通常情况下，保持人体抵御大自然的气候变化，维持适宜的服装 内微气候，使人体在正常的生理活动下，维持恒定的体温。在运动、探 险、执行军事任务等方面，常要求探索人员在极端恶劣环境下，可能达 到的极限工作效率，这就对服装提出了更高、更为特殊的要求。希望能 在一般环境和作业条件下使着装者穿着舒适，在严酷条件下仍保持较好 的工作效率和战斗力。事实上，舒适性是一个很复杂、多方面的问题， 是由许多物理的、生理的、及心理的各种因素相互作用的结果。 服装穿着舒适性分为主观和客观意义上的舒适性。主观方面指心理 上的舒适性，包括服装的颜色、款式、质地、手感等指标，由我们的感 官所感知，常由着装者的习俗喜好决定其舒适与否。客观意义上舒适性 包括： ( 1 ) 热舒适性：指服装具有的散热( 保暖) 性，维持人体于舒适温度 状态下的一种能力。 ( 2 ) 湿舒适性：指服装具有将人体着装产生的汗液及时地导走，在舒 适的温度下维持人体排出的汗液和服装传导蒸发水汽总的平衡，使皮肤 表面无汗液流动，微气候区湿度不致于过高，人不感觉闷的舒适状态。 ( 3 ) 运动舒适性：指服装适应人体需要，使人体运动自如方便的能力。 它包括服装压力、服装材料延伸、弯曲、摩擦等约束等项内容。 ( 4 ) 接触热舒适性：指服装接触皮肤时，由于服装的导热，皮肤温度 骤升骤降幅度很小并很快平衡，内衣冬天没有接触冷感，夏天没有燥热 感。 第一章绪论 ( 5 ) 接触湿舒适性：指由于服装的吸汗、导汗，内衣裤不粘贴皮肤、 不影响活动、没有粘湿感，穿着松爽。 ( 6 ) 摩擦、刺扎舒适性：指内衣裤不太糙、也不太滑、不会摩擦损伤 皮肤、也不会产生“溜动”感觉；不刺瘁、刺扎、戳痛等生理感觉。 客观意义上的服装舒适性，其影响因素众多，有的与纤维材料、织 物组织结构、后整理工艺有关，有的与辅料有关，有的与款式、服装工 艺有关。但是，毋庸置疑，服装所表现的性能主要取决于材料的性质。 因此，织物所具有的性质是服装舒适性的基础，也是服装所表现出来的 保暖、吸汗导汗、吸湿散湿性能的基础，作为服装织物舒适性的研究， 需要把研究的重点放在服装材料一一纤维、织物组织结构的基础研究 上。图卜l 表明了影响服装织物舒适性的各种物理因素及它们之间的相 互关系。 区巫遁益鲴 $ i 热阻、湿阻、透湿性、透气性、 i 芯吸效应、沾湿性、导湿性、防水性 $ 织物的厚度、孑l 隙率 纱线直径、纱线密度、毛羽、混比、捻度 维种类、截面形状、纤维细度、纤维刚度、表面张力、排列形态 图1 1 1 - 2 国内外吸湿、导湿纤维材料和织物的研究概述 天然纤维的应用已有几千年的历史。随着人1 ：3 的增长和物质文明 程度的提高，天然纤维的数量和质量已不能满足社会发展的需要，1 9 3 6 年第一种合成纤维聚酰胺6 6 才问世，此后发明了涤纶、丙纶、腈 纶等合成纤维，合成纤维工业化的初期，为了改善合成纤维织物因疏水 2 第一章绪论 性而引起穿着时汗液蒸发困难、闷热、不透气的弊端，人们往往采用与 天然纤维或人造纤维混纺的办法。混纺的方法至今仍是各种混纺纤维间 相互取长补短，发展纺织品新品种的好方法。但对于提高织物的吸湿导 湿性却十分有限。而且随着合成纤维生产的迅速发展，应用不断开拓， 人们生活水平的不断提高，单靠混纺已不能满足需要。人们对服用纤维 材料的性能提出了更多、更高的要求，不仅要求服用纤维材料具有优良 的物理机械性能、挺括的外观和洗可穿用性、形状保持性等，还要求织 物具有良好的穿着舒适性、卫生性和便于运动的全面功能。特别是对于 夏服、军服、运动服、贴身穿着的衣服，这些尤其强调穿着舒适性的服 装更是如此。近年来国内外功能性材料发展迅速，人们对如何提高化纤 的吸湿导湿性作了许多深入的研究，归纳起来主要有以下几种方法：1 化学改性( 1 ) 在聚合时添加亲水性物质；( 2 ) 与亲水性物质共混；( 3 ) 纤 维或织物进行表面亲水性处理；2 物理结构的改变( 1 ) 对聚酯纤维进 行碱减量处理使表面凹凸化；( 2 ) 纺丝时使纤维中空化、多孔化；( 3 ) 采 用特殊结构纱线、特殊的织物组织结构；( 4 ) 纤维超细化、使纤维间缝 隙变小，促进毛细现象，提高导湿性；( 5 ) 纤维截面的异形化，使纤维 间的毛细现象增加；3 涂层技术4 物理结构改变和化学改性相结合 的方法。表1 - 1 列出了几种典型的商品化的吸湿导湿功能性材料 3 。 表卜1 纤维 生产厂商商标改性方法 种类 旭化成 y 一“( c i e b e t )l 形截面 东丽 j 。 