吸湿发热织带设计与开发

蒋依志，陈 瑜，滕 婷，樊 平，羊 燚，沈 华

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.浙江澳亚织造股份有限公司，浙江 金华 322100)

0 引言

生产技术的变化带来了发热材料的发展。根据发热方式的不同，发热材料可分为吸湿发热、化学发热、电发热、光能发热和相变发热5种[1]。吸湿发热材料通过吸收人体所散发的汗气以及空气中的水分，将气态水转化为液态水并放出一定的热量[2]，实现自主放热。这类材料一般具有较高的回潮率，代表性纤维有易热宝纤维[3]、Softwarm纤维[4]、EKS纤维[5]和N38纤维[6]等。化学发热材料通过在纺丝加工过程中掺杂某些化学物质[7]，这类物质会在使用过程中发生化学反应，放出热量达到发热的效果。有研究者将铁粉等混入聚合物中进行纺丝，利用铁粉不断氧化放热的性能开发出了一种化学放热纤维[8]。电发热材料通过加入碳纤维等导电介质来实现通电发热的效果[9]。光能发热材料通过吸收太阳辐射中的可见光和红外线，将光能转化为热能[10]，达到发热保暖的目的。相变发热材料具有相变特性，会随着外界温度的变化而发生可逆固液态相转化[11]，从液态到固态会放出热量，从固态到液态会吸收热量，因此能够双向调节温度，使得人体与衣服间的温度达到动态平衡。

织带是指以各种纱线为原料所制成的狭幅状织物或管状织物，作为一种服装用和产业用辅料，广泛用于服装服饰、鞋材、箱包等领域。而近些年来功能性织带成为了织带行业发展的热点方向。樊平等[12]利用锦纶长丝和阻燃纱线开发出一种耐高温织带，该种织带遇明火不熔融也不延燃，具有良好的阻燃性能。余春林等[13]利用含有锌镓氮氧化物/氧化锌纳米粒子的涂层对织带进行处理，开发出一种防红外线用迷彩织带，防红外线效果显著。此外，目前市场上还有防霉抗菌织带、防蚊织带、三防(防水、防油、防污)织带、香味织带和远红外织带等。

吸湿发热织带具有广泛的应用场景，可以织造成护腕、护肘和护膝等运动器具，同时也可以增加幅宽，设计成发热腹带等保暖产品，而目前关于吸湿发热织带的研究比较少见。在此背景下，本文选择一种吸湿发热纱线分别使用三种不同的组织结构织造成机织双层织带。通过对织带保暖性能的测试与分析，探究不同组织结构和纱线配置对于织带吸湿发热性能以及热湿舒适性的影响，为吸湿发热织带的开发提供参考。

1 织带原料和织造

1.1 纱线原料

本文选择的纱线混纺成分及比例为80%粘胶纤维/20%易热宝纤维，规格为40s。其中易热宝纤维为改性腈纶，利用接枝共聚技术在纤维大分子链上引入大量-COOH、-OH、-CONH等极性亲水基团[14]。因此，其回潮率高，吸湿能力强，发热效果优异。

1.2 纱线并捻

机织织带上机织造对于纱线的强力有一定的要求，经过试织后发现吸湿发热纱线单纱强度不能满足上机要求，为了后续织造顺利进行，使用HR600型并捻一体机将纱线并捻成双股线以增加纱线的强力，从而提高可纺性。并线机参数设置为:卷绕速度:200m/min，张力片重量:3g，并合根数:2根；倍捻机参数设置为:捻向:S捻，卷绕速度:40m/min，捻度:200捻/m。

1.3 织带织造原料

表1 织带织造原料

1.4 织带设计

本文所设计的织带为机织双层组织，设计宽度为7cm，正反面均选择如下三种组织结构:三上一下的斜纹、四上二下的斜纹和六上二下的斜纹，飞数都为2。上机纹板图如图1所示，自下而上每一横行表示对应的每一页综框，前两页综框穿弹性纱，其余综框穿吸湿发热纱线。穿综采用顺穿法，每6根吸湿发热纱线之间穿入一根弹性纱来保证织带具有一定的弹性，穿入吸湿发热经纱312根，弹性纱55根，共计经纱367根。

图1 上机纹板图

为了测试和分析不同组织结构和不同纱线配置对于织带发热保暖性能的影响，设计了6种织带，见表2:

表2 织带基本参数

2 纱线及织带性能测试

2.1 纤维及纱线形态结构测试

使用DXS-10ACKT扫描电子显微镜分别对纤维和纱线进行纵向形态结构观察。制样时用导电胶将各根纤维和纱线逐根平行固定在样品台上，之后将样品台放入离子溅射仪中进行喷金处理，以提高样品成像的分辨率和清晰度；观察时先在低倍数的情况下找到目标位置，再慢慢放大倍数，微调亮度、对比度等参数，最终得到高质量的样品图像。

