Coolmax织物湿舒适性研究及产品开发

天津纺织工学院硕士学位论文Coolmax织物湿舒适性研究及产品开发姓名：赵艳志申请学位级别：硕士专业：纺织材料与纺织品指导教师：杨俊霞;施楣梧19990201摘要摘要服用纺织品的湿舒适性能是影响着装人体舒适性的重要因素。本文首先对杜邦公司丌发的Coolmax纤维的导湿性能和一般物性进行了测试研究；其次，从湿传递过程出发，探讨了织物的湿传递机理，并从水蒸汽吸附、毛细运输、凝结、扩散、表面蒸发性能等方面分析了Coolmax的传湿性能；然后研究了纱线捻度、织物结构对毛细效应的影响；在此基础上设计开发了几个Coolmax功能性织物品种，实测了Coolraax织物的导湿性能和静态、动态湿舒适性能，研究结果表明：纤维原料结构、织物孔隙率、厚度是影响织物湿舒适性的主要因素。关键词；Coolmax，芯吸效应，舒适性，湿传递性能，织物结构，微诋一ABSTRACTABSTRACTMoisturecomfortpropertiesoftextilefabricarethemostimportantfactorsthataffectthesubjectivecomfort．Inthjspaper，Firstly，themoistureconductionandordinaryphysicalpropertiesofCoolmaxfibersmanufacturedbyDuPongaretestedandstudied：Secondly，themechanismofthefabricmoisturetransportisstudiedonthebasisofmoisturetransportprocess，Inaddition，transportingmoistorepropertiesofCoolmaxinadsorptionofwatervapor，condensationol’watervapor，watertransferincapillary，diffusionofwatervaporandwatervaporizationonfabricsurfaceareanalyzed：Finally，theinfluencesofyarntwistandfabricconstructionuponcapil]aryeffectarediscussed．0nthisbasis．severalvarietiesofCoolmaxfunctionalfabricsaredesigned．Andthemoistureconductionpropertiesandstatic＆dynamicmoisturecomfortofCoolmaxfabricsaretested，Theresultsindicatethatmoisturecomfortpropertiesaremainlydeterminedbyfiberconstruction，porepercentageandthicknessot’fabrics．Ⅺ}1『1阳l龋：Coolmax，Wicking，Comfort，MoisturetransportpropertyFabricconstruction，Micro—climate．Ⅱ第一章绪论第一章绪论1．1服装穿着舒适性随着社会的发展和科学技术的进步，人们生活水平的日益提高，舒适性在服装服用性能中的地位愈来愈显著，人们对服装的要求已不再满足于结实耐穿，或款式新颖，而是人体的舒适性要求，服装舒适性除形态尺寸上的舒适性，即不防碍人体自由活动外，还包括对人体的保护作用，在通常情况下，保持人体抵御大自然的气候变化，维持适宜的服装内微气候，使人体在正常的生理活动下，维持恒定的体温。在运动、探险、执行军事任务等方面，常要求探索人员在极端恶劣环境下，可能达到的极限工作效率，这就对服装提出了更高、更为特殊的要求。希望能在一般环境和作业条件下使着装者穿着舒适，在严酷条件下仍保持较好的工作效率和战斗力。事实上，舒适性是一个很复杂、多方面的问题，是由许多物理的、生理的、及心理的各种因素相互作用的结果。服装穿着舒适性分为主观和客观意义上的舒适性。主观方面指心理上的舒适性，包括服装的颜色、款式、质地、手感等指标，由我们的感官所感知，常由着装者的习俗喜好决定其舒适与否。客观意义上舒适性包括：(1)热舒适性：指服装具有的散热(保暖)性，维持人体于舒适温度状态下的一种能力。(2)湿舒适性：指服装具有将人体着装产生的汗液及时地导走，在舒适的温度下维持人体排出的汗液和服装传导蒸发水汽总的平衡，使皮肤表面无汗液流动，微气候区湿度不致于过高，人不感觉闷的舒适状态。(3)运动舒适性：指服装适应人体需要，使人体运动自如方便的能力。它包括服装压力、服装材料延伸、弯曲、摩擦等约束等项内容。(4)接触热舒适性：指服装接触皮肤时，由于服装的导热，皮肤温度骤升骤降幅度很小并很快平衡，内衣冬天没有接触冷感，夏天没有燥热感。第一章绪论(5)接触湿舒适性：指由于服装的吸汗、导汗，内衣裤不粘贴皮肤、不影响活动、没有粘湿感，穿着松爽。(6)摩擦、刺扎舒适性：指内衣裤不太糙、也不太滑、不会摩擦损伤皮肤、也不会产生“溜动”感觉；不刺瘁、刺扎、戳痛等生理感觉。客观意义上的服装舒适性，其影响因素众多，有的与纤维材料、织物组织结构、后整理工艺有关，有的与辅料有关，有的与款式、服装工艺有关。但是，毋庸置疑，服装所表现的性能主要取决于材料的性质。因此，织物所具有的性质是服装舒适性的基础，也是服装所表现出来的保暖、吸汗导汗、吸湿散湿性能的基础，作为服装织物舒适性的研究，需要把研究的重点放在服装材料一一纤维、织物组织结构的基础研究上。