纤维素纤维的种类对织物热湿舒适性的影响

颜奥林 王鸿博 杜金梅 王文聪 傅佳佳

摘要： 为更好地了解纤维素纤维的热湿性能，开发舒适性高的织物，文章探究了纤维的种类对织物热湿舒适性的影响，综合评价织物的热湿舒适性;采用控制变量法，选用线密度均为14.8 tex的5种纤维素纤维纱线，即棉纤维、竹原纤维、莫代尔纤维、棉/竹混纺纤维（50/50）、棉/莫代尔混纺纤维（50/50），织成密度接近的纬平针织物，分别测试了5种试样的热阻、湿阻、透气和透湿等指标，选择主成分分析法对各项测试指标分析，建立综合评价公式，得到因子权重。结果表明：纤维种类对织物的热湿舒适性能影响显著，在织物相同结构参数下，莫代尔纤维的热湿舒适性明显优于其他纤维种类。

关键词： 纤维素纤维;热湿舒适性;针织面料;主成分分析;综合评价

中图分类号： TS101.923

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）09001705

引用页码： 091104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.004（篇序）

Effects of cellulose fiber types on the thermal and moisture comfort of fabrics

YAN Aolin， WANG Hongbo， DU Jinmei， WANG Wencong， FU Jiajia

（a.College of Textiles and Clothing; b.Education Ministry Key Laboratory of Science & Technology for Eco-textiles， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to better understand the heat and humidity properties of cellulose fibers and develop comfortable fabrics， the influence of the type of cellulose fiber on the thermal and wet comfort of the fabric was investigated， and the thermal and wet comfort of the fabric was comprehensively evaluated. The control variable method was used for the experiment. Five different kinds of cellulosic fibers [cotton， bamboo， modal， cotton/bamboo（50/50） and cotton/modal（50/50）] with linear density of 14.8 tex were chosen to weave weft plain knitted fabrics with the similar density. The thermal resistance， moisture resistance， air permeability and moisture permeability of the five samples were tested. Finally， principal component analysis was used to analyze the test indexes， establish the comprehensive evaluation formula and gain the weight of factors. The results showed that the fiber type had a significant effect on the thermal and wet comfort of the fabrics. Under the same structural parameters of the fabrics， the thermal and wet comfort of the Modal fiber was significantly better than that of other fiber types.

Key words：

cellulose fiber; thermal and wet comfort property; knitted fabric; principal component analysis; comprehensive evaluation

收稿日期： 20191209;

修回日期： 20200816

基金項目： 国家重点研发计划项目（2017YFB0309100）;中央高校基本科研业务费专项资金项目（JUSRP51907A）

作者简介： 颜奥林（1997），女，硕士研究生，研究方向为功能纺织材料。通信作者：王鸿博，教授，wxwanghb@163.com。

近年来，人们对生活品质和生活标准的要求逐渐提高，在纺织品方面具体表现为追求服装的舒适、健康、休闲和时尚性。根据舒适度的一般定义，它是指当处于不同的温湿度环境中，人与环境之间进行不停的能量交换，织物可以使人保持不冷不热、不闷不潮，心理和生理和谐的愉悦状态[1]。舒适性和人类感官知觉之间存在着密切的关系，因此现代纺织品消费者将服装舒适性视为选择服装的第一要求。对于面料的热湿舒适性能而言，主要表现在面料的透气、透湿、保温、导湿等能力。液态水流动的途径依靠的是毛细吸水效应[2]。不同的纤维具有不同的截面形状，而其纤维截面的形状会对毛细管的数量和形状产生影响;同时纤维的直径大小也影响着毛细管的分布情况，因此纤维原料的种类会严重影响其面料的热湿舒适性。纤维的结构与其性能是互相作用的，纤维的结构会影响纤维的性能，而纤维的性能是其结构的最直接反映。相比较合成纤维，纤维素纤维因其纤维素分子中的葡萄糖剩基含有自由的羟基，可与水分子结合，纤维的吸湿性较好。当考虑织物的热湿舒适性能时，用纤维素纤维织成的织物，其服用性能更优。棉纤维是全世界最大宗的天然纺织原材料，是中国纺织纤维中的重要纤维材料。其多孔结构可以使得水分向原纤区的非结晶区渗透，与自由的纤维素羟基结合成氢键，因此具有优良的吸湿性能[3]。竹原纤维是因其吸湿排汗性、抗菌抑菌性、防紫外性等优良性能得到了广大消费者青睐。莫代尔纤维因其高强度、低质量和高模量而闻名，拥有纤维素纤维和合成纤维的优点，可以自然降解，对环境无污染[4]。

