吸濕發熱織帶設計與開發

蔣依志，陳 瑜，滕 婷，樊 平，羊 燚，沈 華

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.浙江澳亞織造股份有限公司，浙江 金華 322100)

0 引言

生產技術的變化帶來了發熱材料的發展。根據發熱方式的不同，發熱材料可分為吸濕發熱、化學發熱、電發熱、光能發熱和相變發熱5種[1]。吸濕發熱材料通過吸收人體所散發的汗氣以及空氣中的水分，將氣態水轉化為液態水并放出一定的熱量[2]，實現自主放熱。這類材料一般具有較高的回潮率，代表性纖維有易熱寶纖維[3]、Softwarm纖維[4]、EKS纖維[5]和N38纖維[6]等?；瘜W發熱材料通過在紡絲加工過程中摻雜某些化學物質[7]，這類物質會在使用過程中發生化學反應，放出熱量達到發熱的效果。有研究者將鐵粉等混入聚合物中進行紡絲，利用鐵粉不斷氧化放熱的性能開發出了一種化學放熱纖維[8]。電發熱材料通過加入碳纖維等導電介質來實現通電發熱的效果[9]。光能發熱材料通過吸收太陽輻射中的可見光和紅外線，將光能轉化為熱能[10]，達到發熱保暖的目的。相變發熱材料具有相變特性，會隨著外界溫度的變化而發生可逆固液態相轉化[11]，從液態到固態會放出熱量，從固態到液態會吸收熱量，因此能夠雙向調節溫度，使得人體與衣服間的溫度達到動態平衡。

織帶是指以各種紗線為原料所制成的狹幅狀織物或管狀織物，作為一種服裝用和產業用輔料，廣泛用于服裝服飾、鞋材、箱包等領域。而近些年來功能性織帶成為了織帶行業發展的熱點方向。樊平等[12]利用錦綸長絲和阻燃紗線開發出一種耐高溫織帶，該種織帶遇明火不熔融也不延燃，具有良好的阻燃性能。余春林等[13]利用含有鋅鎵氮氧化物/氧化鋅納米粒子的涂層對織帶進行處理，開發出一種防紅外線用迷彩織帶，防紅外線效果顯著。此外，目前市場上還有防霉抗菌織帶、防蚊織帶、三防(防水、防油、防污)織帶、香味織帶和遠紅外織帶等。

吸濕發熱織帶具有廣泛的應用場景，可以織造成護腕、護肘和護膝等運動器具，同時也可以增加幅寬，設計成發熱腹帶等保暖產品，而目前關于吸濕發熱織帶的研究比較少見。在此背景下，本文選擇一種吸濕發熱紗線分別使用三種不同的組織結構織造成機織雙層織帶。通過對織帶保暖性能的測試與分析，探究不同組織結構和紗線配置對于織帶吸濕發熱性能以及熱濕舒適性的影響，為吸濕發熱織帶的開發提供參考。

1 織帶原料和織造

1.1 紗線原料

本文選擇的紗線混紡成分及比例為80%粘膠纖維/20%易熱寶纖維，規格為40s。其中易熱寶纖維為改性腈綸，利用接枝共聚技術在纖維大分子鏈上引入大量-COOH、-OH、-CONH等極性親水基團[14]。因此，其回潮率高，吸濕能力強，發熱效果優異。

1.2 紗線并捻

機織織帶上機織造對于紗線的強力有一定的要求，經過試織后發現吸濕發熱紗線單紗強度不能滿足上機要求，為了后續織造順利進行，使用HR600型并捻一體機將紗線并捻成雙股線以增加紗線的強力，從而提高可紡性。并線機參數設置為:卷繞速度:200m/min，張力片重量:3g，并合根數:2根；倍捻機參數設置為:捻向:S捻，卷繞速度:40m/min，捻度:200捻/m。