图卜l表明了影响服装织物舒适性的各种物理因素及它们之间的相互关系。区巫遁益鲴$I热阻、湿阻、透湿性、透气性、I芯吸效应、沾湿性、导湿性、防水性$织物的厚度、孑L隙率纱线直径、纱线密度、毛羽、混比、捻度维种类、截面形状、纤维细度、纤维刚度、表面张力、排列形态图1—11-2国内外吸湿、导湿纤维材料和织物的研究概述天然纤维的应用已有几千年的历史。随着人1：3的增长和物质文明程度的提高，天然纤维的数量和质量已不能满足社会发展的需要，1936年第一种合成纤维——聚酰胺66才问世，此后发明了涤纶、丙纶、腈纶等合成纤维，合成纤维工业化的初期，为了改善合成纤维织物因疏水2第一章绪论性而引起穿着时汗液蒸发困难、闷热、不透气的弊端，人们往往采用与天然纤维或人造纤维混纺的办法。混纺的方法至今仍是各种混纺纤维间相互取长补短，发展纺织品新品种的好方法。但对于提高织物的吸湿导湿性却十分有限。而且随着合成纤维生产的迅速发展，应用不断开拓，人们生活水平的不断提高，单靠混纺已不能满足需要。人们对服用纤维材料的性能提出了更多、更高的要求，不仅要求服用纤维材料具有优良的物理机械性能、挺括的外观和洗可穿用性、形状保持性等，还要求织物具有良好的穿着舒适性、卫生性和便于运动的全面功能。特别是对于夏服、军服、运动服、贴身穿着的衣服，这些尤其强调穿着舒适性的服装更是如此。近年来国内外功能性材料发展迅速，人们对如何提高化纤的吸湿导湿性作了许多深入的研究，归纳起来主要有以下几种方法：1．化学改性(1)在聚合时添加亲水性物质；(2)与亲水性物质共混；(3)纤维或织物进行表面亲水性处理；2．物理结构的改变(1)对聚酯纤维进行碱减量处理使表面凹凸化；(2)纺丝时使纤维中空化、多孔化；(3)采用特殊结构纱线、特殊的织物组织结构；(4)纤维超细化、使纤维间缝隙变小，促进毛细现象，提高导湿性；(5)纤维截面的异形化，使纤维间的毛细现象增加；3．涂层技术4．物理结构改变和化学改性相结合的方法。表1-1列出了几种典型的商品化的吸湿导湿功能性材料[3⋯。表卜1纤维生产厂商商标改性方法种类旭化成y一“(CIEBET)L形截面东丽j。}于，丙烯酸系单体接枝共聚聚A11iedHydrofi1聚乙二醇嵌段共聚酰长钟纺女，。}N中空及沟槽胺钟纺y丁UzN亲水性聚合物共混纺丝纤东丽廿，，BC一2二叶截厦丝包缠棉纱维缒东丽{JL-x^1J才一J■异形截面——钟纺y丁7-步一X亲水化处理龙尼吉卡工F，口五亲水化处理中国纺人高吸湿聚酰胺聚乙二醇嵌段共聚第一章绪论续表1—1钟纺缶于，}中空及表面沟槽i菱人造丝工f—子．中空及表面沟槽帝人WelIkey中空及表面微细孔长东丽7li一0i≯中空聚东洋纺工Z水儿4异形裁面东丽七才d异形截面酯垂幺旭化成{一“E异形截面——可乐丽工，世亲水性聚合物复合异形纤帝人工7口力吵七儿F于4空度中国纺大多孔吸水涤纶中空微孔维杜邦CooImax四凹槽异形截面可乐丽y7．工夕表面处理短东洋纺工z于U一9-中空纤三菱人造丝y儿卜t异形截面维钟纺7，，矿二，NJL中空及亲水改性帝人Welikey中空微jL杜邦Coolmax四凹槽异形截面聚BayerDunova中空及表面微细孔丙短钟纺Aqualon中空及表面微细孔烯纤东洋纺N一38水解并交联腈维钟纺7I，7口y多孔纤东丽廿，一寸．表面处理维1．3Coolmax的研究发展背景及应用1-3．1Coolmax的研究发展背景涤纶纤维1953年才开始工业化生产，在三大合纤中工业化生产最晚，但发展速度最快，涤纶纤维具有一系列优良性能，如断裂强度和弹性模量高，回弹性适中，热定形优异，耐磨性能好，耐霉、耐虫蛀，贮存方便，有着广泛的服用和产业用途，目前，涤纶纤维已成为发展速度最快、产量最高的合纤品种。但普通涤纶纤维是一种典型的疏水性纤维，作为衣用材料尤其是贴身衣用材料，它的穿着舒适性很差，尤其是当人体出汗时排汗困难，给人闷热不适的感觉。因此，人们在改善涤纶的吸湿导湿性方面进行了大量的研究工作，改善涤纶的吸湿导湿性方法如前所述有物理结构改变和化学改性及物理、化学改性相结合等几种方法。4第一章绪论事实上，近二十年来，美、日、德等国多年研究，发现并不是天然纤维或高吸湿纤维穿着舒适，尤其是在炎热的夏天或从事剧烈运动出大汗的情况下。因为高吸湿纤维服装，虽能吸收人体分泌的汗液(汽)，但一件服装能吸收的水汽(份)量是有限的。高吸湿纤维吸附水结合能较大(吸湿微分热和吸湿积分热高)，不易蒸发，将长期保持粘湿状态，而吸湿性低(或不吸湿)的功能性疏水性纤维，虽然本身不吸湿，但导湿、透湿性强，有利于汗汽(液)的排出。Coolmax纤维就是一种导汗、快干、凉爽舒适的异截面聚酯纤维，这种纤维具有独特的四凹槽排汗管道，通过排汗管道的芯吸作用(毛细作用)，将汗水迅速导引至织物表面，保持皮肤表面不粘附汗液形成干燥表面，而且由于纤维本身不吸湿，纤维表面上的汗液能迅速蒸发掉，保持人体干燥、舒适。1．3．2Coolmax的应用Coolmax织物的应用领域包括如下几类：(1)运动服由于Coolmax织物的导汗排汗、透气性能好，可以满足运动时的导汗排汗、凉爽要求，它可制成排球运动服、足球运动服、网球服、跑步服装、登山服、高尔夫球衫、乒乓球衫等休闲运动和竞技体育运动服装。许多国际著名运动衣品牌，如Adidas，Nike，Reebok，Puma，Mizuno，Asic’s都采用了Coolmax纤维的织物。(2)休闲服、衬衣、汗衫、短裤、T恤衫等夏服织物以及外衣衬里布料、内衣等(3)鞋、帽、手套、袜子等1-4本课题研究的内容及意义1．4．