特殊浸润性三层织物的设计及其单向导湿性能研究

黄西琴 范追追 蔡再生

东华大学化学化工与生物工程学院，上海 201620

日常运动量的增加让人们对运动服的热湿舒适性提出了更高的要求。具有单向导湿性能的服饰可以吸收并传导汗水，保持人体皮肤干燥，这有助于改善人体在运动过程中穿着的舒适性，从而满足人们对运动服热湿舒适性的要求。目前，研究人员增加了对单向导湿材料的研究[1-4]。织物的特殊润湿性和毛细作用一直是引导水分在织物两侧运动的驱动力[5-6]。生产单向导湿织物的方法主要包括化学试剂处理、等离子处理、静电纺丝等[7]。Sasaki等[8]在棉织物上喷洒疏水性SiO2纳米颗粒与乙基 -α- 氰基丙烯酸酯超强胶的混合物，其对水和血液具有单向导湿性。Zeng等[9]将疏水性树脂(SU-8)单侧电喷淋在亲水性织物上，使其具有定向的水传导能力。Zhou等[10]使织物具有可控的传导能力，织物可以通过湿法化学涂层和连续的紫外线辐射处理来传输不同的液体。Wu等[11]利用便利的静电纺丝技术开发了一种由疏水性聚氨酯(PU)和亲水性交联聚乙烯醇(c-PVA)复合材料制成的纤维膜。通过结构设计制备的织物具有很强的三维效果，纱线在织物内部连接形成连续的吸湿梯度，使吸湿效果更好，并且具有持久的导湿效果[12-13]。

本研究探索了一种简单、有效的特殊浸润性三层机织物设计方法，其凭借织物的结构和毛细作用可以自发性地单向传导水。与其他制造单向导湿织物的方法不同，本文对不同成分的纱线进行整理，以期能够准确地在织物内部结构上获得相应的水分单向传导功能，织物立体感更强，导湿效果更好。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

黏胶纱线，16 tex，东莞恒之声纺织集团有限公司；涤纶纱线，32 tex，张家港翔美纺织有限公司；十字异形涤纶纱线，16 tex，绍兴喜能纺织科技有限公司。

本试验使用的试剂包括C6疏水整理剂(上海鼎赐工贸有限公司)、海之威SR吸湿排汗剂(上海雅运纺织化工股份有限公司)、活性蓝染料(浙江龙盛集团股份有限公司)。

1.1.2 仪器

本试验使用的仪器有SGA598半自动织布机(江阴市通源纺织有限公司)、PL602-S电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)、DGG-9070B电热恒温鼓风干燥烘箱(上海森信实验仪器有限公司)、DSA30接触角分析仪(德国Kruss公司)、70D数码相机(日本佳能株式会社)、SK-5200BT超声波清洗仪(上海科导超声仪器有限公司)、TM-1000型扫描电子显微镜(SEM)[日本日立(Hitachi)公司]、S-4800场发射环境扫描电子显微镜(FESEM)(日本电子株式会社)、NICOLET iS10液态水动态传递性能测试仪(MMT)(美国Thermo Fisher公司)。

1.2 纱线处理

1.2.1 纱线的前处理

用蒸馏水和无水乙醇分别对涤纶、黏胶和十字异形涤纶纱线进行超声清洗，以除去纱线在生产、销售等过程中残留的油污和灰尘，烘干待用。

1.2.2 纱线的疏水整理

使用60 g/L的C6疏水整理剂浸渍处理涤纶纱线1 h，100 ℃烘干，150 ℃焙烘3 min。

1.2.3 纱线的吸湿排汗整理

使用60 g/L的吸湿排汗剂浸渍处理十字异形涤纶纱线1 h，100 ℃烘干，150 ℃焙烘3 min。

1.3 单向导湿三层织物的设计

以疏水性涤纶纱线为表层经纱和纬纱，以十字异形涤纶纱线为中间层经纱和纬纱，以本征亲水的黏胶纱线为底层经纱和纬纱，按照图1的穿综图、穿筘图和上机图编织获得三层Janus织物。通过使用不同型号的综框，可设计出不同密度的织物(例如56#、70#、84#、98#，数字越大，织造的织物经密越大)。

