具有调温功能的材料可以在外界环境刺激下产生一定响应，对于冬季保暖织物而言，调温功能可以在不增加织物厚度的情况下给人体带来更多热量，使人体获得暖感。其中，吸湿发热纤维是一类通过吸湿将人体⁃服装微气候中运动的水分子吸附获得部分热能的调温材料，在纺织领域具有很好的应用前景［1］。市场中常见的吸湿发热纤维有亚丙烯酸盐系纤维、改性聚丙烯酸类纤维、超细特腈纶以及改性腈纶等［2］。改性腈纶是通过增加亲水基团使纤维吸湿性大大提高。除了亲水基团吸湿转换产生的热能给人体带来暖感外，高吸湿性还能使人皮肤表面保持干爽，避免了人体出汗产生的湿冷感［3］。目前针对吸湿发热纤维的产品研发，利用纱线和织物不同结构的配合是发挥纤维功能性的一个重要途径［4］。方国平采用赛络集聚纺设计了不同配比的改性腈纶混纺纱线，当与其他化纤混纺时，改性腈纶占比达20%时，才能达到FZ/T 73036—2010《吸湿发热针织内衣》中规定的标准；而与棉纤维混纺时，含量为15%即可实现更强的吸湿发热功能［5］。有关吸湿发热织物结构的研究主要涉及针织面料，设计时往往采用多层结构，通过不同层间的结构配置形成吸湿发热的单向导湿效果［6］。基于此，本研究开发了改性腈纶吸湿发热机织物，通过织物层间配置设计，测试分析不同组织结构对织物热湿舒适性能及调温功能的影响，并进一步探究织物速干性能与其吸湿发热功能性间的关系，为开发兼具吸湿发热和速干功能的保暖舒适机织物提供参考。1 试验部分1.1　材料及仪器试验材料：改性腈纶、棉纤维、粘胶纤维、异形涤纶。仪器：傅里叶红外分析仪（Perkin Elmer公司）、DXS⁃10ACKT型扫描电子显微镜（上海电子光学技术研究所）、YG747型通风式快速八篮烘箱（常州市双固顿达机电科技有限公司）、LLY⁃06 EDC型电子单纤维强力仪（莱州市电子仪器有限公司）、XD⁃1型振动式纤维细度仪（上海新纤仪器有限公司）、FA2004A型电子天平（上海恒平科学仪器有限公司）、YG606E型织物热阻测试仪（温州方圆仪器有限公司）、YG461E型全自动透气仪（宁波纺织仪器厂）、FFZ191型水分蒸发速率检测仪（温州方圆仪器有限公司）。1.2　测试方法织物透气性测试参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，测试面积20 cm2，测试压力100 Pa，每块试样测试10次，结果取平均值。导热性能的测试参照GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定（蒸发热板法）》，测得织物的热阻。吸湿发热性能测试参照GB/T 29866—2013《纺织品 吸湿发热性能试验方法》，将组合试样置于105 ℃烘箱中烘燥至恒重，冷却后快速转移至恒温恒湿箱中进行测试。测试条件为温度20 ℃，相对湿度90%，测试过程中用温度传感器记录30 min内每隔10 s试样的温度以及空白对照温度。根据所得数据绘制织物的温升值⁃时间曲线并记录最高温升值和平均温升值。芯吸高度测试参照FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》，测量30 min时织物的芯吸高度，试样280 mm×30 mm，每块织物分别测试沿经向和纬向的试样各3块，结果取平均值。并根据GB/T 21655.2—2019《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》，测试织物浸水面和渗透面的液态水扩散速度、吸水速率以及最大浸湿半径等参数［7］。2 改性腈纶性能特点2.1　纤维表观形态图1为改性腈纶的扫描电镜。图1改性腈纶扫描电镜.F1a1（a）截面形态.F1a2（b）纵向形态由图1可以看出，改性腈纶横截面形状为近似圆形或椭圆形，界面轮廓呈不规则锯齿或波浪状。由于湿法纺丝凝固浴的作用，改性腈纶有明显的皮芯结构，改性腈纶皮层与芯层形貌有一定差异性，表现为部分纤维芯层存在孔洞和轻微的皮、芯层分离现象。改性腈纶表面结构粗糙呈树皮状，表面沿纵向布满了高低起伏的狭长沟槽。