织物散湿性能的研究进展

雷 敏，李毓陵，马颜雪，程隆棣，周 峰

(东华大学 纺织学院，上海 201620)

纺织品的水分传输性能对织造、后整理加工过程至关重要。同时，一些功能性纺织品如运动服、卫生防护纺织产品也对材料本身的吸湿-导湿-散湿性能有特殊要求。对于服用纺织品而言，其水分管理性能已经成为判定穿着舒适性的基本指标之一。在热环境中运动时，因皮肤表面汗液引起的不舒适性要远大于皮肤表面温度[1]，如果汗液不能及时通过织物传递到外界大气中，皮肤与织物间微气候中的湿度会有上升趋势。这种湿度的增加阻碍了汗液的蒸发，继而人体感到闷热、黏腻[2]。此外，由于水气被“紧锁”在纺织品内部，湿含量太高而蒸发太慢，会对人体造成不同程度的伤害，如含湿的纺织品与皮肤间的摩擦因数较高，还会给穿着者带来水泡[3-4]、褥疮[5]的苦恼，因此，研究纺织品内水分传递的机制并进行相应的检测就显得尤为重要。

具有良好水分传输性能的纤维或面料，既能通过纤维的吸附将汗液从皮肤表面拨离[6]，又能使汗液通过纺织品内部的通道向外层转移，最终汗液从表面蒸发转变为水气扩散至大气，纺织品能在此过程中迅速干燥[7]。织物中的水分传输历经3个阶段：吸湿、导湿和散湿。3个阶段相辅相成，且交互影响。显然，水分从纺织品中扩散到大气的能力，即纺织品的散湿性能，决定了纺织品能否快速干燥，即快干性能。但目前的研究多集中在纺织品的吸湿-导湿性能，鲜有研究纺织品的散湿性能，更无专门针对散湿性能的检测方法，因此，市场上虽然源源不断地出现一些标称具有良好水分管理性能的织物，但其实际应用效果却不尽如人意[8]。

为此，探究影响织物散湿性能的主要因素，归类与对比相关测试方法并指明研发的方向，是非常有必要的一项工作。本文对国内外相关文献进行了综述，探究了影响纺织品散湿性能的因素，包括出汗速度、温度、湿度在内的环境因素；以及纤维组成、纤维形貌、织物结构在内的内部因素。然后从散湿性能测试的国际标准及测量指标、室温散湿测试、加热散湿测试3个方面，分析了不同检测方法的特点、适用范围及最新研究进展，研究了现有检测标准与方法的优势与局限性。最后提出了进一步提升纺织品散湿性能检测的有效性、合理性和完整性的研究方向。

1 织物散湿性能的影响因素

在不同穿着场景下人体对织物“吸湿-导湿-散湿”性能的要求不尽相同，如表1所示。其中散湿是纺织品水分管理过程中的最后一步，也是相关研究最少的一步。有良好吸湿导湿性能的纺织品如果不具备快速散湿的性能，水分仍然被锁在纺织品内部，人体会感到闷热、黏腻、不舒适。因为纺织品对水分的吸、导、散是一连续过程，但散湿速率显著比吸导湿速率低，所以散湿速率成为吸湿快干的控制因素[9]；因此，对纺织品的散湿机制进行分析，对散湿性能进行检测与表征就显得尤为重要。

