单向导湿织物的研究现状及进展

王 伟， 黄 晨， 靳向煜

(东华大学 产业用纺织品教育部工程中心， 上海 201620)

单向导湿织物的研究现状及进展

王 伟， 黄 晨， 靳向煜

(东华大学 产业用纺织品教育部工程中心， 上海 201620)

从差动毛细效应和润湿梯度效应的角度总结了纺织材料的单向导湿原理。阐述了单向导湿织物的主要制备方法：化学法与结构设计法，并对2种制备方法的优缺点进行评述；总结了影响织物单向导湿效果的主要因素，即化学因素与物理因素，通过合理控制影响因素可实现优异的单向导湿效果。在此基础上指出了传统单向导湿性能测试方法存在的局限性以及相应评价指标的优点与不足，并对比分析了一种新型测试仪器：液态水分管理系统。最后根据当前单向导湿纺织品研究中存在的问题，从机制研究、制备方法以及测试方法3个方面提出针对性建议，并展望了单向导湿织物的应用前景。

单向导湿织物； 毛细效应； 润湿梯度； 功能性

单向导湿现象在自然界中普遍存在，某些植物的叶子[1]、花瓣[2]，鸟类的羽毛[3]都具有单向导湿的特性。例如：水滴在竹叶上呈现椭球形，可沿着竹叶平行纹路的方向传导，却难以在垂直于纹路的方向流动[4]；蝴蝶翅膀上存在的微纳米组织结构，可引导水滴以蝴蝶身体为中心，沿翅膀向四周传导，但不能作逆向流动[5]；而蜘蛛丝表面既具有亲水性又具有疏水性，当微小液滴黏附到表面时，会自动向亲水区域流动[6]。这种单向导湿性能对新型水分收集装置的研发具有极大的启示作用[7]。

将单向导湿性能应用于纺织面料中，其优异的舒适性深受消费者青睐[8]。织物的单向导湿是由内外2层吸湿性的差异产生的，水滴在织物内从疏水端传导至亲水端，但不会出现逆流。通常，该类织物的外层是亲水层，内层是疏水层。汗液在差动毛细效应[9]的作用下，被吸附到表层迅速挥发。同时由于纤维的疏水性，织物内层表面张力较大，汗液不会在内层存留，从而有利于保持皮肤的干爽。

从2005年开始，相关单向导湿的研究[10-11]明显增多。本文对常用纺织面料中的单向导湿原理、实现方法、测试方法与指标、影响因素以及发展前景进行综述和分析。

1 单向导湿的理论研究

织物内外2层纤维的吸湿性不同引起的差动毛细效应是具有单向导湿性能的主要原因。Buckingham[12]在1907年率先提出毛细管流动理论，并引入毛细管势能的概念,为织物导湿性能研究提供了理论基础。单向导湿织物是一种多孔隙材料,由里层到外层毛细管尺度逐渐减小,在厚度方向形成孔隙梯度,使液体只能沿一个方向传导。Tian等[13]利用平行排列的有限微圆柱体对单向导湿进行模拟。对于在厚度方向具有导湿梯度的织物，液体能轻易从疏水端传导至亲水端，但液体无法从相反方向进行传导。织物两面的差动毛细效应是形成2个方向传导差异的主要原因。通过简易模型分析，发现是圆柱体局部几何角与固-液接触角产生耦合作用的结果，且减小间距比或增大吸湿梯度可以增强差动毛细效应。

目前，对单向导湿原理的研究尚不够深入，尤其是不能明确解释材料厚度方向单向导湿产生的原因[14]。此类精确物理模型的缺失也无法有效指导实际生产，因此，明确单向导湿机制，利用多元分析、有限元分析等方法建立精确的单向导湿模型，指导实际应用，并通过实践结果反馈验证并优化模型，将成为单向导湿领域理论研究的重点。

