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吸湿排汗（快干）产品加工中有关问题的探讨qq7

杨栋樑全国染整新技术应用推广协作网

原载：

第七届全国印染后整理论文集（2008.12）;38-49

一、前言

人们对服装面料的功能性和舒适性要求中，吸湿排汗（快干）性能越来越受到快节奏生活的广大消费者的青睐。

即希望织物具有吸水（湿）和快干性，如何将人体散发的气、液态汗水尽快排出服装，是提高穿着舒适性的关键之一。

汗液经织物传导到外界空间的通道有二种形式：

一是人体皮肤上的汗水直接由织物或纤维间的缝隙（或称毛细管）扩散迁移到外层空间；二是人体散发的水蒸汽，由织物中纤维的微孔或在纤维表面凝结成水，经纤维的微孔或纤维间缝隙的毛细管作用传递到织物表面，再蒸发到外界空间

（1）。

由此可知其过程是：

吸水——保水——蒸发。

因而，无论是天然纤维或是合成纤维单独都不具备这方面的性能，以致早期的吸湿快干织物是由二种或二种以上不同纤维织成二层或三层结构的织物来担当此项任务的。

自二十世纪八十年代开发吸湿排汗技术以来，情况就完全改观。

传统的合成纤维，尤其是聚酯纤维的分子化学结构中缺乏亲水性基团，吸湿性很差，在服用过程中，人体散发的湿气很难通过聚酯织物传递出去，容易产生闷热不舒适感。

棉纤维有亲水性基团（每个单元结构上有三个羟基），吸湿和吸水性很强，保水性也很好，但其刚性较小，尤其吸湿（水）后会粘贴在皮肤上，使人感觉不爽，以及随着棉纤维的吸湿（水）量增加而纤维的膨胀，诱发产生闷热问题。

吸湿快干技术针对上述穿着时的情况，选择以合成纤维为基材，提高纤维的表面积，增强纤维的吸湿和快干的潜在能力；在纺织物理性加工中，进一步改进集合体的传导效果；在染整化学加工时，再赋以纤维表面的亲水化，最终实现吸湿快干功能。

吸湿排汗纤维有聚酯，聚酰胺和聚丙烯等品种，以聚酯纤维为大宗。

其中以美国杜邦公司独家研发的Coolmax为最著名,它是具有四沟槽的异形聚酯纤维，利用这些沟槽型的纤维成纱和织造后，纤维和纤维之间可形成更多的毛细管通道，更好地发挥芯吸作用（毛细管效应）产生吸湿排汗功能。

