吸湿速干材料的研究进展.pdf
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1、第 32 卷 第 4 期2024 年 4 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.4Apr.2024DOI:10.19398j.att.202308015吸湿速干材料的研究进展张月萱,刘 亚,庄旭品,邱梦颖(天津工业大学纺织科学与工程学院,天津 300387)摘 要:为研发更符合市场需求的吸湿速干材料并拓宽其应用领域,详述了吸湿速干材料的吸湿速干机理及对应模型,并介绍了市场上常见的和新出现的吸湿速干纤维,阐述了吸湿速干纤维处理工序,分析了近几年的吸湿速干机织物、针织物和非织造材料的研究成果和发展现状,以及常见的吸湿速干材料的后整理技术。最后讨论了
2、目前吸湿速干材料的发展潜力,针对当前吸湿速干纤维和材料各方面的局限性,提出了可能的解决方案。关键词:吸湿速干材料;吸湿速干机理;非织造材料;吸湿速干纤维;吸湿速干后整理中图分类号:TH145.2;TS17 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)04-0114-11收稿日期:20230809 网络出版日期:20231123基金项目:国家自然科学基金项目(52273059);天津科委项目(22JCYBJC01030)作者简介:张月萱(1999),女,硕士研究生,主要从事水刺非织造材料方面的研究。通信作者:刘 亚(1974),E-mail:liuya8353 吸湿速干材料是指在接触
3、一定量液体的情况下可以迅速吸收液体,并且能够将液体传导至材料表面并快速挥发的材料。由于其吸湿速干性能,作为服装面料可使人体穿着后保持干爽舒适状态1。20 世纪 80 年代,美国杜邦公司发明并生产了COOLMAX 吸湿速干面料,随后国内外吸湿速干材料相关研究快速发展,其代表性面料主要有国外的GORE-TEX 面料、MONY-DRY 面料、ACTIVENT 面料,国产有探路者公司开发的耐低温透湿 TIEF PRO 系列面料等。吸湿速干材料因其优越的吸湿能力和速干性,广泛应用于户外运动市场,国家发展和改革委员会等八个部门共同印发的户外运动产业发展规划(20222025 年)中预计,到 2025 年户
4、外运动产业总规模将超过 3 万亿元人民币,市场潜力巨大。本文从吸湿速干机理、吸湿速干纤维、现有吸湿速干材料及吸湿速干材料的后整理技术 4 个方面进行了综述和分析,可为研发更好地满足市场需求的吸湿速干材料提供理论依据和相关产品开发参考。1 吸湿速干的机理与实现模型吸湿速干材料的吸湿速干理论主要有:毛细流动理论、扩散理论以及蒸发冷凝理论。1907 年,Buckingham2提出了毛细流动理论,通过类比电势与热势提出了毛细管势能,阐明了非饱和毛细管渗透现象的机理。1921 年,Lewis3提出了扩散理论,材料与外界接触面有一个由水蒸气饱和度形成的平衡状态,只有当材料内部的水分扩散到表面时,才能使材料
5、表面的水分突破平衡状态开始蒸发。后来该理论成为水蒸气传输的主要原理,研究人员以此为基础进行相应研究。1943 年,Edlefsen 等4在毛细流动理论的基础上,研究发现水传输与水化学势能梯度成正比。1952 年,Gurr 等5研究得出,当系统受到温度梯度影响时,即使在相对较高的孔隙饱和度下,水分迁移也完全发生在气相(孔隙中),即蒸发冷凝理论成立。基于上述 3 个理论,可以通过差动毛细效应、梯度润湿结构以及仿生蒸腾效应来实现材料的吸湿速干性能。1.1 差动毛细效应利用差动毛细效应设计材料时,一般从材料的内层到外层所用的纤维原料是不同的,纤维形成的毛细管从内层到外层也呈由粗到细的变化,则毛细管芯吸
