智能调温棉针织面料的性能研究*

西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048

智能调温棉针织面料的性能研究*

杨静刘艳君

西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048

为研究棉针织面料经交联后的调温性能，以15．6 tex的纯棉纱为原料，编织纬平针、1+1罗纹、罗纹空气层、罗纹半空气层等4种组织结构的针织物；利用摩尔分数比为1∶9的试剂PEG-800和药用PEG-1000作为单一相变材料、2D树脂作为交联剂，处理这4种棉针织物；最后对棉针织物进行热活性、物理力学性能和湿热舒适性测试与分析。结果表明：交联后棉针织物的各项性能均能满足针织物服用性能要求，表明开发该智能调温棉针织面料是可行的。

智能调温， 调温性能， 热活性， 物理力学性能， 湿热舒适性， 针织面料

作为人体唯一便捷围护结构的服装，一般可以通过三大类保温材料来实现其保温功能[1]：第一类是采用隔热保温材料，通过增大传导热阻、对流热阻和辐射换热热阻来减少人体热量的散失，使服装具有保温功能，属消极式被动保温材料；第二类是采用产热保温材料，通过电能与热能、化学能与热能、光能与热能等不同方式在相互转化过程中产生的额外热量来弥补人体通过出汗等散失到环境中的热量，仍属积极式主动保温材料[2-4]；第三类是采用蓄热保温材料，如利用热水袋等显热蓄热或相变材料潜热蓄热等，仍属积极式主动保温材料，其中相变材料的相变温度可以设定，其在一定时间段内的温度比较恒定，故又被称为积极式智能调温材料。

本文选用相变材料对棉针织物进行交联处理，对比测试并分析交联整理前后棉针织物的热活性、物理力学性能和湿热舒适性等，以期为开发积极式智能调温材料提供参考。

1 试验

1．1试样准备

(1) 选用线密度为15．6 tex的纯棉纱，在STOLL CMS530-HP多针距型全自动电脑横机上编织纬平针、1+1罗纹、罗纹空气层、罗纹半空气层等4种组织结构的棉针织物；

(2) 煮练，具体工艺配方为NaOH 8 g/L、渗透剂JFC 3 g/L、Na2SiO42 g/L、温度100．00 ℃、时间120．0 min、浴比1 ∶30；

(3) 选用摩尔分数比为1∶9的试剂PEG-800(天津市光复精细化工研究所生产)和药用PEG-1000(湖南华日制药有限公司生产)作为单一的相变材料，具体交联工艺为2D树脂60 g/L、 MgCl2·6H2O与浓度10 g/L柠檬酸摩尔分数比12 ∶1、烘焙温度120．00 ℃、烘焙时间2．5 min，浴比1 ∶20。

1．2测试仪器

NETZSCH DSC 200F3型差示扫描量热仪、YG(B)026D-500型电子织物强力机、JA3003A型电子天平、DHG-9075电热恒温鼓风干燥箱、YG1410型织物厚度仪、YG461E数字式透气量仪、YG(B)216X型织物透湿量仪、YG(B)871型毛细管效应测定仪、YG606D型平板式织物保温仪等。

1．3测试方法

1．3．1 热活性

采用NETZSCH DSC 200F3型差示扫描量热仪，测试交联后纬平针、1+1罗纹、罗纹空气层、罗纹半空气层棉针织物的热活性。

试验条件：将准备好的棉针织物和坩埚组合体放入NETZSCH DSC 200F3型差示扫描量热仪中，在惰性气体N2保护下，升降温区间设置为-30．00～90．00 ℃，升降温速率设置为10 ℃/min。

1．3．2 顶破强力

采用YG(B)026D-500型电子织物强力机进行织物顶破强力测试。不同组织结构的棉针织物分别测试5次，结果取平均值。

1．3．3 透气性

采用YG461E数字式透气量仪进行织物透气性测试，测试指标为透气量。棉针织物无需进行裁样，根据测试标准，织物测试面积约为38．5 cm2，压力差为127．5 Pa。若规定时间内透过棉针织物的气体体积越大，则说明棉针织物的透气性越好；若规定时间内透过棉针织物的气体体积越小，则说明棉针织物的透气性越差。

1．3．4 透湿性

针织面料的透湿性主要受纤维、纱线线密度、线圈结构和织物厚度等因素影响[5-6]。采用YG(B)216X型织物透湿量仪测试棉针织物交联前后4种组织结构的透湿量。

试验条件：试验箱温度设置为38．50 ℃，相对湿度设置为90%，风速设置为0．4 m/s。先将棉针织物裁剪成直径70 mm的圆，且不同组织结构的棉针织物分别取3块试样。试验以无水氯化钙作为吸湿剂。由于无水氯化钙极易吸湿，在潮湿的空气中吸湿特别明显，因此使用前需将其放置于温度为160．00 ℃的烘箱内干燥3 h，使其达到绝干状态。测试时，将试样的测试面放置于盛有吸湿剂的透湿杯上，密封后放置在规定的温湿度环境条件下，根据测得的透湿杯、棉针织物、吸湿剂三者组合体的质量差，计算棉针织物的透湿量：