表1 人体对织物水分管理性能的需求Tab.1 Requirement of human body for fabrics moisture management

国内外诸多学者将纺织品的水分散发问题加以简化，将其视作非饱和多孔介质(内含气相、液相、固相)的传质传热问题[10-14]。从微观上看，蒸发就是水分子在多孔介质(湿区)与外界环境(干区)相接触的表面上汽化，该表面也称作是自由表面。多孔介质靠汽化来降低内部的水分含量，该过程分为2步：第1步，多孔介质由于存在大量不同孔径的孔隙而形成毛细压力差，水分在毛细压力差的带动下由内部扩散至自由表面；第2步，自由表面上，位于孔隙弯液面的水分压力大于环境中的水蒸气分压，汽化蒸发开始[11]，蒸发的气体扩散形成努森流[15]和表面流，再促使水分迁移直至干燥结束[12]。从宏观上看，纺织品的散湿过程分为3个阶段。第1阶段为加速散湿阶段，纺织品从皮肤表面吸收水分并迅速传导至外表面，与周围大气形成含湿梯度，由于水分的吸导湿速率的限制，纺织品表面的含水量是逐步上升的，而初期的含水会以吸收水方式存在，故此阶段的散湿速率呈现逐步上升趋势；第2阶段为恒速散湿阶段，由于纺织品的吸导湿速率远大于散湿速率，因此在纺织品表面会迅速形成吸附水并保持含湿量相对稳定，从而保持恒定的散湿速率；第3阶段为降速散湿阶段，皮肤表面的水分完全吸掉后，纺织品表面的含湿量会逐步下降，吸收水比例升高，与周围大气间的含湿梯度下降，此阶段的散湿速率也就会相应下降。归纳而言，织物水分的散发速度取决于内部与外部2个因素。

1.1 内部因素

织物组成与结构是内部因素。Four等[16]指出，在干燥环境相同的情况下，干燥速率取决于纺织品原料本身吸湿量的多少。纤维大分子中，亲水基团是影响纤维吸湿的最重要因素。其中，羟基(—OH)，酰胺基(—CONH—)，氨基(—NH2)，羧基(—COOH)等亲水基团易与水分子以氢键结合，构成吸收水，在散湿过程中破坏氢键需要较大的能量，故含大量亲水基团的纤维其散湿速率较慢[17]。Wang等[18]发现，与吸收相同含量的水分的棉织物相比，羊毛织物的干燥时间更长。而Hassan等[19]证实标称有快干功能的化纤并不具备好的快干特性，其水分蒸发速率甚至低于羊毛织物。纤维的结构与形态也有影响，Schick[20]和Yasuda等[21]指出，异形纤维纵向产生的沟槽可以提高导湿性，沟槽的芯吸效应有助于吸湿排汗。王金花[22]发现，纤维异形后增加了比表面积，而在比表面积相同时，纤维的相互堆砌程度越小，干燥速率越大。纤维表面具有凹坑、孔隙；纱线中纤维之间存在的缝隙，纤维的排列方式；织物中纱线之间存在的间隙，纱线的排列方式等，使得织物的结构千变万化。Wang等[23]研制出一种具有树状仿生分层结构的快干织物，上中下层形成递减的表面能梯度，各层形成贯通的孔隙结构，蒸发层具有最大的表观蒸发面积，促使水气快速蒸发。Dai等[24]通过在织物表面嵌入带有亲水性内表面的圆锥形微孔阵列，促使水分在毛细驱动力的带动下定向传输，圆锥面也增大了水分蒸发面积，实现高效水分传输功能。此外织物结构[25]，疏水整理[26]，孔隙大小[27]等也对织物的散湿能力有所影响。

1.2 外部因素

皮肤-织物-大气微环境为外部因素。皮肤-织物-大气微环境影响因素包括温度、湿度以及出汗速度。Fohr[10]和Pan等[11]认为含湿纺织品本身有一定温度，周围环境温度越高，则向纺织品传递热量的速度越快，也加快了水分的散失速度。同时，过高的温度会降低周围环境的相对饱和湿度，增加空气与纺织品的湿度梯度，促进散湿速率的提高。外界环境水蒸气分压与其湿度有关，大气湿度越高，则水蒸气分压越高，与含湿织物形成的湿度梯度越小，不利于水分子的蒸发扩散。Weder等[28]在相对空气湿度为30%、50%、80%和95%，温度为30 ℃的固定环境下研究水蒸气分压对各种材料水分传输特性的影响，结果发现，对于低排汗速率(50、75 g/h)，干燥时间差异不大，但在较高的相对湿度和较低的排汗率的情况下，水分无法完全蒸发，而是被存储在织物中。散湿过程中，纺织品内部蒸发的水分子会在自由表面形成饱和的蒸汽层，自由表面的水分蒸发会因饱和蒸汽层的存在而被抑制。织物表面强制对流的空气可除去饱和水蒸气层而加快干燥。其中：织物水平方向空气可带走织物表层的水气；垂直方向空气可通过织物内部的各级孔隙结构形成强制对流，带走内部水气。因此，在研究过程中，风速与风向也要作为主要影响因素考量。

