组合方式对聚酰亚胺保暖材料热湿舒适性能的影响

宋 滟，汪泽幸，何 斌，吴 璠

（1.湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭 411104；2.深圳市微纳先材科技有限公司，深圳 518035）

当环境温度低于舒适性要求时，体表散热大于体内生热导致的热平衡被打破而引起冷应激反应.人体处于低温环境下，不仅会直接引发冻伤或其他疾病，还会间接诱发高血压、肺炎、慢性支气管炎、心肌梗死等疾病［1-2］.短期暴露于极端严寒环境下会导致体温急剧下降，严重情况造成冻伤甚至死亡［3-4］.以防寒服为代表的防寒装备能够作为人体与环境之间的缓冲体起到有效隔热作用，为人体提供必要的热防护.

从保暖原理出发，保暖材料可分为消极保暖和积极保暖两大类［5-6］，其中，消极保暖材料通过选用低传热纤维、增加静止空气或阻挡热辐射等方式减少人体热量的损失；主动保暖材料不仅能阻止人体热量的散失，还可吸收或存储外界电能、化学能、太阳能或人体自身散失的热量等，并根据人体的需要自发吸收或释放热量调节温度变化，以达到热平衡.

考虑到成本和易穿着性，目前商业化的保暖材料多为消极保暖材料，且防寒服用内胆保暖材料多采用人造纤维制备的保暖絮片.为实现保暖材料的多元化和功能化，众多学者采用多种材料复合制备混合型和复合型新型保暖絮片，以弥补单一材料保暖絮片的不足.王薇等［5］通过对比测试发现，相对于同等厚度的羊毛保暖材料，以远红外三维卷曲中空涤纶、羊毛为原料制备的针刺保暖絮片保暖率更高，但透气性能略低.朱海燕等［6］研究发现，相对于蚕丝絮片、羊毛絮片、棉絮片以及三维卷曲涤纶絮片，以70%黏胶纤维、20%细特涤纶纤维和10%双组份涤纶纤维为原料制备的针刺保暖絮片具有较好的压缩回弹性、保暖性和热湿舒适性.汤小瑜等［7］以远红外涤纶、异形涤纶、低熔点涤纶以及不同线密度的中空涤纶为原料，探讨了混纺纤维成分和混纺比对热风絮片保暖性能、蓬松度、压缩性能、透气与透湿性能的影响规律.刘静等［8］以中空涤纶直立棉热风非织造材料、超细纤维非织造材料为原料，探讨了原料类型、组合方式和超声波复合工艺对“三明治”夹芯结构保暖絮片其保暖性能、透气与透湿性能的影响规律.此外，仇何等［9-12］就仿羽绒保暖材料的制备工艺、保暖性能、弹性回复性能等进行了研究.

随着经济的发展和人类活动范围的扩大，消费者对保暖絮片的要求日益多元化，超轻高保暖已成为新的发展趋势之一［13］.静电纺丝技术制备的纳米纤维因其纤维线密度低、结构蓬松、比表面积大等优点，是轻质高保暖材料的优选材料之一.为解决其结构易坍塌、层间易剥离、生产成本较高等不足，可在骨架支持结构中引入聚氨酯纳米纤维［14-15］，或以熔喷非织造布为接收面或芯层制备纳米/微米纤维复合保暖材料［16］，即在提高复合保暖材料整体结构稳定性的同时降低生产成本.

为深入探讨纳米纤维保暖絮片与传统结构保暖絮片制备的复合保暖絮片热湿舒适性能的差异，本文以静电纺丝制备的轻质自支撑聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶热风絮片为实验对象，考察叠层方式对组合试样的保暖、透湿与透气性能的影响.

1.试样制备与性能测试

1.1 实验材料

本研究选择聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片（江西先材纳米纤维科技有限公司提供）；聚酰亚胺/涤纶热风絮片（深圳市微纳先材科技有限公司提供）作为实验材料.如图1 所示.

图1 保暖絮片形貌

1.2 性能测试

参考《纺织品和纺织制品厚度的测定》（GB/T 3820-1997），自制尺寸为35 cm×35 cm、质量为50 g的压板，测量在此压板压缩条件下5 min 后的试样厚度，即以4 Pa 压强条件下的表观厚度为试样的厚度，取5 个试样的平均值为评价指标.在后续单位面积质量、保暖性能、透湿性能以及透气性能测试时，均以压缩后试样为测试对象.

