面料吸湿速干性能的影响因素研究

张凤彩 程小明 吕治家,2 丁吉利 王美芬

（1.魏桥纺织股份有限公司，山东邹平，256200；2.天津工业大学，天津，300387）

近几年来，随着社会的进步，人们对舒适功能性面料的需求越来越大，其中吸湿速干面料备受青睐。吸湿速干面料可以将人体产生的湿气、汗液迅速吸收并传导蒸发，消除了出汗后产生的闷热感和湿黏感，隔绝了细菌等微生物的生长环境，使人体一直处于干爽、舒适的微环境中，保持人体长时间的舒适性［1］。

目前，制备吸湿速干面料的方法多样。其中，绝大多数是从纤维、织物组织结构以及功能性后整理三方面进行［2］。在纤维方面，主要采用差别化纤维，使其面料具有一定的导湿速干性能。李煜炜等［3］以三角形、十字形、一字形和波浪形截面的涤纶长丝为芯纱制备了具有吸湿速干性能的涤纶织物。在织物组织结构方面，主要利用织物两面配置不同的组织结构或者不同性质的纱线，使织物两面形成润湿性梯度以及差动毛细效应［4］。吕治家等［5］利用表层细特涤纶网眼状结构与里层丙纶纯纺纱平面结构制备了具有润湿性梯度和毛细效应的面料，其吸湿速干及单向导湿性能十分优异。在功能性后整理方面，主要利用物理或化学的方法使面料获得吸湿速干性能。王孟泽等［6］采用整理剂TF-620 对涤纶针织物进行整理从而赋予了涤纶针织物优异的吸湿排汗性能。

但是，目前就纱线成纱结构对面料吸湿速干性能影响的研究并不充分。本研究以具有润湿性差异的亲水性新疆棉短纤和疏水性CoolMax 长丝复合的纱线为基础，采用正交试验的方法重点探讨了纱线成纱结构、纱线捻度以及织物组织结构对面料吸湿速干性能的影响，为目前市面上吸湿速干面料的开发提供理论基础与数据支撑，从而进一步满足人们对吸湿速干以及单向导湿功能性面料的使用需求。

1 产品设计与实施

1.1 纺纱关键技术

为确保产品试验数据的准确性，纺纱流程采用同原料、同机台、同锭生产，棉纤维使用精梳新疆棉，粗纱号数为550 tex；CoolMax 长丝规格5.56 tex/72 F。利用长丝短纤复合纺纱设备生产不同包覆方式和不同纱线捻度的复合纱线，复合纱线号数均为14.8 tex，捻向均为Z 捻。生产的4种规格纱线分别为110 捻/10 cm 的包芯纱，125 捻/10 cm 的包芯纱，110 捻/10 cm 的包缠纱，125 捻/10 cm 的包缠纱。

将施加一定张力的CoolMax 长丝与牵伸后的棉粗纱须条在前罗拉前钳口处汇聚成纱，其中生产包芯纱时CoolMax 长丝喂入位置在牵伸后须条的中间位置；生产包缠纱时CoolMax 长丝喂入位置在牵伸后须条的左侧2.5 mm 位置处。纺制的不同捻度下的包芯纱与包缠纱的结构显微镜照片如图1 所示。

图1 不同捻度包芯纱和包缠纱结构

1.2 面料设计

为探究不同织物组织对吸湿速干性能的影响，经纱和纬纱采用相同规格纱线，分别设计经密为472 根/10 cm、纬密为315 根/10 cm 的一上一下平纹组织和三上一下右斜纹组织。