综上所述，有众多因素交互影响纺织品散湿性能，在设计散湿性能测试方法时，应将这些因素作为主要外加条件，以适应具体的应用场景，得到更为准确的测试结果。

2 织物散湿性能的检测

目前国际上存在着多种纺织品散湿性能的测试方法，但不同的国家、检验机构与生产商用于检验与交流的产品散湿性指标并不统一，且各方法之间存在原理上的差异，引起了比较分析上的困难，表2示出5个测试指标之间的差异。国内外学者也在通用的散湿性能测试方法原理上进行改进，使得测试方法与条件更接近于实际应用场景。目前织物散湿性能的测试方法主要分为室温干燥测试和加热干燥测试。不同测试方法测量的指标，以及测试过程中对散湿性能主要影响因素的考虑如表3所示。

表2 织物散湿性能测试指标Tab.2 Test indexes of fabrics moisture evaporating property

表3 织物散湿性能测试方法的对比Tab.3 Comparison of evaluation method for fabrics moisture evaporating property

2.1 室温散湿测试

2.1.1 透湿杯法

透湿杯法根据所用计量成分可分为蒸馏水法和干燥剂法。在透湿杯中倒入适量蒸馏水或干燥剂(无水硅胶或无水氯化钙)；然后盖上样品，使得水面与布面之间维持一定的距离，确保测试中不漏水；24 h后称量，并计算织物透湿量[29]。Woodruf等[30]和Wang等[31]的研究表明，透湿量主要与材料的亲、疏水性，紧度和厚度有关。但该方法仅考察了是气相水在织物内部的扩散情况，不存在织物吸湿导湿的过程，与实际情况不符，并不具有代表性。

2.1.2 滴水称量法

滴加定量水称量是一简单、易行、普遍的测试方法，它是在标准大气压(温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±3)%)条件下每隔一定时间测定固定水量的干燥速度，绘制时间和蒸发量曲线，在曲线中截取趋势较平直的一段计算其斜率，即为该测试样品的蒸发速率，简称为WER法，国内外众多研究者利用此方法来研究纺织品的干燥特性[32-37]。Fangueiro等[34]在相同湿度为(65±3)%，温度为(20±2) ℃和(33±2) ℃条件下测试功能性双面针织物的干燥特性，研究发现，在此种方法下芯吸能力和回潮率在织物的干燥过程中起重要作用，在低回潮率的情况下，芯吸能力好的织物具有更高的蒸发速率。Saricam等[37]用WER法测试不同规格的涤纶机织物，发现影响织物干燥速率的主要因素有织物的水分扩散率与毛细管空间大小。该测试方法虽然简单易行，并在科学研究和商业检测上具有通用性，但其不足之处在于其中的人工操作太多，织物在频繁的称量过程中会受到不稳定人为因素的影响，如移动样品会产生细微的空气对流，织物上的水分在织物移动过程中会沾到容器上等等，这些因素都会对实验造成误差，影响实验的有效性和准确性。

2.1.3 模拟出汗法

在实际情况中，皮肤是源源不断出汗的，而且吸湿总是发生在纺织品的水平面上。

张才前等[38]等根据电阻法检测原理，在织物内部插入多根探针，检测汗液各个方向上的扩散情况，可同时评价织物5个方向上液滴的扩散与蒸发情况，并有效揭示出织物内部的水分传递现象，具有自动化程度高的优点。但由于插针数和针距的问题，实验精准度问题有待提高。

