定向导水Janus复合棉织物制备及其凉感性能.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.定向导水 复合棉织物制备及其凉感性能陈 帆金万慧王 騊(.浙江理工大学材料科学与工程学院杭州 .湖北省纤维检验局武汉 摘 要:热湿舒适性纺织品能有效地调节皮肤表面的水分和温度同时节约能耗在维持人体生理和心理舒适方面发挥着关键作用 采用丝网印刷技术结合喷涂法在棉织物两面分别负载 涂层和 涂层制备了一种具有润湿性差异的 复合棉织物()可为人体降温 通过、等表征手段对其形貌结构和化学构成进行分析利用滴水扩散实验研究其定向输水性能 结果表明:随着 喷涂量增加复合棉织物导热性能呈先增强后减弱的趋势其中 具有最佳的热传导性能(导热系数为.()同时亲水面的亲水性会降低但 仍能表现出优异的定向输水性能()在户外场景对其进行降温测试对比商用棉织物复合棉织物表现出 的降温效果关键词:功能纺织品复合棉织物个人热管理单向水传输热传导中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:浙江省自然科学基金项目()作者简介:陈帆()男湖北仙桃人硕士研究生主要从事热湿舒适性功能纺织品制备及应用方面的研究通信作者:王騊:.服装与人体之间的微环境对人体的热湿舒适性十分重要 研究表明改善个体周围的微气候比改变外部环境更有效 热湿调节纺织品能够改善个人舒适性而不需要对整个空间进行冷却灵活地维持人体生理和心理的舒适 这种纺织品已广泛应用于体育、建筑和工业制造等各个领域近年来人们致力于开发先进的可穿戴热湿管理纺织品这种纺织品仅通过调节皮肤与局部环境之间的热交换来改变身体周围的微气候完全不会造成能源的消耗例如异形纤维织物()然而水的比热容和密度均高于空气因此皮肤表面残留的汗液会储存热量这会对织物的热舒适性和冷却性能造成负面影响 异型纤维面料无法实现水分的定向输送这会导致部分汗液会滞留在皮肤一侧从而影响服装的穿着舒适性针对该问题研究者们开发出 型纳米纤维织物(一种由亲水和疏水结构共同构成的织物)并将其广泛应用于定向导水和皮肤湿度管理例如 等制备了一种由 层纳米纤维薄膜逐层沉积形成的智能吸湿排汗织物该织物的定向水传输能力()远高于其他商用吸湿排汗纺织品能达到 等基于维管植物的多分层结构和互联网络制备了一种模拟蒸腾效应的纳米纤维织物它除了具备快速的水分蒸发率(.)外还表现出理想的 值()这些研究证明通过逐层沉积制备的纳米纤维织物可以通过厚度的变化实现润湿性梯度从而获得令人满意的单向水传输能力和水分管理性能 但是不容忽视的问题是由于层间缺乏作用力纳米纤维薄膜非常容易剥离导致在定向水传输过程中薄膜层间的夹液现象从而使材料整体失去定向导水能力 同时由于目前静电纺丝纤维的规模化制造还未实现实际应用仍受到限制 因此在原有纺织品基础上进行性能改进仍是获得先进功能面料的最佳途径另一方面印刷技术是一种能够将物理化学材料整合到纺织品上常用的简便工艺 其中丝网印刷技术已被广泛应用于纺织品上负载染料颗粒及纳米功能材料 等通过丝网印刷技术在棉织物表面负载一层氧化石墨烯涂层作为亲水外层还原氧化石墨烯作为疏水内层制备了一种 功能棉织物 但是这种织物只能简单地排出汗液并没有加快体表热量的散发 碳化硅()拥有独特的物理化学性能如硬度和机械稳定性在高温下具有良好的导热性和低热膨胀系数 由于它的化学惰性高耐腐蚀和抗氧化性使其成为负载在纺织品上的理想材料棉织物是一种广泛使用的天然纺织品具有生物可降解性、透气性、亲肤性和低成本等优异性能 然而棉易吸收汗液且导热系数较低(.()不适合用作生产高性能夏季服装 针对以上问题本文主要研究在棉织物上负载 纳米颗粒的具备热湿调节功能纺织品的制备与应用 通过丝网印刷技术在棉织物的一面涂覆再用喷涂法在 层负载 另一面负载 制备一种具有润湿性差异的复合棉织物复合织物制备简单适用于实际生产契合“碳达峰碳中和”的战略目标在户外服用热湿调节纺织品领域具有广阔的应用前景 实 验.材料与仪器 纳米颗粒(上海麦克林生化有限公司)聚乙烯醇(上海麦克林生化有限公司)四氢呋喃(杭州高精细化工有限公司)聚二甲基硅氧烷(由主剂与固化剂组成)上海道康宁有限公司)丙酮(杭州双林化工试剂有限公司)无水乙醇(杭州双林化工试剂有限公司)去离子水商用棉织物(由湖北省纤维检验局提供).