(1)

式中：WVT——每天(24 h)单位面积织物的透湿量， g/(m2·24 h)；

Δm——透湿杯、棉针织物、吸湿剂三者组合体测试前后的质量差， g；

S——试样面积， m2；

t——试验时间， h。

1．3．5 吸水性

采用YG(B)871型毛细管效应测定仪进行织物吸水性测试。织物吸水性以毛细管效应程度(即芯吸高度)作为衡量指标[7]。上升的高度越大，说明织物的吸水性越好。

具体测试：将棉针织物沿经向和纬向分别裁剪3块规格为20．0 cm×2．5 cm的试样，并用夹子夹住棉针织物上下端，使棉针织物始终保持垂直状态；再在恒温槽中加入2 500 mL质量分数为0．5%左右的重铬酸钾(K2Cr2O7)溶液，恒温槽的温度始终保持在(27．00±2．00)℃，测试时间为30.0 min。测量芯吸高度，测试结果取其平均值。

1．3．6 保温性

采用YG606D型平板式织物保温仪进行织物保温性测试。织物保温性以热传系数、热阻、保温率等3项作为评价指标。热传系数越小、保温率越大，说明织物保温性越好；反之，保温性越差。

测试方法：将棉针织物裁剪成规格为30．0 cm×30．0 cm的试样；将棉针织物正面朝上平铺覆盖在预热一定时间的试验板上，试验板温度为36．00 ℃左右，外部环境温度则低于36．00 ℃[一般取(20．00±2．00) ℃]、相对湿度(65±2)%。

2 结果与分析

2．1热活性

选择DSC法对交联后纬平针、1+1罗纹、罗纹空气层、罗纹半空气层组织的棉针织物的热活性进行表征。由表1可知：经过PEG整理并交联后的1+1罗纹棉针织物的熔融吸热温度、结晶放热温度与其他三种组织相比较低，这是由于棉针织物热活性参数与棉针织物组织结构有关。在4种组织结构中，纬平针的组织结构最为稀松，交联剂与PEG容易进入纬平针棉针织物内部，与纤维素纤维发生反应，所以其熔融吸热温度和结晶放热温度相对较高。

一般情况下，熔融吸热温度在15．00～40．00 ℃、结晶放热温度在-15．00～20．00 ℃，是衣用纺织品的适用温度范围，且熔融吸热温度和结晶放热温度是择优(即数值大)选择的[8]。所以，纬平针、1+1罗纹、罗纹空气层和罗纹半空气层等组织都满足该条件，其中纬平针棉针织物的智能调温性能最优。

表1 4种组织结构的棉针织物交联后DSC测试结果

2．2顶破强力

织物顶破强力是反应织物坚牢度的重要指标之一。由表2可以看出，4种组织结构的棉针织物交联后的强力下降率从小到大依次为纬平针<1+1罗纹<罗纹半空气层<罗纹空气层。由此可见，纬平针棉针织物强力下降率最小，其坚牢度最稳定。

表2 4种组织结构的棉针织物交联前后顶破强力的变化

2．3透气性

透气性反应的是织物在穿着过程中，空气所能透过织物的难易程度。从表3可以得知：

(1) 交联前后不同组织结构棉针织物的透气性从小到大依次为罗纹空气层<罗纹半空气层<1+1罗纹<纬平针，各组织间透气性存在差异主要是因为透气量与棉针织物厚度、组织结构、未充满系数等因素有关。在编织的4种组织结构的棉针织物中，纬平针棉针织物厚度最小、最轻薄、未充满系数最大，所以其透气量最大、透气性最好。

(2) 交联后棉针织物透气性明显下降，这是因为交联后棉针织物的纤维之间或纤维内部沉积、固着的PEG使棉针织物的纵密、横密增加，棉针织物变得紧密厚实，纱线穿套成圈所形成的间隙减小，空气难以透过棉针织物，从而导致棉针织物透气性下降。且棉针织物质量增加率越大，透气量下降率越大，其中交联后的纬平针棉针织物质量增加率最大、罗纹空气层棉针织物质量增加率最小，故纬平针棉针织物透气量下降率较罗纹空气层棉针织物大。

表3 4种组织结构的棉针织物交联前后透气性的变化

2．4透湿性

在人体、服装、环境三者组成的复杂系统中，人体热湿舒适性往往取决于自身产热量与散热量之间的平衡。而汗液蒸发是人体散失热量的主要途径。从表4可以看出：

(1) 交联前后不同组织结构棉针织物的透湿量从大到小依次为纬平针>1+1罗纹>罗纹半空气层>罗纹空气层。在原料相同的条件下，透湿量大小与棉针织物厚度有关，棉针织物越轻薄，其传递水蒸气的能力就越强，透湿量就越大，因此，在4种组织结构的棉针织物中，纬平针的透湿量最大。