2 单向导湿织物的制备方法

实现单向导湿的关键是使织物内外2层具有梯度润湿性，从而产生差动毛细效应[15]。实践中可通过多种加工方法实现，主要包括化学法、等离子体改性法和结构设计法等。

2.1 化学法

化学法主要采用化学整理剂对织物表面进行后整理，从而改变织物的吸湿性能。根据所用整理剂和整理面的不同，可分为单面疏水整理、单面亲水整理和亲疏水两面整理。

2.1.1 单面疏水整理

单面疏水整理是采用疏水剂对织物进行单面整理，使整理面具有疏水性而未整理面保持亲水性，织物两面形成差动毛细效应，实现单向导湿。

近年来，对非织造材料单向导湿改性的研究逐渐增多。潘虹等[16]选用FG-910型含氟疏水剂，对纯棉水刺非织造材料进行单面整理，使织物一面亲水，一面疏水，在差动毛细效应作用下产生附加压力差，实现单向导湿。对面料进行红外光谱分析后发现，经疏水剂处理后亲水基团显著减少。比较整理前后纤维的电镜照片发现，整理后棉纤维表面纵向条纹消失，因此，整理侧疏水性增强。

有学者也利用单面疏水整理法设计开发了单向导湿面料，例如：运用印花法对涤纶织物进行微型窗整理，使内外层亲疏水性差异变大，形成差动毛细效应，实现单向导湿[17]；利用丝网印花涂层法和刮刀涂层法开发木浆复合水刺非织造材料[18]等。

单面疏水整理操作简便，效果明显。只需在亲水性织物一面喷涂疏水剂，封闭亲水性基团，即可使织物形成差动毛细效应，实现单向导湿。然而，使用单向导湿织物时，疏水面通常与皮肤相接处。而疏水剂多为含硅、含氟类化学试剂，与人体接触易产生不适。在未来的疏水整理中采用无毒、健康、环境友好型的疏水剂将会成为一种趋势。

2.1.2 单面亲水整理

单面亲水整理是采用亲水整理剂对织物一面进行亲水整理，使织物两面形成吸湿性差异，在差动毛细效应的作用下，实现单向导湿。

杨文等[19]采用高支羊毛/细旦涤纶混纺纱与亚麻纱交织，织造纬平针添纱组织。然后利用纳米功能乳液对织物进行单面亲水整理，以织物的单向传递指数和液态水动态传递综合指数为依据，与未经处理的织物比较单向导湿效果。

此外，还有许多学者进行类似研究，例如：采用等离子刻蚀法和喷雾整理法对织物进行单面亲水整理，实现单向导湿性[18]；利用亲水性整理剂对聚丙烯SMS非织造布进行单面亲水整理，使非织造材料形成亲疏水双侧结构而实现单向导湿[20]等。单面亲水整理后，织物单向导湿效果较好，且与人体接触的疏水面不含化学试剂。然而，亲水整理需要精确的工艺条件，才能实现良好的疏水效果，因此，需要严格控制工艺条件才能使织物具有优异的单向导湿效果。

2.1.3 亲疏水两面整理

亲疏水两面整理是对织物一面进行亲水整理，另一面进行疏水整理，使织物两面分别具有亲水性和疏水性，内外两层形成显著的差动毛细效应，实现单向导湿。

陈晓艳等[21]采用亲疏水两面整理的方法，开发了梯度单向导湿针织物。该织物采用3层空气层结构，内层和外层均选用棉纱，中层为涤纶。在内层进行部分疏水整理，外层进行亲水整理，形成亲疏水梯度结构。由于织物内层为部分疏水层，水可以通过未整理部分传到中层，在差动毛细效应作用下，经中层传递到达亲水性强的外侧，并快速扩散。同时，内层保留的水分少，可以让人体保持舒适。

文献[22]利用印花手段，先在纯棉针织物内侧进行部分疏水整理，再在外侧进行亲水整理，获得单向导湿面料。研究结果表明，织物内层经疏水处理后，亲水性基团被封闭，疏水性增强，自由水数量增加，易于扩散传输。

经过亲疏水两面整理的织物，差动毛细效应强于单面亲/疏水整理，单向导湿效果更好，但两面整理时如果织物较为轻薄，则亲、疏水整理剂易在临界位置发生接触，从而破坏单向导湿效果；因此，在进行两面整理时应严格控制整理工艺，防止亲、疏水整理剂的直接接触。

2.1.4 等离子体改性法

等离子体改性是在化学处理的基础上，再对织物进行等离子体照射，使织物具有单向导湿性能的技术。

Wang等[23]将化学法和等离子体改性法相结合，先在织物两面喷涂疏水剂，再在其中一面采用多波长紫外线照射，开发单向导湿涤纶织物，如图1所示。经过化学处理后，滴在处理面的液滴呈半圆形，未见渗透，而在未经处理织物表面，滴下液滴则会迅速渗透。紫外线照射进一步处理后，发现照射面上的液滴只在面内扩散，无法渗透到另一面；而在只经化学处理一面滴下的液滴会迅速渗透到照射面。