实验方法图 为 复合棉织物的制备流程其中角标 表示悬浊液中 的百分含量.单面涂覆棉织物的制备首先将商用棉织物分别用丙酮、乙醇和去离子水超声洗涤 在电热恒温鼓风干燥箱中 烘干备用用于除去棉织物表面的有机物等杂质然后将 溶解在 去离子水中 水浴剧烈搅拌 得到 的 水溶液备用随后采用丝网印刷技术将一块经过预处理的棉织物()垫在丝网下方在其上方滴加 的 水溶液使用刮刀将其涂抹均匀且保持润湿状态备用(表示为)图 复合织物的制备流程.纳米颗粒单面负载棉织物的制备分别将.、.、.的 加入到 乙醇中室温下剧烈搅拌使其分散均匀得到、和 的 乙醇悬浊液(乙醇作为溶剂易挥发干燥后不会对织物的性能造成影响)往喷嘴尺寸为.的喷枪中加入 上述悬浊液以垂直方向分别喷涂在 中 涂覆层一面(作为亲水层具有很强的黏性可使其与 结合得更紧密)喷嘴与织物之间保持 的距离确保其不会渗透至另一面 在 电热恒温鼓风干燥箱中干燥得到负载 的 单面涂层棉织物(表示为).定向导水 复合棉织物的制备首先将 主剂()与固化剂(.)以恒定的 比例在四氢呋喃()中混合均匀搅拌 并脱气以去除气泡 然后将搅拌后的混合物装入喷枪中用上述相同手法喷涂在棉织物未改性的一面作疏水处理 最后将复合织物样品置于 的电热恒温鼓风干燥箱中干燥 完成固化过程以获得 复合棉织物(表示为)为了对比负载 前后织物的性能往 的背面也喷涂(与以上过程一致)作为对比样品(表示为).测试与表征使用场发射扫描电子显微镜(德国)对样品的微观形貌进行表征 使用透射电子显微镜(日本)进一步观察样品的形貌结构 使用 射线衍射仪(瑞士)分析样品的晶体结构 使用 第 期陈 帆 等:定向导水 复合棉织物制备及其凉感性能光学接触角仪(德国)测试样品的水接触角 参照 标准使用水分管理测试仪(美国)定量测量样品的定向液体传输能力使用热导率分析仪(加拿大)测试样品的导热系数 结果与讨论.复合织物的形貌与结构表征图 展示了制备过程中棉织物表面的形貌变化 如图()所示未经处理的棉织物原样在经过丙酮和乙醇的超声清洗后纤维表面显示天然棉纤维所有的粗糙性 而经过丝网印刷涂覆 后与原始棉纤维相比 表面因覆盖聚合物涂层而变得光滑(见图()涂层铺展均匀因此它可以作为黏合剂有效黏附 同时 中含有大量的亲水羟基基团具有亲水性可以作为 棉织物的亲水层 从图()中可以看出通过简单的喷涂方式在棉纤维表面成功地沉积了粒径均匀且分布均一的 (平均直径为()这种均匀分布的方式能够有效均一、有效地增强棉织物的导热能力 从图()中 的元素映射图可以观察到 和 元素均匀的分布在棉纤维中 元素则分布在表面这进一步辅助说明了 均匀地分布在棉纤维表面 其 图像清楚地表明单个 纳米颗粒结晶良好具有清晰可辨的晶格条纹其中.的晶面间距对应于()面(见图()()图 不同织物样品以及其不同放大倍率的 照片.图 的 和 照片.复合织物制备过程中的 个主要制备阶段产物的 图谱如图 所示可以看出原始棉织物主要的特征峰在.、.和.处分别对应棉的()()()晶面(.)对应的特征峰与 大致相同说明聚合物涂层并未破坏纤维结构 而在喷涂 后在.、.、.、.处新出现了 个衍射峰对应于 的()()()()晶面(.)进一步证实 已负载在棉纤维上且结晶度良好.复合织物的热管理性能将、和 放置在同一热台上通过红外热相机现代纺织技术第 卷记录加热过程比较它们的传热能力(见图()样品在热台上加热 的表面瞬态温度如图()所示在加热过程中喷涂 的样品表现出比普通织物更高的传热速率这得益于 极高的导热系数(见图()所以它们能产生快速的热响应然而并不是 负载量越高就越好可以看出随 负载量增加反而会阻碍织物的热传导过程 的升温速率就比 慢(见图()这是由于 负载量增加推测有部分堵塞棉纤维间的孔隙进而影响到了热量的发散 将各织物置于同一加热阶段进行热传导性能的比较 分别在、和 的平衡温度下记录相应的红外热图像(见图()结果表明与其他织物相比 的显色率最低其温度与热台的平衡温度最接近这说明它具备最佳的散热性能(导热系数为.()能将人体产生的热量快速传递至外界达到冷却的目的图 、和 织物的 光谱.图 不同织物的热传递性能.第 期陈 帆 等:定向导水 复合棉织物制备及其凉感性能.