于， 丙烯酸系单体接枝共聚 聚 a 1 1 i e d h y d r o f i 1聚乙二醇嵌段共聚 酰长钟纺 女，。 n中空及沟槽 胺钟纺 y 丁uzn 亲水性聚合物共混纺丝 纤东丽 廿，b c 一2二叶截厦丝包缠棉纱 维 缒 东丽 j l - x 1 j 才一j 异形截面 钟纺 y 丁7 - 步一x亲水化处理 龙尼吉卡 工f ，口五 亲水化处理 中国纺人高吸湿聚酰胺聚乙二醇嵌段共聚 第一章绪论 续表1 1 钟纺 缶于， 中空及表面沟槽 i 菱人造丝 工f 子 中空及表面沟槽 帝人 w e l i k e y中空及表面微细孔 长东丽 7l i 一0i 中空 聚东洋纺 工z 水儿4 异形裁面 东丽 七才d 异形截面 酯 垂幺 旭化成 一“e异形截面 可乐丽 工，世 亲水性聚合物复合异形 纤帝人工7 口力吵七儿f 于4 高中空度 中国纺大多孔吸水涤纶中空微孔 维杜邦c o o i m a x四凹槽异形截面 可乐丽 y7 工夕 表面处理 短东洋纺 工z 于u 一9 - 中空 纤三菱人造丝 y 儿卜t 异形截面 维 钟纺 7 ，矿二，nj l 中空及亲水改性 帝人w e l i k e y中空微j l 杜邦 c o o l m a x 四凹槽异形截面 聚 b a y e r d u n o v a中空及表面微细孔 丙短钟纺a q u a l o n中空及表面微细孔 烯纤东洋纺n 一3 8水解并交联 腈 维 钟纺 7 i ，7 口y 多孔 纤东丽 廿，一寸 表面处理 维 1 3c o o l m a x 的研究发展背景及应用 1 - 3 1c o o l m a x 的研究发展背景 涤纶纤维1 9 5 3 年才开始工业化生产，在三大合纤中工业化生产最 晚，但发展速度最快，涤纶纤维具有一系列优良性能，如断裂强度和弹 性模量高，回弹性适中，热定形优异，耐磨性能好，耐霉、耐虫蛀，贮 存方便，有着广泛的服用和产业用途，目前，涤纶纤维已成为发展速度 最快、产量最高的合纤品种。但普通涤纶纤维是一种典型的疏水性纤维， 作为衣用材料尤其是贴身衣用材料，它的穿着舒适性很差，尤其是当人 体出汗时排汗困难，给人闷热不适的感觉。因此，人们在改善涤纶的吸 湿导湿性方面进行了大量的研究工作，改善涤纶的吸湿导湿性方法如前 所述有物理结构改变和化学改性及物理、化学改性相结合等几种方法。 4 第一章绪论 事实上，近二十年来，美、日、德等国多年研究，发现并不是天然纤维 或高吸湿纤维穿着舒适，尤其是在炎热的夏天或从事剧烈运动出大汗的 情况下。因为高吸湿纤维服装，虽能吸收人体分泌的汗液( 汽) ，但一件 服装能吸收的水汽( 份) 量是有限的。高吸湿纤维吸附水结合能较大( 吸 湿微分热和吸湿积分热高) ，不易蒸发，将长期保持粘湿状态，而吸湿 性低( 或不吸湿) 的功能性疏水性纤维，虽然本身不吸湿，但导湿、透湿 性强，有利于汗汽( 液) 的排出。c o o l m a x 纤维就是一种导汗、快干、凉 爽舒适的异截面聚酯纤维，这种纤维具有独特的四凹槽排汗管道，通过 排汗管道的芯吸作用( 毛细作用) ，将汗水迅速导引至织物表面，保持皮 肤表面不粘附汗液形成干燥表面，而且由于纤维本身不吸湿，纤维表面 上的汗液能迅速蒸发掉，保持人体干燥、舒适。 1 3 2c o o l m a x 的应用 c o o l m a x 织物的应用领域包括如下几类： ( 1 ) 运动服 由于c o o l m a x 织物的导汗排汗、透气性能好，可以满足运动时的 导汗排汗、凉爽要求，它可制成排球运动服、足球运动服、网球服、跑 步服装、登山服、高尔夫球衫、乒乓球衫等休闲运动和竞技体育运动服 装。许多国际著名运动衣品牌，如a d i d a s ，n i k e ，r e e b o k ，p u m a ，m i z u n o ， a s i c s 都采用了c o o l m a x 纤维的织物。 ( 2 ) 休闲服、衬衣、汗衫、短裤、t 恤衫等夏服织物以及外衣衬里 布料、内衣等 ( 3 ) 鞋、帽、手套、袜子等 1 - 4 本课题研究的内容及意义 1 4 1 本课题研究的内容 对c o o l m a x 纤维的结构性能进行测试研究； 从湿传递过程出发，分析织物湿传递机理，并从影响织物湿传 递性能的各方面分析c o o l m a x 的湿舒适性； 研究纱线结构、织物结构对毛细效应的影响，探讨用舒适性理 第一章绪论 论指导c o o l m a x 织物的功能设计； 对c o o l m a x 织物的导湿性能和湿舒适性能进行全面系统的测试 分析，研究织物湿传递、湿舒适性能与纤维原料、织物结构的关系。 