熔喷/针刺多层非织造材料结构设计对服用保暖性能的影响

2021-01-28

南通大学学报（自然科学版） 2020年4期

（南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019）

絮片、羽绒、絮毡、双面绒、网孔织物等材料[1-5]是常用于挡风御寒的服装材料。但是在使用中发现，保暖性能好的服装材料有时并不能给穿着者带来舒适的服用体验。因为除了衣物保暖性能之外，厚重感、闷热感等都会影响消费者的穿着体验[6-7]。因此，如何使材料在拥有保暖效果的同时又能轻盈透气是人们非常关心的问题。非织造加工技术用于保暖絮片材料的生产[8-14]，是一种起源于纺织但又超越了纺织的加工技术[15]，具有工艺流程短、生产效率高、加工方法多样等优点，成为保暖类服用辅料制备的重要组成。岳素娟等[16]人对比了熔喷、超细梳理絮片、羽绒和羊毛等几种多层复合保暖材料的保暖性能；毕红军等[17]人比较了几种低面密度针刺/织造绗缝保暖材料的保暖性能；仇何等[18]人对熔喷复合保暖材料的制备进行了研究。然而，目前鲜见有关结构参数对保暖性能的影响这一问题的论述。本文以非织造保暖材料中常用的针刺保暖材料和熔喷材料作为单层材料，研究了4 类具有不同结构的多层材料的保暖性和透气性，分析了多层服用保暖材料的材料组成、材料结构等16 种组合方式与多层材料的保暖性和透气性的关系，研究结果可为单层、多层服用保暖材料的加工提供参考。

1 原料和仪器

本文选取两种面密度相近但保暖性能差异较大的PP/PA 针刺材料和两种面密度、保暖性能差异都较大的熔喷材料（PP、PP/PET），其基本物理性能、保温性能和透气性能（均为平均值）分别如表1、表2 所示。

表1 单层针刺材料性能Tab.1 Properties of single layer needle punched material

表2 单层熔喷材料性能Tab.2 Properties of single layer melt blown material

本文所用测试仪器包括：YG（B）141 手持式织物厚度仪（常州第二纺织厂），BSA224S-CW 电子天平（赛多利斯科学仪器（北京）有限公司），YG（B）461E 织物透气量测试仪（温州大莱纺织仪器有限公司），YG606N 平板式织物保暖测试仪（南通宏大实验仪器有限公司）。

2 多层材料的组合设计

织物的热传递包括：一部分热通过纤维传导；一部分热通过织物中纤维间空气的微弱对流进行传递；还有一部分热通过纤维与纤维表面的辐射进行传递[19]。保暖材料的结构疏密程度会影响保暖材料内部的静止空气存量，从而影响保暖材料的保暖性能。由于针刺材料和熔喷材料从纤维的微观结构到成品的宏观结构都有很大区别，很难界定相互间的疏密程度，所以本文的结构疏密划分首先是在同种保暖材料内进行的。例如，对于针刺单层保暖原料而言，因为针刺材料N1的平均透气率小于针刺材料N2的平均透气率，所以在此认为N1的结构是密结构，N2的结构是松结构。同样的原因，认为熔喷材料M1的结构是密结构，M2的结构是松结构。然而，密和松两种结构是相对而言的。将同种保暖材料以透气率作为划分密和松结构的依据扩展到异种材料，可以得到不同种保暖材料的相对密松结构。例如，熔喷材料M1的平均透气率小于针刺材料N2的平均透气率，所以当这两种材料组合时，可以认为M1是密结构，N2是松结构。同理，当熔喷材料M2和针刺材料N1组合时，认为M2是密结构，N1是松结构。以此为基础，本文分别对多层材料的结构组合和原料组合进行了设计。

2.1 结构组合设计

在多层材料的结构设计中，对上述4 种类型单层材料选取具有明显结构特征的4 种结构组合以便比较，如表3 所示。

表3 多层材料结构组合表Tab.3 Structure types of multilayer material

2.2 原料组合设计

为了比较熔喷材料与针刺材料及其不同的组合形式对保暖性能的影响，设计如表4 所示的4 种原料组合形式。

表4 多层材料原料组合表Tab.4 Ingredient combinations of multilayer material

2.3 多层材料的结构及原料组合

对以上多层材料的结构组合及原料组合进行全排列，形成16 种具有不同结构和原料组合特征的试样，如表5 所示。

表5 16 种具有不同结构和原料组合特征的试样Tab.5 16 types of samples with varied structures and ingredient combinations characteristics

2.4 性能测试

厚度：使用YG（B）141 手提式织物厚度仪在每块试样上选取3 个不同的点，施加100 cN 的压力，每个点压盘停留30 s，读出厚度，取平均值。

面密度：从每种试样上剪取3 块10 mm×10 mm待测样品，分别用BSA224S-CW 电子天平测量质量，记录实验数据，取平均值，根据公式（1）计算材料的面密度。

其中：σ 为试样的面密度；m 为试样的平均质量；S为试样的面积。

保暖性能：试样尺寸300 mm × 300 mm，使用YG606N 平板式织物保暖测试仪，按照GB/T 11048—2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定（蒸发热板法）》测试。

透气性能：试样尺寸300 mm × 300 mm，使用YG（B）461E 织物透气量测试仪，按照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》测试。