对于面料的热湿舒适性，国内外的专家学者对其有相应的研究。Wu等[5]对由棉、羊毛、大豆、竹浆等吸湿纤维制成的10种面料进行了测试，研究表明这10种面料的热湿舒适性因纤维种类而异;李东平等[6]测试了珍珠共混再生纤维素纤维、牛奶再生蛋白质纤维、黏胶纤维等11种面料的透气性、透湿性和芯吸性，研究表明珍珠共混再生纤维素纤维针织物的湿传递性能最优;刘林玉等[7]测试分析了11种消防服的热湿阻，研究表明面料的热湿阻与其平方米质量正相关。目前为止，关于面料的热湿舒适性能的研究，更多的是测试面料的热湿舒适性指标，如透气透湿性、热湿阻等，针对每一项指标进行比较分析，最后得出结论，而定量分析每一项指标在热湿舒适性中的权重，综合评价面料的研究报道较少。其次，由于纤维种类、纱线线密度、面料的组织结构等因素都会影响面料的热湿舒适性，有的研究学者在选择试样时并没有遵循控制变量的原则，会导致其测试结果不太精确。

综上，本文以纤维素纤维为原料，选用多种纤维原料，设计了5种纤维原料不同、其他规格和组织结构相同的针织面料，通过主成分分析法定量分析比较了其热湿舒适性，探究纤维素纤维的种类对织物热湿舒适性的影响。

1 实 验

1.1 材 料

为了排除纱线的线密度及面料的组织结构对其热湿舒适性能产生的影响，本文选择使用纱线线密度均为14.8 tex的纯棉纤维、竹原纤维、纯莫代尔纤维、棉/竹纤维（50/50）、棉/莫代尔纤维（50/50），制成平方米质量接近的组织结构均为纬平针的针织面料。

1.2 设 备

在机号E 26、筒径14英寸、路数12路、总针数1152枚的TNY-12 F型单面全电脑纬编无缝针织机（金天梭精密机械有限公司）上生产纬平针织物，根据工业生产标准，以恒定的机器设置在相同的环境下完成所有针织面料的编织过程。

1.3 面料基本性能测试

参照标准GB/T 4669—2008《纺织品单位长度质量和单位面积质量的测定》，采用电子天平测试仪器测试织物的平方米质量;参照标准GB/T 24218.2—2009《纺织品厚度的测定》，采用YG（B）141型厚度仪（温州大荣纺织仪器有限公司）测试织物的厚度;针织物的疏密程度由纵横密代表，采用Y511型密度分析鏡（温州大荣纺织仪器有限公司）测试织物的横纵密。

1.4 面料热湿舒适性能测试

1.4.1 透气性测试

参照标准GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》，测试仪器为YG461E型透气仪（温州大荣纺织仪器有限公司），其测试条件为：5号喷嘴、试样大小φ20 cm，每种针织物共进行10次测试，取其平均值。

1.4.2 透湿性测试

参照标准GB/T 12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法》，测试仪器为YG601型织物透湿量仪（宁波纺织仪器厂），测试条件：将5种试样放在恒温恒湿箱中调湿24 h，温度20 ℃，相对湿度65%。试样大小φ70 mm，每份试样共测试10次，取其平均值。织物每平方米的透湿量计算公式为：

WVT=24×Δms×t（1）

式中：S为样品测试面积，m2;Δm为前后两次称量的差值，g;t为测试时间，h。

1.4.3 芯吸高度测试

参照标准FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》，测试仪器为YG（B）871型毛细管效应测定仪（温州大荣纺织仪器有限公司），测试条件：将5种试样放在恒温恒湿箱中调湿24 h，温度20 ℃，相对湿度65%。测试30 min时溶液上升的高度，试样大小分别为经向30 cm、纬向5 cm，纬向30 cm、经向5 cm。

1.4.4 热阻、湿阻测试

参照标准GB/T 11048—2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》，测试仪器为YG606G型热阻湿阻测试仪（四川优普超纯科技有限公司），测试条件：将5种试样放在恒温恒湿箱中调湿24 h，温度20 ℃，相对湿度65%。试样大小为50 cm×50 cm，每份试样共测试3次，取其平均值。

