聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯纬编运动T恤面料的热湿舒适性

姚晨曦, 万爱兰

(江南大学 针织技术教育部工程研究中心, 江苏 无锡 214122)

随着人们对人体健康和舒适性问题的日益关注,具有热湿舒适性的纺织品在全球市场上获得了越来越多的关注,很多学者对该领域进行了相关研究[1-3]。人体的穿着舒适度在很大程度上受织物的热湿舒适性影响,透气性、透湿性、热阻、水分蒸发速率以及液态水分管理能力被认为是影响穿着者热湿舒适性的关键因素[4]。人体所产生的热量和皮肤表面水分都是通过与人体接触的衣物来进行传播与运输的,热湿舒适性对于运动休闲服装和贴身衣物的应用非常重要[5-7]。

国内外的学者一直在研究织物的热湿舒适性,Chen等[8]研究了17种纬编针织涤纶运动T恤的热湿舒适性能,结果表明织物的面密度越大,透气性越差;孔隙率越大,干燥速度就越快。Teyeme等[9]研究发现聚酰胺复合针织面料的热湿舒适性最佳,更适合做夏季骑行服。Kumar等[10]通过开发不同的单面纬编针织Eri真丝面料,结果表明纱线线密度、线长以及织物组织结构对织物的尺寸稳定性和热湿舒适性有很大的影响。钱娟等[11]通过研究影响聚乙烯针双罗纹织物热湿舒适性的因素,研究发现织物的原料、未充满系数与热湿舒适性能显著相关。这些运动休闲服材料各具特色,也各有局限性,如涤纶价廉但舒适性不好、聚乙烯和蚕丝舒适性好但价格昂贵等。聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)弹性纤维具有较好的弹性,可以用在运动休闲服领域,因此全面了解PBT/PET织物的热湿舒适性很重要。Hüseyin等[12]研究发现PBT和弹性长丝具有相似的弹性伸长率,很适合生产轻质运动弹性机织物。Živa等[13]利用PBT长丝包芯纱开发机织物,结果表明PBT的结构影响着织物的力学性能。以上研究主要集中PBT纤维本身性能、织造参数对织物力学性能的影响,对PBT/PET长丝在运动休闲领域的应用很少,对其在纬编单面运动T恤面料的热湿舒适性的研究也很少。

本文以PBT/PET双组分弹性纤维为原料,开发了13 款不同组织结构参数的纬编单面运动T恤面料,测试表征其热湿舒适性的各个指标,并对这13 款纬编单面针织物进行综合评价,通过对比选出最优的PBT/PET纬编单面针织面料,为以后在运动休闲领域应用PBT/PET双组分弹性纤维提供参考。

1 实验部分

1.1 原料的选择

PBT/PET双组分弹性纤维,洪泽联合化纤有限公司。面料:针织平纹织物,单珠地网眼织物,双珠地网眼织物,单面提花织物,平纹+珠地织物,珠地+网眼织物。

1.2 织造工艺

为全面分析PBT/PET纬编单面针织物的热湿舒适性,本文利用100% PBT/PET双组分弹性纱线在针织大圆机上编织了13款不同组织结构的纬编单面运动T恤面料(平纹、单珠地、双珠地、单面提花、平纹+珠地以及珠地+网眼),并运用纬编产品设计系统对织物进行仿真,不同织物编织结构如图1所示。

图1 织物的编织图Fig.1 Fabric weaving diagram. (a) Plain stitch; (b) Pique; (c) Lacoste; (d) Jacquard (1); (e) Pearl net; (f) Jacquard (2); (g) Jacquard (3); (h) Plain weave + half cardigan

1.3 后整理工艺

为使面料的表面平整、手感柔软,对下机后的坯布进行水洗、热定形。热定形温度为145 ℃,定形时间为40 s[14]。

1.4 测试与表征

1.4.1 织物的基本性能测试

参照FZ/T 70010—2006《针织物平方米干燥重量的测定》测试织物的面密度,根据GB/T 3820—1997 《纺织品和纺织制品厚度的测定》测试织物的厚度,分别测10次,结果取平均值。织物的孔隙率根据下式计算:

式中:P为孔隙率,%,G为织物的面密度,g/m2;ρ为纤维密度,g/cm3;d为织物厚度,mm。

1.4.2 织物的透气性测试

根据 GB/T 5453—1997 《纺织品 织物透气性的测定》,使用 YG461E-Ⅲ 型全自动透气量仪来测试织物的透气率,在每种织物上各取不同位置测量10 次,结果取平均值。织物的透气率越大,透气性就越好,运动休闲面料的透气率越大越好,可及时地将人体产生的热气、湿气排到外界空气中,给人以舒适的感觉。