为了表征织物在水平方向和竖直方向上的水分传输性能，Tang等[39]在水平芯吸的基础上设计了一种自发芯吸水分传输测试仪。该测试仪器有一个密封装置以防止测试过程中水分的散湿。除此之外，给水方法也变成了在织物反面定速滴水以模仿皮肤真实出汗情况。织物正面上方的照相装置用以实时记录水分在织物正面的扩散状态，使得测试更加科学有效。

Tand等[40]为了探究出汗速度对纺织品内部水分传输的影响，根据实际用途，研发出一种强制水流导湿测试仪，它是基于质量和图像分析技术的一种水流速可控的测试方法，通过注射器模拟不同的出汗速度，可以评价水在纺织品垂直方向和水平方向的传输情况，是一种精确、可靠、高效、适应性广的测试方法。实验表明，纺织品的吸湿和导湿能力与出汗速度息息相关。

上述2种方法虽能模拟实际的出汗方式以及标准大气条件下的出汗速度，但缺少定量的织物散湿性能测试，测试方法不具备通用性。

2.2 加热散湿测试

常温干燥测试法操作简单易行，但测试时间长且没有模拟实际应用的场景。在穿着过程中纺织品是与皮肤相接触的，所以在模拟皮肤温度的条件下测试纺织品的干燥速度和湿阻才是合理有效的。

2.2.1 加热干燥法

加热干燥法从加水量的角度可分为加定量水干燥和完全浸润干燥。

AATCC 201标准中的热板法为加定量水干燥，包含有一中心带圆孔的金属板，用于滴0.2 mL水；在圆孔上方的红外热电偶探头用来检测圆点处的面料温度。为模拟人体温度，金属板可加热至37 ℃，顶端风扇提供1.5 m/s的模拟风速[8]。Wang等[18, 41]使用热板法研究织物表面温度在蒸发过程中的变化，研究发现，滴加水后温度突然下降，然后保持稳定，随后回升与环境达到平衡，从而在温度-时间曲线中形成凹形。此外，当织物的回潮率增加或模拟风速降低时，织物需要更长的时间才能完成释放过程。在风速较高的情况下，由于加快了蒸发速度，因此在水分释放过程中显示出较低的表面温度。与吸收相同含量的水分的棉织物相比，羊毛织物完成水分释放过程的时间更长，热能消耗较高，因此其表面温度低于棉织物的表面温度。采用热板法表征含湿织物散湿性能时存在无法称量和与实际出汗情况不符的不足，这给客观评价织物的快干性能带来了困难；但在传感器上加装制热设备会使测量数据波动，具有一定的困难，因此，一些学者致力于利用热板法探索表征织物散湿性能的新途径。

Chau等[42-43]在改进了出水模式和进气方式的基础上，研制出一种基于质量感应的恒温干燥速率仪，增加了数据自动记录系统、自动定量给水管、水分扩散面积图像处理装置等，并设定了消极空气梯度差，既加快了实验速度，同时又大大减少了人为因素对实验的干扰，并在测量水分蒸发速率指标的同时新增了一项水分扩散面积指标的测定。为从原理上改善测试方法，Hassan等[19]将样品在滴加了亲水剂的去离子水中浸泡5 min后称量，随即将其置于离心机中甩干30 s，最后在(105±2) ℃的烘箱中干燥直至样品质量不变。这项研究发现，一些标称有快干功能的产品并不具备好的快干特性，其水分蒸发速率甚至低于羊毛织物；不过该方法的加热温度太高，与实际应用场景还是有一些不符。