1.4.5 保暖性测试

参照标准GB/T 11048—1989《纺织品保温性能试验方法》，测试仪器为YG 606 D型保温仪（温州大荣纺织仪器有限公司），测试条件：温度20 ℃±0.1 ℃，相对湿度65%±2%，试样大小为30 cm×30 cm。

2 运用主成分分析评价

面料的规格参数及其热舒适性能如表1、表2所示。采用SAS软件，将1#～5#试样的热湿舒适性能的测试数据进行单因素方差分析，结果表明在95%的置信区间内，P值均小于显著性水平0.05，因此纤维种类之间的相互作用具有统计学意义。5种试样的性能指标各不相同，每个单项指标在综合性能都有着独自的作用，如果仅凭借其中某一个指标进行评价，虽然可以产生排序，但是其结果只反映了某一个侧面，无法做到全面评价其热湿舒适性的优劣，因此需要采取数据分析的方法对试样进行综合评价。采用主成分分析可以使多个彼此相关的因子使用线性组合的方式降低因子的维度，问题因此更加简单直观。主成分分析就是简单转换各个影响因子之间相关联的一种评价方式。通过使用正交变换的方法，把互相之间存在相关关系的变量转变成无相关性的变量，这组无相关性的变量为主成分，在分析过程时，各个变量会转换成对应的得分因子，以得分因子组成函数作为权重[8]。

衡量织物热湿传递性的测试指标有：湿阻、热阻、透气率、透湿量、纬向芯吸高度、经向芯吸高度和保温率[9]。对所有测试指标的结果进行标准化处理，即将每一个测试变量减去总变量，得到的差值除以该测试变量，标准化结果如表3所示。将标准化变量建立数据库，输入代码进行编程，执行程序，可得样本相关矩阵的特征值表和样本相关矩阵的特征向量表，即可得方差贡献、方差贡献率、累计方差贡献率和特征值及对应的特征向量（表4、表5）。

3 结果与分析

3.1 面料性能分析

透气性可以间接地反映面料的舒适性和服用性，纤维的横截面形状及纤维间抱合紧密程度、面料中纱线的紧密程度会影响面料的透气性[10]。由表2中透气率数据可知，4#面料的透气性最佳。由于5种面料纱线的线密度相同，因此影响面料透气性的主要影响因素为纤维的截面形状和纤维间的空隙。莫代尔纤维的横截面是哑铃形状[11]，纤维没有中腔，有皮芯结构，并且由于其长度、细度及均匀度优于棉纤维和竹原纤维，所以其纱线中纤维间抱合更加紧密、纱线表面的毛羽较少，因此纱线及其对应织成的织物间的空隙大，对空气流动的阻力小。所以4#面料的透气性最好，5#次之。面料的透湿性包括了水的气相传递和液相传递，即水蒸气的传递和液态水传递[12]。纤维的吸湿作用大部分产生在非结晶区[13]。在5种试样中，棉纤维为纤维素I型，从微观结构看是多孔物质，纤维内部及纤维之间存在较多空隙，可以更好地吸收水分，所以1#面料的透湿性最好，而莫代尔纤维的公定回潮率是13%，所以5#面料的透湿性能次之1#面料。

在相同的时间内，若面料的芯吸高度越高，那么其芯吸速率就越大，对应的导湿性就会越好。由表1可知，5种面料的纵密均明显比横密大，因此面料的经向纱线相对于纬向更加密集，水分传递的速率更快，因此表2中5种面料的经向芯吸高度都比其纬向芯吸高度大;在纤维的经向方向，产生的毛细管数量更多，且其形状呈经向分布，水分子更快地在经向传导，芯吸效果更为明显[14]。由于棉的透湿性极好，毛细管大，因此棉纤维面料的芯吸高度仅为0.3 mm;莫代尔纤维的形态结构为纵向表面上有沟槽[11]，更有利于水分的传导，因此4#面料和5#面料的芯吸高度远大于其他面料，而5#面料的原料为莫代尔纤维与棉纤维的混纺，棉纤维的毛细管大芯吸效果差，所以5#面料的芯吸高度比4#面料低。织物的保温率也是关系到热湿舒适性的重要指标，面料自身的厚度、平方米质量及纤维的蓬松度是影响保温率的重要影响因素。由表1的平方米质量和厚度可知，4#面料的平方米质量和厚度最大，且由于莫代尔纤维均匀的细度和光滑的表面，成纱时纤维接触更加紧密，对纤维间流动空气的阻力更大，因此其保暖性最佳。通常，织物的热阻与厚度成正比，即织物越厚，其热阻越大[15]。由表1织物的规格参数可知，4#面料最厚，所以4#面料的热阻在5种试样中最大;湿阻大小代表了织物传递水蒸气的能力，一般而言，湿阻越小水蒸气更容易传递。相比于其他纤维素纤维，竹原纤维由于表面存在很多细小的沟纹和些许裂痕[16]，织物能够在较短的时间内吸收水蒸气，因此2#面料的湿阻最小。