1 4 2 本课题研究的意义 由于受当时国家的经济状况和科学技术发展水平的制约，8 7 式服 装舒适性不够理想，尤其夏服舒适性较差，而夏季气候炎热，军人作战 和训练时，强度大，出汗量大，导湿透湿性差的织物，直接影响军人的 体能发挥，影响战斗力。因此，从事本课题的研究，对于竞技体育运动 服的国产化；军品提高在严酷环境下的可耐受极限，发挥战斗力：民品 提高舒适性；促进涤纶新品种的开发无疑具有重要的现实意义和价值。 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 第二章c o o l m a x 纤维的一般结构性能 2 1c o o l l m x 纤维的形态结构 2 1 1c o o l m a x 纤维的纵、横向截面形态 c o o l m a x 纤维属聚对苯二甲酸乙二酯纤维，是杜邦公司研究开发的 四条排汗管道的异截面聚酯纤维。图2 - 1 是c o o l m a x 纤维的纵、横截面 形态电镜照片图，从纵、横截面图上可以看出c o o l m a x 纤维为扁平型的 四凹槽截面结构，这种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，由2 1 3 的测试可知，这种纤维的比 表面大，就是这种结构赋予了c o o l m a x 纤维优异的导汗、排汗、快干性 能。 ( a )( b ) 图2 一【c o o l m a x 纤维的纵、横截面形态电镜照片图 2 1 2c o o l m a x 纤维的长度、线密度 c o o l m a x 现有长丝和短纤维两种类型，本课题研究的是t - 7 0 9 w 型 的c o o l m a x 短纤。c o o l m a x 纤维的长度是采用切断称重法测定的，测试 条件是在2 0 。c ，6 5 r h 的环境下，按着国标进行测定的。c o o l m a x 纤维 的线密度的测定也是在2 0 ( 2 ，6 5 r h 的条件下，采用中断切取法按着国 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 标测定的。测试结果见表2 1 。 表2 1 测试结果 测试项目测试结果 长度( m m ) 3 8 4 细度( d t e x ) 1 6 回潮率( ) 0 4 干热收缩率( ) 2 8 9 沸水收缩率( ) 2 3 5 拉伸断裂强力( c n ) 3 8 4 断裂伸长率( ) 5 5 6 2 4 2 初始模量( c n d t e x ) 2 1 3 比表面积 测量方法与步骤： ( 1 ) 照片、复印放大； 用显微投影仪放大2 4 0 倍，并将投影放大的纤维截面图摄制在黑 白像纸上或用笔描绘下来，本实验采用用笔描绘，再复印放大1 0 倍。 ( 2 ) 测量截面面积与外周； 用剪纸称重法或用求积仪测纤维截面面积a i ；用柔性尺测纤维截 面周长，或剪取很薄的外周测其长度；或用几何方法计算外周长l 。 ( 3 ) 求纤维实际的截面面积、截面外周长、比表面积。 ( 4 ) 求同特数( 细度) 圆形截面纤维的比表面积。 ( 5 ) 求异形截面的比表面积同特数圆形截面的比表面积之比。 下面具体测试了1 6 d t e xc o o l m a x 纤维，及同细度圆形、三叶形、五叶 形涤纶的比表面积。 1 6 d t e xc o o l m a x 纤维的比表面积 纤维放大2 4 0 0 倍后截面面积和周长的平均值分别为： 6 4 2 7 6 c m 2 ， 1 0 8 4 1 5 c m 。 则纤维实际截面面积和周长分别为：1 1 1 5 9 a n2 ，4 5 1 7 a n 比表面积s ( 单位体积纤维的外表面积) 塾亘丛旦竖；! 墨旦 截面面积 1 1 1 5 9 = 4 0 4 7 8 ( c m 。1 ) 比表面积s ：( 单位质量纤维的外表面积) 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 2 翥鬻鬈淼= 等翊s ，以耐憎截面面积纤维长度纤维比重 ， ” 1 6 d t e x 圆形截面涤纶纤维的比表面积 比表面积s =壅堕箜旦篓堑堡墨窒：堕上 截面面积纤维长度 蒯2 l 4 = d 蠛面确2 意嚣篙淼= 嵩= 等 肚2 s 。厚锄) 比表面确2 昙= 志j 忐= 志j 等瑚吧婶卅1 ， 比表面积s z 2 等。百彖j 丙三了2 z ，s s 石。