这种表面结构一方面增加了纤维比表面积，为水分的吸附提供了更多结合位点；另一方面，沟槽有利于形成纤维的导湿通道，从而提高纤维的芯吸性能。2.2　纤维分子结构图2为改性腈纶和棉纤维的红外光谱。.F002图2改性腈纶和棉纤维的红外光谱图2中，棉纤维在2 899 cm-1的位置为亚甲基C—H的不对称伸缩振动峰，1 026 cm-1处表现为多糖类纤维素的C—O伸缩振动峰，558 cm-1处为C—H面外弯曲振动峰。在存在亲水基团的位置中，两种纤维的红外光谱在3 332 cm-1处和2 899 cm-1有着相似的形状，3 332 cm-1处峰形较宽，属于羟基—OH或—NH的伸缩振动吸收峰。改性腈纶在1 546 cm-1和1 399 cm-1的位置分别对应了—COO—的非对称和对称伸缩振动峰，证实了羧酸基团的存在。从红外光谱可以看出，改性腈纶中含有比棉纤维更多的亲水官能团。2.3　纤维基本性能测试改性腈纶与棉纤维的基本性能测试结果如下。.T001试样棉纤维改性腈纶线密度/dtex1.502.33长度/mm25.0033.00断裂强度/（cN·dtex-1）3.072.04断裂伸长率/%10.4940.01回潮率/%11.7833.20从以上数据可以看出，改性腈纶较棉纤维粗，强度也较小，结合纤维的扫描电镜分析，强度较小可能是由于皮芯结构中纤维的缺陷造成的。较低的强力导致改性腈纶的可纺性较棉纤维差。所以，改性腈纶往往与其他纤维混纺使用。改性腈纶的断裂伸长率比棉纤维大，纤维具有柔韧的特点。其最大的特点是回潮率高达33.2%，是棉纤维的近3倍。因此将改性腈纶与棉纤维混纺使用，可以提高纤维可纺性和织物的回潮率。3 改性腈纶吸湿发热保暖面料设计考虑到织物的保暖性，各层的组织结构应最大限度防止热量的散失。蜂巢组织利用长短浮长线的间隔配置使织物表面产生凹凸不平、形似蜂巢的外观效果，凸起部分能形成容纳大量静止空气的通道。设计以蜂巢组织为基础组织的多层织物结构，相较于单层蜂巢组织，可减少织物内部空气的流动，提高织物的保温性能。本研究设计了6种保暖机织物，其中织物1和织物2为双层组织，表层采用蜂巢组织，里层采用一上三下右斜纹；织物3为双层组织，表里层均采用蜂巢组织；织物4为纬三重组织，表层八枚三飞经面缎纹，中间层二上二下左斜纹，里层八枚三飞经面缎纹；织物5为三层组织，表层采用蜂巢组织，中间层采用二上二下右斜纹，里层采用蜂巢组织；织物6为三层组织，表层采用蜂巢组织，中间层采用平纹，里层采用蜂巢组织。具体规格见表1和图3。.T002表1织物基本结构参数织物编号经密/［根·（10 cm）-1］纬密/［根·（10 cm）-1］单位面积质量/（g·m-2）厚度/mm13202801890.86824003602440.93534003602381.22144003602200.55754003602301.25764003602391.255图3织物组织.F3a1（a）织物1和织物2.F3a2（b）织物3.F3a3（c）织物4.F3a4（d）织物5.F3a5（e）织物6为了使改性腈纶较大程度吸收水分而不直接与皮肤接触造成湿冷感，根据差动毛细效应理论，使用不同组分和线密度的纱线设计出多层织物结构，以形成内外毛细压力差。由此，面料里层采用导湿性能优良的纱线形成导湿层，可以快速将水分导出。采用表面带沟槽的异形截面涤纶长丝为织物里层和经向用纱，充分发挥其导湿透气的功能。对于双层织物而言，织物表层为吸湿发热功能层。三层织物的结构功能示意见图4，由于增加了吸湿储湿中间层，可以延长表层吸湿发热的过程。粘胶纤维的回潮率一般为13%，在常见纤维中吸湿性较强。本研究在三层织物中以粘胶9.8 tex纱作为中间层，其吸湿性能处于里层和表层之间，中间层采用较表层和里层纱更细的纱，在里层水分向外传递时，其较强的毛细压力作用使水分不会迅速扩散到表层，即起到储水的作用。