图1 化学整理前后织物吸湿能力对比图Fig.1 Comparison figures of fabric moisture absorption capability before (a) and after (b) chemical finishing

等离子改性法操作简便、高效，可与其他技术有效结合，例如，对经等离子体处理的织物进行加热后，再次经过等离子体照射，会改变织物单向导湿的方向[24]，有望广泛应用于智能化纺织品领域。需要指出的是，等离子体改性法具有明显的时效性，织物的单向导湿效果持续时间较短，这可能和硅烷与等离子体的结合力较弱有关。

2.2 结构设计

通过设计织物组织结构，合理配置纤维原料，也能有效实现织物的单向导湿。Tian[13]经过理论研究论证认为，厚度方向的吸湿性梯度变化可实现织物的单向导湿。

安云记等[25]采用PTT、丙纶和Cooldry®3种原料，合理排列织针和三角，经染整加工后，开发了PTT盖丙纶单向导湿蜂窝面料和PTT盖Cooldry®单向导湿网眼面料。蜂窝与网眼结构独特的立体型态可增加织物的透气性。该类结构面料的单向导湿性能优异，非常适合应用于运动服装领域。

此外，还有许多研究者通过结构设计开发单向导湿面料，例如：采用吸湿排汗涤纶纤维开发双面府绸织物，并利用表里组织点互换法，使织物具有优异导湿性[26]；采用不同种类纱线开发双层或多双单向导湿织物[27]。

鉴于结构法单向导湿织物面密度较高，近期已有学者利用纳米纤维、碳纳米管等前沿材料制备纳米纤维基单向导湿织物[28-30]。Wu等[31]利用2个平行静电纺电极织造出单轴对称纤维阵列，其形态与竹叶表面形态相似，具有典型的单向导湿特性。Xue等[32]利用喷雾-干燥法在材料表面喷涂PTFE制备水/油分离装置，当水/油混合物滴落至装置表面时，油能迅速通过，而水不能通过，从而实现水与油的分离。此外,Hu[33]采用生物质纳米纤维(如角蛋白、弹性蛋白、层黏连蛋白等)制备条纹状单向导湿材料。此类单向导湿织物有望应用于液体分离[34]、医用设备[35]、自清洁装置[36]、能源转换[37]等。

结构设计法不采用化学试剂，织物可直接与人体接触，且利于环境保护。结构设计法织造的单向导湿织物立体感强，具有连续吸湿梯度变化，导湿效果持久。该方法的不足之处在于织物面密度往往过高，使用纳米技术时又受产量局限。结构设计法通常应用于针织物，对机织物、非织造织物的结构设计还比较少，亟待开展更深入的研究。可采用仿生学模仿植物的蒸腾作用系统构造，设计植物组织结构，以提高织物的单向导湿性能。

3 测试方法及指标

对于织物导湿性能测试，国内外都有相应的标准规定，且不同标准适用于不同特点的织物[38]。测试织物单向导湿性能的方法有很多，主要有评级法、液滴面积法、多指标测试法和液态水分管理系统[39]等，也有学者采用吸湿快干的相关标准进行测试。上述测试方法在单向导湿研究中都有应用。汪南方等[37]采用评级法，根据织物整理面与未整理面的吸湿情况，按照评级标准对织物进行评级，间接评价织物单向导湿性。潘虹等[16]采用液滴面积法测试非织造材料的单向导湿性能，通过测试整理前后织物上下表面的含水量量化表征单向导湿性能。陈晓艳等[21]采用多指标测试法和液态水分管理系统分别测试织物的单向导湿性能。实验结果表明，液态水分管理系统能更直观地表征液态水的动态传递情况。

评级法操作简单，但是采用主观、间接指标表征织物单向导湿性能，受主观条件影响大，测试结果精度低[40]。液滴面积法采用单一指标——相对含水量表征单向导湿效果，其测试指标少，无法系统表征织物的单向导湿性能。多指标测试法主要测试指标包括接触角、透湿量、湿散失量等。其测试指标相对较多，能够较为全面地反映织物，单项导湿性能。但是，与液滴面积法一样，多指标测试法只能测量固定时间内织物的吸湿性能，无法表征水分在织物中的动态情况。针对这些问题，开发了液态水分管理系统，通过测定织物上下表面含水量的相互转移情况，获取织物最大扩散半径、毛效速度和单向传递指数等动态指标，从而量化表征织物的单向导湿性能。通过对动态水传递性能的表征，液态水分管理系统弥补了传统测试方法的不足[41]。