，g ， 1 6 d t e xc o o l n a x 纤维的比表面积与同特数圆形截面涤纶纤维的比 表面积之比为2 9 3 3 2 2 3 8 5 6 = i 2 2 9 5 同样方法，可求得1 6 d t e x 五叶形、三叶形涤纶的比表面积及 其比表丽积与同特数圆形截面涤纶纤维比表面积之比值。测试结果见表 表2 - 2 比表面积异形截面表面积 纤维种类截面形状 s l ( c l l l 一1 ) s 2 ( c m v g )圆形截面表面积 1 6 d t e x c o o l m a x 四凹槽 4 0 4 7 82 9 3 3 2i2 2 9 5 1 6 d t e x 涤纶 五叶形 3 8 3 22 7 7 6 8 i 1 6 4 1 6 d t e x 涤纶三叶形3 6 4 8 9 6 2 6 4 4 1 1 0 8 4 1 6 d t e x 涤纶 圆形3 2 9 2 i2 3 8 5 6 l 从表2 2 中可以看出，c o o l m a x 纤维的比表面积较大，比三叶形、五 叶形的比表面积都大。 9 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 2 2c o o l m a x 纤维的一般性能 2 2 1c o o l m a x 纤维的拉伸断裂强力、拉伸断裂伸长率、初始模量 单纤维强伸度测试采用y g 0 0 1 型单纤维电子强力机，夹距2 0 r a m ， 拉伸速度2 0 m m m i n ，预加张力0 0 7 5 c n d t e x ，测试根数为5 0 ，测试得 到平均断裂强力6 1 6 c n ，断裂伸长率5 5 6 ，相对断裂强力 3 8 4 c n d t e x ，初始模量2 4 ，2 c n d t e x 。 图2 2 是c o o l m a x 纤维的拉伸变形曲线图。 图2 - 2c o o l m a x 纤维的拉伸变形曲线图 图2 - 3 ，图2 4 是c o o l m a x 纤维拉伸断裂强力和断裂伸长率频数分 布图。可以看出，c o o m a x 纤维强力比较集中，大多数都在6 、7 c n 左 右，最小强力5 2 c n ，最大强力7 8 c n ，断裂伸长率的分布从2 8 1 7 9 2 ，呈较为均匀的右偏分布，无特别显著的峰值，最大频数出现在 6 3 5 。 第二章c o o l m a x 纤维一股结构性能特点 捌嘲酗髟口 图2 - 3 拉伸断裂强度分布 频 数 图2 4 断裂伸长率分布 2 。2 。2c o o l m a x 纤维热收缩率 单纤维热收缩率测试采用y g 3 6 5 型单纤维热收缩仪，预加张力 0 1 2 1 c n ，干热处理条件为1 8 0 ，3 0 m i n ( 烘箱内) ，试验次数为3 0 次， 沸水处理条件为1 0 0 。c ，3 0 m i n ( 沸水中) ，试验次数为3 0 次，测得c o o l m a x 的干热收缩率为2 8 9 ，沸水收缩率为2 3 5 。从测试结果来看，c o o l m a x 纤维的干热、沸水收缩率较小，遇到湿热处理时，尺寸稳定性好，其物 理机械性能也好。 2 2 3c o o l m a x 纤维的导湿快千性能 图2 - 5 和图2 - 6 来源于德国h o h e n t e i n 研究所对c 0 0 1 m a x ，尼龙， 棉，化学处理布料的测试结果，织物规格见表2 - 3 “。 表2 3 经纱细度纬纱细度 p j xp t 克重厚度 品种 组织 ( r e x )( r e x )( 根1 0 c m )( g c m 2 ) ( m ) 丙纶平纹 3 3 53 3 3 2 3 0 2 1 91 7 1 60 3 5 7 尼龙平纹 3 3 53 3 32 3 1 2 1 8 1 6 9 80 3 4 8 棉 平纹3 3 53 3 3 2 3 1 2 1 9i 7 2 50 ，3 4 9 化学处理 布料 平纹 3 3 53 3 32 3 0 x2 1 8 1 7 1703 5 2 c o o l m a x平纹 3 3 53 3 32 3 0 2 1 91 7 2 7 0 3 5 7 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 铸 丑 、 镁 啦 * 图2 - 5c o o l m a x 织物与丙纶、尼龙、棉液态水传递性能比较 图2 - 6c o o l m a x 与其它面料干燥3 0 分钟后的水份减少比率 2 第章 c o o l m a x 纤维般结构性能特点 从图2 - 5 和图2 - 6 中可以看出，c 0 0 1 m a x 织物液态水传递能力和干 燥速率比其它面料都好，传递水分多，能将汗水迅速传叠织物外，开快 速惩发。