1.3 織帶織造原料

表1 織帶織造原料

1.4 織帶設計

本文所設計的織帶為機織雙層組織，設計寬度為7cm，正反面均選擇如下三種組織結構:三上一下的斜紋、四上二下的斜紋和六上二下的斜紋，飛數都為2。上機紋板圖如圖1所示，自下而上每一橫行表示對應的每一頁綜框，前兩頁綜框穿彈性紗，其余綜框穿吸濕發熱紗線。穿綜采用順穿法，每6根吸濕發熱紗線之間穿入一根彈性紗來保證織帶具有一定的彈性，穿入吸濕發熱經紗312根，彈性紗55根，共計經紗367根。

圖1 上機紋板圖

為了測試和分析不同組織結構和不同紗線配置對于織帶發熱保暖性能的影響，設計了6種織帶，見表2:

表2 織帶基本參數

2 紗線及織帶性能測試

2.1 纖維及紗線形態結構測試

使用DXS-10ACKT掃描電子顯微鏡分別對纖維和紗線進行縱向形態結構觀察。制樣時用導電膠將各根纖維和紗線逐根平行固定在樣品臺上，之后將樣品臺放入離子濺射儀中進行噴金處理，以提高樣品成像的分辨率和清晰度；觀察時先在低倍數的情況下找到目標位置，再慢慢放大倍數，微調亮度、對比度等參數，最終得到高質量的樣品圖像。

2.2 紗線紅外光譜測試

使用Spectrum Two傅里葉變換紅外光譜儀對紗線進行測試，得到紗線的紅外光譜圖。設定掃描范圍為4000cm-1～400cm-1，實驗時先進行空白背景掃描，完成后將紗線緊密平鋪在測試區域進行測試，得到初始光譜圖，再通過對其進行基線校準、平滑處理和標記峰值等步驟得到最終的紅外光譜圖。

2.3 織帶透氣性測試

參照GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》試驗方法，使用YG461E全自動透氣性測試儀對織帶進行透氣性測試，設置通氣孔面積為20cm2，壓差為100Pa，每種織帶選取不同的位置測試10次，結果取平均值。

2.4 織帶透濕性測試

參照GB/T 12704.1-2009《紡織品織物透濕性試驗方法》，使用FX3180透濕率分析儀對織帶進行透濕性測試，設置透濕儀的溫度為38℃，相對濕度為90%，每種織帶選取三個不同的部位進行測試，結果取平均值。

2.5 織帶熱阻測試

參照GB/T 11048-2008《紡織品 生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》試驗方法，使用KES-F7熱學性能測試儀對織帶進行熱阻測試，設置儀器冷卻底座溫度為20℃，熱板溫度為33℃，記錄最終實際溫差ΔT和平均功率W，按照式(1)計算每種織帶的熱阻，每種織帶選取不同位置測試3次，結果取平均值。

式中，R為織帶的熱阻(m2·℃·w-1)；A為熱板面積(0.0025m2)；ΔT為冷卻底座與熱板的實際溫差(℃)，W為平均功率(w)。

2.6 織帶吸濕發熱性能測試

參照GB/T 29866-2013《紡織品 吸濕發熱性能試驗方法》，對織帶進行吸濕發熱測試。將規定組合試樣置于105℃烘箱中烘燥至恒重，之后將試樣放入密封袋中，在20℃恒溫恒濕實驗室中冷卻30min。冷卻結束后，將組合試樣從密封袋中拿出，插入JK808多路溫度傳感器，并快速轉移至溫度(20±0.5)℃、濕度(90±4)%的環境中測量40min內織帶溫度的變化情況，每10s記錄一個數據，最后繪制織帶升溫曲線圖，并計算30min內最大升溫值和平均升溫值。