1本课题研究的内容①对Coolmax纤维的结构性能进行测试研究；②从湿传递过程出发，分析织物湿传递机理，并从影响织物湿传递性能的各方面分析Coolmax的湿舒适性；③研究纱线结构、织物结构对毛细效应的影响，探讨用舒适性理第一章绪论论指导Coolmax织物的功能设计；④对Coolmax织物的导湿性能和湿舒适性能进行全面系统的测试分析，研究织物湿传递、湿舒适性能与纤维原料、织物结构的关系。1．4．2本课题研究的意义由于受当时国家的经济状况和科学技术发展水平的制约，87式服装舒适性不够理想，尤其夏服舒适性较差，而夏季气候炎热，军人作战和训练时，强度大，出汗量大，导湿透湿性差的织物，直接影响军人的体能发挥，影响战斗力。因此，从事本课题的研究，对于竞技体育运动服的国产化；军品提高在严酷环境下的可耐受极限，发挥战斗力：民品提高舒适性；促进涤纶新品种的开发无疑具有重要的现实意义和价值。第二章Coolmax纤维一般结构性能特点第二章Coolmax纤维的一般结构性能2．1Coollmx纤维的形态结构2．1．1Coolmax纤维的纵、横向截面形态Coolmax纤维属聚对苯二甲酸乙二酯纤维，是杜邦公司研究开发的四条排汗管道的异截面聚酯纤维。图2-1是Coolmax纤维的纵、横截面形态电镜照片图，从纵、横截面图上可以看出Coolmax纤维为扁平型的四凹槽截面结构，这种扁平型的四凹槽截面使相邻纤维易于靠拢，形成毛细管效应强的细小芯吸管道多，由2．1．3的测试可知，这种纤维的比表面大，就是这种结构赋予了Coolmax纤维优异的导汗、排汗、快干性能。(a)(b)图2一【Coolmax纤维的纵、横截面形态电镜照片图2．1．2Coolmax纤维的长度、线密度Coolmax现有长丝和短纤维两种类型，本课题研究的是T-709W型的Coolmax短纤。Coolmax纤维的长度是采用切断称重法测定的，测试条件是在20。C，65％RH的环境下，按着国标进行测定的。Coolmax纤维的线密度的测定也是在20"(2，65％RH的条件下，采用中断切取法按着国第二章Coolmax纤维一般结构性能特点标测定的。测试结果见表2—1。表2—1测试结果测试项目测试结果长度(mm)38．4细度(dtex)1．6回潮率(％)0．4干热收缩率(％)2．89沸水收缩率(％)2．35拉伸断裂强力(CN)3．84断裂伸长率(％)55．624．2初始模量(CN／dtex)2．1．3比表面积测量方法与步骤：(1)照片、复印放大；用显微投影仪放大240倍，并将投影放大的纤维截面图摄制在黑白像纸上或用笔描绘下来，本实验采用用笔描绘，再复印放大10倍。(2)测量截面面积与外周；用剪纸称重法或用求积仪测纤维截面面积Ai；用柔性尺测纤维截面周长，或剪取很薄的外周测其长度；或用几何方法计算外周长L。(3)求纤维实际的截面面积、截面外周长、比表面积。(4)求同特数(细度)圆形截面纤维的比表面积。(5)求异形截面的比表面积／同特数圆形截面的比表面积之比。下面具体测试了1．6dtexCoolmax纤维，及同细度圆形、三叶形、五叶形涤纶的比表面积。①1．6dtexCoolmax纤维的比表面积纤维放大2400倍后截面面积和周长的平均值分别为：6．4276cm2，10．8415cm。则纤维实际截面面积和周长分别为：111．59／an2，45．17／an比表面积S．(单位体积纤维的外表面积)塾亘丛旦竖；!墨旦截面面积111．59=4047．8(cm。1)比表面积S：(单位质量纤维的外表面积)第二章Coolmax纤维一般结构性能特点2翥鬻鬈淼=等翊s，以耐憎截面面积．纤维长度．纤维比重'，⋯～⋯””’②1．6dtex圆形截面涤纶纤维的比表面积比表面积S．=壅堕箜旦篓’堑堡墨窒：』堕上截面面积·纤维长度{蒯2·l4=——d蠛面确2意嚣篙淼=嵩=等肚¨2s。厚锄)···比表面确2昙=志．J忐=志J等瑚吧婶卅1，比表面积sz2等。百彖‘J丙三了2z，ss石。∥，g，．‘．1．6dtexCoolnax纤维的比表面积与同特数圆形截面涤纶纤维的比表面积之比为2933．2／2385．6=i．2295③同样方法，可求得1．6dtex五叶形、三叶形涤纶的比表面积及其比表丽积与同特数圆形截面涤纶纤维比表面积之比值。测试结果见表表2-2比表面积异形截面表面积纤维种类截面形状Sl(Clll一1)S2(cmVg)圆形截面表面积1．6dtexCoolmax四凹槽4047．82933．2I22951．6dtex涤纶五叶形38322776．8I．1641．6dtex涤纶三叶形3648．9626441．10841．6dtex涤纶圆形3292．I2385．6l从表2—2中可以看出，Coolmax纤维的比表面积较大，比三叶形、五叶形的比表面积都大。9第二章Coolmax纤维一般结构性能特点2．2Coolmax纤维的一般性能2．2．1Coolmax纤维的拉伸断裂强力、拉伸断裂伸长率、初始模量单纤维强伸度测试采用YG001型单纤维电子强力机，夹距20ram，拉伸速度20mm／min，预加张力0．075CN／dtex，测试根数为50，测试得到平均断裂强力6．16CN，断裂伸长率55．6％，相对断裂强力3．84CN／dtex，初始模量24，2CN／dtex。图2—2是Coolmax纤维的拉伸变形曲线图。图2-2Coolmax纤维的拉伸变形曲线图图2-3，图2—4是Coolmax纤维拉伸断裂强力和断裂伸长率频数分布图。可以看出，Coo]max纤维强力比较集中，大多数都在6、7CN左右，最小强力5．2CN，最大强力7．8CN，断裂伸长率的分布从28．1％～79．2％，呈较为均匀的右偏分布，无特别显著的峰值，最大频数出现在63．5％。第二章Coolmax纤维一股结构性能特点捌嘲酗髟Ⅺ口●图2-3拉伸断裂强度分布频数图2—4断裂伸长率分布2。