图2 6 所不，c o o a x 织物在三十分钟后d 完k - f 一透，l 匕纯蝴 织物快两倍。 图2 7 为c o o l m l x 纤维截向放大图 倒27c o o l m a x 纤维截面放大剀 从斟2 7 中可以看出，c 0 0 1 m a x 纤维只有扁平型的p q 凹槽管道结构， 就是这种四凹槽管道结构加快了汗液的迁移干丌扩散，当人体出汀时，皮 肤表面的汗水由于四凹槽管道的毛细作用，沿着c o o l m a x 纤维表面的p u 凹槽管道迁移、流动，传输到织物外表面。毛细现象的产生是由于毛细 管中液面弯曲产生一定的附加压力，在这种附加压力的作用下，液体发 生迁移流动。这些附加压力由液气界面张力引起。根据拉普拉斯 ( l a p l a c 9 ) 方程 。：望 、 月 p 2 7c o s 旦 p 。附加压力( p a ) ：r 毛细管当量半径 l 矧2 8 + | l b 地 y = 只 面月弯形球于对 上咖一c i l r 叉 舯 第二章c o o l m a x 纤维一般结构性能特点 r t 弯曲面一轴向的曲率半径：r r 弯曲面另一轴向的曲率半径； y 液气界面张力( n m ，2 0 c 水为0 0 7 2 5 n m ) 。 另外c o o l m a x 纤维的比表面积大，比同特数普通圆形截面的表面积 大2 3 ，而且c o o m a x 纤维本身并不吸湿，所以汗水排至织物表面后很 快被蒸发掉，织物里外都是干爽的，并且纤维具有特殊的形状结构，纤 维间的空隙大，透气性能好，使穿着者感到凉爽、舒适。其实，织物导 湿、快干性能是织物舒适性的两个主要方面。衣服不仅要能把人体产生 的汗液迅速导引走，传输到织物外表面，而且要能快速蒸发，这样衣服 才会始终是干爽的。人才会感到舒适。若衣服只吸收汗水，而不能快速 蒸发，终究衣服的吸水量是有限的( 例如一件棉内衣，重1 6 0 克，由标 准状态到饱和回潮率即从回潮率8 到2 4 ，共可吸收汗水2 5 6 克， 而人体上身每小时排汗量约为1 0 4 克，激烈运动时的发汗量约为4 0 4 克， 吸汗量大约是人上身在有感出汗条件下不到1 5 分钟的发汗量或激烈运 动时3 8 分钟的排汗量) 。且沾湿的衣服会粘在身上，穿着者会感到粘 涩，闷热，极不舒适，甚至擦伤皮肤，严重影响穿着者的心理状态和运 动、训练效果。 1 4 第三章织物湿传递基本理论 第三章织物湿传递基本理论 3 1 织物湿传递性能研究回顾 早在三十年代，b a r r g 等人就已经开始研究透湿杯法。四十年代 中期，p e c r c e 、r e e s 、o g o l e n 等人发明了一种浸透性测定装置，利用 此装置可以直接求得水分的蒸发量，但耗时，且水分通过多孔圆筒的园 周面蒸发量不均匀，五十年代，有许多人注意到吸湿对于热传递的影响， 认识到只有当皮肤感到比较凉，又极少出汗时，能量的传递才只有通过 温差而引起，也知道了涉及织物舒适性的重要因素就是吸湿性。但对于 传湿性的系统研究尚没有。只是到了合成纤维大量应用的六十年代后 期，由于合纤织品蒸发汗液困难，闷热不透汽，为此，人们才开始重视 吸湿机理的研究，同时也开始重视对传湿的研究。w b p a l m e r 在1 9 5 3 年结合理论分析对纱线芯吸进行了研究，首先p a l m e r 在p e p p e r ( 1 9 4 6 ) 等人的基础上导出了在考虑重力作用但仍忽略惯性力存在情况下，纱线 芯吸高度与时间的关系。1 9 5 5 年，w e l a n 等在测量了大量的不同组织结 构织物的基础上，探讨了织物湿阻与织物厚度的关系及填充率与纤维性 能对传湿的影响。伍德科克( w o o d c o c k ) 在1 9 6 2 年提出了透湿指数来描 述服装的透湿性能瞳3 ；1 9 6 2 年，r f g o l m a n 将服装的克罗值与透湿指 数结合起来，提出了蒸发散热指数，并且根据生理学的知识提出了用热 阻值、透湿指数和蒸发散热指数作为服装的热湿舒适性的物理指标，具 有一定的影响。后来人们又进行了大量的研究，明确了影响透湿指数的 基本因素和规律。