聚丙烯纤维多元共混结构对机织物导湿快干性能的影响

许晋豪 张富丽 辛斌杰 白燕 高琮 陈卓明

摘 要：为探究聚丙烯纤维对传统机织物导湿快干性能的影响，设计4种含有聚丙烯纤维的机织物，分别对上述织物进行吸水率、水分蒸发速率、横纵向芯吸高度、垂直布面透水性能、透湿量等性能测试，并与含有导湿快干功能性涤纶纤维（Coolmax）的相应组织进行对比。结果表明：增添有聚丙烯纤维的织物对水汽、液态水的传导性能明显增加，而吸湿、散湿性能有减弱的趋势。此外，当聚丙烯纤维使用较为密集时，反而会影响织物整体的导湿性能。

关键词：导湿快干;聚丙烯纤维;多元共混;织物结构

中图分类号：TS156

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2020）05-0051-06

Study on the Influence of Multiplex Blending Structure of Polypropylene

Fiber on Moisture Transfer and Quick Drying Properties

XU Jinhao1， ZHANG Fuli2， XIN Binjie1， BAI Yan1， GAO Cong1， CHEN Zhuoming1

（1.School of Fashion Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China;

2.Naval Medical Research Institute，The Second Military Medical University， Shanghai 200433， China）

Abstract：To investigate the influence of polypropylene fiber on moisture transfer and quick drying properties of traditional woven fabrics， 4 kinds of woven fabrics containing polypropylene fiber were designed， and their properties were tested， including water absorption， water evaporation rate， transverse and longitudinal wicking height， vertical water permeability and moisture permeability. Besides， they were compared with the corresponding weave containing polyester fibers iwith moisture transfer and quick drying functions （Coolmax）. The results show that adding the fabric containing polypropylene fiber could significantly increase the transfer property for water vapour and liquid water， while the moisture absorption and moisture dissipation properties show a declining trend. Besides， when polypropylene fibers are densely used， moisture transfer property of fabrics will be affected.

Key words：moisture transfer and quick drying; polypropylene fiber; multiplex blending; fabric structure

聚丙烯纖维（丙纶）是由熔融纺丝法制得的，通常其纤维截面呈圆形，纵向表面光滑没有条纹，具有轻质、高强且耐腐蚀的优点，广泛应用于过滤、材料增强等领域[1]。聚丙烯大分子是由丙烯单体聚合而成，大分子中仅存在C—C与C—H键，不存在极性基团。聚丙烯纤维的形态与化学结构使其具有较弱的吸湿性能，且吸湿率一般低于0.03%，因此细旦丙纶具有良好的导湿快干性能[2]。

导湿快干性能是衡量纺织材料服用舒适性能的主要指标之一。当人体处于运动状态下，为保证人体-服装微环境长期处于干燥舒适的状态，人体汗液与湿气的快速导出已经成为纺织服装重要功能之一，且越来越被人们所重视[3-4]。若人体所产生的汗液、水汽不能及时向外传导而长时间留存在微环境中，不仅会影响人体的热湿舒适感，而且若皮肤长时间处于潮湿环境下可能会诱发相关皮肤疾病，影响人们的身体健康。

因聚丙烯纤维本身较弱的吸湿性，使得水分无法集聚在纤维内部，而被向外传导，拥有良好的导湿快干的性能[5]，可应用在功能性运动服装领域。目前Coolmax纤维是制造速干类运动衣的首选材料。Coolmax纤维是杜邦公司设计开发的具有四管中空结构的异形涤纶纤维，具有良好的导湿快干性能。本文设计织造了4种不同结构的机织物，并在织物中加入聚丙烯纤维，测试织物导湿快干性能，与加入Coolmax涤纶纱线的织物形成对比，探究聚丙烯纤维对多元共混织物导湿性能的影响。

1 实 验

1.1 织物设计与织造

1.1.1 纱线选择

200 dtex/56根聚丙烯纤维中弹丝（华创纺织科技有限公司），75 dtex/72根银离子抗菌涤纶（上海奥领纺织新材料有限公司），150 dtex Coolmax 100%涤纶（青岛中泰新型材料有限公司）。

