高吸汗排汗速干功能性聚酯纤维结构与性能.docx

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高吸汗排汗速干功能性聚酯纤维结构与性能

高吸汗、排汗、速干功能性聚酯纤维结构与性能

北京服装学院 服装材料研究开发与评价北京市重点实验室

张大省王锐周静宜

 合成纤维优点诸多，也有不足。

作为服用纤维尤以吸湿、可染、抗起球、抗静电等性能不良需待改进，因而合成纤维的功能化课题倍受瞩目。

服用纤维的功能性，最终是反映在由纤维构成的集合体上，纤维集合体的改性通常可以在四个层面上实施[1~4]：

即

（1）纤维制备用聚合物的改性；

（2）单纤维的改性；（3）纱线及织造阶段的改性；（4）染整加工阶段的改性。

1．高吸汗、排汗、速干织物的功能性机理分析

解决织物的吸湿、排汗、干燥性能首先需要了解织物吸湿、排汗及干燥过程。

人体在着装状态下出汗时，汗液经织物传导至外界空间的过程可描述为两种形式：

一是液态的汗液直接接触织物，并以液态水的形式将织物的内表面润湿并被织物吸收，又依靠纱线间或纤维间缝隙形成的毛细作用输送至织物外表面，而后蒸发成水蒸汽扩散至外层空间；二是由人体汗液蒸发的水汽直接被构成织物的纤维表面所吸收，并在织物内表面凝结成液态水，再以同样机理传输到织物外表面，蒸发成水蒸汽迁移至外层空间[5~7]。

总之，完成吸汗、排汗、速干过程，是由润湿—吸湿—扩散—蒸发几步组成。

（1）水对纤维材料集合体的润湿过程。

对于缺少极性亲水性基团的合成纤维而言，它是完成总体过程的控制步骤，没有润湿就不会有吸湿—扩散—蒸发过程的发生。

从化学结构角度考虑，如能向织物或构成织物的纤维引入亲水基团当是最佳方案；从物理结构角度考虑，若设法使纤维表面粗糙化、纤维截面异型化以及纤维的细旦化，即扩大水与纤维的接触比表面积，都会有益于润湿过程。

（2）吸湿（或吸水）过程，纤维和织物被水分浸润后，应当让水分尽可能快地吸附于纤维和织物的表面和内部。

纤维化学结构的亲水化、纤维表面的粗糙化、截面异型化以及细旦化等增加比表面积和提高毛细效应的措施无疑都是有益的。

（3）扩散过程。

是指织物所吸收的水份由织物的内表面向外表面以及吸收的水分向织物四周扩散的表面积逐渐扩大过程。

扩散过程主要依靠纤维内空腔、单纤维内的孔洞、单纤维内的沟槽、构成纱线的单纤维间的缝隙以及织物中纱线间的缝隙等所形成的毛细作用。

因此，纤维截面异型化、细旦化、单纤维表面的形态以及织物组织结构的密实度，对改善水分的传导作用都是有效的。

（4）蒸发过程。

是指织物吸收的水份向外层空间的蒸发，从而实现织物的速干过程。

构成纤维大分子化学结构过多亲水基团的存在（如棉纤维、粘胶纤维等），显然是不利于速干的；而在物理结构方面，如上所述所有能够导致增大蒸发比表面积——截面异型化、细旦化和表面粗糙化的措施以及可以加速扩散过程的因素均可为水份的快速蒸发创造必要的条件；此外作为外因，即织物外侧环境温度和空气流速对蒸发过程也有重要影响。

2．关于吸汗、排汗、速干织物用纤维的前人经验

国内外已有很多相关报道，汇总后大体有如下几种方案：

（1）纺制含亲水基团的共聚酯纤维。

[8]该方案纤维构成的织物提高了对水分的润湿性能，但是导水能力和速干能力尚欠缺；

（2）将PET与含亲水性基团聚合物共混纺丝制造吸湿性纤维。

[9~13]该方案纤维构成的织物具有较好的对水润湿性能，但是由于纤维大多为圆形截面，不能充分利用纤维间毛细效应产生的导水性能，有些属中空纤维，它的良好保水性又会影响速干性能的发挥；