2。2Coolmax纤维热收缩率单纤维热收缩率测试采用YG365型单纤维热收缩仪，预加张力0．121CN，干热处理条件为180℃，30min(烘箱内)，试验次数为30次，沸水处理条件为100。C，30min(沸水中)，试验次数为30次，测得Coolmax的干热收缩率为2．89％，沸水收缩率为2．35％。从测试结果来看，Coolmax纤维的干热、沸水收缩率较小，遇到湿热处理时，尺寸稳定性好，其物理机械性能也好。2．2．3Coolmax纤维的导湿快千性能图2-5和图2-6来源于德国Hohentein研究所对C001max，尼龙，棉，化学处理布料的测试结果，织物规格见表2-3““。表2—3经纱细度纬纱细度PjxPT克重厚度品种组织(rex)(rex)(根／10cm)(g／cm2)(m)丙纶平纹33．533．3230×219171．60．357尼龙平纹33．533．3231×218169．80．348棉平纹33．533．3231×219i72．50，349化学处理布料平纹33．533．3230x21817170352Coolmax平纹33．533．3230×219172．70．357第二章Coolmax纤维一般结构性能特点铸丑{、镁啦*图2-5Coolmax织物与丙纶、尼龙、棉液态水传递性能比较图2-6Coolmax与其它面料干燥30分钟后的水份减少比率2第．章Coolmax纤维般结构性能特点从图2-5和图2-6中可以看出，C001max织物液态水传递能力和干燥速率比其它面料都好，传递水分多，能将汗水迅速传叠织物外，开快速惩发。图2—6所不，Coo]Ⅲax织物在三十分钟后d．完k-f一透，l匕纯蝴织物快两倍。图2—7为Coolm}lx纤维截向放大图倒27Coolmax纤维截面放大剀从斟2—7中可以看出，C001max纤维只有扁平型的pq凹槽管道结构，就是这种四凹槽管道结构加快了汗液的迁移干丌扩散，当人体出汀时，皮肤表面的汗水由于四凹槽管道的毛细作用，沿着Coolmax纤维表面的pU凹槽管道迁移、流动，传输到织物外表面。毛细现象的产生是由于毛细管中液面弯曲产生一定的附加压力，在这种附加压力的作用下，液体发生迁移流动。这些附加压力由液气界面张力引起。根据拉普拉斯(Laplac9)方程。：望、月p～27cos旦p。——附加压力(Pa)：r——毛细管当量半径l矧2—8+|lB地y=只＆面月弯形球于对上咖一CIlR叉舯第二章Coolmax纤维一般结构性能特点Rt——弯曲面一轴向的曲率半径：Rr——弯曲面另一轴向的曲率半径；Y——液气界面张力(N／m，20"C水为0．0725N／m)。另外Coolmax纤维的比表面积大，比同特数普通圆形截面的表面积大23％，而且Coo]max纤维本身并不吸湿，所以汗水排至织物表面后很快被蒸发掉，织物里外都是干爽的，并且纤维具有特殊的形状结构，纤维间的空隙大，透气性能好，使穿着者感到凉爽、舒适。其实，织物导湿、快干性能是织物舒适性的两个主要方面。衣服不仅要能把人体产生的汗液迅速导引走，传输到织物外表面，而且要能快速蒸发，这样衣服才会始终是干爽的。人才会感到舒适。若衣服只吸收汗水，而不能快速蒸发，终究衣服的吸水量是有限的(例如一件棉内衣，重160克，由状态到饱和回潮率即从回潮率8％到24％，共可吸收汗水25．6克，而人体上身每小时排汗量约为104克，激烈运动时的发汗量约为404克，吸汗量大约是人上身在有感出汗条件下不到15分钟的发汗量或激烈运动时3．8分钟的排汗量)。且沾湿的衣服会粘在身上，穿着者会感到粘涩，闷热，极不舒适，甚至擦伤皮肤，严重影响穿着者的心理状态和运动、训练效果。14第三章织物湿传递基本理论第三章织物湿传递基本理论3．1织物湿传递性能研究回顾早在三十年代，Barr．G等人就已经开始研究透湿杯法。四十年代中期，Pecrce、Rees、Ogolen等人发明了一种浸透性测定装置，利用此装置可以直接求得水分的蒸发量，但耗时，且水分通过多孔圆筒的园周面蒸发量不均匀，五十年代，有许多人注意到吸湿对于热传递的影响，认识到只有当皮肤感到比较凉，又极少出汗时，能量的传递才只有通过温差而引起，也知道了涉及织物舒适性的重要因素就是吸湿性。但对于传湿性的系统研究尚没有。只是到了合成纤维大量应用的六十年代后期，由于合纤织品蒸发汗液困难，闷热不透汽，为此，人们才开始重视吸湿机理的研究，同时也开始重视对传湿的研究。W．B．Palmer在1953年结合理论分析对纱线芯吸进行了研究，首先Palmer在Pepper(1946)等人的基础上导出了在考虑重力作用但仍忽略惯性力存在情况下，纱线芯吸高度与时间的关系。1955年，Welan等在测量了大量的不同组织结构织物的基础上，探讨了织物湿阻与织物厚度的关系及填充率与纤维性能对传湿的影响。伍德科克(Woodcock)在1962年提出了透湿指数来描述服装的透湿性能瞳3；1962年，R．F．Golman将服装的克罗值与透湿指数结合起来，提出了蒸发散热指数，并且根据生理学的知识提出了用热阻值、透湿指数和蒸发散热指数作为服装的热湿舒适性的物理指标，具有一定的影响。后来人们又进行了大量的研究，明确了影响透湿指数的基本因素和规律。继而又有人提出了透汽率、透水指数、湿阻抗值等，日本的铃木淳、大平通泰提出用湿度梯度法测量织物的湿阻抗Rf这一理论；国内在这方面的研究起步较晚，1983年陈秋水、夏正兴提出了一个衡量织物透湿性的指标一透湿指数““；1984年李毅又修改了原来的湿阻指标，重新定义了一个湿阻；由于湿传递的研究尚不够广泛深入，虽然透湿指数有局限性，但迄今为止，其他所有描述湿传递的指标都没第三章织物湿传递基本理论有得到人们的广泛认可。