3 結果與分析

3.1 紗線形態結構觀察

吸濕發熱纖維(改性腈綸)的縱向表面掃描電鏡圖如圖2所示。由圖2可知，纖維表面結構粗糙，沿軸向分布長短不一、深淺不勻的豎紋狀溝槽，這種特殊結構增大了纖維的比表面積，提升了纖維表面吸附能力，為水分子的附著提供了更多結合位點，水分子就越容易緊貼在纖維表面。同時溝槽也能夠增強纖維的芯吸效應，提高纖維對水分的吸附和快速轉移能力，使得纖維吸濕性增強，這些都有利于纖維吸濕發熱性能的發揮。

圖2 纖維縱向形態(×3.0K)

吸濕發熱紗線的縱向表面掃描電鏡圖如圖3所示。由圖3可知，紗線由若干根纖維集聚而成，微觀來看總體比較規整，條干上有小部分纖維出現抽拔和外翹的現象，形成了少量毛羽。

圖3 紗線縱向形態(×0.1K)

3.2 紗線紅外光譜圖分析

紗線紅外光譜測試結果如下頁圖4所示。由圖4可知，紗線在3310cm-1處的吸收峰較寬，這是由O-H、N-H收縮振動引起的，表明紗線中存在-OH和-NH；在2912cm-1的吸收峰是由C-H伸縮振動產生的，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處的吸收峰是由-COOH伸縮振動引起的，表明存在羧基；在1019cm-1處的振動是由C-N伸縮振動產生的。分析表明，紗線中存在氨基、羧基、羥基等多種極性親水基團，能與水分子直接結合形成氫鍵，吸附水分子的能力較強，這是其回潮率(17.34%)較高的主要原因。

圖4 紗線紅外光譜圖

3.3 織帶透氣性

圖5 是不同組織對織帶透氣性能的影響。由圖5可知，織帶A1和A4織帶的透氣性能相對較差，分別為9.58 mm/s和27.31 mm/s；織帶A3和A6透氣性能最好，分別為78.76 mm/s和87.93 mm/s，這是因為織帶A1和A4的組織為三上一下斜紋，其經緯紗之間交織更加頻繁，經緯密更大且交織點更多，使得織帶最為緊密，紗線間孔隙率降低，蓬松性較差，導致氣流不易通過，因此透氣性相對較差。

圖5 不同組織對織帶透氣性能的影響

圖6 是不同緯紗對織帶透氣性能的影響。由圖6可知，當緯紗為3＃紗(300D滌綸)時織帶透氣性能略微好于緯紗為2＃紗(吸濕發熱紗線)時的透氣性能。這是因為在織造時加捻的緯紗使得織帶的修邊效果較差，因此為了保證成型質量，本次試驗選擇了未加捻的吸濕發熱單紗作為緯紗，其細度為40s(≈133D)，比300D滌綸更細，因此織造時其緯紗接觸更加緊密，抱合力增大，紗線間隙相對較小，織帶兩層之間貼合度增大，在相同壓差的情況下氣流通過會受到更大的阻礙，因此其透氣性更差。

圖6 不同緯紗對織帶透氣性能的影響

3.4 織帶透濕性

下頁圖7是不同組織對織帶透濕性能的影響。由圖7可知，織帶A1和A2的透濕率相差不大，均好于A3；織帶A4的透濕率為3684 g/(m2·d)，優于A5和A6?？棊3和A6的透濕性能最差，這是因為它們使用的組織為六上二下斜紋，其浮線較長，不如三上一下斜紋織帶表面平整，因此較厚較大，雖然透氣性優于三上一下斜紋織帶，但厚度增加的同時使得水汽通過織帶的通道變長，纖維與水分子的接觸點變多，使得對水分子傳遞的阻礙作用就越強，水汽的通過能力變弱，因此六上二下斜紋織帶的透濕性能最差，三上一下斜紋織帶最好。而A2織帶透濕率略優于A1織帶的原因可能是因為二者的厚度較為接近，而A2織帶的交織點個數少于A1織帶，對于水分子通過的阻礙作用相對較低，因此出現了二者透濕率比較接近的情況。