图1 三层织物的穿综图、穿筘图、织物组织图以及上机图

其中，接结三层组织是由3个系统的经纱、纬纱相互交织，并以一定方式进行编织而形成整体织物的组织。在该项研究中，通过增加各层接结组织中的接结点数量和分布来提高织物油水分离中液体的双向传导效果，并采用“联合接结法”(表层与中间层双向接结，中间层与底层双向接结)构造三层织物。织物截面示意图见图2。

图2 双向联合接结三层织物截面示意图

为了更直观地展示三层织物的组织结构，采用3D Max对三层织物的组织结构进行模拟(图3)。其中，表层均由疏水性涤纶纱线构成，中间层均由十字异性涤纶纱线构成，底层均由亲水性黏胶纱线构成。由俯视图可知，表层织物组织为平纹，中间层纱线无法观察到；由仰视图可知，底层织物组织也为平纹，且中间层纱线亦无法观察到。通过织物表面的SEM图可以验证织物组织结构无误。

1.4 测试与表征

1.4.1 纱线的表面形貌测试

使用SEM来观察纱线和织物的表面形态和结构。使用FESEM对疏水表面进行形态观察和元素分析。测试之前对样品表面进行喷金处理以增加样品的导电性。

1.4.2 织物接触角测试

采用DSA30接触角分析仪测试织物接触角，仪器自动量取5 μL水，滴加到织物表面，选取并校正基线，采用杨氏-拉普拉斯模型自动读取静态接触角，并且每块织物测5个不同部位，取其平均值。

1.4.3 织物两侧突破压力测试

将三层织物亲水面朝上固定在玻璃管道中，用10 mL注射器将活性蓝染料染色的水缓慢滴加到玻璃管中，直到染液渗透织物，同块布试验3次，记录染液渗透前的最高水位。同样地，将三层织物疏水面朝上固定在玻璃管道中间，用10 mL注射器将活性蓝染料染色的水缓慢滴加到玻璃管中，直到渗透织物，同块布试验3次，记录染液渗透前的最高水位。通过拉普拉斯公式来计算织物两侧的突破压力：

(1)

式中:Pc为拉普拉斯压力，Pa；γ为表面张力，N/m；θ为液体与孔道的接触角，(°)；r为半径，m；Δρ=ρ液-ρ气，ρ液为液体密度，ρ气为气体密度，mg/mL；h为达到平衡时液柱的高度，m；g为重力加速度，km/h。

1.4.4 织物吸湿速干性能测试

根据国家标准GB/T 21655.1—2008《纺织品 吸湿速干性的评定 第1部分：单项组合试验法》，对织物的吸湿速干性能进行测试，水分蒸发量Δmi：

Δmi=m-mi

(2)

式中：m为试样滴水润湿后的质量，g；mi为试样滴水润湿后某一时刻的质量，g。

水分蒸发速率Ev：

(3)

式中：m0为试样初始质量，g。

1.4.5 织物单向导湿性能测试

根据国家标准GB/T 21655.2—2019《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》，使用MMT对织物的单向导湿性能进行测试。将织物疏水面朝上放入MMT中，持续注入盐水20 s，对织物两侧的润湿时间、吸湿率、最大润湿半径、扩散速度和水分单向传导指数进行测试。

1.4.6 织物耐皂洗牢度测试

根据国家标准GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》，对织物皂洗后的水分单向传导指数进行测试。将试样与涤纶和棉两块标准贴衬织物缝合在一起，并置于用去离子水配置好的皂洗液中，常温(25±1)℃搅拌(10±1)min，取出后清洗并干燥，使用MMT测量织物皂洗后的水分单向传导指数。

2 结果讨论与分析

2.1 纱线表面形貌和元素分析

通过SEM对涤纶纱线和十字异形涤纶纱线的表面形貌进行了观察，使用FESEM对涤纶纱线表面的元素进行测试，结果见图4。

图4 涤纶纱线和十字异形涤纶的SEM图及疏水涤纶表面的元素分布图

图4a)为未处理涤纶纱线的SEM图，可以看出纱线表面光洁；图4b)为疏水剂整理后涤纶纱线的SEM图，纱线表面被物质覆盖包裹；图4c)为未处理十字异形涤纶曲线的SEM图，可以看到明显的“十字”形状；图4d)和4e)为疏水剂整理后涤纶纱线表面的元素分布，疏水整理后涤纶纱线上疏水剂的主要成分为F元素。这些变化均说明纱线表面已覆盖整理剂。

