防羽面料孔径及分布特征与透气性和防钻绒性的关系

2021-01-05董甜甜高卫东

纺织学报 2020年12期

董甜甜，王蕾，高卫东

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏无锡 214122)

防羽面料是指纱线线密度较小而织物经纬密度较大的薄型织物[1]，防钻绒性和透气性是评价其性能的重要指标。目前主要通过织物组织结构等参数研究防羽面料的透气和防钻绒性能[2-3]。织物的组织结构决定了织物的孔隙结构，而孔隙大小及其分布对织物的透气、透湿、防钻绒等性能有直接影响[4-5]。狄剑锋等[6]采用质量分级法，研究了5种棉和棉/涤纶机织物的毛细孔径分布与其组织结构及组分的关系；于磊等[7]通过孔径分布研究了高密织物的防水透湿性能发现，小孔对透湿性起主导作用，大孔对织物的防水影响明显；张文娟等[8]研究发现毛织物的体积孔隙率、表面孔隙率和平均孔径与湿阻呈非线性关系；Aisha等[9]发现平纹棉织物的孔径大部分呈矩形，孔的大小分布不均，当保持纱线线密度不变，改变织物的密度时，棉织物的透气性随孔径的增大而增大；李小倩等[10]使用压汞法测得织物的孔隙率发现，透气率与孔隙率呈正相关。但通过孔隙特征对防羽面料透气和防钻绒性能的研究较少。

本文采用美国PMI公司的CFP-1100A型多功能孔径仪对防羽面料的孔隙分布进行测试，通过分析防羽面料的孔径分布规律，得出面料的孔径分布与透气性和防钻绒性之间的关系，进而提出一种透气性和防钻绒性的综合评价方法。

1 实验部分

1.1 试样选择

实验面料采用江苏金太阳纺织科技股份有限公司和罗莱生活科技股份有限公司提供的10种防羽面料，原料分为纯棉、涤/棉交织织物，组织为平纹和五上三下经缎纹，面料的规格参数如表1所示。

表1 面料规格参数Tab.1 Structural specifications of fabric samples

1.2 实验方法

1.2.1 孔径测量

采用美国PMI公司的CFP-1100A型多功能孔径仪测量面料的孔径特征值。在距离每种面料布边大于10 cm的位置上均匀选取9块试样，每个试样的尺寸为4 cm×4 cm，取样示意图如图1所示。取样后将试样放在酒精溶液中，待完全浸润后，放入多功能孔径分析仪器内进行测试。

图1 取样示意图Fig.1 Sampling diagram

通过测量试样受到的瞬时压力和流经试样孔隙的液体流量，可获得压力-流量的变化曲线。根据ASTM F316—2003《用起泡点和气孔平均流量法测定膜过滤器孔隙尺寸特点的标准试验方法》计算孔径分布，计算公式为

D=4γcosθ/P

式中：D为孔径值，μm；γ为液体表面张力，mN/m；θ为液体接触角，(°)；P为压差，Pa。

1.2.2 透气性测试

选用宁波纺织仪器厂生产的YG461E-Ⅲ型全自动透气量仪，按照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》测试面料的透气性。每种面料在距离布边大于10 cm的位置上均匀选取10块试样(直径为10 cm的圆形)。将试样夹持在试样圆台(面积为20 cm2)上，设定试样两侧的压降为100 Pa，记录空气通过试样气流的流量，依据下式计算透气率。

式中：Q为透气率，mm/s；qv为平均气流量，dm3/min；A为试样面积，cm2；167为换算系数。

1.2.3 防钻绒性测试

用大荣纺织仪器有限公司的YG(B)819D型织物防钻绒性能测试仪，按照GB/T 12705.2—2009《纺织品织物防钻绒性试验方法第2部分：转箱法》测试面料的防钻绒性能。

将面料制成42 cm×41 cm的试样袋，袋内装一定质量的羽绒(本文实验采用含绒量为90%的白鸭绒)；然后将试样袋放在装有硬质橡胶球的实验机回转箱内，通过将橡胶球转至一定高度，冲击箱内的试样，模拟羽绒制品在服用过程中受到的各种挤压、揉搓、碰撞等作用。设定回转箱正反转动1 000次，以正反2次转动钻出面料的羽绒根数之和评定织物的防钻绒性能。

根据GB/T 14272—2011《羽绒服装》规定，与绒直接接触织物的防钻绒性要求分别为优等品≤5根，一等品≤15根，合格品≤50根进行分析。

2 结果与分析

2.1 织物孔径分布分析

根据多功能孔径仪测得的10种面料的孔径大小的分布频率，利用克隆巴赫α系数[11]信度衡量每种面料9块试样的测量结果，得到10种面料的信度系数均在0.6以上，证明数据稳定性较高，因此，采用9次测量数据的平均值表示面料的孔径分布特征，选取部分试样的测试结果如图2所示。