（3）利用吸湿性聚合物的复合纺丝。

[14~21]制造以吸湿性高聚物为芯层，以聚酯为鞘层的皮芯纤维。

无疑具有良好的吸湿、吸水能力，但是排湿能力不足，且大多为圆形截面，不能充分利用纤维间的毛细效应；

（4）纤维断面的异型化。

[22~32]包括中空、Y型、W型、C型、扁平型或十字型等异型纤维以及表面附有沟槽或凹凸微坑和/或内部微孔构造的异型纤维。

该方案纤维构成的织物能充分发挥纤维间毛细效应产生的导水能力，较大的蒸发比表面积也使织物具有好的速干能力，但是纤维表面缺少亲水集团，织物对水的润湿性能尚显不足；

（5）纤维线密度的超细化。

[33]采用改良的直接纺丝、复合纺丝或共混纺丝等技术制造超细纤维。

该方案纤维构成的织物能充分利用纤维间毛细效应产生的导水能力和大蒸发比表面积提供的速干能力，但是织物对水的润湿性欠缺。

3.  新型吸汗、排汗、速干织物用纤维的结构设计思路

本文作者在理论分析及对前人工作分析的基础上，全面地考虑了润湿、吸湿、扩散、速干几个过程的关系，提出了一种新的设计理念。

认为只是分别单独使用个别改性途径，难于实现吸汗、排汗、速干的综合功能，应当同时采取化学与物理改性相结合的方案,即采取多项措施实现对纤维的改性。

包括：

（1）纤维的亲水化——引入适量的吸湿性基团，提高织物的润湿性能，又不影响其速干性能；

（2）纤维内部微孔化——有利于织物的快速导水过程并进而实现快干；

（3）纤维的细旦化、异型化——提高水分输送过程的毛细效应，扩大纤维的比表面积，有利于水分速干；

（4）纤维表面粗糙化——扩大纤维的比表面积，有利于织物的润湿及速干，同时提高染色织物的显色性，使织物与人体成点接触，克服腊感，改善穿着舒适性。

4．新型高吸汗、排汗、速干织物用纤维制备的实施

应当说前面提及的纤维结构设计思路的提出还仅仅是停留在对于现实世界的一种认识和解释上，它还只是停留在纸面上的一种美好设想。

如何实施来实现这种对纤维化学及物理结构的设计，使设想变为现实，这在人们的认识论上就进入了一个新的、更高级的阶段——对现实世界的改造的阶段。

就本文标题所涉及的纤维制备的内容而言，实施方案的设计包括了共聚酯的合成和纺丝及拉伸-热定型工艺设计。

但是，若要最终得到高吸汗、排汗、速干织物还必须包含织物组织结构的设计和织物的碱减量处理工艺。

也就是说新型高吸汗、排汗、速干织物的制备是一项从聚合物的制备直到染整加工为止的一整套系统工程。

在未制得成品织物前都不能反映出该织物的功能性，而纤维的制备是其中重要的一环。

4.1共聚酯的合成

是保证最终织物具有高吸汗、排汗、速干功能的重要环节。

包含共聚酯化学结构的设计和合成工艺条件的设计。

化学结构的设计应当考虑下述要求：

a.要求共聚酯可与PET实现顺利地共混纺丝，即要具有适宜的热性能——玻璃化温度、结晶温度、熔融温度及分解温度，保证切片的预结晶-干燥过程、纺丝-拉伸-热定型等工艺的可操作性；

b.共聚酯要有适宜的特性粘数，用以在纺丝过程中使共聚酯构成分散相，并控制它在纤维内部和表面的分布；

c.共聚酯必须具有适宜的碱水解性能，能够保证织物碱减量过程中，在纤维表面实现粗糙化，纤维内部形成微孔化；

f.共聚酯要具有吸湿性基团，以便赋予织物对水分的浸润性。

依据上述要求，便可以考虑共聚酯合成过程必须选择的共聚组分种类，并依据以往的直接的或间接的经验设计共聚组分的组合、用量。

合成一系列具有不同特性粘数的含有少量成孔剂和磺酸盐基团的共聚酯，与常规PET以规定的比例进行异型纤维的共混纺丝，使共聚酯分布于纤维断面内、外各部，再经拉伸-热定型等工艺过程，制成异型纤维。

共聚酯母粒的合成与异型共混纤维制备工艺如图1所示。

4.2切片预结晶-干燥、纺丝及拉伸-热定型工艺      

依据两种原料切片的玻璃化温度、结晶温度、熔融温度和流变性能设定预结晶-干燥、纺丝及拉伸-热定型工艺；选择适宜的喷丝板孔型及孔径确定；筛选适宜的聚酯与共聚酯的共混比例。