6、作用随着毛细管半径减小而逐渐增大,材料的内外层界面就会逐步产生附加压力差,毛细管曲面的附加压力作用及液体表面的张力作用会引导液体自动从内层传流到外层6,使材料获得吸湿速干的功能。姚穆等7-8系统地建立了湿传导理论研究模型,推导出标准状态下液体在纤维毛细管中的凝结、蒸发以及输送的过程,给出了织物透湿过程中水蒸气在人体与织物间的扩散蒸发、在织物毛细管的凝结蒸发及液态水在毛细管的输送等过程的理论方程;同时通过对织物吸湿、保水、蒸发等性能的实验,得到了吸湿速干材料的基本要求以及纤维选择和材料结构的设计原则;并得出结论,认为增大材料内外层的差动毛细效应和材料表面的凹凸结构是提高材料吸湿速干性能的途径之一
7、。王发明9构建了平行圆柱孔和圆球堆积两种模型,通过推导发现在两种模型中纤维的差动毛细效应作用效果取决于纤维的半径、毛细孔的长度和纤维的当量半径。王其等10对形成差动毛细效应的条件进行研究,并建立了高导湿结构模型,从理论上分析得出,材料外层的纤维及纱线相对于内层更细、纱线捻度和伸长量更大、密度更小,均有利于使差动毛细效应出现或获得增强,进而提高材料的吸湿速干性能。张艳11在单根毛细管垂直芯吸效应模型的基础上建立异形纤维束模型,推导得出了芯吸高度、芯吸速率等计算公式。1.2 润湿梯度结构利用材料内外层纤维亲疏水性的不同可以设计材料的润湿梯度结构,这种结构可以使水分从疏水内层穿透到亲水外层的突破压力
8、远低于相反方向,因而在疏水内层对水分的排斥作用驱动下,两侧之间形成驱动力,在不施加外力的条件下水分可以向外定向传递,反向则没法实现12。王涛13采用分子模拟方法,系统研究了水滴在固体表面的润湿及运移现象,发现当水滴放置在润湿梯度表面上时,水滴的运动包括铺展和收缩两个过程,最终使其可以自发地由疏水端运移到亲水端,这就是利用了材料的润湿梯度结构来实现吸湿速干性能。1.3 仿生蒸腾效应模拟植物叶片的蒸发张力,如在润湿作用下,植物叶片垂直方向上毛细管半径逐渐减小,水平方向上毛细管数量逐渐增加,分层多孔结构就会很明显,可以设计多层结构的纤维材料,利用材料内层和外层的润湿性差异产生的压力差来实现其吸湿速干
9、性能,这就是材料的仿生蒸腾效应14。利用仿生蒸腾效应和差动毛细效应相结合,材料的疏水内层可以汲取液体,通过纤维间毛细孔将水分快速传递到亲水外层,同时水分在材料外层扩散,增大与空气接触面积,最终快速蒸发到外界,从而为人体营造舒适的穿着环境。基于仿生蒸腾效应,Woo 等15进行了非织造材料水分蒸发过程下材料含潮率变化的试验,并建立了对应的数学模型。Fohr 等16建立了一个湿热传导模型分析了纤维的亲/疏水改性、液体的吸附和解吸、自由水的冷凝和蒸发、水的扩散(包括液体水、水蒸气和吸附水)对湿热传导的影响。Fan 等17用数学模型分析了材料内气态水的相变和液体的流动对耦合湿热传导的影响,该模型考虑了水
10、蒸气分压引起的水分运动、冷凝区的超饱和状态、纤维材料的动态吸湿以及液体冷凝后的运动。2 吸湿速干纤维为提升材料的吸湿性和速干性,可以通过选择异形截面纤维或细旦纤维为原料来实现。异形截面纤维可以改变纤维横截面形状和内部结构,提升纤维比表面积,扩大液体的蒸发面积,导致材料的吸湿速干性能显著提升,这种异形截面的纤维可以通过改变喷丝孔形状、在纺丝过程加入功能性材料进行表面刻蚀、接枝共聚等方法实现。细旦纤维的比表面积相对于普通纤维显著增大,制备的材料能形成微细的凹凸结构,相当于增加了无数个毛细管,毛细效应和水分传递作用随之增强,材料的透气性和吸湿速干性能也有一定提高,细旦纤维可以通过双组分纺丝、改善纺丝