人们对传湿过程的机理已比较清楚，一些有关水在织物中的吸收、传输与蒸发等湿传导方面的理论方程也已建立，但仍有一些规律不很清楚，因为它是一个比传热更复杂的过程，还需对湿传递继续进行研究。八十年代以来，我国在此方面已作了大量的研究，我国西北纺织工学院、中国纺织大学、天津纺织工学院等单位对织物的热湿传递性能进行了广泛深入的研究，1984年西北纺织工学院纺材教研室研制了微气候仪I型，传热传湿能同时测量，提出了用当量热阻来描述服装材料的热湿舒适性，并用舒适分数作为主观感觉指标，给出了这两个量之间的经验公式幢“；1986年王云祥、赵书经等研制了微气候仪，提出了用微气候区的温湿度来表示穿着舒适性；1987年姚穆、施楣梧等研制了织物微气候仪II型；增加了精度较高的供热功率、湿流量测量系统和外界环境模拟系统，提出了一种应用性指标一适用温度和适用湿度，它对不同生理状态下的人体，在不同气候条件下选用合适的服装起定量的指导作用。余风华把服装材料视为多孔体，系统论述了导热、对流、流体扩散、毛细流动、蒸发、凝结等理论；1989年龚文忠博士研制了空隙率测试仪器，织物传热传湿动态传递测试仪器，系统论述了织物结构与其传热传湿性能的关系”“；1991年邱冠雄、张源等采用西德皮肤模型的原理研制了能模拟人体皮肤出汗和体温的皮肤模型和织物液相缓冲测试仪，并研究了针织物的热湿舒适性““；1992年吕志华等研究了织物正反面结构不同时所引起的传热传湿方向性差异；1995年成玲就针织物透湿性能与针织物组织结构参数以及针织物舒适性关系作了探讨。1996年熊杰等在织物液态水传递研究中，利用铺展因子和湿散失率两个模拟量，分析探讨织物结构特征参数和材料特征参数与织物液态水传递性能的关系＆“。国内外许多研究者利用出汗假人进行织物的热湿性能评价，美国、德国、前苏联、日本都研制了出汗假人，我国的中国纺织大学也已研制成功，出汗假人能模拟高温应激时的出汗功能，为研究人体一服装一环境的复杂湿传递积累了大量的基础数据。推动了服装舒适理论的发展；但由于人体出汗机制十分复杂，这些模拟系统只能作有限的研究与应用，且出汗假人的研制费用十分昂贵，在我国推广使用还有很大困难。第三章织物湿传递基本理论3．2织物传湿机理3．2．1显汗与非显汗人体皮肤汗腺的排汗活动是持续进行的，即使人体在安静状态并且处于常温和一般湿度下也会不断蒸发水分，只是人们感觉不到，因此将这种水分蒸发称为无感出汗，又称为非显汗蒸发。非显汗并不是真正的汗液，而是从汗腺孔内进行的水分蒸发。是表皮深层的体液，通过皮肤向空气发散。通常情况下，非显汗数量很少，而且在皮肤表面就已经汽化。如果蒸汽能顺利地透过衣服，人们就感觉不到湿气的存在。但如果衣服严重阻碍湿气的通过，衣服内的湿气将积累到一定的程度而冷凝成水，人体就感觉不舒适。当人体进行剧烈活动或处于炎热的环境中时，人体就会明显的出汗，汗液以液态水形态遍及皮肤表面，甚至流淌，称之为有感出汗或显汗，此时，汗液的蒸发成为人体维持热平衡的主要途径。显汗不仅影响热平衡，而且影响皮肤触觉系统，严重影响服装穿着的舒适性，显然，有感出汗时，更加需要织物具有良好的湿舒适性(传递液态水和气态水性能)，特别是织物对水分吸附和泳移以及毛细管输送作用。3．2．2织物中的水份由于织物结构、纤维结构、纤维性质的原因，通常水在织物中可按三种形式存在：(1)结合水。指的是纤维大分子与水分子通过氢键或范德华力紧密结合的薄薄一层水，结合水的多少与纤维结构、化学组成有关，如含极性基多的比含极性基少的纤维，结合水多：含极性基的比不含极性基的纤维，结合水多：所以天然纤维、以及某些再生纤维，如粘胶，就比合成纤维结合水要多。结合水与纤维问的结合最牢固，即使在100℃或O。C，都不会释放部分水，所以织物中带有结合水时，人体并不感觉到它的存在。(z)中间水。它是吸附在结合水上的水分，是由于与结合水分子之间存在氢键作用而被吸附在结合水之外，而不是与纤维分子的结合，它们也不同于普通的水分子，它们的凝固点和沸点分别要低于0℃和高于100。C。当织物与皮肤接触时，它们会从皮肤吸热而脱离织物。由于中间水要从皮肤吸热才能与结合水脱离，因此若有中第三章织物湿传递基本理论间水的存在，皮肤会有凉感。(3)自由水。它是中间水之外的水，呈自由状态分布在纤维内部、纤维之间或纱线之间的空隙中，仅靠毛细作用而保持的水分，与纤维和水都没有结合，与织物间的作用力最小，所以移动和去除比较容易，它们在热力学上与普通水有相同的相变点。若织物上存在自由水，则织物与皮肤接触后，这些水会迅速分配到皮肤表面而使人感到潮湿。织物吸附的汗液，可以不同形式存在于织物中，所以织物应具有：在皮肤的一侧应能快速吸收汗水；被吸收的水份能迅速传递至另一面，由于汗腺分布的不均匀性，人体出汗具有局部性，对于薄型织物而言，重要的是水份能迅速向四周扩展；快速地使汗水蒸发散逸。尤其是合纤织物，织物中汗水大多以自由水形式存在，这就需要织物具有优异的吸附、泳移、毛细管输送作用、快速蒸发作用。3．2．3织物中水分传递机理水在织物中的传递可以是气态水也可以是液态水，皮肤表面无感出汗时，汗液在汗腺孔附近甚至汗腺内蒸发成水汽，整个皮肤表面上看不到汗液，这时通过服装织物的湿传导的初始状态是水汽，皮肤表面有感出汗时，汗液分布在皮肤表面上，这时通过服装织物的湿传导的初始状态是液态水。它们通过织物的湿传导通道不完全相同。主要有三种类型：第～类是汗液在微气候区中蒸发咸水汽，气态水经织物中纱线间和纤维间的缝隙孔洞扩散运移到外空间。第二类是汗液在微气候区蒸发成水汽后，气态水在织物内表面纤维中孔洞和纤维表面凝结成液态水，经纤维内孔洞和纤维间空隙毛细运输到织物外表面，再重新蒸发成水汽扩散运移到外空间。