参考《非织造布单位面积质量的测定》（FZ/T 60003-1991），分别对纳米纤维保暖絮片、热风絮片以及组合式样的单位面积质量进行测定，取5 个试样的平均值为评价指标.

参考《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》（GB/T 11048-2008），采用YG606G-Ⅱ型热阻湿阻测试仪对试样的保暖性能进行测试，取3个试样的平均值为评价指标.

依据《纺织品织物透湿性试验方法第一部分：吸湿法》（GB/T 12704.1-2009），采用YG601-I 型电脑式织物透湿仪对试样的透湿性能进行测试.为真实反映试样的透湿性能，测试过程中应确保试样尽可能处于自然蓬松状态，取3 个试样的平均值为评价指标.

依据《纺织品织物透气性的测定》（GB/T 5453-1997），采用YG461E-Ⅲ型全自动透气量仪对试样的透气性能进行测试，测试面积为20 cm2，压差设定为100 Pa，取10 个不同位置的测试结果的平均值为评价指标.

2 试验结果与分析

2.1 单位面积与厚度

聚酰亚胺纳米纤维絮片（N）、聚酰亚胺/涤纶风热风絮片（S）及其组合试样的实测单位面积质量和厚度列于表1 中.

表1 试样单位面积质量

从表1 中可以看出，聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶风热风絮片及其组合试样的单位面积质量和试样厚度均存在一定的波动，究其原因，主要是由于纳米纤维保暖絮片与热风保暖絮片在单位面积质量和厚度方面存在不匀状态.对比分析发现，相对于单位面积质量，厚度的波动相对较小，且均不超过6%.

2.2 保暖性能

1#～6#试样的保暖性能测试结果列于表2，从表中可以看出，相对于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片（1#试样）和聚酰亚胺/涤纶热风絮片（2#试样），组合试样（3#～6#试样）的保暖性能较佳，且4#～6#组合试样的保暖性能并无显著差异.

表2 试样保暖性能测试值

由于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的单位面积质量较低（约为15 g/m2），且较薄，滞纳的静止空气量较少，垂直于材料方向上的传热路径较短，因而保暖性能相对较差；聚酰亚胺/涤纶热风絮片的单位面积质量较高（约为105 g/m2）且较厚，材料滞纳的静止空气量较多，传热路径较长，从而聚酰亚胺/涤纶热风絮片表现出较高的保暖性能.

对于组合试样，因其为聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片和聚酰亚胺/涤纶热风絮片在厚度方向的叠加，传热路径增加，因而组合试样的保暖性能优于单一组分试样.

相对于3#试样采用N/S/N 的组合方式，4#试样采用S/N/S 组合方式，因聚酰亚胺/涤纶热风絮片保暖性能明显优于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片，故而4#试样表现出较好的保暖性能.

对于4#～6#组合试样，因聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片保暖性能较差，无法显著提高组合试样的保暖性能，因而4#～6#组合试样的保暖性能无显著差异；此外，对比5#和6#试样可以发现，在本文试验条件下，材料成分组合相同时，组合顺序对组合试样的保暖性能并无显著影响.

为进一步比较和分析不同试样的保暖性能，定义试样单位面积质量的克罗值为保暖效率，并将其与单位面积质量和克罗值绘于图2 中.从图2 中可以发现，虽然聚酰亚胺纳米保暖絮片因单位面积质量低而导致整体保暖性能较差，但却表现出较高的保暖效率.聚酰亚胺/涤纶热风絮片虽然因单位面积质量较高而导致整体保暖性能较好，但却表现出较低的保暖效率.究其原因，主要是由于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片纤维直径较细，孔隙率较高、空隙曲折程度高、传热路径长，同等单位面积质量条件下，可容纳的静止空气较多；此外，聚酰亚胺其导热系数较低，故而相对于聚酰亚胺/涤纶热风絮片，聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片表现出更高的保暖效率.