在物理改性的吸湿排汗聚酯纤维中，有异形、中空、细旦和微孔化等不同的品种，其中异形为多。

异形化中又有三叶、多叶（五一八叶）、三角，十字，W和Y型等断面的纤维可供设计产品选用。

约四年前，作者曾写过一篇关于产品开发的文章

（2），其后陆续作过些补充，今将其整理成文，再次就教于诸同好，请校正。

二、理论分析

织物的吸湿排汗（快干）性能，实质上是湿气和水在织物中传递问题，为此可作些理论上的探讨。

（一）一般的传递模式

织物的吸湿排汗性能，是（湿）气和水等物质在纺织品中传递现象。

这类现象在化学工程中早就进行过系统的基础研究，并已建立了相关的理论模式。

对织物而言，是其两面（内外两侧）的压力差，使（湿）汽和水等流体的移动。

可简单地说，是差力差（△P）和（移动或传递）流速的关系问题。

织物是纤维的一种特殊集合体形式而已，具有无数弯曲的微细管状通道，属多孔膜传递模式，流体在其间以层流传递（移动）的，为此可以Kozney-Carman方程式可由

（1）式表示之：

U=

（1）

其中：

U流体通过多孔体（膜）的速度

△P压力损失

ε空隙率

r单根纤维的半径

f小管道的实际长度/织物的厚度ι

u流体的粘度

q形状系数，传递系统提供的适当值。

此外，若织物纱线间的小缝隙部分可视作单独的小园管通道的话，还可以单独小园管传递模式来描述。

如小园管的当量半径为ra，那未流体的流速可由

（2）式所示：

U=ra2△p/8uι

（2）

对织物说来，纱线部位可以多孔体传递模式计算其流量，纱线间缝隙部分可以单独小园管模式来计算。

只要不是高密织物，影响织物的流动性的主要因素就是此缝隙部分了。

由此可知，织物结构的主要因素是：

一是纱线的撚度系数；二是织物的覆盖系数或紧度；三是纱线的毛羽（或光洁度）等。

通过的流体是空气（或湿气）和水时，会因其粘度差，而使压力产生很大的差异，但结构因素的影响，可视为相同的。

（二）润湿与渗透——毛细管效应

当液体（一般指水）接触织物表面时，如能润湿液体会自发地沿毛细管渗透到织物内部，即产生芯吸现象。

假设织物中的毛织管为理想状态，毛细管压力（吸附力）可用Laplac方程式表示之（4）（5）

P=（2δLCcosθ）/ra（3）

式中：

p—毛细管（pa）

ra—毛细管当量半径（cm）

θ—接触角（0）

δLC—液体界面张力（水为71.96dyne/cm）

毛细管上升高：

h=（2δLCC osθ）/gρra　（4）

式中：

h—毛细管上升高度（cm）

g—重力加速度（980cm/sec2）

ρ—液体密度（水为0.977g/cm3）

毛细管中液体的流量通常由posinuille定律描述，流量是与沿毛细管的有效压力梯度成正比：

q=（πra2/8η）（△P/L）（5）

式中：

q—流量（cm3/Sec）

η—液体粘滞系数（水为0.01cm/g·sec）

L—吸水的毛细管长度（cm）

则单位时间的线速度为υ

υ=dL/dt=q/πra2=πra2/8η）△P/L=（ra2/8η）（P/L-ρg）（6）

由此可推导液体在水平方向（L）和垂直方向（Ln）随时间的线速度表式

L2=（raδLCCosθ/2η）·t（7）

Ln=

（8）

式中t时间（sec）

由上述公式可知：

只有毛细管压力为正时，液体才能在毛细管内自动流动，即要求Cosθ为正值，即织物具有可湿性才是产生芯吸作用必要的前提。

毛细管的有效半径越小，毛细管压力越大，芯吸高度越高；可是，液体流动速度也越小，要达到芯吸的平衡时间也越长。

此外，接触角的大小也对毛细管中液体流动速度有很大影响。

吸湿排汗的异形纤维与普通的园形纤维比，使液态水的传导面积增大，气态水的蒸发面积也增大。

其次，异形纤维之间形成的毛细管数量也比相同纤度的园形纤维的要增加许多，且毛细管当量半径也小些。

总的说，由于异形纤维束（指纱线）的毛细管数量增加，整个织物的表面积增大，致使织物对液态水的传导速度和气态水的蒸发速度都得到了明显的提高。

（三）水蒸气（湿气）扩散

水蒸气（水的气体分子）在纺织品中的扩散，可以在织物内部（或纱线间）缝隙部分进行，有时也可以在纤维内部进行吸收和扩散的传递方式（3）。

