相變調溫紗線及其針織物升降溫試驗研究

王凌宇 李艷梅

（上海工程技術大學紡織服裝學院，上海 201620）

1 引言

隨著經濟社會的發展和人民生活水平的不斷提高，人們對服裝的舒適性提出了更高的要求[1]。當前，主動調溫型服裝已經成為紡織服裝領域研究的熱點，傳統服裝面料使用的是單向熱調節材料，不具有雙向調節的能力，采用的是被動防護，這就使人體不能很好地適應冷熱環境變化。

相變材料是一種新型智能材料，這種材料可以通過潛熱能的形式吸收存儲和釋放熱量，在環境溫度變化的過程中進行固態與液態的相互轉化，從而實現對外界溫度變化的緩沖，使溫度保持在一個舒適的范圍內[2]。相變調溫纖維與其他纖維混紡交織能夠制備出調溫紡織品，目前已經廣泛應用于內衣、外套、鞋襪、床上用品等[1]。許多研究者也利用相變材料開發出了高科技功能紡織品，支超[3]等開發出調溫纖維/羊毛混紡紗和棉/調溫纖維混紡嗶嘰面料；王琳等[4]利用Outlast 腈綸型空調纖維與滌綸、腈綸、棉纖維混紡交織設計開發了一系列單面和雙面保暖針織面料，并采用溫度變化法評價面料的調溫性能，結果顯示，加入空調纖維的面料保暖性較好。陳紹芳等[5]使用調溫紗線在全電腦織襪機上編織出網眼船襪和毛圈中筒襪，測試結果顯示調溫襪保暖性和調溫性能良好。北京雪蓮羊絨股份有限公司[6]利用雙線道復合織造方式開發出桑蠶絲調溫服裝。BARTKOWIAK G 等[7]用調溫紗線制作了3 種含有微膠囊或PCM大顆粒的針織內衣，對這3 種內衣進行了舒適性測試，與傳統棉針織內衣相比，這3 種針織內衣均能使人體表面皮膚溫度降低2～4 ℃，并保持衣內舒適微氣候約50 min。

上述研究主要集中于開發織物，而對針織物結構與性能的研究較少。本文以棉紗/相變調溫粘膠為原料，設計開發了不同比例、不同組織結構、不同密度的棉紗/相變調溫粘膠交織針織物，研究了相變紗線含量、組織結構與密度對織物調溫性能的影響。

2 試驗部分

2.1 主要材料與儀器

材料，相變粘膠紗線，由北京宇田相變儲能科技有限公司提供，細度為10S，DSC 熱分析圖如圖1所示，由圖可知，相變纖維在10～17℃有向上的放熱峰，在25～34℃有向下的吸熱峰，說明相變纖維具有較好的溫度調節能力。為了使添加不同比例的相變紗編織的織物厚度一致，選取的棉紗細度與相變粘膠紗相同。

圖1 相變纖維DSC 熱分析圖

儀器SK280 編織機，MPLK-701 溫度控制儀，VC6801 熱電偶溫度儀。

2.2 棉紗/相變調溫粘膠織物的制備

（1）組織結構的選擇

緯平針組織：緯平針組織是緯編織物編織過程中最簡單且最常用的單面組織。緯平針組織織物具有結構簡單，手感柔軟，正面較反面整潔光滑，縱橫向延伸性好，透氣好等特點。

羅紋組織：羅紋組織是編織雙面組織時最常用的基本組織，組織結構是前后針床1 隔1 出針編織，前后針為一個基本單元，如此往復循環編織得到整個織物。羅紋組織最大的特點是彈性和延伸性較好，通常用來制作內衣、襪子和服裝下擺等對彈性要求較高的部位。

添紗組織：由添紗組織編織成型的織物，正反兩面所形成的線圈分別由面紗和地紗組成，當使用不同顏色和性質的紗線分別作面紗和地紗時，可以改變織物的外觀和服用性能。在試驗中，以相變調溫紗線作地紗，可以使調溫紗與皮膚較充分地接觸，最大程度發揮調溫性能。

（2）織物的制備

以棉紗和相變調溫粘膠紗線為原料，在SK280 編織機上制備調溫針織物，共制作兩組樣品，分別用于單因素試驗和正交試驗研究。單因素試驗組制備5 種不同比例的針織物，編織時，采用4 股紗線，通過加入不同數量的調溫紗線調節比例，5 塊織物所添加的相變紗比例分別為0、25%、50%、75%、100%，組織結構為緯平針組織，織機密度設定為3，具體規格見表1。

表1 織物規格表

正交試驗組按照L16（45）制備16 塊針織樣品，組織結構選用添紗組織、單羅紋、雙羅紋和四平針組織，相變粘膠紗所占含量分別為0、25%、50%、75%，4 種含量，由于相變材料成本較高且全部使用相變粘膠紗線進行編織會影響織物的透氣性與舒適度，因此試驗中未選取100%相變粘膠編織的織物進行研究，織機密度選用1++、2+、3、3++四種密度，因素水平表見表2。