复合织物的定向水传输性能为了研究 和 涂层对棉织物润湿性能的影响测量了、和 的静态水接触角()(见图()()可以看出液滴的形态随时间的变化可以证明样品间存在润湿性差异 在涂覆 后织物显示较原织物更良好的亲水性 而当在 表面沉积 后 质量分数从增加到时 的 减小到所需要的时间逐渐增大 推测这是因为商用 因其制备工艺限制具有表面疏水性因此随着负载浓度的升高疏水性逐渐增加而导致水传输性能变差 但 浓度太小又会影响 复合织物的传热性能 所以最终选择 作为最佳 负载量进行后续的定向水传输性能分析如图 所示分别从 复合织物 的两侧分别滴加 的墨水并从顶部和侧面观察其单向输水的过程 当将墨逐滴滴在亲水性 表面后其润湿面积随时间的流逝逐渐增大直至墨滴在表面完全扩散不再向下渗透(见图()表面的深蓝色扩散区域表明墨水在亲水表面完全扩散 然而将墨滴逐滴滴在疏水性 表面后液滴首先维持球形状态逐渐坍塌之后液滴迅速穿过织物并渗透至亲水性 侧扩散(见图()的黑灰色区域)只在 侧的扩散区域内形成一个明显的“暗斑”(浅色斑痕代表墨水在反向亲水面的铺展)说明墨滴从 侧转移到 一侧并被 侧吸收 该现象证明复合织物两侧具有明显的浸润性差异可用于定向水传输 图 、和 侧的润湿性能.图 通过滴墨()研究了 上的单向水传输过程.()现代纺织技术第 卷 图()()直观地显示了不同体积的水滴分别滴加到 两侧时扩散直径与时间之间的关系 当滴水体积为、和 时亲水性 侧的水扩散直径分别为.、.、.和 侧的扩散直径分别为.、.、.和.显然无论水体积大小如何变化与疏水性 侧相比亲水性 侧具有更大的水扩散直径这也表明 具有 浸润性差异此外通过水分管理测试仪()对 的定向水传输性能做了进一步的定量分析图()()分别为往 上表面(侧)和下表面(侧)注水时的含水量变化图在往疏水性 侧(上表面)注水的过程中上下表面含水量同时增加在 内达到最大值 停止注水后上表面的含水量值显著下降 这是因为上面疏水 侧与下面亲水 侧的浸润性差异导致水就会被定向输送至下表面亲水面 在 后下表面的含水量保持在 左右说明水已经全部转移至亲水 一侧 相反当亲水 作为上表面在往 侧注水时疏水侧的含水量始终保持为 还计算了 织物的单向输水能力()表明复合棉织物拥有出色的单向水传输性能 因此将复合织物的 面作为服装内层接触皮肤可将其表面汗液定向传输至外界并带走热量综合考虑到 的热传导和定向排出汗液两个功能协同为人体降温 在户外场景下分别拍摄了裸露皮肤、穿上 和 的红外热照片(见图)可以明显地观察到穿上 对体表温度基本没有任何改善而复合织物 在无需任何外部能源输入的情况下为人体降温约 图 不同体积水滴在 上的扩散直径和 测试结果.图 户外场景下裸露皮肤、穿上 和 的红外热照片.第 期陈 帆 等:定向导水 复合棉织物制备及其凉感性能 结 语本文采用简单的丝网印刷技术结合喷涂法在棉织物的两面分别负载了亲水 涂层和疏水 层制备了一种具有导热性能和 浸润性差异的复合棉织物 用热台模拟体表皮肤测试了系列样品的热传递性能其中 复合棉织物 的性能最佳 通过滴水扩散实验证明其具有优异的定向导水能力 在户外实际场景测试了样品的实际降温效果对比商用棉织物表现出 的降温效果这也与模拟实验的结果一致这种 复合棉织物能快速传递体表产生的热量散发到外界同时主动排出皮肤表面分泌的汗液使其蒸发带走热量两者协同作用共同为人体降温该复合织物在户外服装领域有广阔的发展前景参考文献:陈佳慧梅涛赵青华等.热湿舒适性智能织物的研究进展.纺织学报():.():.:.代玲静刘皓.服装的热湿舒适性研究进展.西部皮革():.():.():.韩梦瑶任松葛灿等.用于个人热管理的被动调温服装材料研究进展.现代纺织技术():.():.晋义凯黄钢李峥嵘等.兼具热湿管理功能的全疏水织物的制备与性能.印染():.():.():.:.():.():.:.:.:.龙晶沈兰萍.云母棉纤维吸湿速干型凉爽织物的开发.现代纺织技术():.():.赵敬德丁义冉张春红.室外高温环境下通风服装的传热模型与实验研究.纺织学报():.():.孙岑文捷倪军张昭华等.针织运动服的通风设计与热湿舒适性评价.纺织学报():.():.:.():.():.():.:.():.现代纺织技术第 卷 .():.():.():.():.():?.():.:.(.):.:第 期陈 帆 等:定向导水 复合棉织物制备及其凉感性能