(2) 交联后棉针织物透湿量明显大于交联前棉针织物。这是因为PEG、2D树脂、纤维素纤维三者之间发生了交联反应，在纤维内部形成了稳定的线型或网状纤维-聚合物结构。虽然由三者组成的整理剂的物理附着使得棉针织物中纱线间的间隙变小，但水分子的直径远小于聚合物的孔径。当水分子由于自身氢键作用发生类聚反应时，其可以不受任何束缚地进行自由扩散，因为高聚物内大量的亲水性羟基可作为水分子传递的中间介质，水分子在氢键和其他分子间力的作用下，与高聚物大分子链上的亲水基团结合，将水蒸气从湿度较大的一侧传递到湿度较小的一侧，从而形成“吸附→扩散→解吸”的过程[9]。同时，PEG自身就包含大量的亲水基团，其吸湿性较好，因此也可以通过亲水性羟基传递水分子，故交联后的棉针织物透湿性较交联前有很大改善。

表4 4种组织结构的棉针织物交联前后的透湿量变化

2．5吸水性

织物应具有良好的吸水性，以保证人体皮肤始终处于干爽状态，令人体感到舒适。从表5可以看出：

(1) 交联前4种组织结构的棉针织物的横向吸水性都小于纵向，这说明纵向比横向更有利于水分子的传输。

(2) 交联后棉针织物的吸水性较交联前有所改善，这是因为交联在棉针织物上的PEG含有大量的亲水性基团，这使得水分更容易沿毛细孔隙上升或渗入，交联后棉针织物的芯吸高度高于交联前棉针织物。

(3) 棉针织物组织结构不同，其吸水性也存在一定差异。

表5 4种组织结构的棉针织物交联前后芯吸高度的变化

2．6保温性

保温性指在织物两面有温差的情况下，防止热量从高温侧向低温侧传递的性能。从表6可以看出，4种组织结构的棉针织物的保温性从大到小依次为罗纹空气层>罗纹半空气层>1+1罗纹>纬平针。在原料相同的条件下，织物的保温性与织物的组织结构、蓬松度有关。织物越蓬松，停滞于织物中的静止空气越多，织物保温性就越好，但织物过于蓬松则织物内纱线间的较大孔隙会导致对流加强，热量容易散失，织物保温性反而变差。交联整理后棉针织物保温率稍有所下降，这是因为交联整理后，原来填充于棉针织物孔隙中的静止空气被树脂取代，树脂的导热系数较静止空气大，对流减弱，最终导致棉针织物保温性能减弱，下降幅度小可能是由于交联在棉针织物上的聚乙二醇太少，纱线间孔隙变化较小，故保温率变化甚微。

表6 4种组织结构的棉针织物的保温性测试结果

3 结论

棉针织物经最佳交联工艺处理后的强力严重下降，但本文开发的智能调温棉针织面料顶破强力均在针织物服用性能要求范围内。交联后PEG沉积在纤维或纱线间的孔隙中，使得纤维直径变大，纱线变粗，棉针织物厚度也不同程度地发生变化。通过对交联前后棉针织物各项性能的测试、比较及综合分析发现，交联后棉针织物的各项性能均能满足针织物服用性能要求，这证明开发该智能调温棉针织面料是可行的。

[1] 施楣梧，张燕．PCM在智能保温服装上的应用的可能性和后续研究重点[J]．济南纺织化纤科技，2006(3)：16-19．

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Research on performance of the intelligent thermoregulation knitted fabric

YangJing，LiuYanjun

Faculty of Textile and Material， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China

In order to study the thermoregulation performance of cotton knitted fabric after cross-linking， four kinds of organizational structures’ fabrics, which were plain knit， rib 1+1 stitch， milano rib and half milano rib， were knitted with the 15．6 tex pure cotton yarn as raw materials． Then these four kinds of fabrics were handled with mole fraction ratio 1 ∶9 reagent PEG-800 and pharmaceutical PEG-1000 as a single phase change material， and 2D resin as cross-linking agent． Finally the thermal activity， physical-mechanical property and heat and moisture comfort of the cotton knitted fabrics were tested． The results showed that， various properties of the cotton knitted fabrics after cross-linking could meet the requirements of knitted fabric’s wearability， which proved that the development of intelligent thermoregulation knitted fabrics was feasible．

intelligent thermoregulation， thermoregulation property， thermal activity， physical-mechanical property, heat and moisture comfort, knitted fabric

*好运来创新研发基金资助项目(2014KJ-048)；研究生创新基金资助项目(CX201738)

2016-12-27

杨静，女，1992年生，在读硕士研究生，研究方向为纺织新产品的研究与开发

TS181．8

： A

1004-7093(2017)07-0026-05