2.2 纱线红外光谱测试

使用Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪对纱线进行测试，得到纱线的红外光谱图。设定扫描范围为4000cm-1～400cm-1，实验时先进行空白背景扫描，完成后将纱线紧密平铺在测试区域进行测试，得到初始光谱图，再通过对其进行基线校准、平滑处理和标记峰值等步骤得到最终的红外光谱图。

2.3 织带透气性测试

参照GB/T 5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》试验方法，使用YG461E全自动透气性测试仪对织带进行透气性测试，设置通气孔面积为20cm2，压差为100Pa，每种织带选取不同的位置测试10次，结果取平均值。

2.4 织带透湿性测试

参照GB/T 12704.1-2009《纺织品织物透湿性试验方法》，使用FX3180透湿率分析仪对织带进行透湿性测试，设置透湿仪的温度为38℃，相对湿度为90%，每种织带选取三个不同的部位进行测试，结果取平均值。

2.5 织带热阻测试

参照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》试验方法，使用KES-F7热学性能测试仪对织带进行热阻测试，设置仪器冷却底座温度为20℃，热板温度为33℃，记录最终实际温差ΔT和平均功率W，按照式(1)计算每种织带的热阻，每种织带选取不同位置测试3次，结果取平均值。

式中，R为织带的热阻(m2·℃·w-1)；A为热板面积(0.0025m2)；ΔT为冷却底座与热板的实际温差(℃)，W为平均功率(w)。

2.6 织带吸湿发热性能测试

参照GB/T 29866-2013《纺织品 吸湿发热性能试验方法》，对织带进行吸湿发热测试。将规定组合试样置于105℃烘箱中烘燥至恒重，之后将试样放入密封袋中，在20℃恒温恒湿实验室中冷却30min。冷却结束后，将组合试样从密封袋中拿出，插入JK808多路温度传感器，并快速转移至温度(20±0.5)℃、湿度(90±4)%的环境中测量40min内织带温度的变化情况，每10s记录一个数据，最后绘制织带升温曲线图，并计算30min内最大升温值和平均升温值。

3 结果与分析

3.1 纱线形态结构观察

吸湿发热纤维(改性腈纶)的纵向表面扫描电镜图如图2所示。由图2可知，纤维表面结构粗糙，沿轴向分布长短不一、深浅不匀的竖纹状沟槽，这种特殊结构增大了纤维的比表面积，提升了纤维表面吸附能力，为水分子的附着提供了更多结合位点，水分子就越容易紧贴在纤维表面。同时沟槽也能够增强纤维的芯吸效应，提高纤维对水分的吸附和快速转移能力，使得纤维吸湿性增强，这些都有利于纤维吸湿发热性能的发挥。

图2 纤维纵向形态(×3.0K)

吸湿发热纱线的纵向表面扫描电镜图如图3所示。由图3可知，纱线由若干根纤维集聚而成，微观来看总体比较规整，条干上有小部分纤维出现抽拔和外翘的现象，形成了少量毛羽。

图3 纱线纵向形态(×0.1K)

3.2 纱线红外光谱图分析

纱线红外光谱测试结果如下页图4所示。由图4可知，纱线在3310cm-1处的吸收峰较宽，这是由O-H、N-H收缩振动引起的，表明纱线中存在-OH和-NH；在2912cm-1的吸收峰是由C-H伸缩振动产生的，表明存在-CH；在1644cm-1的吸收峰是由C＝O引起的，表明存在羰基；在1368cm-1处的吸收峰是由-COOH伸缩振动引起的，表明存在羧基；在1019cm-1处的振动是由C-N伸缩振动产生的。分析表明，纱线中存在氨基、羧基、羟基等多种极性亲水基团，能与水分子直接结合形成氢键，吸附水分子的能力较强，这是其回潮率(17.34%)较高的主要原因。

图4 纱线红外光谱图

3.3 织带透气性

图5 是不同组织对织带透气性能的影响。由图5可知，织带A1和A4织带的透气性能相对较差，分别为9.58 mm/s和27.31 mm/s；织带A3和A6透气性能最好，分别为78.76 mm/s和87.93 mm/s，这是因为织带A1和A4的组织为三上一下斜纹，其经纬纱之间交织更加频繁，经纬密更大且交织点更多，使得织带最为紧密，纱线间孔隙率降低，蓬松性较差，导致气流不易通过，因此透气性相对较差。

图5 不同组织对织带透气性能的影响

图6 是不同纬纱对织带透气性能的影响。由图6可知，当纬纱为3＃纱(300D涤纶)时织带透气性能略微好于纬纱为2＃纱(吸湿发热纱线)时的透气性能。这是因为在织造时加捻的纬纱使得织带的修边效果较差，因此为了保证成型质量，本次试验选择了未加捻的吸湿发热单纱作为纬纱，其细度为40s(≈133D)，比300D涤纶更细，因此织造时其纬纱接触更加紧密，抱合力增大，纱线间隙相对较小，织带两层之间贴合度增大，在相同压差的情况下气流通过会受到更大的阻碍，因此其透气性更差。