图2 不同组合试样的保暖效率

相对于2#试样，3#试样的保暖效率有小幅度提高，但提高程度并不显著.分析其原因，主要是聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的加入虽可有效提高整体的保暖性能，但组合试样的单位面积质量也随之增加，且聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的比例相对较低（质量分数约为21.7%），从而宏观表现为对组合试样保暖效率的提高程度并不明显.

相对于3#试样，因聚酰亚胺/涤纶热风絮片的保暖性能较高，4#试样宏观表现出较高的保暖性能；但因聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的质量分数下降至6.5%，从而4#试样的保暖效率相对较低.

相对于4#试样，5#和6#试样亦因聚酰亚胺/涤纶热风絮片的加入，宏观表现出较高的保暖性能，但聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的质量分数较高（约为12.2%），从而表现出较高的保暖效率.

由图2 可以发现，对于由聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶热风絮片构成的组合试样，随着单位面积质量的增加，组合试样的整体保暖性能随之提高，但组合试样的保暖效率取决于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的质量分数，聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片的含量越多，保暖效率越高.

值得关注的是，2#试样为单一的聚酰亚胺/涤纶热风絮片，其整体保暖性能低于组合试样，其保暖效率略低于3#试样，但高于4#～6#试样.探讨该现象产生的原因，主要是组合试样在组分材料自重下产生的压缩所致.

2.3 透湿与透气性能

透湿与透气性能是影响服装舒适性能的重要因素，为评估聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶热风絮片及其组合试样的穿着舒适性能，对6种试样的透湿与透气性能的测试结果如表3 所示.

从表3 中可以看出，相对于聚酰亚胺/涤纶热风絮片（2#试样），聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片（1#试样）的透湿性能略低，但透气性显著较低.分析其原因，主要是由于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片和聚酰亚胺/涤纶热风絮片均为高空隙率材料，且聚酰亚胺和涤纶均为低吸湿材质，因此均表现出接近的透湿性能；但聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片为典型的多层结构材料，相对于聚酰亚胺/涤纶热风絮片，水汽和空气流通传递通道更加曲折，水汽和空气在材料内部的传递作用更加显著，因而宏观表现出略低的透湿性能，并导致透气性能下降；此外，在透气性能测试过程中，外加压力作用下空气流过纤维表面时，因纤维表面非绝对光滑及空气黏性，紧贴纤维表面的空气层受到阻滞作用，流速降低并影响相邻的空气层，导致材料的透气性能下降；聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片中纤维线密度较低，比表面积较高，且沿纤维长度方向存在明显的粗细不均，空气流过纤维表面时，对空气的阻滞作用更为显著，从而聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片表现出相对较低的透气性能.

此外，因聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片和聚酰亚胺/涤纶热风絮片对水汽传递和空气流通均具有阻碍作用，因而组合试样的透湿与透气性能均低于聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片和聚酰亚胺/涤纶热风絮片.热环境条件下，处于静坐姿态时，人体出汗量为1 440～4 800 g/（m2·24 h），寒冷环境下，显汗出汗量将极大减少，为360～480 g/（m2·24 h）［17］.6 种试样的透湿率均高于2 500 g/（m2·24 h），且透气率均高于70 mm/s，即均能满足服用需求，可及时将湿气排出衣外，保持良好的热湿平衡，防止闷热.

3 结论

本文以静电纺丝制备的聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶热风絮片为研究对象，探讨了组合方式对复合保暖絮片保暖性能、透气与透湿性能的影响规律，本文实验条件下的主要结论如下：

（1）聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片、聚酰亚胺/涤纶热风絮片及其组合试样均表现出较好的热湿舒适性能，满足防寒保暖絮片的性能要求；

（2）相对于聚酰亚胺/涤纶热风絮片，聚酰亚胺纳米纤维保暖絮片虽然整体保暖性能、透气和透湿性能相对较低，但其保暖效率较高，是超轻高保暖絮片的理想材料之一；

（3）相对于单一成分保暖絮片，组合试样表现出较高的保暖性能，但保暖效率、透气与透湿性能相对较低.

需要注意的是，本文仅对压缩试样的保暖性能、透气与透湿性能进行了测试和分析，为全面评估保暖材料的热湿舒适性能，还需对其压缩性能、耐洗涤性能以及绗缝前后的热湿舒适性能进行较为全面的测试和分析.