汗湿条件下织物动态水传递的测试与分析

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　　摘 要：为了分析织物动态水传递性能，自行搭建一种具有芯吸导水功能的显性出汗模拟装置，拍照记录不同时刻织物的润湿图像，利用电子天平在线测量系统实时记录织物在吸水或蒸发过程中重量值的动态变化。利用该装置对6种面料分别进行了单层织物平面内水传递性能和2层织物层间水传递性能的动态测试。结果显示：润湿图像面积、水分在织物平面内的扩散速度、织物的吸水速度可以反映织物动态吸水与扩散性能，织物表面的水分蒸发速度可以评价织物的快干性能;织物层间水传递性能可利用模拟皮肤的水分转移率进行评价。
　　关键词：织物;模拟出汗;显性出汗;动态水传递;吸湿快干
　　中图分类号：TS101.1
　　文献标志码：A
　　文章编号：1009-265X（2020）02-0040-05
　　Abstract：In order to analyze dynamic water transfer performance of fabric， an explicit sweating simulation device with water transfer function by wicking strips was established.Wetting images of the fabric at different moments were recorded by camera， and dynamic changes in weight of the fabric during the process of water absorption or evaporation were recorded in real-time with the electronic balance online measurement system.The device was used to test the dynamic in-plane water transfer performance of single-layer fabrics and interlayer water transfer performance of 2-layer fabrics of six fabrics.The results show that the dynamic water absorption and diffusion properties of fabric can be reflected via wetted area， diffusion speed of moisture in the plane of fabric and water absorption rate.The fast-drying performance of fabric can be evaluated based on moisture evaporation rate on fabric surface.The interlayer water transfer performance can be evaluated based on the moisture transfer rate of simulated skin.
　　Key words：fabric; simulated sweating; explicit sweating; dynamic water transfer; moisture absorption and quick drying
　　當环境温度升高或者活动强度增大时，人体会通过大量出汗来散发热量，皮肤表面呈液态汗。液态汗水通过服装排出需经过三个阶段：首先面料被汗液润湿，接着汗液被运输到织物外表面，最后蒸发到空气中。如果汗液不能迅速从皮肤上排离，大量积聚在服装与皮肤间的微气候区，会使人产生不适感，因此汗湿状态下织物热湿传递的研究对维持服装内气候的舒适性具有重要意义。织物热湿传递的研究主要分为潜汗和显汗状态两种，潜汗下的热湿舒适性研究有：Fan等[1]研制的低温条件下的出汗平板仪利用水位相等及固液两相平衡的原理实现了自动补水。陈益松等[2]研制了被动式微气候仪，在温控压力水作用下实现了可计量出汗和被测面料湿阻的估算。师云龙等[3]采用硅胶涂层的方法制备了非均匀出汗皮肤，通过对涂层透湿性能分析确定了最佳涂层工艺，并利用分形原理和涂层的热、湿阻，选择出最佳涂层方式。张伟伟等[4]采用TPU透明薄膜模拟人体皮肤，通过自主搭建装置得出与模拟皮肤接触瞬间，不同纤维种类的织物热湿传递结果不同。显汗状态下的研究有：Zhu等[5]提出了一种利用热电偶阵列对织物内毛细芯吸量进行测量的新方法。Lin等[6]研制了一种由具有动态水分传递性能的织物制成的运动胸罩，并通过研究证明其可以降低局部乳房皮肤温度，提高女性的热舒适性。唐世君等[7]推导出用于评价显汗条件下织物热湿综合传递性能的新指标—相对散热速率。郜琳[8]研究了织物在潜汗、显汗及不同空气层厚度条件下汗湿织物热阻的变化并用实验模拟了实际穿着过程中汗湿织物的热湿平衡。Rossi等[9]利用X射线断层扫描技术分析了不同袜子材料层间和平面内水传递情况。Tang等[10]开发了基于重力和图像分析技术的自动吸水式水传递测试装置，该装置可以实时测量吸水量，监测水传递方向并估算出皮肤上的残余水量。综上所述，现有的出汗模拟装置鲜有利用芯吸方式来实现被动式出汗。
　　本文研究了一种被动式显性出汗方式，即利用芯吸行为将“皮肤”润湿。通过自行搭建的具有芯吸导水功能的显性出汗模拟装置，进行了单层织物平面内水传递性能和2层织物层间水传递性能的动态测试与分析，所设计开发的模拟皮肤出汗性能测试仪以及实验方法将可以为进一步开展出汗状态下的织物及服装热、湿舒适性测试研究提供参考。