在纱线间的扩散，可按一般扩散方程式如（9）式表示

（9）

上式中Ca表示该气体分子在空气中浓度，Da表示在空气中气体分子的扩散系数。

在纤维表面则因吸湿而成立如下二个平衡关系式：

（10a）

Cf=F（Ca）（10b）

上式中，Df表示单根纤维内的水分子扩散系数，Cf表示单根纤维内的水分子浓度。

该表面的Ca系表示对应于表面Cf的蒸汽压。

若单根纤维内部会产生扩散现象则其扩散方程式如（11）式所示

（11）

按理，应用上述（7）、（8）、（10a10b）和（11）式，加入平衡系统的边界条件即可求得果。

可是这种计算不仅麻烦，事实上没有这样需要。

三、织物的影响

吸湿排汗（快干）纺织品，除了吸湿排汗（快干）纤维本身结构性能外，其集合体状态无疑也会对其宏观效果以深远的影响。

为了适应不同环境、用途和款式的服装要求，织物的质地、风格、外观、厚度和结构紧度等方面有很大变化，以致织物的组织结构，甚至纱线结构也有很大的不同的。

而且，这些对吸湿排汗（快干）性能来说都是至关重要的，今简述于后。

（一）不同纤维织物的干燥性能（6）（7）

不同纤维的18.8tex纱的针织汗布，润湿后的自然干燥性能（即残留水份）的实验结果如表1所示。

表1、不同纤维织物的水份残留率

纯棉

Coolbst/棉

Coolbst

常规聚酯

5分钟后

80.6

78.9

76

80

30分钟后

16.0

6.8

0.2

11

表1说明：

吸湿排汗纤维（Coolbst）织物自然干燥条件下30分钟能完全干燥了，而它与棉混纺的织物也基本能干燥，从一些试验资料看来，吸湿排汗短纤与其它短纤的混纺，为保证吸湿排汗功能其比例不宜低于60%。

（二）成纱的撚度（6）（7）

50cm长的16.5tex/34f吸湿排汗聚酯长丝（Coolbst）进行不同程度的加撚后，其毛细管效应的测定结果如表2表示，由吸湿排汗短纤（Coolbst，1.56dtex×38mm）加撚成28tex纱，不同加撚程度时对纱线芯吸速率的实验测定结果，如表3所示。

表2、长丝加撚后的芯吸速率

撚度（撚/10cm）

10

20

30

40

10分钟芯吸平均

速率（mm/min）

0.96

1.26

1.64

1.2

表3、不同撚度的短纤纱的芯吸速率

捻度

（捻/10cm）

芯吸时间（min）

1

2

3

5

8

10

40

3.8

3.6

3.81

3.87

3.11

2.80

80

2.60

2.69

2.77

2.52

2.02

1.80

100

2.00

2.26

2.48

2.28

1.82

1.64

150

1.20

1.27

1.39

1.16

0.94

0.85

200

0.20

0.12

0.52

0.45

0.36

0.33

由表2和表3可知：

Coolbst长丝和短纤加捻后的纱，其芯吸速率差异很大。

上述试验表明：

16.5te×34f长丝以30捻/10cm为宜，而28tex短纤纱以40捻/10cm为佳。

不同纱号的吸湿排汗特性可能有些变化，但其总体规律是一致的。

（三）织物的结构

1、针织物

针织物上应用吸湿排汗（快干）纤维时，其组织结构的影响国内已有相当研究，拟从中选择一个较能全面规律性的试验结果⑧供参考。

由14.5tex（40s）、18tex（32s）和22.7tex（26s）三种棉纱，18tex（32s）莫代尔纱和8.3tex（75d/38f）Coolnise长丝为原料，编织成四种类型织物：

（I）是全部由Coolnise长丝的双面针织物（#1和#2）；（II）是Coolnise长丝与14.5tex棉纱或18tex莫代尔交织的单面针织物（#3-#8）；（III）是由Coolnise长丝与棉纱或莫代尔纱交织的双面针织物（#8-#10）；（IV）是14.5tex和18tex编成纬平针（18tex#11）和1+1罗纹针织物（14.5tex，#12）；共12块织物用烧杯法测定其导湿率，从中查明其组织规格的影响，试验试样的工艺参数和测定结果如表4所示（8）。