为分别探究纱线成纱结构、纱线捻度以及织物组织对面料吸湿速干性能的影响，一共设计了8 种规格的织物，如表1 所示。

表1 研究设计的样品规格

2 产品性能测试与分析

2.1 纱线成纱质量的影响因素分析

对不同捻度包芯纱和包缠纱的纱线质量进行测试分析，结果如表2 所示。

表2 4 种纱线的成纱质量指标

由表2 可见，当捻度增加时，包芯纱与包缠纱的纱线质量变化趋势相反。对于包芯纱，当捻度变大时，纱线条干质量变好，断裂强力增加，纱线毛羽减少；而当包缠纱的捻度变大时，纱线的条干质量变差，断裂强力减弱，纱线毛羽增加。分析造成这一现象的主要原因是捻度增大之后，包芯纱和包缠纱之间的纤维排列变化趋势不同导致。结合图1，包芯纱的鞘部为棉纤维，芯部为CoolMax长丝，当包芯纱捻度不断增大时外包棉纤维对CoolMax 长丝的向心力增强，纤维排列的紧密度提高，外包棉短纤与芯纱CoolMax 长丝排列更加致密。因此当包芯纱的捻度在125 捻/10 cm 时，包芯纱的外包棉短纤露出的毛羽减少，条干质量变好，纱线强力有所提升。包缠纱是棉纤维与CoolMax 长丝相互交缠成纱，当包缠纱捻度不断增大，棉纤维与CoolMax 长丝相互交缠挤压更加剧烈，由于CoolMax 长丝模量大且伸长率高于棉纤维，当捻度增大时CoolMax 长丝嵌入到棉纤维中，对棉纤维束形成挤压，棉短纤有卷曲或起圈而隆起的趋势，导致包缠纱毛羽成倍增加，纱线条干质量变差，拉伸断裂时由于两种纤维不在同一断裂点受力，导致断裂强力有所降低。

2.2 面料吸湿速干性能影响因素分析

为验证不同成纱结构、成纱捻度及织物组织规格面料的吸湿速干性能，分别对8 种样品进行了吸湿性、速干性以及透气性对比测试。吸湿性和速干性的测试与评价标准依据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》；透气性的测试与评价标准依据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》。其测试结果如表3 所示。

表3 织物吸湿性、速干性及透气性测试对比结果

2.2.1成纱结构

不同的成纱结构不仅影响纱线的物理机械性能，其对面料的吸湿性速干性能也有较大影响。由表3 可以看出，包芯和包缠两种成纱结构对面料的吸湿性有很大的影响，吸湿性一共包含3 个指标：吸水率、滴水扩散时间以及芯吸高度。GB/T 21655.1—2008 设定的机织物吸湿性的标准值分别为吸水率≥100%，滴水扩散时间≤5 s，芯吸高度≥90 mm。随着吸水率增加、滴水扩散时间缩短以及芯吸高度提高，样品的吸湿性更加优异。其中，在相同纱线捻度以及织物组织结构下，可以很明显看出包芯纱面料的吸湿性整体优于包缠纱面料，且部分包缠纱面料的吸湿性测试值处于标准值以下。

包芯纱面料的吸湿性优于包缠纱面料，主要是因为包芯纱表面的外包棉短纤含量高，为包芯纱提供了更多的亲水基团。当液态水与包芯纱接触时，外包棉短纤可以迅速吸收大量的液态水，吸收的水分子会通过表面具有细微沟槽的芯纱CoolMax 长丝在纤维与纤维之间、纤维与纱线之间以及纱线与纱线之间进行快速传导。而液态水与包缠纱面料接触时，由于棉短纤含量相对较少，吸收的液态水相对较少，且CoolMax 长丝表面缺少亲水基团，只能进行水分的传导并不能进行水分的吸收。因此，包芯纱面料的吸湿性较好。

但是，在相同纱线捻度以及织物组织结构下，包缠纱面料的透气率和蒸发速率在总体上要优于包芯纱面料，这与纱线结构不同有关。包缠纱外层由棉纤维和CoolMax 长丝共同构成，在纱线成形过程中，棉纤维和CoolMax 长丝会发生摩擦从而抱合在一起，但CoolMax 长丝和棉纤维之间的模量不同，产生的向心力不同，致使纤维之间留有空隙，水分子和空气分子容易从纤维之间通过。而包芯纱外层是棉纤维，在纱线加捻成形时，棉纤维产生的向心力一致，因此，棉纤维之间的空隙较小，阻碍了部分水分子和空气分子的通过。因此，包缠纱面料的透气性优于包芯纱面料。