11、牵伸工艺等方法得到。目前在吸湿速干材料中应用较多的是异形截面纤维,包含天然纤维和化学纤维。2.1 天然纤维天然纤维如棉、毛、丝等,因亲水基团的作用可以直接吸收水分,具有良好的吸湿性;此外,还可以通过化学改性对天然纤维进行处理,如 Abidi 等18采用 NVD 制备超亲水/疏油棉材料,首先用三甲基铝/水纳米颗粒对棉纤维表面进行粗化,然后用三氯硅烷功能化,以获得吸湿速干的性能。而亚麻纤维、竹原纤维等因结构粗糙,横截面可见具有多孔空腔,边缘有裂纹等微细结构,所表现的芯吸作用能使其获得良好的吸湿、透气和导湿性,但511第 4 期张月萱 等:吸湿速干材料的研究进展纤维均匀性差、卷曲度低,在短纤维传统织
12、物中应用较少19-20。2.2 化学纤维用于吸湿速干材料的常见化学纤维包括聚酯(PET)纤维、聚酰胺(PA)纤维和复合纤维等。聚酯纤维常见的有杜邦公司的 COOLMAX 系列异形聚酯纤维,包括同时提供湿气管理和吸湿速干性的带纵向转曲和细小微孔的螺旋桨形截面纤维;具有速干性和保暖功能的中空(“O”形)、“C”形、“Y”形截面的混纤丝;具有优越的吸湿速干性的十字、六叶或扇贝形截面纤维。还有海盐海利环保纤维有限公司的三叶形再生聚酯纤维、上海德福伦新材料科技有限公司的十字形截面抗菌导湿聚酯纤维、台湾中兴纺织集团的多微孔异形截面 Sofemax聚酯纤维、日本帝人集团的 Sweatsensor 多微孔四叶
13、形截面聚酯纤维、浙江聚兴化纤有限公司的环保型“W”型聚酯纤维、韩国晓星公司的“苜蓿草”四叶子形截面 Aerocool 聚酯纤维等等。聚酯纤维还可以通过引入亲水基团得到具有吸湿速干性的纤维,如中国石化仪征化纤有限责任公司的聚酰胺酯型仪纶纤维、苏州金辉纤维新材料有限公司的“蕊棉”等,水分被亲水基团吸附后从纤维内的空腔及纤维间的孔隙通过并传输至外界,实现毛细效应水分传递。聚酰胺纤维常见的有长乐力恒锦纶科技有限公司的微细沟槽异形截面 Coolnylon 聚酰胺 6 纤维、北京大学科研开发部的凝水功能六芒星形聚酰胺 6 纤维、义乌华鼎锦纶股份有限公司的扁形沟槽凉感高芯吸能力聚酰胺纤维。除单一纤维外还有一
14、些复合纤维,如日本尤尼吉可集团的 Hygra 纤维,是用聚酰胺包覆亲水性聚合物的皮芯型纤维,具有 3500%的吸水能力;可乐丽株式会社的 Sophista 为乙烯-乙烯醇共聚物和聚酯制成的皮芯型纤维,能够快速吸收液体,具有优异的吸湿速干能力和服用舒适性;浙江恒胜消防设备有限公司开发的共混包粘-熔融纺丝法制备的CaCO3/PP 复合纤维,极大提升了 PP 纤维的吸水性和断裂强度;南通华盛新材料股份有限公司的聚乳酸(PLA)/PET 并列复合纤维,具有一定的可生物降解能力和良好的吸湿速干性能。3 吸湿速干测试标准中国 现 行 吸 湿 速 干 测 试 标 准 包 括 GB/T 21655.12008
15、纺织品 吸湿速干性的评定 第 1 部分:单项组合试验法和 GB/T 21655.22019纺织品 吸湿速干性的评定第 2 部分:动态水分传递法,其他国家及标准组织现有吸湿速干相关性能测试标准包 括 ISO 176172014 Textiles-Determination of moisture drying rate、AATCC 1952009 Liquid Moisture Management Properties of Textile Fabrics、JIS-L 10961999一般織物試験方法等。各标准主要包括的性能指标为:a)吸水率,即试样在水中完全浸润后取出织物至无滴水时,所吸取的