图2 防羽面料孔径分布图Fig.2 Pore size distribution of down-proof fabric

以正态分布函数对10种面料的孔径分布数据进行拟合，拟合结果如表2所示。可知：方程的判定系数R2均在0.75以上；3#面料的孔径均值最小，标准差也较小，即孔径值均匀度较高；而10#面料的孔径均值最大，标准差也较大，即孔径分布的均匀度较低。分析还发现，孔径分布的均值与标准差之间的相关系数为0.99，说明防羽面料孔径均值越大，孔径值分布越离散。由于本文的面料密度和纱线线密度为织物织造时的规格参数，经后整理后这些参数会发生一定的变化，因而在此不讨论规格参数对面料性能的影响。

2.2 孔径分布与透气性的关系

10种防羽面料透气性和相应孔径均值关系如表3所示。可知：在原料和组织结构相同的情况下，随着孔径均值的减小，面料透气率也减小；涤纶/棉经缎纹交织面料2#小于1#，涤纶/棉交织平纹面料3#最小，4#和5#相近，纯棉缎纹面料7#、8#、9#、6#依次减小。由于空气主要从面料纱线间及纱线内纤维间的孔隙通过，原料不同使得纱线内纤维间的孔隙大小不同，而织物组织影响了孔径分布情况，因此,面料的透气性不仅受孔径均值影响，还受到原料和组织的影响。

表2 防羽面料孔径分布正态分布拟合方程参数Tab.2 Parameters of fitting equation for normal distribution of pore size distribution of down-proof fabric

表3 防羽面料透气性和孔径均值的关系Tab.3 Relationship between breathability and mean pore size of down-proof fabric

2.3 孔径分布与防钻绒性的关系

10种防羽面料钻绒根数和相应孔径均值关系如表4所示。可发现，孔径均值与钻绒根数呈正相关，面料组织和原料对钻绒根数的影响较小。以孔径均值(x)为自变量，钻绒根数(y)为因变量，经非线性回归拟合，可得到拟合方程为

y=(1.37×10-3)x4.07+10.97

方程的判定系数R2为0.94，二者的关系曲线如图3所示。可看出，钻绒根数随着孔径均值的增大而增大。当孔径均值小于8 μm时，钻绒根数较小且增长趋势比较平缓，这是由于一般绒枝的直径在7.5～30 μm之间，绒小枝的平均直径约为6.7 μm[12]，此时孔径均值小于一般羽绒的直径，因此，可有效阻止羽绒的钻出。当孔径均值大于8 μm时，钻绒根数随着孔径均值增大呈现快速上升趋势。当孔径均值超过12.5 μm后，面料的钻绒根数将超出防钻绒性要求的最低标准(50根)。

表4 防羽面料防钻绒性和孔径均值的关系Tab.4 Relationship between anti-drilling and mean pore size of down-proof fabric

图3 孔径均值与钻绒根数的关系曲线Fig.3 Relationship between mean pore size and number of drilled piles

2.4 孔径分布与透钻比的关系

通过上文透气性和防钻绒性的分析结果，提出采用变异系数表征防羽面料孔径分布的均匀度(cv)，其计算公式为

式中，μ和σ分别为孔径正态分布拟合方程的均值和标准差，μm。

一般来说，面料的透气性越好，其防钻绒效果越差[2]，为综合衡量面料的防钻绒性和透气性能，定义透气率和钻绒根数的比值为透钻比，进一步探索孔径分布特征与防羽面料性能的关系。透钻比数值越大，表明面料的透气和防钻绒性能越好。10种防羽面料孔径的变异系数和透钻比结果见表5。

由表5可知，孔径的变异系数和透钻比呈现显著负相关关系(r=-0.78)，即随着孔径变异程度的减小，透钻比增大，对应面料的透气性和防钻绒性的综合性能越好。例如，9#面料的孔径变异系数比10#

表5 防羽面料孔径变异系数和透钻比结果Tab.5 Coefficient of pore size variation and through drilling ratio results of down-proof fabric

面料小0.162，即9#比10#面料孔径分布更均匀；在透气性和防钻绒性方面，9#与10#面料相比，透气率从13.9 mm/s增加到19.3 mm/s，钻绒根数由11根增加到50根，透气率增加的幅度显著小于钻绒根数增加幅度，9#比10#面料的透钻比大0.878，因此，9#面料的透气性和防钻绒性的综合性能优于10#面料。孔径分布均匀性由原料、纺纱方式、织造工艺和后整理等多方面因素决定，影响了面料透气和防钻绒性。