2.2.2纱线捻度

纱线捻度不仅影响纱线物理机械性能及纱线结构的变化，还会影响面料的整体吸湿速干性能。从表3 可以看出，在相同纱线成纱结构以及织物组织结构下，捻度对纱线的吸水率有一定的影响。 在纱线捻度由110 捻/10 cm 增加到125 捻/10 cm 后，面料的吸水率整体都有所降低。经过分析认为这是由于加捻后纱线的结构紧密程度增加，外包棉纤维排列紧密，使得棉纤维与水分的接触面积减少。所以纱线捻度增加后面料的吸水率有所降低，但降低水平较小。

纱线捻度也会影响面料的滴水扩散时间和芯吸高度，而滴水扩散时间和芯吸高度又代表面料的导湿性能，因此纱线捻度也会影响面料的导湿性能。当纱线捻度增加时，纱体的结构紧密程度增大，所织织物纱线间的空隙增大，有利于水分从纤维之间进行传导，致使面料的导湿性能增加。因此，捻度为125 捻/10 cm 的4 种样品的滴水扩散时间小于对应的捻度为110 捻/10 cm 的4 种样品，芯吸高度大于捻度为110 捻/10 cm 的4 种样品。结合纱线成纱结构进行分析发现，在捻度增加后，包芯纱鞘部棉纤维对芯部CoolMax 长丝抱合力增强，使其棉纤维对CoolMax 长丝抱合更加紧密，且由于CoolMax 芯纱在纱线内部呈伸直状态，有利于水分子沿CoolMax 长丝纵向沟槽迅速直线传导，因此包芯纱导湿性能较好。而包缠纱在捻度增加后，一方面由于棉纤维与CoolMax 相互交缠挤压导致纤维变得杂乱，存在各种打卷、缠绕、弯曲的纤维，阻碍了液态水分子进行吸收传导；另一方面由于捻度的增大，捻回角增大，单位长度内CoolMax 长丝的长度增加，水分子沿Cool-Max 长丝沟槽做螺旋线形传导，因此降低了纱线的导湿性能。使用包缠纱所织织物由于交织点的存在，经纬不同方向裸露在纱线表面CoolMax 长丝的点接触有利于水分从纤维之间传导，彼此相互抵消，但随着捻度的增大，包缠纱的吸湿速干性能有所增加，但增加程度较小。因此，加捻后的包芯纱面料导湿性能的增加幅度大于包缠纱面料导湿性能的增加幅度。同时，捻度增加会造成纱线体积质量增加，纱线直径和织物紧度降低，面料的蒸发速率和透气性增加。

2.2.3织物组织结构

织物组织结构对面料的吸湿速干性能影响显著。GB/T 21655.1—2008 设定速干性的标准值为蒸发速率≥0.18 g/h。通过与标准要求值对比，研究发现制备的8 种样品的速干性都达到了标准要求以上。但是，在相同纱线捻度和成纱结构下，织物组织结构为平纹的4 种样品的蒸发速率要略高于对应的织物组织结构为斜纹的4 种样品。分析认为，平纹织物经纬纱的交错次数更多，增加了织物表面与空气的接触面积，因此平纹织物在单位时间内蒸发的水分多，蒸发速率比斜纹织物快。

此外，织物组织结构也会影响面料的吸湿性与透气性。可以看出在相同纱线捻度和成纱结构下，平纹组织的吸湿性和透气性远低于斜纹组织。从织物组织结构方面分析，造成这一现象的主要原因是组织结构，其平均浮长不同。浮长线长的织物组织结构的柔软蓬松度好，经纬纱之间的交错次数少，空气以及水分通过的阻力小，空气和水分更容易透过织物进行传递与运输。其中，三上一下斜纹组织的平均浮长为2，而一上一下平纹组织的平均浮长仅为1。当经、纬密一样时，在相同幅宽和匹长下，斜纹组织经、纬纱的交错次数大幅度减少，水分和空气的透过率更高。因此，斜纹组织的吸湿性和透气性优于平纹组织。