在具体纱线配置上，双层织物经纱为涤纶14.8 tex长丝，纬纱表层为棉/改性腈纶 85/15 14.8 tex纱，里层为涤纶14.8 tex长丝；三层织物经纱为涤纶14.8 tex长丝，纬纱表层为棉/改性腈纶 85/15 14.8 tex纱，中间层为粘胶9.8 tex纱，里层为涤纶14.8 tex长丝。.F004图4三层织物结构功能示意图4 织物性能测试与分析4.1　织物保暖性能由于不同结构织物的静止空气状态不同，以及不同织物材料的导热系数差异，所以影响保暖性的因素较多，保暖性的评价主要测试织物的透气性以及导热性能。织物1~织物6的透气率依次为991.26 mm/s、376.94 mm/s、632.46 mm/s、141.74 mm/s、1 125.12 mm/s、1 039.65 mm/s。由此可知，织物4的透气性最差，这是因为纬三重组织1个系统的经纱同时与3个系统的纬纱交织，不同系统的纬纱交叠形成紧密的结构，气流通过的阻力较大。其余5块织物中均包含了蜂巢组织结构。双层织物中，织物1的透气率最优，织物3其次，织物2最差，织物1的紧度最小，结构较为松散，透气性能良好。同样，织物3里层为蜂巢组织，其结构较织物2里层为一上三下右斜纹的织物更加松散，因而织物透气性较好。织物5和织物6三层织物结构决定了在相同密度下，其纱线分布于不同平面，导致同一平面所含纱线量不及双层织物。另外，三层立体结构能形成更多的孔隙通道，有利于气流通过，所以织物5和织物6透气性均较好。而且与织物6中间层为平纹相比，织物5中间层采用二上二下右斜纹时的织物透气性更优。织物的热阻测试结果见表2。.T003表2织物热阻织物编号热阻/（m2·k·W-1）织物编号热阻/（m2·k·W-1）114.48×10-3414.39×10-3221.36×10-3536.92×10-3325.91×10-3638.59×10-3由表2可知，除了织物4，三层织物的热阻均大于双层织物。织物4尽管具有与其他两种组织结构相近的单位面积质量，但由于织造时要使三组纬纱相互重叠，织物结构紧密，厚度较小，所以热阻小。对比织物1、织物2可知，织物2经密和纬密较大，单位面积质量和厚度也较大，使织物中空气通过的阻力增大，从而拥有较大的织物热阻。对比织物2、织物3可知，双层织物中表里层均为蜂巢组织的织物保暖性更优，这是因为双层蜂巢组织在组织点凸起处能形成更多空气层。织物3、织物5和织物6的单位面积质量相差不大，但三层织物的厚度更大，且增加中间层接结组织后，织物受剪切力作用时不易产生变形，即空气层的稳定性更好，所以热阻表现为织物5和织物6更大。同理，中间层为平纹组织的织物6结构更为稳定，所以热阻最大。4.2　吸湿发热性能织物的温升值随时间的变化曲线以及平均温升值和最高温升值分别见图5和表3。.F005图5织物的温升值⁃时间曲线.T004表3织物的平均温升值和最高温升值织物编号平均温升值/℃最高温升值/℃11.162.7521.483.5531.453.4041.504.0551.804.0061.453.70由图5和表3可知，织物1的平均温升值和最高温升值都是最低的，究其原因，织物吸湿发热的效果主要是由所包含的吸湿发热材料的含量决定的。织物1的经密和纬密小，织物所含改性腈纶少，其吸湿发热性能最差。而对比其余5块织物可知，织物结构是影响吸湿发热性能的另一个因素。其中，三层织物的最高温升值普遍大于双层织物。分析可得，三层织物中拥有更多储存静止空气的空隙，使得放出的热量不易散失。织物5的最高温升值较高，平均温升值是6种织物中最大的，可以认为其吸湿发热量较大，发热功能较持久，具有较优的吸湿发热性能。以上研究表明，通过科学的结构设计，可以在一定程度上改善吸湿发热面料的发热性能。但参考FZ/T 73036—2010《吸湿发热针织内衣》中对针织物平均温升值不小于3 ℃的要求，6块织物的平均温升值均未达到，仅织物4和织物5满足其中对最高温升值不小于4 ℃的要求。综上，三层织物更有利于最高温升值和平均温升值的提高，但在相同织物密度的情况下，三层织物功能层所含改性腈纶含量较双层织物有所下降，此时可以通过增加织物密度或混纺纱中改性腈纶的配比来进一步增强吸湿发热效果。4.3　织物芯吸和液态水分管理性能经测试，织物1~织物6的经向芯吸高度分别为12.15 cm、13.00 cm、11.85 cm、13.85 cm、12.20 cm、12.20 cm，纬向芯吸高度分别为12.40 cm、13.05 cm、12.95 cm、13.85 cm、11.15 cm、11.85 cm。