3.2 主要因素分析

从SAS主成分分析结果可知，表4给出了每个主成分对应的贡献率，其中主成分Z1的贡献率为57.33%，主成分Z2的贡献率为27.95%，由累计贡献率可知前两个主成分已提取了8527%的方差，其总贡献率大于85%，因此選择主成分的个数为2。用特征值归一化后作为权重进行多指标综合。由表5特征向量的分析结果可知主成分Z1、主成分Z2的得分，即：

Z1=0.41X1+0.048X2+0.468X3-0.107X4+0.46X5+0.474X6+0.403X7（2）

Z2=0.312X1+0.526X2-0.232X3+0.662X4-0.141X5-0.085X6+0.326X7（3）

面料热湿舒适性综合得分由主成分Z1、主成分Z2按照方差贡献率的比例组成，即评价公式为：

Z=57.33%85.27%Z1+27.95%85.27%Z2（4）

整理可得综合评价公式：

Z=0.378X1+0.205X2+0.238X3+0.145X4+0.263X5+0.291X6+0.377X7（5）

由综合评价公式可知，影响因子X前面的系数即为权重，因此对于其他规格相同仅原料不同的面料而言，影响面料热湿舒适性的因子权重最大的为热阻，权重最小的为透湿量。将5个样品各个测试指标的标准化变量带入综合评价的函数公式中，得分结果如图1所示。

从图1可以看出，面料舒适性得分排序为：4#莫代尔纤维>5#棉/莫代尔纤维（50/50）>3#棉/竹纤维（50/50）>1#棉纤维>2#竹原纤维。4#和5#得分较高，这两者均含有莫代尔纤维。在面料的评价体系中，透气率、纬向芯吸高度、经向芯吸高度、保温率和透湿量为正指标，湿阻、热阻为逆指标。正指标表明该指标与该主成分作用同向，反之则逆向[17]，因此得分公式的评价值越高，则说明该样品的透湿性和透气性越好，芯吸能力越强，对应的湿阻和热阻小，面料可以较快地将内层的水分传递至外层，使得面料能够快速地恢复成干爽状态。

4 结 论

本文以5种不同原料的纤维素纤维纱线织成的织物为材料，探究了纱线原料对织物热湿舒适性的影响，并得到以下结论：

1）用SAS软件对实验数据进行主成分分析，得到热湿舒适性综合评价的公式和影响因子权重比例。影响面料热湿舒适性的因子权重依次为热阻、保温率、纬向芯吸、经向芯吸、透气率、湿阻、透湿量。

2）5种面料的热湿舒适性优异依次为纯莫代尔纤维、棉/莫代尔纤维（50/50）、棉/竹纤维（50/50）、纯棉纤维、竹原纤维。

3）探究纤维素纤维种类的热湿舒适性能的优异，对开发设计热湿舒适性高的面料、消费者选购产品提供了一定的理论指导和参考意义。

参考文献：

[1]钮王锋， 施静玲， 吴启欣， 等. 桑蚕丝冰爽纤维交织面料的开发及性能研究[J]. 上海纺织科技， 2014， 42（6）： 41-43.

NIU Wangfeng， SHI Jingling， WU Qixin， et al. Development and performance study of fabrics interwoven by silk icy fabrics[J]. Shanghai Textile Science & Technology， 2014， 42（6）： 41-43.

[2]翟孝瑜. 导湿快干针织运动面料的研究与开发[D]. 苏州： 苏州大学， 2007.

ZHAI Xiaoyu. Research and Development of Wet and Quick-Drying Knitted Sports Fabrics[D]. Suzhou： Soochow University， 2007.

[3]王启明， 陈力群， 许贻东， 等. 吸湿凉感纬编针织面料开发[J]. 针织工业， 2018， 356（9）： 13-18.

WANG Qiming， CHEN Liqun， XU Yidong， et al. Development of moisture absorbing and cool feeling weft knitted fabric[J]. Knitting Industries， 2018（9）： 9-14.