继而又有人提出了透汽率、透水指数、湿阻抗值等， 日本的铃木淳、大平通泰提出用湿度梯度法测量织物的湿阻抗r f 这一 理论；国内在这方面的研究起步较晚，1 9 8 3 年陈秋水、夏正兴提出了 一个衡量织物透湿性的指标一透湿指数“；1 9 8 4 年李毅又修改了原来 的湿阻指标，重新定义了一个湿阻；由于湿传递的研究尚不够广泛深入， 虽然透湿指数有局限性，但迄今为止，其他所有描述湿传递的指标都没 第三章织物湿传递基本理论 有得到人们的广泛认可。人们对传湿过程的机理已比较清楚，一些有关 水在织物中的吸收、传输与蒸发等湿传导方面的理论方程也已建立，但 仍有一些规律不很清楚，因为它是一个比传热更复杂的过程，还需对湿 传递继续进行研究。 八十年代以来，我国在此方面已作了大量的研究，我国西北纺织 工学院、中国纺织大学、天津纺织工学院等单位对织物的热湿传递性能 进行了广泛深入的研究，1 9 8 4 年西北纺织工学院纺材教研室研制了微 气候仪i 型，传热传湿能同时测量，提出了用当量热阻来描述服装材料 的热湿舒适性，并用舒适分数作为主观感觉评价指标，给出了这两个量 之间的经验公式幢“；1 9 8 6 年王云祥、赵书经等研制了微气候仪，提出 了用微气候区的温湿度来表示穿着舒适性；1 9 8 7 年姚穆、施楣梧等研 制了织物微气候仪i i 型；增加了精度较高的供热功率、湿流量测量系统 和外界环境模拟系统，提出了一种应用性指标一适用温度和适用湿度， 它对不同生理状态下的人体，在不同气候条件下选用合适的服装起定量 的指导作用。余风华把服装材料视为多孔体，系统论述了导热、对流、 流体扩散、毛细流动、蒸发、凝结等理论；1 9 8 9 年龚文忠博士研制了 空隙率测试仪器，织物传热传湿动态传递测试仪器，系统论述了织物结 构与其传热传湿性能的关系”“；1 9 9 1 年邱冠雄、张源等采用西德皮肤 模型的原理研制了能模拟人体皮肤出汗和体温的皮肤模型和织物液相缓 冲测试仪，并研究了针织物的热湿舒适性“；1 9 9 2 年吕志华等研究了 织物正反面结构不同时所引起的传热传湿方向性差异；1 9 9 5 年成玲就 针织物透湿性能与针织物组织结构参数以及针织物舒适性关系作了探 讨。1 9 9 6 年熊杰等在织物液态水传递研究中，利用铺展因子和湿散失 率两个模拟量，分析探讨织物结构特征参数和材料特征参数与织物液态 水传递性能的关系“。 国内外许多研究者利用出汗假人进行织物的热湿性能评价，美国、 德国、前苏联、日本都研制了出汗假人，我国的中国纺织大学也已研制 成功，出汗假人能模拟高温应激时的出汗功能，为研究人体一服装一环 境的复杂湿传递积累了大量的基础数据。推动了服装舒适理论的发展； 但由于人体出汗机制十分复杂，这些模拟系统只能作有限的研究与应 用，且出汗假人的研制费用十分昂贵，在我国推广使用还有很大困难。 第三章织物湿传递基本理论 3 2 织物传湿机理 3 2 1 显汗与非显汗 人体皮肤汗腺的排汗活动是持续进行的，即使人体在安静状态并且 处于常温和一般湿度下也会不断蒸发水分，只是人们感觉不到，因此将 这种水分蒸发称为无感出汗，又称为非显汗蒸发。非显汗并不是真正的 汗液，而是从汗腺孔内进行的水分蒸发。是表皮深层的体液，通过皮肤 向空气发散。通常情况下，非显汗数量很少，而且在皮肤表面就已经汽 化。如果蒸汽能顺利地透过衣服，人们就感觉不到湿气的存在。但如果 衣服严重阻碍湿气的通过，衣服内的湿气将积累到一定的程度而冷凝成 水，人体就感觉不舒适。当人体进行剧烈活动或处于炎热的环境中时， 人体就会明显的出汗，汗液以液态水形态遍及皮肤表面，甚至流淌，称 之为有感出汗或显汗，此时，汗液的蒸发成为人体维持热平衡的主要途 径。显汗不仅影响热平衡，而且影响皮肤触觉系统，严重影响服装穿着 的舒适性，显然，有感出汗时，更加需要织物具有良好的湿舒适性( 传 递液态水和气态水性能) ，特别是织物对水分吸附和泳移以及毛细管输 送作用。 3 2 2 织物中的水份 由于织物结构、纤维结构、纤维性质的原因，通常水在织物中可 按三种形式存在：( 1 ) 结合水。指的是纤维大分子与水分子通过氢键 或范德华力紧密结合的薄薄一层水，结合水的多少与纤维结构、化学组 成有关，如含极性基多的比含极性基少的纤维，结合水多：含极性基的 比不含极性基的纤维，结合水多：所以天然纤维、以及某些再生纤维， 如粘胶，就比合成纤维结合水要多。结合水与纤维问的结合最牢固，即 使在1 0 0 或o 。c ，都不会释放部分水，所以织物中带有结合水时，人 体并不感觉到它的存在。( z ) 中间水。它是吸附在结合水上的水分，是 由于与结合水分子之间存在氢键作用而被吸附在结合水之外，而不是与 纤维分子的结合，它们也不同于普通的水分子，它们的凝固点和沸点分 别要低于0 和高于1 0 0 。c 。当织物与皮肤接触时，它们会从皮肤吸热 而脱离织物。