16、水分占试样原始质量的百分率;b)滴水扩散时间,即将水滴在试样上,从水滴接触试样至完全扩散并渗透至织物内所需要的时间;c)芯吸高度,用于衡量实验材料的毛细效应,即垂直悬挂的材料一段被水浸湿时,水通过毛细管作用,在一定时间内沿材料上升的高度;d)干燥速率,即单位时间内试样中水分的蒸发量。此外,接触角、抗静水压能力、透湿量和单向传递指数等性能指标也可以用于辅助判断吸湿速干材料功能的优劣。以中国现行标准为例,吸湿速干性性能指标分级如表 1。表 1 GB/T 21655.12008 和 GB/T 21655.22019 主要性能指数分级Tab.1 Main performance index gradi
17、ng of GB/T 21655.12008 and GB/T 21655.22019性能指标1 级2 级3 级4 级5 级吸水率/%80100120滴水扩散时间/s642芯吸高度/cm8090110干燥速率/(gh-1)0.200.300.40单向传递指数 O300.0 郑园园21研究发现实验试样的尺寸和形状对结果的影响在 8%之内,因此当成品取样困难时,可以考虑材料取样时对尺寸和形状适当做出改变以达到质量把控的目的。姜逊等22发现测试材料蒸发速率的过程中,一方面难以精准控制标准要求的每5 min 称重一次,另一方面称重时会出现材料水分611现代纺织技术第 32 卷转移到载物器皿上的问题,难
18、免造成误差,因此广州纤维产品检测研究院研发出一套蒸发速率的自动化检测仪器来代替人工,提高了检测精确度。4 吸湿速干材料使用不同的纤维原料,可以通过机织、针织或非织造等加工技术来制备不同的吸湿速干材料,具体的材料结构设计及应用到的吸湿速干机理如下。4.1 机织物单层机织物主要通过纤维配置和组织结构等相结合实现其吸湿速干性能。纤维配置上采用不同亲水性的经、纬纱进行配置,织物正反面交织点设计不同,在织物两侧形成面积不同的亲水区域实现单层机织物的吸湿快干;组织结构上利用厚度方向上的润湿梯度变化实现织物的吸湿快干。但单层机织物结构设计种类较少较为局限,所能实现的吸湿速干性能稍逊于双层多层机织物。23双层
19、、多层机织物可以通过纤维配制、织物组织结构选择、内外层纱线线密度设计、经纬密度设计以及织物厚度设计等多种技术组合进行工艺设计,以满足内外层孔隙不同的润湿梯度结构要求,来制备吸湿速干织物。邬淑芳等24选用亲水莱赛尔纱线为表纬,疏水莱赛尔纱线为里纬和经纱,设计了纬二重组织吸湿速干机织物;用两种纱线分别交织设计了接结双层组织的吸湿速干机织物。研究发现两种机织物由于外层亲水和内层拒水的结构,使内外层之间形成了润湿梯度结构,从而实现了吸湿速干性,但纬二重组织亲疏水性差异较弱,单向导湿能力下降。除纱线选择与组织设计外,经纬密的大小也会对吸湿速干性及服用性能产生影响。陶凤仪等25选用粘胶纤维和蜂窝微孔聚酯纤
20、维为原料,通过改变纤维原料在织物厚度方向上的排列方式,使织物内外两层呈现不同的吸湿效果;因为水分在织物中传递和吸湿扩散具有选择性和方向性,疏水内层作为贴肤面在润湿梯度效应下能单向将人体汗液排出,且能隔绝外界水分。4.2 针织物针织物和机织物一样分为单层、双层和多层针织物,吸湿速干性能的实现方法也基本相近。廖师琴26基于仿生学原理,利用双面集圈组织形成一点多分支的结构,开发了一款仿生树形吸湿速干针织面料。在厚度相近时,芯吸能力主要取决于织物正反面线圈数量比例、表面网眼的数量、大小和分布等。王玥等27采用绿色环保的天丝和再生涤纶,设计了加速气液通过的新型三维导湿结构双面针织物,有效减小了织物与皮肤