含湿纺织品在干燥过程中存在恒速散湿阶段和降速散湿阶段,为了定量地测量这2个阶段，Ip等[13-14]试图通过多孔介质传质的理论解释微观层面纺织品的蒸发机制，用质量密度、流动黏度、热导率、气体扩散率等建立一种非线性分析模型，定性分析了含湿纺织品干燥过程中的热质传递；并在不同温度和气流速度条件下定量分析，但实际上在干燥环境相同的情况下，干燥速率取决于纺织品原料本身吸湿量的多少[16]。棉、毛、麻等天然纤维相较于合成纤维，在洗涤或者穿着过程中吸收更多的水分，自然会消耗更长的时间干燥。此外，述方法中仅在织物表面滴加极少量的水，且倾向于测试吸湿性能好的纺织品，水分很快就在织物表面扩散并蒸发，并不能真实地揭示其散湿特性。与其说这种方法测试了纺织品的“快干性能”，倒不如说表征了纺织品的水分管理能力，与实际应用场景仍存在一定偏差。

2.2.2 仿人体法

暖体假人(Manikin)是一种从20世纪40年代逐步发展的生态学实验器械，国外相继有ADAM、SAM、NEWTON、JUN、KEM暖体假人问世，国内有Walter、LD-1 型服装保温仪问世[44]。最新的第4代暖体假人Walter可以做出行走、攀爬等动作和呼吸等生理活动，并可以真实模拟人体不同部位的出汗情况[45]。它能够更加全面地反映人体、服装和环境的热湿交换过程，并对服装的热湿传递性能做出综合评价，非常便捷、快速、可重复性强[46]。加入了皮肤温度、出汗速度、皮肤湿度，更加适应了主观生理评价。研究者利用暖体假人研究发现，面料结构[47]、服装合体性[48]、织物水分含量[48]、皮肤表面温度[49]、风速[50]均对结果产生重要影响。但通过暖体假人获得的服装总湿阻是人体在着装不同部位湿阻的加权平均值，无法代表面料的湿阻值，有一定的局限性[51]。

出汗暖体躯干是一种采用电加热式金属圆筒制成的皮肤温度模拟仪，形似人体躯干，它由躯干实体部分和测量与控制部分组成，可在稳态下测量体表、环境和躯干体内的温湿度数值及变化率，并且可分别得到在稳定平衡状态、热湿通量恒定状态、非稳定散湿状态情况下的织物湿阻。出汗暖体躯干常被用于研究纺织品的蒸发冷却效率问题。研究者研究了冷却效率与其他参数如湿度[28]、出汗速度[28]、织物厚度、吸湿相[52]以及与皮肤的蒸发距离[53]、服装内外层[54]配合之间的关系，但该装置无法运动，不能测量动态条件下的面料热湿阻。

3 结束语

织物的散湿性能受其本身构成与结构的影响，也被皮肤-织物-大气微环境制约；同时其检测也存在测试标准人工误差大、各方法间的交互性差、无法模拟真实人体温度、散湿概念定义模糊的不足。本文从室温散湿测试及加热散湿测试2个方面概括了纺织品散湿性能检测的研究进展，存在着一定的局限。为了提升纺织品散湿性能检测的有效性、合理性和完整性，建议在以下几方面进行深入研究。

1)揭示纺织品散湿过程中的传质传热机制。含湿纺织品的干燥是一多孔介质传质传热过程，但由于织物本身的结构复杂性，导致此研究多停留在实验测试阶段，且重点放在吸湿、导湿过程，因此从理论与实验的角度研究散湿过程将有助于相关产品的开发。

2)搭建专业的实验平台和测量仪器。由于现有的测试标准与研究多集中于定量、定性地分析纺织品吸湿-导湿过程，一些仪器设备并不是检测散湿性能所专用的，这也是未来进行合理、稳定纺织品舒适性能测评的基础。

3)建立全面的纺织品散湿性能评价体系。纺织品的吸湿-导湿-散湿的性能均存在相互关联和内在制约。对于不同种类的纺织品，这种关联与制约的表现不同。对于特定的纺织品来说，其水分管理性能之间的作用机制并不明确，需建立合理科学的综合评价体系来为热湿舒适性纺织品的开发提供参考与支撑。