表4、试样的编织参数及其导湿率

类别

序号

原料

双针筒针织大园机织物

组织

间隔称重量差g

透湿量

g·（m2·

24hr）-1

机号/针

（2.54cm）

筒径

/cm

路数

幅宽

/cm

平方米重

/g·m2

I

1

8.3texCoolnise

24

86.34

60

175

140

纬平针与罗纹集圈复合组织，花高20横列，花宽8纵行

4.035

3.858

2

8.3texCoolnise

21

86.34

56

130

146

纬平针与罗纹集圈复合组织，花高8横列花宽16纵行。

4.491

4.295

II

3

18tex莫代尔纱76%（每路均喂入，奇数横列为面料）11.1tex

Coolnise24%（奇数横列为地纱，偶数横列不喂入）

24

76.2

60

160

165

纬平针添纱组织

3.403

3.254

4

面纱：

14.5tex棉纱64.4%

地纱：

8.3texCoolnise35.6%

24

76.2

45

160

165

纬平针添纱组织

3.893

4679

5

面纱：

14.5tex棉纱64.5%

地纱：

8.3texCoolnise35.5%

22

76.2

44

185

183

单珠地添纱组织

4.794

4584

6

面纱：

8.3texCoolnise37.1%

地纱：

14.5tex棉纱62.9%

22

76.2

44

205

170

双珠地添纱组织

3.234

3093

7

14.5tex棉纱65.6%

8.3texCoo1lnise34.4%

22

76.2

44

185

165

单珠地组织

3.906

3735

8

22.7tex棉纱58.3%

11.1texCoolnise41.7%

22

76.2

88

176

128

方格珠地组织

3.684

3523

III

9

14.5tex棉纱64.5%

8.3texCoolnise35.5%

21

86.34

60

150

172

纬平针与罗纹集圈复合组织，花高12横列，花宽8纵列

3.212

3071

10

18tex莫代尔纱63.3%

8.3texCoolnise36.7%

21

86.34

64

150

180

纬平针，单面浮线与罗纹集团复合组织，花高16横列，花宽8纵列

3.449

3298

IV

11

18tex棉纱100%

纬平针

2.121

2028

12

14.5tex棉纱100%

1+1罗纹组织

1.892

1809

注：

透湿性测定时温度为37℃（模拟人体）;Coolnise为十字形聚酯

由表4可知：

Coolnise长丝及其交织织物试样（#1—#10）的透湿率均优于两种纯棉试样（#11和#12），这是纯棉织物吸湿后，棉纤维膨胀堵塞了毛细管所致。

全部由Coolnise长丝编织的#1和#2与棉纤维在外层Coolnise长丝为里层的#4和#5比，由于外层棉纤维的吸湿性加强了里层Coolnise长丝的导湿性，以致#4和#5导湿率优于全部是Coolnise长丝的#1和#2织物。

由14.5tex棉纱和8.5texCoolnise长丝编织的珠地织物#5和#6，前者（#5）以棉纱为面纱，而后者（#6）以棉纱为地纱。

结果是#5导湿率明显高于#6。

#6织物的导湿性不如织物#3、#7~#10的道理也是相同的，因为#3，#7~#10织物是部分区域由吸湿纤维组成，而其它区域由吸湿纤维在外和导湿纤维在内的双纱结构组成，或导湿纤维组成的缘故。

#1#2织物全部由Coolnise长丝编织成，由于#2织物表面凹凸不平的网状结构分布均匀且所占面积大，有利于湿气向大气中散发，因而#2织物的导湿率比#1织物好。

#4#5织物全部是14.5tex棉纱为面纱，8.5texCoolnise长丝为里层的双层结构，但#4织物是纬平针添纱组织，织物轻薄易于导湿，以致其导湿率较#5织物好些。

#7、#8织物与#9、#10织物比，两者均由两种性能不同的纱线混织而成，但#7、#8为单针筒织机编织的单面织物，较轻薄，后者为双针筒织机编织而成，较厚实，以使#7、#8织物的透湿性较好。

由此，上述10种试验织物的透湿性的好坏顺序为：

#4织物＞#5织物＞#2织物＞#1织物＞#7织物＞#8织物＞#10织物＞#3织物＞#6织物＞#9织物。

（表4）

2、梭织物（9）（10）

由经纬纱是55.56tex和83.33tex的吸湿快干低弹网络聚酯丝，经密为64根/cm，与不同纬密（55~30根/cm，纬向紧度为58.74~32.04%）,以及经密为64根/cm，与纬密为40根/cm的不同组织结构（平纹的交织频率0.50，4枚斜纹为0.25，5~16枚缎纹的交织频率分别为0.20、0.13、0.08和0.6）两组织物试样。