合成一系列具有不同特性粘数的含有少量无机纳米粉体成孔剂和磺酸盐基团的共聚酯，与常规PET以规定的比例进行异型纤维的共混纺丝，使共聚酯分布于纤维断面内、外各部，再经拉伸-热定型等工艺过程，制成三叶形纤维。

共聚酯母粒的合成与异型共混纤维制备工艺如图1所示。

                                图1共聚酯母粒的合成与异型共混纤维制备工艺

5．新型吸汗、排汗、速干织物用纤维的结构与性能

5.1纤维的力学性能

按照上述实施方案分别在长、短纤维生产线上纺制了数百吨纤维，主要的力学性能指标如下：

短纤维：

线密度1.15~1.45dtex,断裂强度4.8~5.1cN/dtex，断裂伸长18%~20%。

长丝：

POY丝线密度205dtex/36f,断裂强度≧1.8cN/dtex，断裂伸长~120%；DT丝线密度124dtex/36f,断裂强度≧3.0cN/dtex，断裂伸长~20%；DTY丝线密度125dtex/36f,断裂强度≧2.6cN/dtex，断裂伸长~25%。

完全可以满足纺织加工要求。

5.2新型吸汗、排汗、速干织物用纤维的形态结构

纤维结构分析结果是对前述设计思想实施效果的检验。

如图2所示，使用上述纤维织造成的机织物或针织物进行可控碱减量处理后，确实在三叶形纤维表面形成诸多沟槽或微坑的表面粗糙化构造，内部呈现出众多孔洞。

纤维结构的分析结果表明了与原结构设计思想的一致性。

                               图2碱减量处理后的纤维形态结构

5.3 新型吸汗、排汗、速干织物的性能

对碱减量处理后的织物吸汗、排汗、速干性能的分析结果同样地验证了最初设计思想的合理性。

纤维上残存的磺酸盐基团为织物提供了对水的良好润湿性能，又借助于附有沟槽或微坑构造的异型纤维间的毛细效应达成吸湿、扩散效果，扩大水对织物的润湿面积。

同时再加之纤维表面的诸多沟槽或微坑构造所形成的大蒸发比表面积，实现了汗液的快速蒸发，其汗液蒸发速度是化学结构上含有大量吸湿基团的棉纤维（含羟基-OH）织物的一倍多。

从而最终实现了织物的高吸汗—排汗—速干功能，相关评价结果见图3、图4、图5及图6所示。

图3表示了织物的吸水高度，即纵向吸水效果；图4表示了水分沿织物平面扩散效果；此两项均为利用毛细效应所致。

图5为织物的排水效果。

结果均表明本研究纤维构成的织物具有优良的吸汗、排汗及速干性能。

注：

织物组织结构及组成为：

（1）双面斜纹（T80/C20）；

（2）平纹（T80/C20）；  

（3）斜纹（T80/C20）；（4）斜纹（T100）；（5）双斜（T80/C20）；（6）方格（T80/C20）；（7）单斜（T80/C20）；（8）方格（T80/C20）；（9）平纹；（10）平纹（圆形T100）；（11）双面斜纹（C100）；（12）平纹（T40/C40/R20）；（13）军港绸平纹（T80/C20）

1~9号为本研究样品，10~13号为对比样品。

（下同）

                            图3各种织物的吸水高度

图4织物的水滴消失时间（毛细效应平面扩散）

图5织物的排水性能

6．结论

本文从对织物吸汗、排汗、速干机理分析入手，明确了织物完成吸汗、排汗、速干过程，是由润湿—吸湿—扩散—蒸发几步组成。

在认真分析了国内外前人通常采用的5种解决相关产品思路的基础上，提出了一种新的吸汗、排汗、速干织物用纤维的结构设计理念，即认为只是分别单独使用个别改性途径，难于实现吸汗、排汗、速干的综合功能，应当同时采取纤维的亲水化，内部微孔化，细旦化、异型化及纤维表面粗糙化等多项措施，实现对纤维的化学与物理改性相结合的方案，提高服装穿着舒适性。

合成了一系列具有特殊化学结构和规定特性粘数的共聚酯，将其按照规定比例与常规聚酯共混，采用异型喷丝板纺制成细旦三叶形纤维。

将用该纤维织造的织物进行了可控的碱减量处理后，纤维的形态结构与原设计思想完全吻合；织物具有优良的吸汗、排汗、速干性能。

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