1.4.3 织物的透湿性测试

根据 GB/T 12704.2—2009 《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》,采用YG601 H-II型电脑式织物透湿仪来测试织物的透湿率,每种织物取3块试样分别测试,结果取平均值。织物的透湿量越大,透湿性就越好。透湿率根据下式计算:

式中:T为透湿率,g/(m2·d);Δm为同一实验组合体2次称量之差,g;S为测试有效面积,m2;t为实验时间,h。

1.4.4 织物的热阻测试

参照 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)》,采用 YG606G型热阻湿阻测试仪来测试织物的热阻,试样面积为35 cm×35 cm,测试3次,结果取平均值,织物的热阻越大,传热系数就越小,保暖性就越好,不利于人体在运动时热量的散失。

1.4.5 织物的水分蒸发速率测试

根据GB/T 21655.1—2008《纺织品 吸湿速干性的评定 第1部分:单向组合试验法》测试织物的水分蒸发速率。将 0.2 mL 的水滴在织物的表面,分别在5、10、15、20、25、30 min时称取织物的质量,分别测5 次,结果取平均值。水分蒸发速率(E)根据下式计算:

式中:mi(i=1～5)分别为5、10、15、20、25、30 min时的织物质量,g;m为初始时间润湿织物质量,g。

1.4.6 织物的液态水分管理测试

采用液态水分管理测试仪,根据 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》测试织物的整体水分管理能力。液态水分管理测试仪通过测量织物浸水面(T)和渗透面(B)的浸湿时间(WT)、最大浸湿半径(MWR)、液态水扩散时间(SS)和吸水速率(AR),并通过计算累积单向传递能力(OWTC)和整体水分管理能力(OMMC),提供织物(尤其是贴近人体皮肤一侧)的液态水分管理性能。测试的所有指数均采用 1～5 级。每种织物准备 10 块 10 cm×10 cm 的试样,洗前洗后各 5 块,测试结果并计算平均值。

1.5 数据处理与分析

本文采用 SPSS 统计软件对实验数据进行单因素方差分析和相关性分析,显著性水平设置为0.05,检验了组织结构和原料单丝纤度对13 款PBT/PET纬编单面运动T恤面料厚度、面密度、孔隙率及透气性、透湿性、热阻、水分蒸发速率和整体水分管理能力等热湿舒适性能有无显著性影响[11]。

2 结果与分析

2.1 组织结构和单丝线密度对织物孔隙率影响

织物组织结构与孔隙率显著相关,相关系数为0.831(显著性水平p<0.05),织物组织结构与孔隙率结果见表1。

表1 织物基本规格参数Tab.1 Basic specification parameters of fabrics

从表1可知,制备的13款纬编单面织物的孔隙率分布在75%～87%之间,不同组织结构之间的孔隙率还是略有差别的,单面提花类织物的孔隙率较高,因为单面提花类织物局部部位有浮线结构存在下方线圈被拉长而形成较大的孔隙。织物的厚度和面密度也是影响孔隙率的重要因素,相关系数分别为-0.768和-0.710(显著性水平p<0.05)。织物的厚度越大,孔隙率越小;织物的面密度越大,孔隙率越小。织物的单丝线密度与孔隙率也显著相关,相关系数为0.757(显著性水平p<0.05),相同组织结构的织物,纱线线密度相同,单丝线密度越小,孔隙率就越小,因为单丝线密度小的纱线,拥有更多的单丝数,使纱线变得更蓬松,织成织物后线圈结构就变得更小,孔隙率就越小。