第三类是汗液通过直接接触以液态水形式进入织物内表面，再通过织物中纱线间、纤维间缝隙孔洞毛细运输到织物外表面，再蒸发成水汽，扩散运移到外空间¨⋯。人体在无感出汗时，以第一类兼第二类为主要方式；人体在有感出汗时以第三类兼第二类为主要方式，此时，织物不仅要吸收水汽，且要吸收流动的汗水，并且能迅速地将其运走。图3一l表示水分从皮肤表面经过织物到达织物表面蒸发过程[4⋯。织物要具有优异的湿舒适性，则应具有很好的湿度调节能力。尤其是用于体育运动或激烈运动、炎热气候条件下穿用的织物。即具有能迅速吸收液态汗水，水份通过毛细管作用迅速转移至织物外表面；具有第三章织物湿传递基本理论姒毛孔申扩敞然解吸附++聊渺吸附上、反风么飚鞠蛸案鲰图3一l水份传递机理图良好的透湿汽性能，并迅速将汗汽扩散、泳移至织物外表面；汗液在织物外表面能快速蒸发散发到外空间中去这三个方面。无论哪一个方面的好坏都直接影响织物的湿传递性能，进而影响织物的湿舒适性。1．吸附和泳移吸附和泳移可理解为水份及水蒸汽分子沿纤维表面的附着和转移(输送)，其便利程度取决于由纤维材料及后整理所确定的纤维表面的亲水性、纤维比表面积的大小。Coolmax纤维的表面积比普通圆形截面的纤维表面积大23％，比三叶形、五叶形的都大得多，且经过亲水处理，因而Coolmax纤维的吸附和泳移作用优异，能大量地从皮肤上运走汗水。其中液相水的吸附，由于水量较大，大部分以自由水形式被吸附，这些自由水一般存在于纤维之间的空隙中。织物吸水速度的快慢决定于润湿性能，芯吸作用的大小。①润湿性能接触与润湿是水份传递的第一步。液体在固体表面的平衡形状取决于固体表面能、液体表面能以及固液界面能之间的平衡关系。达到平衡时总界面能最小。液体对固体的可润湿程度用液一固一气三相交界处，液固所成的润湿角0的大小来表示。润湿角。取决于固体和液体的表面张力。如图3—2所示。其中s表示固相，V表示气相，L表示液相，y。，为S-V界面能，即固体自由表面能(surfaceenerge)，，“为L—V界面能，即液体表面张力，Y。为s—L界面能。10第三章织物湿传递基本理论。＼。，／r。。硅协旺竺／]bV(a)润湿0≤0≤Ⅱ／2o=0。，完全润湿状态(b)不润湿Ⅱ／2≤0≤n0=n，完全不润湿图3-2液体在固体表面的润湿从微观上讲，润湿情况取决于两个因数：一是液体分子的内聚力；二是液一固界面之间的分子粘合力。宏观上它们表现为界面张力。设液体在图中状态达到稳定时，那么，根据Youn旷Dupr6理论有方程式：ysr=，＆+，Lr·cosO成立。此式即为Yonng--Duprk方程，或称为润湿方程，可将上式改写成cos0：堑二堑n”如果固体中有孔隙，那么液体将会进入孔隙内，对固体内表面进行润湿，如果固体内孔隙比液体分子大得多，那么这种润湿将会引起毛细现象，称为毛细润湿n01(capillarywetting)。对于特定的液相物质～水以及特定的气相物质一空气，作为固相的织物，其润湿性能由织物纤维表面张力的大小所决定，织物的表面张力越大，0角就越小，织物润湿性能也越好。另外，织物的润湿性能还受其表面粗糙度的影响，表面粗糙程度越高，其润湿性能越好。织物作为一种纤维集合体，表面上存在毛羽和各种形态的毛细管。被水润湿性能除了取决于纤维组成及纤维表面润湿性质外，也和纤维集合体本身结构、表面状态有关。Coolmax纤维虽是一种聚酯纤维，但纤维表面已经亲水处理，且纤维的比表面积大；Coolmax纤维具有扁平型的四凹槽排汗管道结构，相邻纤维易于靠拢，形成了无数毛细管孔径，且纤维的四凹槽排汗管道结构使纤维表面呈凹凸状态，纤维表面的粗糙程度高，所以Coolmax纤维的毛细润湿性能好。我们做了一些实验，例如：将水滴在Coolmax织物表面，水滴不凝聚成珠，而是迅速散开；将Coolmax纤维伸入水中，水与Coolmax纤维接触处，水面不成下压而是上延，将Coolmax织物从水中取出，织物完全被浸湿，这说明水能润湿Coolmax第三章织物湿传递基本理论织物，且润湿性能好。②毛细现象根据分子物理学，一个固体产生毛细效应要有两个条件：⋯是水份能附着在固体表面，或者说能润湿固体表面。二是固体能构成足够小的毛细管。关于第一个条件由①可知Coolmax纤维是满足的。关于第二个条件就是纤维与纤维之间组成足够小的毛细管。Coolmax纤维的单纤细度为1．6dtex，单纤细度细，而且截面为扁平型的四凹槽管道结构，相邻纤维易于靠拢，形成细小的毛细管非常多，所以关于第二个条件Coolmax纤维也是满足的。所谓毛细管现象指的是在毛细力(附加压力)作用下，流体发生宏观流动的现象。如第二章第二节所述，水分在毛细管内呈内凹的弯月面，这种内凹的弯月面存在附加压力，在这种附加压力的作用下，导至毛细管内液态水自由迁移，根据拉普拉斯(Laplace)方程，附加压力B，B：—2yc—os#。，式中：r一毛细管当量半径；0一固液接触角。由上可知Coolmax的润湿性能好，形成细小的毛细管非常多，毛细效应优异。所以Coolmax织物吸水速度快。2．液态汗水的输送作用液态汗水的输送以自由水的传输为主，通过纤维间、纱线间的孔隙所产生的毛细管作用(芯吸作用)，毛细运输至织物外表面。纱线结构、织物的几何结构、纤维的截面形态、直径大小、表面性能都影响孔洞的形状、大小，影响毛细管效应，从而影响织物对液态汗水的输送作用。而Coolmax纤维扁平型的四凹槽形状结构，其毛细效应强，对液态汗水的输送作用优异，较之可比结构的常规纺织品有更好的穿若舒适感。第三章织物湿传递基本理论①液态水毛细运输的流量当毛细管处于水平位置时，虽然没有外力场的势能差，但由于毛细管弯曲面附加压力的作用能自动引导液体流动，这就是芯吸(wicking)。