表2 織物升降溫試驗因素水平表

2.3 升降溫試驗測試

（1）測試方法

試驗測試在溫度為24℃，濕度為50%的恒溫恒濕氣候倉內進行，試驗前將試樣裁剪成合適大小，放在大氣條件下靜置24h。打開溫度控制儀，調至50℃，待平板溫度穩定后，將試樣放置在熱平板上，用VC6801 型熱電偶測溫儀測量織物表面的溫度，每隔10s 記錄1 次，共計25 次。升溫試驗測試完成后，將試樣從熱平板儀上取下，用測溫儀測試織物表面的溫度，每隔10s 記錄1 次，共計25 次。

（2）評價指標

用織物的升降溫速率來評價織物的調溫性能，根據得到的數據，計算試樣的升溫速率Vt=（32-T0）/T，降溫速率Vt=（T0-24.5）/T，速率越低說明織物表面的溫度變化越慢，調溫性能越好。

3 結果與討論

3.1 不同比例織物升降溫試驗結果分析

針織物升降溫速率試驗結果見表3。

表3 針織物升降溫試驗結果

不同比例的棉紗/相變粘膠紗交織針織物的升溫曲線見圖2。由圖可知，相同的組織結構，相變紗添加比例越大的織物，升溫速率越慢，當棉紗/相變粘膠紗交織針織物表面的溫度變化到相變點附近時，相變材料開始發生相變，由固體轉化成液體，吸收熱量，此時曲線的變化程度趨于平緩。以織物wpz-50 為例，初始溫度為24℃，當外界環境溫度不斷升高時，織物表面的溫度隨之升高，當溫度達到34 ℃時，棉紗/相變粘膠紗交織針織物與純棉針織物的溫差最大，差值為2.9℃。在這個過程中，不同相變紗添加比例的織物升溫曲線有所差異，原因是相變纖維中的微膠囊隨著外界環境溫度的升高而不斷吸熱，相變材料由固態變成液態，降低了織物的升溫速率[9]。

圖2 針織物升溫曲線圖

不同比例的棉紗/相變粘膠紗交織針織物的降溫曲線見圖3。由圖可知，相變紗添加比例越大的織物，降溫速率越慢，降溫曲線圖越平緩，當棉紗/相變粘膠紗交織針織物表面的溫度降到27℃左右時，相變材料開始發生相變，由液體轉化成固體，釋放熱量，此時曲線的變化程度趨于平緩。以織物wpz-50 為例，初始溫度為33.5℃，當外界環境溫度不斷降低時，織物表面的溫度隨之降低，當溫度降至25℃時，相變材料全部由液體變成固體，調溫過程結束，此時棉紗/相變粘膠紗交織針織物與純棉針織物的溫差最大，差值為2℃。

圖3 針織物降溫曲線圖

3.2 正交試驗結果分析

棉紗/相變粘膠紗交織針織物升溫正交試驗及結果分析如表4 所示。通過對織物升溫速率的極差分析得出：影響織物升溫速率的因素從主到次依次為交織比例（A）、組織結構（B）、織機密度（C），得到的最優搭配為A4B1C2，即相變紗與棉紗的交織比為75: 25，組織結構為添紗組織，織機密度為2+。

表4 升溫正交試驗及結果分析

棉紗/相變粘膠紗交織針織物降溫正交試驗及結果分析如表5 所示。通過對織物降溫速率的極差分析得出：影響織物降溫速率的因素從主到次依次為交織比例（A）、組織結構（B）、織機密度（C），得到的最優搭配為A4B1C2，即相變紗與棉紗的交織比為75: 25，組織結構為添紗組織，織機密度為2+?？梢园l現，降溫和升溫試驗結果都顯示最優搭配為A4B1C2。

表5 降溫正交試驗及結果分析

4 結語

相變材料作為新型功能材料，已廣泛應用于紡織品領域，用于改善紡織品的舒適性。本文首先通過對不同比例的調溫針織物的溫度變化趨勢進行分析，再安排正交試驗，最終確定出了棉紗/相變粘膠紗交織針織物的最優搭配方案，最終得到以下結論：

（1）在升溫過程中，在織物組織結構相同的條件下，相變紗添加的比例越大，升溫速率越慢，棉紗/相變粘膠紗交織針織物在相變點附近時，曲線的變化程度較純棉織物曲線緩和，說明相變材料對溫度的緩沖效果顯著，減緩了升溫速率。

（2）在降溫過程中，棉紗/相變粘膠紗交織針織物的溫度變化速率較純棉針織物小，其中最大降溫溫差為2℃，曲線走勢隨相變紗線含量的增加而變得緩和。

（3）影響織物升降溫速率的因素從主到次依次為交織比例（A）、組織結構（B）、織機密度（C），得到的最優搭配為A4B1C2，即相變紗與棉紗的交織比為75: 25，組織結構為添紗組織，織機密度為2+。