2.2 织物透气性分析

13款PBT/PET纬编单面针织物的透气率如图2所示。

图2 织物的透气率Fig.2 Air permeability of fabric

由图2可知,织物4#、5#、6#、7#的透气性较好,织物1#、2#、3#、8#、9#的透气性适中,织物10#、11#、12#、13#的透气性较差,其中,透气率最大的是织物7#(785.43 mm/s),而透气率最小的是织物12#(140.36 mm/s)。由表1可知,织物4#和织物5#的组织结构、原料粗细、厚度以及密度等结构参数都很接近,而织物5#的孔隙率(82.0%)大于织物4#的孔隙率(77.1%),因此织物5#的透气性优于织物4#;织物6#和织物7#的规格参数基本差不多,因此它们的透气率比较接近。织物10#、11#、12#、13#的孔隙率普遍较小,因此它们的透气性都比较差,而在这4个试样中,织物13#的珠地占比面积比另外3种织物大,导致其孔隙率较大(79.4%),使其透气性相对较好。由此可以得出,织物的孔隙率对织物透气性有很大的影响,通过SPSS软件分析孔隙率对透气性的相关性也发现孔隙率对透气性有显著影响,相关系数为0.654(显著性水平p<0.05)。织物1#、2#的组织结构不一样,导致它们的透气性有所差别,但它们的孔隙率相近,然而织物2#是单面珠地,其表面呈疏孔状,类似蜂巢结构,比普通平布更透气,同时方差分析结果表明,不同组织结构对透气性影响显著(p<0.01)。除此之外,单因素方差分析结果表明,单丝纤度对13种织物的透气性的影响显著(F=19.932,p=0.000<0.05),单丝线密度越小,每根纱线有更多的单丝,则单丝跟单丝之间的接触面增大,长丝间的空隙变小,织物的透气性会变差。织物的面密度与织物的透气性的相关系数为-0.688,显著负相关。

2.3 织物透湿性分析

透湿性是指汗液以蒸汽的形式透过面料的性能,影响人体穿着舒适性,评价指标是透湿率,测试结果如图3所示。

图3 织物的透湿率Fig.3 Moisture permeability of fabrics

由图3可知,织物10#、11#的透湿性较好,织物1#、2#、3#、12#、13#透湿性适中,织物4#、5#、6#、7#、8#、9#的透湿性较差,织物11#(7 556 g/(m2·d))的透湿率比织物5#(5 673 g/(m2·d))高出33.2%。单因素方差分析结果表明,单丝线密度和织物的透湿性显著相关(F=36.391,p=0.000<0.05),与此同时,织物厚度与透湿性显著相关,相关系数为0.771(p<0.05),织物越厚,水蒸气通过织物间的空隙路径就越长,水蒸气分子就越难从织物一侧扩散到另一侧。由表1可知,织物6#、7#规格参数基本相同,但织物6#厚度比织物7#稍大,因此织物7#的透湿率(5 877 g/(m2·d))大于织物6#(5 684 g/(m2·d))。除此之外,织物的透湿性与织物的组织结构也显著相关,相关系数为0.631,织物2#、3#、10#、11#、12#、13#的组织结构中都有珠地或有部分网眼结构,所以比普通的平布更加透湿。

2.4 热阻分析

织物的热阻测试结果如图4所示。可知,织物8#的热阻最大(31.3×10-3m2·K/W),其次是织物3#,织物1#、2#、4#、5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#、13#的热阻在20～25×10-3m2·K/W之间,其中织物10#的热阻最小。由表1可知,织物10#的厚度最小,所以其热阻最小。为了进一步研究影响织物热阻的因素,将热阻与织物相关参数进行相关性分析,结果发现织物厚度与热阻相关系数为0.761(p<0.05);织物孔隙率与热阻相关系数为0.748(p<0.05),这2个因素对织物热阻显著影响。织物越厚,织物的热阻就越大;织物的孔隙率越大,织物中封闭的静止空气就越多,储存热量的能力就越强,织物的热阻就越大。除此之外,方差分析结果表明,不同组织结构的织物在热阻方面存在显著差异,相关系数为0.684。

图4 织物的热阻值Fig.4 Thermal resistance values of fabrics

2.5 水分蒸发速率分析

织物的水分蒸发速率是织物速干性能的一个重要指标,也是评价织物热生理舒适性的一个重要指标。测试结果如图5所示。

图5 织物的水分蒸发速率Fig.5 Moisture evaporation rates of fabric

由图5可看出,织物4#、5#、6#、9#、12#的水分蒸发速率比较大,其中织物5#的蒸发速率最快(0.5 g/h),织物7#、8#、10#、13#的水分蒸发速率适中,织物1#、2#、3#的水分蒸发速率较差。单因素方差分析结果表明,单丝线密度对织物水分蒸发速率影响显著(F= 35.041,p= 0.000<0.05),每根纱线中的单丝越多,就能形成更多的毛细效应,从而输送更多的水分,因此单丝线密度越小,水分蒸发速率就越大。除此之外,影响织物水分蒸发速率的因素还有很多,如织物的厚度、组织结构以及孔隙率等[8]。