3 结果与讨论

3.1 厚度分布

图1 为多层保暖材料的厚度分布趋势图。由图1 可见：多层保暖材料组合后其厚度大致分布在10～13 mm 之间；这16 种多层材料样品的厚度分布略有差异，但其线性趋势和指数趋势都在11～12 mm 之间。

3.2 面密度分布

图2 为多层保暖材料的面密度分布趋势图。由图2 可以看出：多层材料的面密度分布在1 000～1 600 g/m2之间；线性趋势和指数趋势分别在1 300～1 450 g/m2之间和1 200～1 400 g/m2之间。这一方面是因为单层熔喷材料本身的面密度存在差异，另一方面是因为材料加工中的不匀反映在面密度不匀上。但是由于这16 种多层材料的面密度与硬质棉的高面密度范围相一致，所以在保暖特征上具有相似的特点，因此认为这些面密度的差异对于保暖性能的影响很小，可以忽略不计。

3.3 不同材料对保暖性能的影响

图3 为不同叠层材料组成织物的克罗值。由图3 可以看出，Ⅰ类和Ⅱ类材料的保暖性均产生了显著的差异性，而Ⅲ类和Ⅳ类材料的保暖性则没有显著差异。从材料的组成来看，Ⅰ类材料全部由熔喷材料组成，Ⅱ类材料全部由针刺材料组成，Ⅲ、Ⅳ类材料均由针刺+熔喷材料组成。针刺絮片的纤维细度一般在几十微米，熔喷絮片的纤维细度一般在10 μm 以下，这说明材料的组成差异性越大，越有助于材料表现稳定的保暖性能。反之，材料的组成差异性越小，越有可能造成保暖性能上的不稳定性。

3.4 不同结构对保暖性能的影响

图4 为不同结构组成织物的克罗值。由图4 可以看出，不论多层材料是由哪种材料组成，C（密松松密）结构材料的克罗值始终最高，保暖性能最好。分析其原因主要是：多层保暖材料表面密，致密层材料本身结构细密、纤维分布的杂乱程度高。人体属于既能辐射热量又能吸收热量的黑体材料。如图5 所示，处于最内侧的致密保温材料有助于增强对人体辐射热量的反射，并被人体吸收；最外侧的致密保温材料相当于减少了单位面积中的热量通路，有助于减少保温材料与外界的热量交换；中间两层的材料比较蓬松，纤维间的空隙率大，这种高孔隙率的结构使得材料储存了大量的静止空气，空气的导热系数比一般纤维的导热系数要小得多，所以传导损耗的热量小，并且静止空气层中的纤维阻止了纤维表面附近空气的流动，起着隔热保暖的作用，所以C（密松松密）结构的保暖性能最优。

3.5 不同材料对透气性能的影响

图6 为不同材料组成织物的透气率。由图6 可以看出，无论是哪种结构，材料Ⅱ（N1+N2）的透气性都最大，而材料Ⅰ（M1+M2）的透气性始终最小。材料Ⅰ都是由单层熔喷材料叠加而成，熔喷材料中纤维的比表面积大，纤维间结构紧密，不利于空气的流通。材料Ⅱ都是由针刺材料组成，针刺材料的纤维比表面积相对较小，由于成网时的机械穿刺作用造成较大的孔隙率，利于空气的流通，所以透气性高。材料Ⅲ和Ⅳ的透气性均介于这两者之间。

3.6 不同结构对透气性能的影响

图7 是不同结构组成织物的透气率。由图7 可见，在相同种类材料的情况下，4 种结构的多层材料透气性虽然比较接近，但是A（密密松松）结构的透气性明显好于其他3 种，这个现象在A 结构的第Ⅳ种材料组成（M2M2N1N1）中的表现尤为明显。分析其原因是：空气通过最蓬松的两层材料所受阻力最小，相同时间内，穿透A 结构材料所剩的空气比别的结构多，所以在第IV 种材料组合中，A 结构的透气率最高。

3.7 多层材料保暖性能、透气性能综合分析

从图3 至图7 可以看出，C（密松松密）结构的保暖性能最好，A（密密松松）结构的透气性能最好，C 结构的透气性能除了第Ⅳ种材料组合明显低于A结构外，其余几乎一样，所以C 结构的多层材料能够兼顾高保暖和良好的透气性。

从图3 至图7 还可以看出，C（密密松松）结构中第Ⅰ种材料组合（M1M2M2M1）的保暖性能最优，但是透气性最差，原因是熔喷材料密度大，纤维间排列比较密，所以透气性能较差。C 结构中第Ⅱ种（N1N2N2N1）和第Ⅳ种（M2N1N1M2）材料组合都兼顾高保暖与高透气。

将表1 和表2 单层材料的保暖性能与以上多层保暖材料的测试结果相对比，可以发现：多层材料的保暖效果不仅不与面密度或者厚度上的叠加成正比，而且明显落后于面密度或者厚度上的叠加。说明面密度在1 000～1 600 g/m2之间的多层材料的保暖效率不高，保暖材料的成本过大。将单层材料的透气性能与多层材料的透气性能相比较发现，多层材料表现出的透气性能落在两种单层熔喷材料的透气性能区间里。说明将熔喷材料或者针刺材料叠加后仍然可以获得类似于单层熔喷材料的透气性能。特别值得说明的是，当多层材料完全由针刺材料组成时，其显示出最好的透气性能。