[4]李斌. 莫代爾纤维的优异性能[J]. 人造纤维， 2017， 47（2）： 32-33.

LI Bin. Excellent performance of modal fiber[J]. Artificial Fibre， 2017， 47（2）： 32-33.

[5]WU H Y， ZHANG W Y， LI J. Study on improving the thermal-wet comfort of clothing during exercise with an assembly of fabrics[J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe， 2009， 17（4）： 46-51.

[6]李东平， 尹洪伟， 赵艳霞. 珍珠纤维针织物的热湿舒适性[J]. 纺织学报， 2007， 28（11）： 29-31.

LI Dongping， YIN Hongwei， ZHAO Yanxia. Thermal wet comfort property of pearl fiber knitted fabric[J]. Journal of Textile Research， 2007， 28（11）： 29-31.

[7]刘林玉， 陈诚毅， 王珍玉， 等. 消防服多层织物的热湿舒适性[J]. 纺织学报， 2019， 40（5）： 119-123.

LIU Linyu， CHEN Chengyi， WANG Zhenyu， et al. Thermal-moisture comfort of multilayered fabric systemsused as firefighting clothing[J].

Journal of Textile Research， 2019， 40（5）： 119-123.

[8]吴殿廷， 吴迪. 用主成分分析法作多指标综合评价应该注意的问题[J]. 数学的实践与认识， 2015， 45（20）： 143-150.

WU Dianting， WU Di. Some problems in comprehensive evaluation of the principal component analysis[J]. Mathematics in Practice and Theory， 2015， 45（20）： 143-150.

[9]丁殷佳. 风速与汗湿对运动服面料热湿舒适性的影响及综合评价[D]. 杭州： 浙江理工大学， 2015.

DING Yinjia. The Influence and Comprehensive Evaluation of Air Velocity and Sweat on Thermal-Wet Comfort of Sportswear Fabrics[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-tech University， 2015.

[10]周礼标. 导湿散热针织面料开发与性能研究[D]. 上海： 东华大学， 2012.

ZHOU Libiao. Development and Performance Study of Moisture-Conducting and Heat-Releasing Knitted Fabrics[D]. Shanghai： Donghua University， 2012.

[11]梁肇文， 何美容. 常见莫代尔纤维及菜赛尔纤维的特征与鉴别[J]. 中国纤检， 2011（13）： 50-51.

LIANG Zhaowen， HE Meirong. Characteristics and identification of common modal fiber and lyocell fiber[J]. China Fiber Inspection， 2011（13）： 50-51.

[12]DAS A， YADAW S S. Study on moisture vapor transmission characteristics of woven fabrics from cotton-acrylic bulked yarns[J]. Journal of the Textile Institute， 2013， 104（3）： 322-329.

[13]王琳， 曹秋玲， 李梦君. 几种再生纤维素纤维性能的测试分析[J]. 纺织科技进展， 2017（6）： 32-34.

WANG Lin， CAO Qiuling， LI Mengjun. Performance test and analysis of several regenerated cellulose fibers[J]. Progress in Textile Science & Technology， 2017（6）： 32-34.

[14]陈晴， 张鑫， 孙思瑾， 等. 添纱纬编导湿快干面料的性能[J]. 服装学报， 2019， 4（1）： 5-12.

CHEN Qing， ZHANG Xin， SUN Sijin， et al. Moisture-transfer and fast drying properties of weft knitted plating stitch[J]. Journal of Clothing Research， 2019， 4（1）： 5-12.

[15]庞方丽， 刘星， 王瑞. 织物热传递性能的影响因素[J]. 轻纺工业与技术， 2013（2）： 21-24.

PANG Fangli， LIU Xing， WANG Rui. Factors affecting the heat transfer performance of fabrics[J]. Light and Textile Industry and Technology， 2013（2）： 21-24.

[16]童星， 郭晓玲， 宋庆文， 等. 竹原纤维微观结构及抗菌性能分析[J]. 棉纺织技术， 2017， 45（1）： 31-34.

TONG Xing， GUO Xiaoling， SONG Qingwen， et al. Microstructure and antibacterial property analyses of natural bamboo fiber[J]. Cotton Textile Technology， 2017， 45（1）： 31-34.

[17]侯文. 对应用主成分法进行综合评价的探讨[J]. 数理统计与管理， 2006， 25（2）： 211-214.

HOU Wen. Discussing to comprehensive evaluation by principal component[J]. Application of Statistics and Management， 2006， 25（2）： 211-214.