由此可知，三层织物中除了纬三重组织，纬向芯吸高度均较双层织物小，是因为双层织物纬纱中的改性腈纶相对更多，而改性腈纶含有更多的亲水基团。6种织物中，纬三重织物芯吸性能最好，这是因为其纱线间排列更紧密，从而纤维间形成的毛细管间隙较小，芯吸压力较大，芯吸作用较强，而且纬三重织物经纬向芯吸高度基本一致。织物5和织物6的经向芯吸高度高于纬向芯吸高度，是因为织物的经密均大于纬密，即单位长度里所含经纱根数比纬纱多，能够形成更多的毛细管，所以经向芯吸高度更大。同理，织物2相对于织物1增加了经纬纱根数，因而芯吸高度优于织物1。织物1中经向芯吸效应不及纬向，这是因为里层采用了一上三下右斜纹组织，造成经纬向对应的组织点分布不同，当经纬密增加后，这种差异会减小。不同织物的液态水分管理性能根据GB/T 21655.2—2019《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》进行评级，见图6。具体的液态水分管理测试结果见表4，浸水面测试的是织物组织结构的里层，渗透面测试的是织物组织结构的表层。.F006图6织物液态水分管理性能评级.T005表4织物液态水分管理性能测试结果织物编号浸湿时间/s吸水速率/（%·s-1）最大浸湿半径/mm液态水扩散速度/（mm·s-1）单向传递指数/%浸水面渗透面浸水面渗透面浸水面渗透面浸水面渗透面14.612.3434.8051.0615252.816.94367.1824.682.5221.3945.1215232.526.55420.7337.242.3419.1947.5910251.297.22515.7442.342.8339.9547.6920256.115.31145.4855.712.0021.8445.9512251.917.45470.7066.372.0617.5345.1610251.497.19520.73由表4和图6可知，除织物4外，其他5种织物的液态水单向传递能力达到了5级，表明这5种织物均具有优良的单向导湿性。织物4的单向导湿能力最差，浸水面浸湿时间最短，浸水面吸水速率、最大浸湿半径和液态水扩散速度均最高。织物4液态水分管理性能指标均达到3级及以上，表明其同时具有吸湿速干性和吸湿排汗性，也进一步说明在吸湿发热性能测试结果中，该织物最高温升值较高，但持续升温的时间较短的内在原因。从表4可知，织物2与织物1的主要差异体现在浸湿时间上，因为织物1的密度较小，纱线排列疏松，织物最薄，导致其浸水面浸湿过程较快。织物3表层和里层均采用蜂巢组织，织物中间形成的空隙有利于水分存储而不利于水分通过，因而出现较大的浸水面浸湿时间和较小的液态水扩散速度，其浸水面最大浸湿半径也较小。织物5和织物6的最大浸湿半径呈现出与织物3相同的规律，但相较而言，采用了三层组织，增加了垂直于织物平面的连接纱，织物导湿性能有所提高。尤其是织物5，在3种织物中浸湿时间最短，浸水面浸湿半径、吸水速率和液态水扩散速度最大。综上，在所设计的吸湿发热机织物中，织物5最高升温值最优的原因在于其优异的吸湿性能，吸湿发热持续时间更长的原因在于较大的浸水面浸湿半径以及较大的液态水扩散速度。5 结论本研究基于改性腈纶吸湿发热纤维的特性，开发不同织物结构的吸湿发热机织物，通过热湿舒适性相关性能测试与分析，发现提高织物功能不仅要从纤维功能性的角度考虑，利用科学的层间纱线配置，形成导湿⁃储湿⁃吸湿发热的梯度搭配，还要从织物自身的保暖性能设计出发。选择的三层蜂巢组织一定程度上提升了织物的保暖性，且具有透气性好、单向导湿性能优异的特点，其中，中间层为二上二下右斜纹的吸湿发热机织物综合性能更优。参照现有关吸湿发热针织内衣的吸湿发热标准来看，所得织物的平均吸湿发热性能低于规定值。一方面，应根据机织物的使用需求制定适用于吸湿发热机织物的测试与评价标准；另一方面，在织物设计时可以通过增加功能层纱线密度或混纺纱中改性腈纶的含量来进一步提升其功能性。