经调湿后，参照FZ/T01071~1999《纺织品毛细效应测试方法》和JISL1907~2004C法滴水扩散试验法，分别测定两组试样的毛细管效果与水滴30秒后的扩散直径，测试数据的结果是：

（1）织物密度变化的影响：

在原料和组织相同的情况下，纬密变化真接影响织物的纬向紧度，测试数据经Origin软件处理后，获得经纬向的毛细管高度和水滴扩散直径与纬向紧度之间呈二次函数关系，如表5所示。

表5织物紧度变化与毛细管高度和扩散直径的回归方程式

指标

回归方程式

相关系数

经向毛细管高度

YT=－19.73+1.72X-0.01X2

0.99

纬向毛细管高度

YW=－11.80+0.36X-0.01X2

0.82

扩散直径

YD=－0.83+0.30X-0.01X2

0.87

注：

X为纬向紧度

由表5的回归方程式可知：

毛细管效应和扩散性都与纬向紧度有二次函数关系。

当纬向紧度于46%附近，经向毛细管高度达最大值；纬向毛细管高度最大值，出现在纬向紧度为37%附近。

纬向紧度为50%附近时，扩散直径达最大值。

试验表明：

在经向紧度不变的前提下，纬向紧度太大（如大于55%）或太小（如低于30%）都不能很好地发挥导湿性。

这是由于纬向紧度的改变，同时引起织物单位面积内的纤维根数和屈曲程度也生生的变化所致。

水在织物中传递时，既需要较多的纤维间毛细管的传递动力（吸附力），也要求较少屈曲以降低传递阻力，只有两者处于合理平衡状态，织物才能发挥最佳的传递效果。

（2）、组织结构变化的影响

原组织的变化主要表现为经纬交织规律的变化，不同类型的原组织与导湿性之间是否存内在联系，今以各种原组织的交织频率（t）表示。

交织频率是组织循环内单根经纱（或纬纱）交织规律改变次数，与经纱（或纬纱）循环数的比值。

试验数据用Origin软件处理，建立了毛细管高度的扩散直径与交织频率（t）之间的回归方程式，如表6所示：

表6、织物的组织结构与毛细管高度和扩散直径的回归方程式

指标

回归方程式

相关系数

经向毛细节管高度

YT=7.50+78.33t－132.44t2

0.85

纬向毛细节管高度

Yw=8.00+64.92t－116.94t2

0.90

扩散直径

YD=5.19+10.05t－17.44t2

0.76

由表6的回归方程式可知，在原料和织物紧度相同的情况下，不同组织（即交织频率不同）其导湿率也不同，在试验范围内与经纬向毛细管高度和扩散直径都存在二次函数关系。

交织频率在0.2~0.4之间（即五枚缎纹，1/4斜纹，1/3斜纹，2/2斜纹等组织）时，经纬向毛细管效应和扩散性均较好，但平纹（交织频率为0.5），8~16枚缎纹组织（交织频率为0.13~0.06）,其毛细管效应和扩散性均不理想，可见组织交织频率过大或过小都不利于吸湿排汗功能。

四、染整加工

吸湿排汗（快干）织物（纯纺、混纺或交织）的染整加工，其前处理和染色印花等工艺流程和具体加工技术条件，基本上可参照常规聚酯及其混纺或交织物的工艺流程和工艺参数，只是由于吸湿排汗（快干）纤维的特殊异形结构形态，尤其是表面的微细沟槽或微孔应注意避免受到较大损伤，否则会影响产品的吸湿排（快干）功能。

此外，染整加工的重要目的是使吸湿排汗（快干）纤维表面亲水化，使织物中的无数微细毛细管通道具有强大的吸附湿气和水份的原动力，塑造成性能优良的吸湿排汗（快干）产品，兹将有关注的问题简述于后。