1.1.2 组织结构与织物规格参数设计

设计的4种导湿快干织物包括2种双层组织和2种纬二重组织，分别为1号双层透孔组织、2号双层透孔加厚组织、3号平紋珠珠组织、4号斜纹珠珠组织。分别将聚丙烯纤维与常规Coolmax 100%涤纶配合银离子抗菌涤纶纱线按设计要求上机织造，具体规格参数见表1、表2。

如图1为织物的组织图，其中在双层透孔组织中聚丙烯纤维或Coolmax纤维与银抗菌性涤纶经纬排列比均为1∶5，在双层透孔加厚组织中聚丙烯纤维或Coolmax与银抗菌涤纶性涤纶经向排列比为1∶1，纬向排列比为2∶2，且所用银抗菌涤纶为并捻纱（4捻/cm），在平纹珠珠组织与斜纹珠珠组织中聚丙烯纤维或Coolmax纤维与功能性涤纶纬向排列比为1∶4，织物经向配置为全涤纶。

1.2 实验仪器

GA391型单纱浆纱机、GA196型高速全自动样品整经机、SG598型全自动剑杆织机（江阴市通源纺机有限公司）;YG（B）871型毛细管效应测定仪（温州大荣纺织仪器有限公司）;德国KRUSS克吕士DSA25标准型接触角测量仪（东莞市东仪精密设备有限公司）;OLYMPUS奥林巴斯生物显微镜CX31（OLYMPUS奥林巴斯）。

1.3 性能测试

1.3.1 吸水性能测试

将织物编号1-1至2-4裁剪规格为100 mm×100 mm试样，参照GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定第1部分：单向组合试验法》分别测试出每种织物试样的M0（织物原始质量）、M（织物浸湿并滴水后的质量），根据式（1）计算出各种织物试样的吸水率。

A/%=M-M0M0×100（1）

1.3.2 散湿性能测试

将全部织物裁剪规格为100 mm×100 mm试样，参照GB/T 21655.1—2008《纺织品 吸湿速干性的评定第1部分：单向组合试验法》进行测试。将水滴润湿过的织物试样自然悬挂，每隔3 min测量织物质量Mi，根据式（2）计算出每个时间水分的蒸发量。

ΔMi=M-Mi（2）

式中：ΔMi为i时刻的水分蒸发量，M为织物滴水润湿后的质量，Mi织物在i时刻的质量，根据测试数据画出时间-蒸发量曲线并测算出水分蒸发速率。

1.3.3 横纵向导水性能

采用条带芯吸法，分别测量织物与单纱的芯吸性能。将全部织物分别沿经纬向裁剪规格为30 mm×150 mm的试样，使用YG（B）871型毛细管效应测定仪，参照FZ/T 01071-2008《纺织品 毛细效应测试方法》进行测试。

1.3.4 垂直布面导水性能

将织物试样裁剪为25 mm×30 mm的矩形试样，并固定在样品支架上。在样品架下方放置一载玻片，将1 mL的三级水滴至载玻片表面。调节织物试样与其下方载玻片的距离，当织物里层与液滴刚接触时开始计时。待液滴通过织物向其外层方向传递，并将矩形区域完全占满时停止计时，记录该段时间的时长。

1.3.5 透湿性能

采用吸湿法测试织物透湿性能，将全部织物裁剪规格为100 mm×100 mm的试样，参照GB/T 12704.1-2009《纺织品 透湿性试验方法第1部分：吸湿法》进行测试，每种试样测试3次。根据式（3）求出织物透湿量，最终求出织物平均透湿量。

WVT=24·ΔMS·T（3）

式中：WVT为透湿量，ΔM为同一试样组合体两次质量差，S为试样实验面积，T为实验时间。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯纤维对织物吸湿性能的影响