2.6 液态水分管理能力分析

织物的液态水分管理能力对织物舒适性十分重要,因为它影响着织物是否能快速的将皮肤表面的水分散发出去。13 款PBT/PET纬编单面针织面料的液态水分管理能力测试结果如表2所示。可知,织物2#的具有最高的单向传递指数(889.28%),这说明皮肤表面的汗液可以轻松、快速地从皮肤表面传播到外界环境中,这种织物内表面和外表面的液态水扩散速度快,最大润湿半径小,表面液态水立即通过织物而不润湿织物,是很好地单向导湿织物。而织物10#、11#、12#、13#单向传递指数都为负,这可能与它们的组织结构有关,它们是由2种不同组织结构拼接而成的,在液态水传播的过程中,有可能导致液态水不规则的扩散。

表2 液态水分管理能力测试结果Tab.2 MMT test results

图6表示出13款PBT/PET纬编单面针织面料的OMMC。可知,织物2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#的整体水分管理能力较好,织物1#适中,织物10#、11#、12#、13#较差,其中,织物3#的整体水分管理能力最好(0.97)。进行相关性分析后发现,织物整体水分管理能力与织物的孔隙率、组织结构、面密度以及单丝纤度的相关系数分别为0.735、0.684、0.709、0.692,显著相关;其中,孔隙率与织物整体水分管理能力的相关性最大,影响更显著;但与织物的厚度显著不相关,相关系数为0.381。

图6 织物的整体水分管理能力Fig.6 OMMC of fabrics

3 热湿舒适性的灰色聚类分析

灰色聚类分析是一种基于指标白化权函数的方法,将多个考察对象聚为若干个确定的灰度,使聚类指标具有先验性,可以在很多研究领域对评价对象的综合性能进行评价[15]。

从上述13 款PBT/PET纬编单面针织物的热湿舒适性测试结果来看,每种织物的透气性、透湿性、热阻、水分蒸发速率以及液态水分管理能力各有优劣,很难评价哪一种面料是最好的,因此本文利用灰色聚类分析来评价每种织物的综合性能。

3.1 灰色聚类分析的过程

将聚类对象和聚类指标分别表示为n和m,建立一个关于n×m的矩阵dij,然后按照下式[15]进行无量纲处理:

灰数称为不确定数的大致范围。如果灰数来自某个数值区间,则区间内的每个数字都可能是白化值。j可以命名为S灰类(S=k1,k2,k3)的指标[16]。

实验中灰类的第1区间如下式:

实验中灰类的第2区间如下式:

实验中灰类的第3区间如下式:

式中:j=1,2,…,m;i=1,2,…,n;dj是Xij范围;max(Xij)是Xij的最大值;min(Xij)是Xij的最小值。

Xj、Yj、Zj分别为各个灰类区间的中点,如下式:

根据上述白化权函数和权系数,灰色聚类系数由下式所得:

3.2 灰色聚类分析结果

本文选取13 款PBT/PET纬编单面针织物的透气率、透湿率、热阻、水分蒸发速率以及OMMC为聚类指标,13 个聚类对象和5 个聚类指标组成的矩阵如下式:

可以看出:织物1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#、13#的热湿舒适性归为好的这一档,且织物1#落在好的这一档的概率最大(0.759 3),说明织物1#的热湿舒适性最好,只有织物8#的热湿舒适性归为中的这一档,相对比来说,织物8#的热湿舒适性最差。

4 结 论

本文研究了13款聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)纬编单面运动T恤面料的热湿舒适性,分析并对比不同组织结构、面密度、单丝线密度、厚度以及孔隙率对织物透气性、透湿性、热阻、水分蒸发速率以及整体水分管理能力的影响,得到如下结论。

1)13 款PBT/PET纬编单面运动T恤面料的基本组织结构参数对其热湿舒适性有显著影响:构成织物的单丝线密度与织物的透气性、水分蒸发速率以及整体水分管理能力显著相关,相关系数分别为0.544、-0.628、0.692;织物的孔隙率与织物的透气性、热阻、整体水分管理能力显著相关,相关系数分别为0.654、0.748、0.735;织物的厚度与织物的透湿性、热阻显著相关,相关系数分别为0.771、0.761;构成织物的组织结构与织物的透气性、透湿性、热阻的相关系数分别为0.783、0.631、0.684;织物的面密度与织物的透气性、整体水分管理能力显著相关,相关系数分别为-0.688、0.709。

2)对13款PBT/PET纬编单面运动T恤面料的热湿舒适性进行综合评价发现,平纹组织、单面提花(1)组织和单珠地网眼的热湿舒适性比较好,更适合应用于运动休闲领域。