2.3 综合性影响因素分析

基于以上单因素影响研究分析，本研究利用正交试验极差分析思路，探究纱线成纱结构、纱线捻度以及织物组织结构，对面料吸湿性、速干性和透气性影响的显著程度，具体结果见表4 所示。

表4 正交试验极差分析

由表4 分析可知，影响吸水率的权重为织物组织结构＞捻度＞成纱结构，影响滴水扩散时间的权重为成纱结构＞织物组织结构＞捻度，影响芯吸高度权重为成纱结构＞织物组织结构＞捻度，考虑多方面影响因素，影响吸湿性的因素排序为织物组织结构＞纱线成纱结构＞捻度。综合分析各影响因素的K1、K2 值，得出在纱线捻度为110 捻/10 cm、成纱结构为包芯和组织结构为斜纹的条件下，面料的吸水率最高；在纱线捻度为125 捻/10 cm、包芯成纱和组织结构为斜纹的条件下，面料的滴水扩散时间最短；在纱线捻度为125 捻/10 cm、包芯成纱和组织结构为斜纹的条件下，面料的芯吸高度最高。综合多方面考虑因素，可知在纱线捻度为125 捻/10 cm、成纱结构为包芯和组织结构为斜纹的条件下，面料的吸湿性最佳。

影响蒸发速率的权重为捻度＞织物组织结构＞成纱结构。综合分析各影响因素的K1、K2 值，得出在纱线捻度为125 捻/10 cm、成纱结构为包缠和组织结构为平纹的条件下，面料的蒸发速率最高。但是3 个因素的权重差别较小，可以认为捻度、织物组织结构和纱线成纱结构对蒸发速率影响的差别较小。

影响透气率的权重为织物组织结构＞捻度＞成纱结构，综合分析各影响因素的K1、K2 值，得出在纱线捻度为125 捻/10 cm、成纱结构为包缠和组织结构为斜纹的条件下，面料的透气性最好。

3 结论

（1）通过将亲水性的棉纤维和疏水性的Cool-Max 长丝复合成纱，制备的面料具有一定的吸湿速干性能。在捻度为125 捻/10 cm、成纱结构为包芯以及组织结构为斜纹时，在未经过任何助剂处理下，面料的吸湿性可以达到国标要求。

（2）成纱结构、纱线捻度和织物组织结构会影响面料的吸湿速干性能。在成纱结构方面，由于包芯纱表面的含亲水基团外包棉短纤含量高，因此吸湿性优于包缠纱面料，但同时又因包芯纱外层棉纤维之间的空隙小，阻碍了部分水分子和空气分子透过，所以蒸发速率和透气性比包缠纱面料差；在捻度方面，因捻度增加，纱线的结构紧密程度增加，面料的吸水率降低，同时会造成纱线体积质量增加，纱线直径和织物紧度降低，面料速干性和透气性有所提高；在织物组织结构方面，基于平纹织物交织点更多，在单位时间内蒸发的水分多，因此平纹组织的速干性优于斜纹织物，但平纹组织的交错次数多，空气以及水分通过的阻力大，吸湿性和透气性整体比斜纹差。

（3）通过正交试验数据分别分析了获得最佳吸湿性、蒸发速率以及透气性的试验方案。其中，面料吸湿性最优的试验方案为纱线捻度125 捻/10 cm、成纱结构为包芯和组织结构为斜纹；面料速干性最优的试验方案为纱线捻度125捻/10 cm、成纱结构为包缠和组织结构为平纹；面料透气性最优的试验方案为纱线捻度125捻/10 cm、成纱结构为包缠，组织结构为斜纹。

综上所述，纱线成纱结构、纱线捻度和织物组织结构会对面料的吸湿速干性能造成一定的影响，在生产中可以根据用户的实际需求以及产品的用途来确定最佳的实际生产方案。