图2为两组织物水分吸收性能测试结果。由图2可看出，含聚丙烯纤维织物试样的吸水率均低于含有Coolmax涤纶纤维的吸水率。这是因为聚丙烯纤维结构紧密且表面光滑，大分子链为碳链高聚物，分子结构中缺少极性基团，其吸附功仅为棉纤维的一半，在标准环境中回潮率接近于零，属于疏水性纤维[3]，然而组成Coolmax涤纶的主要成分为聚酯，其公定回潮率虽仅为0.4%，但Coolmax为四管道新型改性聚酯，异形截面可在一定程度增加纤维对水分的吸收性能，这使得含有Coolmax的织物试样吸水率略高于含聚丙烯纤维的织物试样。

从图2还可以看出，双层透孔组织（1号、2号）的吸水性能明显优于纬二重珠珠组织（3号、4号），这主要是由双层透孔组织特殊结构造成的。双层透孔组织一侧纱线排列交织松散，而另一侧纱线紧密交织排列，这样的纱线形态配置使织物形成单向锁水结构，水分只从织物一侧浸入织物，限制水分从织物内部流失，增强了其对液态水的吸收性能。此外双层织物在内外层之间形成夹层结构，增大了织物组织的储水空间，而进一步加强了织物组织的吸水性能。

2.2 聚丙烯纤维对织物散湿性能的影响

图3为两组织物试样散湿性能测试结果。由图3可知，含有聚丙烯纤维的织物试样处于恒速干燥阶段的水分蒸发速率明显小于含有Coolmax纤维的对应试样，这表明含有聚丙烯纤维的织物试样的散湿性能相对较小，纤维自身的回潮率对于其所组成织物的散湿性能影响很小，当外界环境条件、纤维与织物结构相同时，无论纤维的组分如何，织物单位面积水分蒸发速率基本相同[7]。一方面，聚丙烯纤维表面光滑，水分不易被纤维吸收，而使其水分蒸发速率相对增加，但Coolmax纤维不仅具有化学纤维表面光滑的通性，而且其异形结构可以有效增加纤维侧面比表面积，随着比表面积增大水分在纤维上的蒸发面积也随之增大，最终增加织物试样的散湿性能。另一方面，液滴在含聚丙烯纤维试样表面的横向扩散面积小于含Coolmax纤维的试样，导致织物表面水分蒸发面积相对较小，进而影响其散湿性能。

从图3中还可以发现，4种织物的散湿性能从小到大依次为2号<4号<1号<3号，即双层透孔加厚组织的散湿性能最差，平纹珠珠组织的散湿性能最佳。特别是液态水在织物2-2表面为珠状且持续300 s以上不扩散，水珠依然存在镜面反射，使织物表面水分很难快速蒸发。

2.3 聚丙烯纤维对织物导湿性能的影响

2.3.1 织物横纵向的导水性能

通过经纬向芯吸高度表示织物横纵向的导水性能。图4为两组織物的经向芯吸性能，可看出除3号织物以外含聚丙烯纤维试样的经向芯吸性能均高于含Coolmax纤维的织物试样。图5为两组织物纬向芯吸高度，可以发现除2号织物以外，含聚丙烯纤维织物试样的纬向导水性能相对较好。

当织物的组织结构与经纬密相同时，组成织物所用纱线的线密度越大，纱线之间的空隙就随之减小，这就增加了织物对水分的芯吸作用，使得含有聚丙烯纤维试样的芯吸高度较大[8]。3号织物经向与2号织物的纬向受纱线排列比例的影响，表现出含有Coolmax纤维试样的芯吸高度较大。这可能是因为当Coolmax纤维密集分布时，其独特的异形结构可促进织物对水分的吸收，进而增强其芯吸性能。

2.3.2 织物垂直布面方向的导水性能

图6为两组织物在垂直布面方向的导水性能，主要表现在显汗环境下织物对汗液的导出性能，是评定织物对汗液传导能力的重要指标参数。观察实验结果可发现，除2号织物以外，在含聚丙烯纤维织物中，水分润湿矩形区域时间均小于含Coolmax纤维织物试样，即说明水分在含聚丙烯纤维织物中导出较快。