图6 不同纬纱对织带透气性能的影响

3.4 织带透湿性

下页图7是不同组织对织带透湿性能的影响。由图7可知，织带A1和A2的透湿率相差不大，均好于A3；织带A4的透湿率为3684 g/(m2·d)，优于A5和A6。织带A3和A6的透湿性能最差，这是因为它们使用的组织为六上二下斜纹，其浮线较长，不如三上一下斜纹织带表面平整，因此较厚较大，虽然透气性优于三上一下斜纹织带，但厚度增加的同时使得水汽通过织带的通道变长，纤维与水分子的接触点变多，使得对水分子传递的阻碍作用就越强，水汽的通过能力变弱，因此六上二下斜纹织带的透湿性能最差，三上一下斜纹织带最好。而A2织带透湿率略优于A1织带的原因可能是因为二者的厚度较为接近，而A2织带的交织点个数少于A1织带，对于水分子通过的阻碍作用相对较低，因此出现了二者透湿率比较接近的情况。

图7 不同组织对织带透湿性能的影响

下页图8是不同纬纱对织带透湿性能的影响。由图8可知，当纬纱为2＃纱(吸湿发热纱线)时织带的透湿性好于纬纱为3＃纱(涤纶)，这是因为吸湿发热纱线的回潮率远高于涤纶，纤维中存在的大量极性亲水基团对水分子的亲和能力较强，并且其表面的粗糙不规则沟槽结构增强了纤维的芯吸效应，有利于水分子的吸附与扩散，在单位时间能传导更多的水分子，因此2＃纬纱织带的透湿性要优于3＃纬纱织带。

图8 不同纬纱对织带透湿性能的影响

3.5 织带热阻

图9 是不同组织对织带热阻的影响。由图9可知，六上二下斜纹织带的热阻最大，是三上一下斜纹织带热阻的1.9倍左右，这是因为六上二下斜纹组织浮线较长，在织带表面微微凸起形成类似起绒效果，增大了织带厚度的同时也改善了织带的蓬松性，在织带表面能够储存较多的静止空气，通过织带向外部散失的热量较少，因此热阻最大，保暖性最好。而三上一下斜纹浮线较短，织带表面较为平整，含有的静止空气少，并且厚度较小，对热量传导的阻碍作用最弱，因此热阻最小，保暖性较差。

图9 不同组织对织带热阻的影响

图10是不同纬纱对于织带热阻的影响。由图10可知，两种不同纬纱织带的热阻比较接近，这是因为本文织造的织带为经密较大的弹性织带，且为双层组织，纬纱被上下两层斜纹组织紧密地包覆住，因此相比组织来说，纬纱对于织带热阻的影响程度较小，并非主要决定性影响因素，所以二者热阻大小比较接近，并无明显影响规律。

图10 不同纬纱对织带热阻的影响

3.6 织带吸湿发热性能

表3 织带30分钟内最大升温值和平均升温值

从图11可以看出，开发的织带具有良好的吸湿发热效果。当织带的纬纱相同时，组织采用六上二下斜纹的织带发热效果最好，最高升温值和平均升温值均比三上一下斜纹织带高出2℃左右，这是因为六上二下斜纹织带单位面积的纱线含量最高，织带测试样在单位时间内吸湿量相对较大，吸湿发热所产生的热量最多，发热性能最为优异。同时六上二下斜纹织带的厚度最厚，含有的静止空气多，热阻大，能有效降低内外层的热交换，对热量逸散的阻碍作用最强，30分钟内平均升温值最高，保暖性最强。

图11 织带发热升温曲线

当织带组织相同时，相比于300D涤纶，纬纱为吸湿发热纱的织带吸湿发热效果更好，这是因为吸湿发热纱线在织带中整体含量明显增加，而发热纱线的回潮率优于涤纶，在相同时间内能吸收更多的水分，产生更多的热量，发热效果更好。

4 结论

本文以设计开发具有吸湿发热效果的弹性织带为目的，探讨了不同组织结构和纱线配置对于织带吸湿发热效果和热湿舒适性的影响，为相关产品的设计开发提供了一定的参考依据。通过实验可知，本次实验选择的纱线中含有大量的极性亲水基团，因此其吸湿性能较好，组织选用六上二下斜纹、纬纱选用吸湿发热纱线的织带发热效果最好，最高升温值为13.8℃，平均升温值为9.1℃。此外，不同的纱线配置和组织结构对于织带的透气、透湿和热阻都有不同程度的影响，说明在设计吸湿发热织带时要结合产品用途和具体需求综合地去考虑纱线配置和组织结构设计，最大可能发挥出它们的特点和优势。