由于中间水要从皮肤吸热才能与结合水脱离，因此若有中 第三章织物湿传递基本理论 间水的存在，皮肤会有凉感。( 3 ) 自由水。它是中间水之外的水，呈自 由状态分布在纤维内部、纤维之间或纱线之间的空隙中，仅靠毛细作用 而保持的水分，与纤维和水都没有结合，与织物间的作用力最小，所以 移动和去除比较容易，它们在热力学上与普通水有相同的相变点。若织 物上存在自由水，则织物与皮肤接触后，这些水会迅速分配到皮肤表面 而使人感到潮湿。织物吸附的汗液，可以不同形式存在于织物中，所以 织物应具有：在皮肤的一侧应能快速吸收汗水；被吸收的水份能迅速传 递至另一面，由于汗腺分布的不均匀性，人体出汗具有局部性，对于薄 型织物而言，重要的是水份能迅速向四周扩展；快速地使汗水蒸发散逸。 尤其是合纤织物，织物中汗水大多以自由水形式存在，这就需要织物具 有优异的吸附、泳移、毛细管输送作用、快速蒸发作用。 3 2 3 织物中水分传递机理 水在织物中的传递可以是气态水也可以是液态水，皮肤表面无感出 汗时，汗液在汗腺孔附近甚至汗腺内蒸发成水汽，整个皮肤表面上看不 到汗液，这时通过服装织物的湿传导的初始状态是水汽，皮肤表面有感 出汗时，汗液分布在皮肤表面上，这时通过服装织物的湿传导的初始状 态是液态水。它们通过织物的湿传导通道不完全相同。主要有三种类型： 第类是汗液在微气候区中蒸发咸水汽，气态水经织物中纱线间和纤维 间的缝隙孔洞扩散运移到外空间。第二类是汗液在微气候区蒸发成水汽 后，气态水在织物内表面纤维中孔洞和纤维表面凝结成液态水，经纤维 内孔洞和纤维间空隙毛细运输到织物外表面，再重新蒸发成水汽扩散运 移到外空间。第三类是汗液通过直接接触以液态水形式进入织物内表 面，再通过织物中纱线间、纤维间缝隙孔洞毛细运输到织物外表面，再 蒸发成水汽，扩散运移到外空间。人体在无感出汗时，以第一类兼 第二类为主要方式；人体在有感出汗时以第三类兼第二类为主要方式， 此时，织物不仅要吸收水汽，且要吸收流动的汗水，并且能迅速地将其 运走。图3 一l 表示水分从皮肤表面经过织物到达织物表面蒸发过程 4 。 织物要具有优异的湿舒适性，则应具有很好的湿度调节能力。尤其是用 于体育运动或激烈运动、炎热气候条件下穿用的织物。即具有能迅速吸 收液态汗水，水份通过毛细管作用迅速转移至织物外表面；具有 第三章织物湿传递基本理论 姒毛孔申扩敞 然 解吸附+ + 聊渺吸附上 、反风么飚 鞠蛸案鲰 图3 一l 水份传递机理图 良好的透湿汽性能，并迅速将汗汽扩散、泳移至织物外表面；汗液在织 物外表面能快速蒸发散发到外空间中去这三个方面。无论哪一个方面的 好坏都直接影响织物的湿传递性能，进而影响织物的湿舒适性。 1 吸附和泳移 吸附和泳移可理解为水份及水蒸汽分子沿纤维表面的附着和转移 ( 输送) ，其便利程度取决于由纤维材料及后整理所确定的纤维表面的 亲水性、纤维比表面积的大小。c o o l m a x 纤维的表面积比普通圆形截面 的纤维表面积大2 3 ，比三叶形、五叶形的都大得多，且经过亲水处 理，因而c o o l m a x 纤维的吸附和泳移作用优异，能大量地从皮肤上运走 汗水。其中液相水的吸附，由于水量较大，大部分以自由水形式被吸附， 这些自由水一般存在于纤维之间的空隙中。 织物吸水速度的快慢决定于润湿性能，芯吸作用的大小。 润湿性能 接触与润湿是水份传递的第一步。液体在固体表面的平衡形状取 决于固体表面能、液体表面能以及固液界面能之间的平衡关系。达到平 衡时总界面能最小。液体对固体的可润湿程度用液一固一气三相交界 处，液固所成的润湿角0 的大小来表示。润湿角。取决于固体和液体的 表面张力。如图3 2 所示。其中s 表示固相，v 表示气相，l 表示液相， y 。，为s - v 界面能，即固体自由表面能( s u r f a c ee n e r g e ) ，“为l v 界面能，即液体表面张力，y 。为s l 界面能。 1 0 第三章织物湿传递基本理论 。，r 。 硅协旺竺 b v ( a ) 润湿0 0 2 o = 0 。，完全润湿状态 ( b ) 不润湿2 0 n 0 = n ，完全不润湿 图3 - 2 液体在固体表面的润湿 从微观上讲，润湿情况取决于两个因数：一是液体分子的内聚力； 二是液一固界面之间的分子粘合力。宏观上它们表现为界面张力。设液 体在图中状态达到稳定时，那么，根据y o u n 旷d u p r 6 理论有方程式： y s r = ，+ ，l r c o s o 成立。 