这时由毛细附加压力促使液体产生粘性流动，按泊稷定律(Poiscuilk’Slaw)，液态水毛细运输的流量q‘(mj／s)为：口’：兰．￡．!：!’!：：兰：!!塑(3．1)18∥L4础式中：L一毛细管长度(m)；u一粘滞系数(Pa．s)；q。一流量(m3／s)；，，一液气界面张力。②液态水毛细运输线速度设v为液流在毛细管内的线速度(m／s)，又盯。：v．石．，2．·．v：乓：—rT．c—osO(3．2)‘胛‘4pz由式(3．1)、式(3．2)可知，在无重力作用下或重力小于毛细力时，比较粗的缝隙和孔洞将有较高的运输速度和较高的流量。如表3—1所示㈨。表3-1各种孔径毛细管液态水的流速与流量r(m)V(m／s)q’(m3／s)10—3O．52l1．64×i01lO叫0．052I64×i09lO一55．2×1031．64×10131065．2×10-4I．64X10一}510—75．2×10啕I．64×10—181085．2×10—6I64×10—21i0-95．2×1011．64X10243．水蒸汽在织物内表面中凝结织物纱线问、纤维间缝隙孔洞所形成的毛细管的内壁面将从湿空气中吸附水分子。由于热力学原因在湿空气中水蒸汽分压达到一定值以上时，将会在毛细管中凝结成液态水。由凯尔文·基塞列夫方程式(Kelvin—Kiseleyevequation)可知m3，在一定的温度T和水蒸汽分第三章织物湿传递基本理论压P条件下，毛细管半径r<“，时，可发生凝结。圆管形毛细管的临界半径(凯尔文)o为：一一一2yLV‰cosOIkr。RTln当毛细管为平行平板时，其临界半径丘，为：，一二匕!鱼!竺旦”RTIn善式中：vv『一气体的摩尔体积，在一个人气压时为22．413837×10。Ill3／mol：R一气体常数(8．3144J／k·m01)；P。—温度T时的饱和蒸汽分压(Pa)：P_实际蒸汽分压(Pa)。可见对于水汽的凝结而言，圆管形毛细孔比缝隙易于凝结。4．水蒸汽扩散理论汗汽扩散按热力学第二定律由浓度高的区域向浓度低的区域以布朗运动扩散。根据菲克第一扩散定律(Fickiszdiffusionlaw)：dO。们dA·dtdr式中：dQ一运输水蒸汽的质量(kg)；dA一运输的截面积(m2)；dt一运输的时间(s)；时散系数(diffusioncoefficiant)；警一水蒸汽浓度梯度(kg／m4)。水分子在织物中运输的难易程度决定于织物的缝隙孔洞尺寸及扩散通道的长度，即主要取决于纱线和织物的几何结构。水蒸汽的扩散速度可由液态水蒸发量来测定H⋯。5．水在织物表面的蒸发在环境温、湿度固定的条件下，应该与蒸发的表面积和本身的亲、疏水性有关，Coolmax纤维比表面积大，因而蒸发也快。第四章产品设计思路及实验设计第四章产品设计思路及实验设计产品设计的目的是充分发挥纤维本身的优点而避其不足，Coolmax纤维的特点是纤维具有四凹槽排汗管道结构，人体出汗时，由于四凹槽排汗管道的毛细作用，能将汗水迅速排至织物外表面，且纤维的比表瑶积大，并能快速蒸发。如何充分发挥Coolmax纤维良好的芯吸效应提高Coolmax织物的舒适性，这关系到织物组织结构、纱线结构的设计问题。资料表明织物内纤维种类和结构是影响传湿的内在因素。当然外部条件如织物两侧的空气条件，主要包括温度(T)、湿度(RH％)以及气流(A·R)也有重要影响。4．1织物结构特征分析从服装使用过程中织物传湿的特点来看，可以将织物视为一种由纤维材料组成的多孔材料，织物的传湿可归结于纤维与纤维材料之间的孔隙对湿的传递。很多研究人员在研究织物的导湿性能时，都同织物的孔隙率或透气性联系起来分析。对于织物结构，四十多年来许多研究者提出了众多的描述方法和指标，由于织物内纤维的几何结构特征、纱线结构以及织物组织的不同，织物的结构可以说是千差万别，我们研究织物的几何结构的目的是要研究织物的传湿性能，因此可阻将织物按空间分成两个部分，一部分为纤维占有，一部分为空气介质占有，其中空气介质占有的空间又可分为纱内缝隙孔洞空间和纱间缝隙孔洞空间。织物中纱间缝隙孔洞由于织物的组织不同差别很大，它们的横向尺寸一般在20—1000微米，其纵向垂直于织物的表面，孔洞的截面形状基本上有一定的规律性，并受到纱线表面毛羽的影响，纱间缝隙孔洞一般是贯通性的，可较顺利地进行湿传导，但若是挤紧织物，这些孔洞是非贯通性的，导湿困难。一般织物的厚度尺寸较小，尤其是夏服织物，因此可以认为纱问的缝隙孔洞尽管相互连通，纱间孔洞的当量长度不会很长，基本与织物厚度尺寸相当。纱线中纤维间孔洞是由纤维抱合形成的，这类孔隙形状也是很复杂的，其孔隙的大小及形状取决于纤维的截面大小和形状、成纱的加捻方式及加第四章产品设计思路及实验设计捻数量。根据液体渗流力学的知识可知，孔隙截面形状及其沿孔道的变化以及孔道长度是影响孔隙中分子运动的主要因素。根据多孔材料的理论，多孔材料按材料内孔隙的尺寸大小可将多孔材料的孔隙分成三大类，在最小的孔隙中，固体材料的分子和流体分子之间的作用力很显著，这些最小的孔隙空间称之为分子间隙。在最大的孔隙中，流体运动只是部分地决定于孔壁，这些最大的空间称作洞穴。大小介于分子间隙和洞穴之间的那些空间才称之为孔隙，显然在织物内这三种孔隙分别存在于纤维表面、纱间空间及纱内空间。多孔材料的另一种分类是把材料内的孔隙分成有序和随机两部分，由于织物结构的有序性，在织物中无论是纱内孔隙还是纱间孔隙都可以认为是有序的和各向异性的，织物中纱线问的孔洞，基本上是沿织物平面的法线取向的；纱线中纤维间的孔洞，基本上是沿纱线轴心的空间曲线取向的，当然还有纤维中的孔洞，且大部分是沿纤维轴线取向，但因当量直径很小，有效截面积极小，故在整个湿传导过程中所占影响很小，本文没有考虑。