4 织物单向导湿效果的影响因素

影响织物单向导湿效果的因素很多，主要可分为物理因素与化学因素。物理因素是指纤维截面形状、纤维细度、纱线捻度、纱支细度等因素[42]。化学因素是指整理液浓度、喷洒量、整理面积等与化学处理方法有关的因素[20]。

马铭池等[42]通过对4种纯棉机织物分析研究，认为组织结构对织物单向导湿能力影响不大，而纱支细度、紧度、密度和厚度是影响单向导湿性能的主要因素。

任祺等[20]对整理液浓度、喷洒量和烘燥条件等影响因素进行实验研究，得出实现最佳单向导湿效果的工艺条件：整理剂与水的体积比为1∶5，整理液喷洒量为10 g/m2，烘燥温度为90 ℃，烘燥时间为3 min。

翟孝瑜等[43]通过研究发现，在3层织物中，内外线密度的差异对单向导湿效果的影响更大。在此基础上进一步研究了纤维异形度对单向导湿性能的影响，研究结果表明，异形度越大，形成的毛细管数量越多，单向导湿效果会越好。

以上研究结果表明，虽然单向导湿机制主要是差动毛细效应，但导湿效果可通过工艺调整与优化获得有效提高。

5 结 语

单向导湿的研究涉及多个学科，如化学、物理、材料和工程等，虽然目前此类研究已经具有一定基础，但许多方面仍存在进一步完善与细化的空间。关于纤维与水分子结合的作用力，纤维吸水溶胀对织物吸湿性能的影响，以及液滴在单向导湿织物表面的动态蒸发过程，单向导湿织物内气-液-固三相界面具体形态等内容都有待于进行深入研究。同时，如何利用计算机模拟工具模拟并预测单向导湿效果，优化其特点，提高单向导湿的功能性、实用性，也是值得研究的领域。

单向导湿织物的制备方法各具特点。从目前的发展需求来看，寻找健康、环保的化学试剂，增强单向导湿效果的持久性是未来化学法需要解决的问题。而结构设计法应重点关注非织造材料的结构设计与研究，在此基础上拓展其应用范围。由于非织造材料适合应用于医卫领域，如医用辅料、尿不湿等，因此，若能同时实现非织造材料厚度方向与面内方向的单向导湿，对提高材料使用效率，提升舒适性具有积极意义。

对单向导湿性能的测试，从评级法到液态水分管理系统，测试方法正朝着操作简便、测试精确、动态表征的方向发展，然而，目前还缺少对单向导湿效果的统一评价标准，因此，建立统一、规范的评价标准是一项亟待完成的工作。

在实际应用方面，单向导湿的理论与实验研究成果已逐步转化到实际应用中。简化生产流程、降低生产成本、实现产品及生产工艺无毒无污染将是未来单向导湿改性的主要发展趋势。

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Development of unidirectional water-transfer fabrics

WANG Wei， HUANG Chen， JIN Xiangyu

(EngineeringResearchCenterofTechnicalTextiles,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

From the perspective of differential capillary effect and wetting tonsure effect, the principle of unidirectional water-transfer in textiles was reviewed. Manufacturing method of unidirectional water-transfer can be divided into chemical method and structural design method. The advantages and limitations of the methods were compared. The main influencing factors of water-transfer performance, namely, chemical factors and physical factors were also reviewed. By controlling these factors, excellent unidirectional water-transfer properties through the fabric thickness could be achieved. the limitations of conventional testing method was discussed on water-transfer and through a novel testing method (comparatively-MMT) was introduced. The current problems in unidirectional water-transfer textiles are believed to be solved by the study of mechanism, preparation method and testing method. Finally, the practical applications of unidirectional water-transfer textiles were included.

unidirectional water-transfer fabric; capillary effect; wetting gradient; functional

10.13475/j.fzxb.20150306406

2015-03-31

2015-12-23

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232014D3-15)；上海市“晨光计划”项目(14CG34)

王伟(1990—)，男，硕士生。研究方向为非织造材料结构与性能。黄晨，通信作者，E-mail：hc@dhu.edu.cn。

TS 101.8

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