此式即为y o n n g - - d u p r k 方程，或称为润湿方程，可将上式改写成 c o s 0 ：堑二堑 n ” 如果固体中有孔隙，那么液体将会进入孔隙内，对固体内表面进行 润湿，如果固体内孔隙比液体分子大得多，那么这种润湿将会引起毛细 现象，称为毛细润湿n 0 1 ( c a p i l l a r yw e t t i n g ) 。 对于特定的液相物质水以及特定的气相物质一空气，作为固相的 织物，其润湿性能由织物纤维表面张力的大小所决定，织物的表面张力 越大，0 角就越小，织物润湿性能也越好。另外，织物的润湿性能还受 其表面粗糙度的影响，表面粗糙程度越高，其润湿性能越好。织物作为 一种纤维集合体，表面上存在毛羽和各种形态的毛细管。被水润湿性能 除了取决于纤维组成及纤维表面润湿性质外，也和纤维集合体本身结 构、表面状态有关。c o o l m a x 纤维虽是一种聚酯纤维，但纤维表面已经 亲水处理，且纤维的比表面积大；c o o l m a x 纤维具有扁平型的四凹槽排 汗管道结构，相邻纤维易于靠拢，形成了无数毛细管孔径，且纤维的四 凹槽排汗管道结构使纤维表面呈凹凸状态，纤维表面的粗糙程度高，所 以c o o l m a x 纤维的毛细润湿性能好。我们做了一些实验，例如：将水滴 在c o o l m a x 织物表面，水滴不凝聚成珠，而是迅速散开；将c o o l m a x 纤 维伸入水中，水与c o o l m a x 纤维接触处，水面不成下压而是上延，将 c o o l m a x 织物从水中取出，织物完全被浸湿，这说明水能润湿c o o l m a x 第三章织物湿传递基本理论 织物，且润湿性能好。 毛细现象 根据分子物理学，一个固体产生毛细效应要有两个条件：是水 份能附着在固体表面，或者说能润湿固体表面。二是固体能构成足够小 的毛细管。 关于第一个条件由可知c o o l m a x 纤维是满足的。关于第二个条 件就是纤维与纤维之间组成足够小的毛细管。c o o l m a x 纤维的单纤细度 为1 6 d t e x ，单纤细度细，而且截面为扁平型的四凹槽管道结构，相邻 纤维易于靠拢，形成细小的毛细管非常多，所以关于第二个条件c o o l m a x 纤维也是满足的。 所谓毛细管现象指的是在毛细力( 附加压力) 作用下，流体发生 宏观流动的现象。如第二章第二节所述，水分在毛细管内呈内凹的弯月 面，这种内凹的弯月面存在附加压力，在这种附加压力的作用下，导至 毛细管内液态水自由迁移，根据拉普拉斯( l a p l a c e ) 方程，附加压力 b ，b ：2 y c o s # 。 ， 式中： r 一毛细管当量半径； 0 一固液接触角。 由上可知c o o l m a x 的润湿性能好，形成细小的毛细管非常多，毛细 效应优异。所以c o o l m a x 织物吸水速度快。 2 液态汗水的输送作用 液态汗水的输送以自由水的传输为主，通过纤维间、纱线间的孔 隙所产生的毛细管作用( 芯吸作用) ，毛细运输至织物外表面。纱线结 构、织物的几何结构、纤维的截面形态、直径大小、表面性能都影响孔 洞的形状、大小，影响毛细管效应，从而影响织物对液态汗水的输送作 用。而c o o l m a x 纤维扁平型的四凹槽形状结构，其毛细效应强，对液态 汗水的输送作用优异，较之可比结构的常规纺织品有更好的穿若舒适 感。 第三章织物湿传递基本理论 液态水毛细运输的流量 当毛细管处于水平位置时，虽然没有外力场的势能差，但由于毛 细管弯曲面附加压力的作用能自动引导液体流动，这就是芯吸 ( w i c k i n g ) 。这时由毛细附加压力促使液体产生粘性流动，按泊稷定律 ( p o i s c u i l k sl a w ) ，液态水毛细运输的流量q ( m j s ) 为： 口：兰! ：! ! ：兰：! ! 塑( 3 1 ) 1 8l4 础 式中：l 一毛细管长度( m ) ；u 一粘滞系数( p a s ) ； q 。一流量( m 3 s ) ；，一液气界面张力。 液态水毛细运输线速度 设v 为液流在毛细管内的线速度( m s ) ， 又盯。：v 石，2 v ：乓：r t c o s o( 3 2 ) 胛4 p z 由式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 可知，在无重力作用下或重力小于毛细力时， 比较粗的缝隙和孔洞将有较高的运输速度和较高的流量。如表3 1 所 示。 表3 - 1 各种孔径毛细管液态水的流速与流量 r ( m )v ( m s ) q ( m 3 s ) 1 0 3