由此织物的孔隙结构可以认为是三种孔隙同时并存的有序结构。多孔材料结构的宏观指标有几个方面，但从导湿的角度来看，众多的研究人员都认为织物内缝隙孔洞空间的体积占多孔材料总体积的比例，亦即织物的孔隙率是最主要的因素，具体的还可以按缝隙孔洞在流体力学中表现的当量直径、当量长度、单位面积的孔洞数来表示。织物作为多孔材料，其结构有两个层次，一是纱线的结构，一是织物中纱线交织形成的结构，因而织物内总的孔隙空间是由这两个结构层次中的孔隙空间组成的。纱线中纤维间孔洞的孔隙率￡。为”““：兰d(4．1)勺。彳性’¨织物中纱线间孑L洞的孔隙率占。为‰：尘兰(4．2)％2丁。4。驯织物中总孔隙率s，为占，=二≠D，：1一生：l一生+1--生一fl一生一生一生16f6r6v＼~6v6f6f1第四章产品设计思路及实验设计=s矿一s印一1-鲁]-1-￡]-。．占F=占盯+s毋．一sⅣ‘·0，(4．3)式中：6，一纤维的密度；6，一纱线的密度；6，一织物的密度(织物外轮廓的体积单位体积的质量)。由此可知，织物内的孔隙是由两部分组成，亦即纱线内的孔隙和纱间的孔隙，织物的孔隙率并非两个结构层次孔隙率的加和，总孔隙率与纱间和纱内孔隙率的关系由式(4．3)给出，并且纱间和纱内的孔隙率对织物的总孔隙率有相同程度的影响，因此从织造过程方面来讲，要改变织物的孔隙率可以通过改变纺纱工艺或织造工艺之一来达到。对于梭织物，设经纬纱的平均直径分别为d．(cm)、d．(cm)，经、纬纱的孔隙率平均值为e，，，则在IOXlOcm2面积的织物中有：IOOXe×ho=kⅣ+‰式中：h。一织物的厚度(cm)；e一织物的总孔隙率；‰一织物(100cm2)内纱内总孔隙(cmz)，％i一织物(100cm2)内纱间的总孔隙(cm3)，而％=(；石·d／xlOx。+l斗石．dJxlOxPw)唧圪n=lOOhoE“．·．s‰=磊”弓州。2‘R)嘞+‰，(州)由占=勺+s印一。亡’yf。6_y有％=警将上式代入式(4．4)并整理得：删一志(1--8yj．)’”o+“2’只)由此可知，织物的孔隙率主要由纱线的直径和紧密程度以及织物的厚度和紧密程度来决定拉“。(1)织物中孔洞在液态水传输时的指标““①织物中孔洞的当量直径(水力直径)按照流体力学流体在管道中流动时阻力损力的基本概念，孔洞的当第四章产品设计思路及实验设计量直径_D．，按原始定义应为截面面积与润周之比D。=竺S式中：a一管道的截面面积；s一管道的润周(孔隙四周边界长)。也就是织物内所有孔隙的总体积除以织物内所有纤维的总表面积，所以，D。为织物内孔隙率与体积比表面积之比D。=之，事实上，以这样也可推导出D．=三，以^，设当孔洞长度为L时，皿=等J·L若此织物占有的总体积为V时，则De=竺专等很明显，a．上／V是织物孔洞体积占织物总体积的比例，即孔隙率s；而5．L／V是织物内所有纤维的总表面积与织物总体积之比即比表面积A，所以有D．：三。这是一个和孔隙形状、孔隙大小(截面积)有关的’』毛细管特征参数，就实际纤维集合体而言，它与纤维集合体中孑L隙率、孔隙率分布、纤维截面形状、纤维整齐度以及纤维细度有关。织物中孔洞的当量直径也分为纱线内纤维间孔洞的当量直径和织物中纱线间孔洞当量直径。纱线内纤维间孔洞的当量直径D吖：和织物中纱线间孔洞的当量直径D。式中：4∥一纱线内孔洞的内表面积与纱线的总体积之比4n一纱线间孔洞内表面积与织物的总体积之比。②织物中孔洞的当量长度1o纱线中纤维间孔洞的当量长度t。在织物中如图4．1所示。。L|+d。+L_+d|锄2————i——一‘式中：k，L。一机织物经、纬纱线交织中的屈曲长度(见图4-1)。液态水传输时基本通道将按阻力最小图4-1笠句生如=|I助腑第四章产品设计思路及实验设计通道长度前进，如图4—1。20织物中纱线间孔洞的当量长度￡。无论水汽或液态水流过织物中纱线间孔洞时，基本上都是垂直贯通的，其当量长度t。=h。③织物中孔洞的数量1o纱线中纤维间孔洞数量对于织物平面的单位面积内，沿纱线中纤维间孔洞运输液态水的孔洞个数Ⅳ。可以考虑织物一个单元组织为基础。梭织物一个单元组织的基本面积是一个组织点，其面积(织物的名义面积)为：100100P。p。只，只一梭织物中经、纬纱的交织密度(根／lOcm)。其中沿纱线内纤维间孔洞运输液态水有一根经纱及一根纬纱。若纱线平均线密度为．Ⅳ。，纤维平均线密度为Ⅳ，，则每根纱线截面内孔洞数为|v，。／Ⅳ，，故总孔洞数为：Ⅳ，：堡：堡旦．生“”臀·I～00104Nr：堡导．等(1一白)10d4，2、月，20织物中纱线间孑L洞数Ⅳ。，从概念可以知道^r—Pj‘Pw“眵一可。4．2织物结构与毛细效应从上节的分析可知，影响织物对液态水的的传递、毛细运输的织物结构参数常用的主要有织物的孔隙率和织物的厚度这两个结构因子，具体表现为孔洞的当量直径、当量长度、单位面积孔洞数。织物孔隙率由纱线问孔隙率和纱线内孔隙率两部分组成。织物经纬密度大小、织物组织的不同、纱支的粗细都影响着纱间孔隙率的大小、第四章产品设计思路及实验设计孔隙的大4,；Fu形状，Eh(3．1)、(3．2)式可知，大孔径毛细管有较大流动速度和流量。织物越紧密，有效孔隙率越低，纱间孔隙的孔径就变小，织物毛细运输速度和流量减小，织物较薄时，由(3．1)、(3．2)式可知，织物毛细运输液态水量大，线速度大，织物越厚，液态水经过的通道长度长，传输液态水的量和线速度就小，所以从导湿的角度考虑，湿舒适性好的织物的紧密度要适当偏小，厚度偏薄，织物的孔隙率适当偏大，这样的设计有利于液态水的毛细运输。同样，织物的组织不同也影响孔隙的大小和形状、数量，纱线的粗细也