（一）前处理和染色（11）（12）（13）（14）

前处理不论是冷轧堆工艺还是轧蒸高温工艺，为了防止微细沟槽受到损伤，碱液浓度，堆放时间，汽蒸温度和时间适当调整，避免聚酯分子的过份碱水解而影响纤维表面的异形结构。

混纺或交织物如需丝光加工，则其烧碱浓度以200g/L左右为宜，热定形温度以180℃左右为好。

染色时，由于异形聚酯纤维的表面积比常规（园形）聚酯纤维的大20~30%，使分散染料的吸附速率要快得多，应控制上染速度，和适当降低染色温度等方面，采取必要的措施。

（二）亲水化技术

水与聚酯纤维表面的接触角约为800左右，是不易润湿聚酯纤维的，可谓称为是疏水性表面，据测定聚酯纤维的临界表面张力（γe）为43dyne/cm，而水的临界表面张力为72.8dyne/cm；水滴不能润湿聚酯纤维的表面，当然就不可在聚酯纤维表面自由地铺展了。

亲水化技术是提高聚酯纤维表面的临界表面张力，使之大于水的临界表面张力，使水滴能瞬间被聚酯纤维吸收，并自动沿织物中的毛细管通迅速扩散。

而且这种表面亲水化处理技术又要具有足够的耐久性，能满足织物的服用要求才行。

当前聚酯纤维表面的亲水化有三种方法（15），一是在纤维表面形成一薄层亲水性膜；二是在纤维表面分子上接技亲水性化合物（如SAC工艺）；三是用低温等离子体技术改变纤维表面原子组成结构。

目前已工业化应用的第一种方法，即在纤维表面施加具有亲水性基团的聚合物，而其它两种方法尚在不断完善中。

聚合物中各种官能团吸附水分子的能力是不同的，据研究资料表明，在25℃不同相对湿度时，其吸附克分子水的关系如表7所示（16）

表7高聚物结构中各官能团吸附克分子水率（25℃不同相对湿度时）

官能团

相对湿度

0.3

0.5

0.7

0.9

1.0

—CH3

—CH2—

—CH

（1.5×10-5）

（2.5×10-5）

（3.3×10-5）

（4.5×10-5）

（4.5×10-5）

—

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

C=O

0.25

0.055

（0.11）

（0.20）

（0.3）

O

-C

O-

0.025

0.05

0.075

0.14

0.2

O

0.006

0.01

0.02

0.06

0.1

—OH2

0.35

0.5

0.75

1.5

2

—NH3

0.35

0.5

0.75

1.5

（2）

—NH2

2.8

5.3

—COOH

0.2

0.3

0.6

1.0

1.3

—COO

1.1

2.1

4.2

O

—C

NH-

0.35

0.5

0.75

1.5

2

—CO

0.003

0.006

0.015

0.06

（0.1）

—CN

0.015

0.02

0.065

0.22

（0.3）

由此可知，高聚物中的羧基盐和羟基等是有利于吸湿的，另外有一些文献资料指出一些极性基团与水分子的配伍数，如表8所示（17）

表8极性基与水分子配位数

-CH

-COOH

-NH2

=NH

=O

-N=

水

3

4~5

3

2

2

1

（三）亲水整理

亲水整理剂顾名思义是能赋予纤维亲水性能的一种功能整理（助剂），基于亲水整理剂用于原来是疏水性的吸湿排汗纤维后，能生产吸湿排汗（快干）功能，因而，有些这类商品称谓吸湿排汗或吸湿快干整理剂的，这类助剂按其化学结构大致可归纳成如表9所示（18）

表9亲水整理剂的结构分类

嵌段共聚醚酯类

聚胺环氧类

阳离子聚丙烯酸酯类

聚氨酯类

聚醚改性聚硅氧烷类

线性氨基聚醚嵌段共聚硅氧烷类

在亲水整理剂中，最早的著名商品是Permalose，有PermaloseT，TG和TM等品种，据称这类亲水整理剂的主要组分是聚醚酯嵌段共聚物，其分子量约为30000左右，其中聚醚段分子量为1000左右，嵌段共聚物的熔点