21、的接触紧度,保证吸湿速干性能的同时提升了织物的轻薄感和舒适性。贺建国等28 开发了一款舒适轻薄的吸湿速干针织面料,该面料以聚对苯二甲酸丁二酯长丝和Cooldry 长丝为原料,通过两种长丝与十字截面纤维的组合和浮点型结构设计实现了优异的吸湿速干性能,并能在湿态下保持弹性。尹昂等29对比多种经编结构织物得出,外层采用经绒组织、内层采用编链组织且纱线垫纱成圈织针数越少的结构,越有利于增强材料的单向导湿性能,在此基础上为了增强水分的传导扩散能力,还可以选用多孔眼的结构来辅助实现。金雪等30采用吸湿速干防紫外线功能性涤纶与锦涤复合导电丝交织,在 24 针的双面圆纬机上,开发出速干、防紫外线、抗静电的多功
22、能鸟眼结构双面针织面料。杨世滨等31采用细旦再生聚酯纤维和异形截面再生聚酯纤维,通过面料组织结构的设计、纱线的合理配置、织造工艺的优化选择以及染料助剂、染整工序和工艺的优化选择,制备出适合春夏服装的吸湿速干针织材料。黄旭等32使用防水低温等离子体处理后的亲水性差别化羊毛,将不同亲水性的羊毛与水溶性维纶混纺的纱线做双面组织面料的面纱、连接纱和底纱,实现材料的润湿梯度结构,通过维纶的水解实现材料自内而外间隙梯度变小,提高材料的单向导湿能力,具备了吸湿速干性。4.3 非织造材料非织造材料方面,使用传统非织造工艺,如针刺、水刺、热风等来直接制备具有吸湿速干性能的材料较为少见,近年来更常见的是使用静电纺
23、丝法制备以纳米纤维膜为主体的吸湿速干非织造材料。Song 等33通过水刺技术制备了具有润湿梯度结构的非织造材料,这种材料由疏水性壳聚糖纤维和亲水性粘胶纤维组成,如图 1 所示。即使当 90%的纤维是疏水性的,且疏水层厚度超过 1.6 mm 时,该材料仍然可以完成各向异性的水渗透,且在 300 次磨损循环后仍能保持良好的耐磨性和各向异性水渗透能力。同时,该复合非织造材料对环境友好,适合大规模生产,可应用于医疗保健领域。711第 4 期张月萱 等:吸湿速干材料的研究进展图 1 水刺壳聚糖/粘胶纤维吸湿速干材料生产流程Fig.1 Production process of spunlaced chi
24、tosan/viscose moisture-absorbing and quick-drying materials Zhen 等34通过针刺和热风固网技术相结合,开发了具有润湿梯度结构的 PLA/VIS 复合织物,如图 2 所示。这种织物通过层压 5 层不同质量比的 PLA/VIS 纤网,获得了润湿梯度结构,并且在烘箱中使用多孔框架获得了孔隙率为 90%96%的蓬松结构。因此,当润湿梯度指数值从 0增加到 1.5 时,单向传输指数值从 77.8%增加到 165.6%。图 2 针刺热风粘合聚乳酸/粘胶复合织物生产流程Fig.2 Production process of PLA/VIS co
25、mposite fabrics by needle punching and air bonding Tang 等35通过整合一种超亲水 MXene/壳聚糖改性聚氨酯(PU)纳米纤维膜和一层具有串珠状结构的超薄疏水性 PU/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)层,制备了一种具有润湿梯度结构的纳米纤维膜,如图3 所示。该纳米纤维膜除了具备优异的吸湿速干性能外,还因具备光热转换性、耐磨损、可清洗等优点,适用于智能可穿戴设备。图 3 聚氨酯/聚乙烯醇静电纺纳米纤维膜及其复合方式Fig.3 PU/c-PVP electrospun fibrous layers and their composite method
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