根据织物导湿快干理论，要求处于织物内层的纤维材料易被润湿，但不易吸收水分，保证水分可快速通过。因聚丙烯纤维在常态下的吸湿回潮率为零且对水分的润湿角可保持在50°～60°，具有不保水、润湿性能好的特点，是导湿快干织物内层结构理想的材料[9]。在2号织物组织中，里组织的交织点较为密集，致使织物里组织与表组织相比结构较为紧密，使织物表里的差动毛细作用被覆盖，阻碍了水分的传导。此外织物里层经纬纱均为聚丙烯纤维，聚丙烯纤维之间相互交织，在织物内表面形成了一层拒水面，造成水分无法润湿扩散。

图7为织物1-1与织物2-1表面接触角随时间的变化情况。观察实验结果可知，织物2-1接触角变化极为迅速，3 s水分可完全被吸收传导，而织物1-1接触角变化相对较为缓慢，60 s时表面接触角仍为110°左右，在65 s时水滴才被完全吸收传导。以上实验结构说明织物2-1的导水性能好于织物1-1，即含有聚丙烯纤维的织物试样在垂直方向的导水性能更为优异。

这是由于两种试样内层表面对液态水的吸收与润湿性能存在较大差异。织物表面接触角θ与织物本身厚度H是影响液滴吸收时间T的两大因素，具体关系如式（4），式中K为比例系数[10-12]。

T=KH·cos2θ（4）

由式（4）可知，织物对液滴的吸收时间T与其本身厚度H和表面接触角θ均成反比。液滴在接触织物2-1表面初始接触角为29°，两种试样厚度均为（0.45±0.05） mm，由此可得织物2-1内层表面对液态水的吸收与润湿性能优于织物1-1。

图8为织物2-1（a）与织物2-2（b）的滴水扩散示意图。观察发现，液滴在织物2-1上被快速吸收，但在织物2-2中几乎不沿垂直布面方向扩散。根据杨-拉普拉斯方程：

P=4·γ·cosθD（5）

式中：P为拉普拉斯压力;γ为液滴表面张力;D为水滴接触面空隙直径。

根据式（5）可以发现，在D值一定时，织物表面对水分芯吸作用与其表面疏水性能呈负相关[13-15]。当θ大于90°时，织物表面疏水性对液滴的影响大于其芯吸性，阻碍液滴在织物中的传导，最终减弱织物在垂直布面方向的导水性能。

图8（c）、图8（d）分别为织物2-1与2-2内层显微结构图。观察图像可知两种试样内表面孔径尺寸相似，但织物2-2内层所用聚丙烯纤维量明显高于织物2-1，这样的纱线配置导致织物2-2内层表面接触角大于90°，且持续300 s没有明显变化，导致由差动毛细效应产生的拉普拉斯压力P始终为负值，阻挡水分透过布面，从而影响织物在垂直布面方向上的水分传导性能。

2.3.3 织物透湿性能

图9为两组织物透湿性能实验结果，与上述织物垂直布面方向的导水性能不同，透湿性是人体在无显汗状态下，织物对于所产生水汽的导出性能，同样为判定织物导湿性能重要的指标。

观察实验数据可以得出，除4号斜纹珠珠组织以外，其余含聚丙烯纤维织物试样的透湿性能均优于含Coolmax纤维织物试样。这是因为当聚丙烯纤维加入至织物中，其内外层亲疏水性能差距进一步被扩大，聚丙烯纤维具有良好的疏水性能且保水性能差，是良好导湿材料，可以促使水汽沿垂直于织物方向传导至织物表层，进一步加大了所设计织物的差动毛细效应，使得织物的透湿性能得以改善。