2.2 织物接触角分析

使用接触角分析仪观察织物两侧水滴扩散过程的形态，其结果见图5。

图5 织物两侧的水滴润湿状态

当织物疏水面朝上时，水滴始终保持球状向亲水侧渗透，但渗透时间不超过2.00 s，最终疏水侧保持干燥状态；当织物亲水面朝上时，水滴在0.12 s内迅速润湿铺展亲水面。织物两侧的浸润性存在差异。

2.3 织物两侧的突破压力分析

在水渗透织物时记录渗透前的最大高度，即织物所能承受的静水压高度，见图6a)～图6d)。运用式(1)计算织物两侧的突破压力，突破压力见图6e)。随着织物经密的增加，织物纱线孔隙减小(r减小)，所能承受的压力增加，突破压力也随之增加。

图6 4种不同密度织物的突破压力试验结果

2.4 织物的吸湿速干性能

试验开始前，裁取8 cm×8 cm的试样，并将其在按GB/T 6529—2018规定的标准大气环境中调湿24 h，后续试验均在恒温恒湿室进行。按式(2)和式(3)计算试样在每个称取时刻的水分蒸发量，绘制“时间-蒸发量”曲线。

图7为4种不同密度织物的时间-蒸发量曲线，在曲线上蒸发量明显变缓处取点，与之前的点作最接近直线部分的切线，切线的斜率即为水分蒸发速率Ev。计算得出56#、70#、84#、98#织物的水分蒸发速率分别为0.189 5、0.203 4、0.207 6 h、0.199 1 g/h，4种织物均满足织物速干性评级要求。

图7 4种不同密度织物的时间-蒸发量曲线

2.5 织物的单向导湿性能

图8为4种不同密度织物两侧的润湿性实物图。由图8可见，当织物疏水面朝上时，水滴在疏水侧始终保持球状向亲水侧渗透，最终织物亲水侧被润湿，而疏水侧保持相对干燥状态；当织物亲水面朝上时，水滴迅速润湿铺展而不会渗透至织物疏水面，最终织物只有亲水侧被润湿，而疏水侧保持干燥状态。这说明织物具有优异的单向导湿性能。

图8 4种不同密度织物两侧润湿性实物图(注水体积为40 μL)

为进一步评价织物的单向导湿效果，使用MMT测评4种密度织物的单向导湿性能，其结果见图9。

图9 织物单向导湿性能测试结果

从图9a)可以看出，随着织物密度的增加，润湿疏水表面所需的时间逐渐增加，但水滴在疏水面仍可以在2.00 s内完全渗透。根据GB/T 21655.2—2019，图9b)和9d)中疏水侧的润湿等级保持不变，且水对织物亲水侧的润湿性一致较高，说明织物的密度变化对水分的吸收率和铺展速度几乎没有影响。比较图9c)中亲水侧和疏水侧的最大润湿半径可以看出，84#和98#织物两侧的润湿半径差异较大，其中润湿半径越大意味着水更倾向于从疏水面向亲水面传导。由图9e)可知，84#织物具有更好的单向传输能力，水分单向传导指数为1 224.54，这证明三层Janus织物取得了高效的导湿效果。

2.6 织物耐皂洗牢度分析

将84#试样进行皂洗，皂洗后织物的水分单向传导指数见表1。由表1可知所设计的织物具有一定的耐皂洗性能。

表1 皂洗后织物的水分单向传导指数

3 结论

本文采用浸渍-烘干法对纱线进行疏水强化整理和吸湿排汗整理；基于织物结构设计，织制了特殊浸润性三层织物。获得的织物表层为超疏水面；中间层为吸湿排汗十字异形涤纶面，水分可高效传导；底层为超亲水面，可使中间层传导来的水分迅速铺展。仅通过对织物结构的设计便可实现织物的高效单向导湿。与一般吸湿排汗整理不同，对不同组分纱线进行整理可精确地对织物内部结构进行功能化改性，且耐久性更好。对设计所得的三层织物进行了单向导湿测试，其水分单向传导指数高达1 224.54，水分蒸发速率为0.207 6 g/h，满足吸湿快干性能的要求，且在20次皂洗后水分单向传导指数仍为984.60，该织物结构有望应用在单向导湿织物的实际生产中。