圖7 不同組織對織帶透濕性能的影響

下頁圖8是不同緯紗對織帶透濕性能的影響。由圖8可知，當緯紗為2＃紗(吸濕發熱紗線)時織帶的透濕性好于緯紗為3＃紗(滌綸)，這是因為吸濕發熱紗線的回潮率遠高于滌綸，纖維中存在的大量極性親水基團對水分子的親和能力較強，并且其表面的粗糙不規則溝槽結構增強了纖維的芯吸效應，有利于水分子的吸附與擴散，在單位時間能傳導更多的水分子，因此2＃緯紗織帶的透濕性要優于3＃緯紗織帶。

圖8 不同緯紗對織帶透濕性能的影響

3.5 織帶熱阻

圖9 是不同組織對織帶熱阻的影響。由圖9可知，六上二下斜紋織帶的熱阻最大，是三上一下斜紋織帶熱阻的1.9倍左右，這是因為六上二下斜紋組織浮線較長，在織帶表面微微凸起形成類似起絨效果，增大了織帶厚度的同時也改善了織帶的蓬松性，在織帶表面能夠儲存較多的靜止空氣，通過織帶向外部散失的熱量較少，因此熱阻最大，保暖性最好。而三上一下斜紋浮線較短，織帶表面較為平整，含有的靜止空氣少，并且厚度較小，對熱量傳導的阻礙作用最弱，因此熱阻最小，保暖性較差。

圖9 不同組織對織帶熱阻的影響

圖10是不同緯紗對于織帶熱阻的影響。由圖10可知，兩種不同緯紗織帶的熱阻比較接近，這是因為本文織造的織帶為經密較大的彈性織帶，且為雙層組織，緯紗被上下兩層斜紋組織緊密地包覆住，因此相比組織來說，緯紗對于織帶熱阻的影響程度較小，并非主要決定性影響因素，所以二者熱阻大小比較接近，并無明顯影響規律。

圖10 不同緯紗對織帶熱阻的影響

3.6 織帶吸濕發熱性能

表3 織帶30分鐘內最大升溫值和平均升溫值

從圖11可以看出，開發的織帶具有良好的吸濕發熱效果。當織帶的緯紗相同時，組織采用六上二下斜紋的織帶發熱效果最好，最高升溫值和平均升溫值均比三上一下斜紋織帶高出2℃左右，這是因為六上二下斜紋織帶單位面積的紗線含量最高，織帶測試樣在單位時間內吸濕量相對較大，吸濕發熱所產生的熱量最多，發熱性能最為優異。同時六上二下斜紋織帶的厚度最厚，含有的靜止空氣多，熱阻大，能有效降低內外層的熱交換，對熱量逸散的阻礙作用最強，30分鐘內平均升溫值最高，保暖性最強。

圖11 織帶發熱升溫曲線

當織帶組織相同時，相比于300D滌綸，緯紗為吸濕發熱紗的織帶吸濕發熱效果更好，這是因為吸濕發熱紗線在織帶中整體含量明顯增加，而發熱紗線的回潮率優于滌綸，在相同時間內能吸收更多的水分，產生更多的熱量，發熱效果更好。

4 結論

本文以設計開發具有吸濕發熱效果的彈性織帶為目的，探討了不同組織結構和紗線配置對于織帶吸濕發熱效果和熱濕舒適性的影響，為相關產品的設計開發提供了一定的參考依據。通過實驗可知，本次實驗選擇的紗線中含有大量的極性親水基團，因此其吸濕性能較好，組織選用六上二下斜紋、緯紗選用吸濕發熱紗線的織帶發熱效果最好，最高升溫值為13.8℃，平均升溫值為9.1℃。此外，不同的紗線配置和組織結構對于織帶的透氣、透濕和熱阻都有不同程度的影響，說明在設計吸濕發熱織帶時要結合產品用途和具體需求綜合地去考慮紗線配置和組織結構設計，最大可能發揮出它們的特點和優勢。