比较两种斜纹珠珠组织的透湿性，含Coolmax涤纶织物的透湿性能略高于含聚丙烯纤维织物试样，但两者差幅相差不大。这是因为织物组织结构以及上机工艺参数对织物透湿性能的影响作用。当经纬密分别为640根/10 cm与400根/10 cm，且织物组织结构为斜纹时，机织物的导湿性能最佳[7]。在4号织物组织中所设计经纬密与最优工艺参数基本相同，而织物结构主要由斜纹所组成，这样的工艺设计与组织配置对织物试样的影响覆盖了纱线本身的影响，最终使得两组织物所测结果相近。

3 结 论

a） 加入聚丙烯纤维后，织物的吸水率、水分蒸发速率有下降的趋势，表明聚丙烯纤维的加入会减弱织物吸水、散湿性能。

b） 聚丙烯纤维加入织物中，会增大织物的差动毛细效应，水分在垂直于试样方向的传导性能增强。但所用聚丙烯纤维过量，会使差动毛细效应被其本身疏水性能所覆盖，阻碍水分通过织物，对织物水分传导性能产生影响。

c） 在4种织物中，双层透孔组织的吸水性能与透湿性能最佳。斜纹珠珠组织的横纵向以及垂直于布面的导水性能最好。双层透孔加厚组织因其组织结构设计的原因，使得聚丙烯纤维本身疏水性能覆盖了织物表里层之间的差动毛细作用，水滴无法正常垂直透过织物向外侧扩散，对织物的导湿快干性能具有一定影响。

参考文献：

[1] 李德深，于恩洪，庄蓓华.化学纤维结构与性能（六）聚丙烯纤维[J].中国纤检，1981（6）：28-32.

[2] 陈运能，姚穆.吸湿/快干功能性织物对织物结构的要求[J].西安工程大学学报，2001（2）：53-55，76.

[3] WU J， WANG Nü， WANG L， et al. Unidirectional water-penetration composite fibrous film via electrospinning[J]. Soft Matter， 2012，8（22）：5996.

[4] DONG Y， KONG J， PHUA S L， et al. Tailoring surface hydrophilicity of porous electrospunnanofibers to enhance capillary and push-pull effects for moisture wicking[J]. Acs Applied Materials & Interfaces， 2014，6（16）：14087.

[5] 周涛，王红.细旦丙纶纤维的特性、主要用途及制造方法[J].非织造布，2007（3）：37-39.

[6] 刘松涛，晏雄.改善聚丙烯纤维吸湿性能的方法[J].产业用纺织品，2004（6）：35-37，39.

[7] （美）S.阿达纳（SebitAdanur），徐朴，译.威灵顿产业用纺织品手册[M].北京：中国纺织出版社，2000.

[8] 詹永娟.基于垂直芯吸法机织物液态水垂直传递性能研究[D].杭州：浙江理工大学，2013.

[9] 张红霞，刘芙蓉，王静，等.织物结构对吸湿快干面料导湿性能的影响[J].纺织学报，2008（5）：31-33，38.

[10] 姚穆，施楣梧，蒋素婵.织物湿传导理论与实际的研究第一报：织物的湿传导过程与结构的研究[J].西安工程大学学报，2001，15（2）：1-8.

[11] 姚穆，施楣梧.织物湿传导理论与实际的研究第二报：织物湿传导理论方程的研究[J].西安工程大學学报，2001，15（2）：9-14.

[12] 施楣梧，陈运能，姚穆，等.织物湿传导理论与实际的研究第三报：液态水在织物中的吸收、传输与蒸发的研究[J].西安工程大学学报，2001（2）：15-23.

[13] 贺晓丽，王瑞，陈旭，等.亲/疏水整理对双层结构棉织物导湿快干性能的影响[J].纺织学报，2016，37（1）：98-103.

[14] 余绍勇，张慧萍，晏雄.织物导湿性能测试技术进展[J].纺织科技进展，2008（1）：35-36，42.

[15] YANG K， JIAO M L， TU H Y. Moisture Comfort property of fine denier polypropylene fiber in different environmental temperature conditions[J]. Advanced Materials Research，2012，468（1）：2132-2135.