　　1 实 验
　　1.1 实验装置的设计与搭建 　　自行设计的具有芯吸导水功能的显性出汗模拟装置的简化示意图如图1所示，采用重量测量和图像分析技术进行测试。该装置可通过电子天平（10）实时记录热板支架（8）上织物试样（直径为18 cm）吸水重量的变化，并可通过相机（2）捕获试样的润湿图像。厚度为0.5 cm的圆形加热铝板（5）置于热板支架（8）上，并通过恒温控制器控制加热板的表面温度为（34±0.3）℃，恒温加热板上设有7个小孔，其中一个小孔位于恒温加热板的圆心，其余6个均匀分布在距圆心6 cm的圆周上，每个小孔的大小为1.5 cm×0.5 cm的矩形，芯吸条（6）的一端穿过小孔贴在恒温加热板上（贴在恒温热板的长度为0.5 cm，可与面料接触），一端浸入储水容器（7）中，能够将容器中的水不断通过芯吸作用传给织物，达到润湿试样（出汗）的目的。芯吸条由无纺布制成，因为无纺布具有很好的吸水性和水传递性，芯吸条大小为1.2 cm×8 cm。升降平台（9）可以控制储水容器（7）的高度，升降平台（9）的高度下降后，芯吸条（6）便与水脱离，停止向试样供水。
　　1.相机支架;2.相机;3.试样;4.模拟皮肤;5.恒温加热板;6.芯吸条;7.储水容器;8.热板支架;9.升降平台;10.电子天平
　　该装置可以测试单层织物试样的水平芯吸性能，如图2（a）所示，也能测试双层织物试样的层间水传递性能，如图2（b）所示，两种实验初始状态时，控制水平面至加热板底面的间距均为4 cm。进行单层试样的水平芯吸测试时，用单根芯吸条供水，试样直接平铺在恒温热板上;将模拟皮肤用于层间水传递测试，模拟皮肤用来模拟人体皮肤出汗，将汗液传递到试样织物上，并用7根芯吸条同时供水，可以较快地润湿模拟皮肤，缩短实验时间。芯吸条分布位置如图2（c）所示。
　　1.2 实验材料
　　本实验选取了6种面料，包括1种机织物和5种针织物，其中针织物密度单位为线圈/10 cm，机织物密度单位为根/10 cm。样品规格参数见表1。
　　试样预处理：为了减少织物表面的褶皱、灰尘等对实验结果的影响，将面料放入盛有清水的盆中浸泡20 min，将浸泡过的面料用清水冲洗3遍，最后平铺晾干。
　　实验室环境温度为（25±1）℃，相对湿度为（50±2）%，无风，所有试样均在试验环境下平衡放置24 h以上。
　　1.3 实验测试
　　1.3.1 单层织物水传递动态性能测试
　　该实验分为两步：织物动态吸水与扩散测试，织物动态水分蒸发量测试。首先将试样平铺在恒温热板上，芯吸条位于热板中央位置给试样供水，电子天平实时测量试样的动态吸水量，相机拍摄试样芯吸过程中润湿图像的变化，并用Photoshop软件辅助提取润湿面积、平均润湿半径。测试完成后，撤去支架2和升降平台，将恒温热板直接盖在储水容器上，进行试样芯吸过程中水分动态蒸发量的测试，电子天平测量的装置重量的减少量即为蒸发量。进一步根据吸水量、润湿图像面积、水分蒸发量随时间的动态数据，计算织物的吸水速度、水分在织物平面内的扩散速度和织物表面的水分蒸发速度。
　　1.3.2 织物层间水传递动态性能测试
　　将恒温热板的7个孔内均放入芯吸條，同时给模拟皮肤供水，使皮肤均匀润湿，模拟皮肤紧贴恒温热板放置，待模拟皮肤上的水量达到8 g时，降低升降平台，并抽掉芯吸条，停止供水。然后将第2层试样平铺在模拟皮肤上，使模拟皮肤与试样充分接触，电子天平实时测量模拟皮肤与试样组合体的重量变化，即为水分动态蒸发量。测试10 min后，迅速将两层织物分开，分别计算此刻模拟皮肤上含水量和第2层试样含水量。记模拟皮肤、试样及恒温热板组合体初始总重量（零时刻）为GT0，第10 min时刻总重量为GT10，恒温热板重量为G1，10 min时刻拿掉第2层试样后模拟皮肤与恒温热板的重量为G2，第1层试样（模拟皮肤）的干重GF1，第2层试样的干重GF2，模拟皮肤初始含水量GW0，则：
　　2 结果与分析
　　2.1 单层织物水传递动态性能分析
　　水通过芯吸条传递到织物上，会以芯吸条接触部位为中心在织物平面内扩散，并不断向外界环境蒸发。为分析织物动态吸水与扩散性能，提取了润湿图像面积、平均润湿半径、水分在织物平面内的扩散速度、织物的吸水量及吸水速度5个指标进行分析。并用织物表面的水分蒸发速度评价织物的快干性能。
　　获取1～6#试样在2、4、6、8、10 min不同时间点的拍摄图像，用Photoshop提取润湿面积，结果见图3。
　　1#和3#织物的润湿面积比其他几种织物大，10 min时1#润湿面积为215.78 cm2，平均润湿半径为8.29 cm，3#润湿面积为167.45 cm2，平均润湿半径为7.30 cm，其他4种润湿面积均小于60 cm2，平均润湿半径在1.84 cm～4.19 cm之间。其中1#为超细纤维仿麂皮绒面料、3#为改性涤纶（Coolmax）面料，导湿性能明显优于普通纯棉或棉混纺织物（2#、4#、5#和6#试样）。润湿面积基本与时间呈正线性相关，液态水在1#～6#织物平面内的平均扩散速度分别为0.367、0.073、0.293 、0.059、0.092、0.021 cm2/s。
　　由图4可知1#～6#织物平均吸水速度分别为0.073、0.040、0.156、0.031、0.075、0.017 g/min，其中，3#为异型纤维织物，具有优良的导湿性，吸水速度最快，6#织物吸水速度最慢。
　　单层织物水分蒸发量与时间的关系曲线如图5所示，在初始芯吸阶段，织物吸水量少，润湿面积小，从而水分蒸发量少，蒸发速度缓慢;300 s以后蒸发量基本呈线性增加，其中1#、3#改性涤纶蒸发速度较快，2#、4#、6#试样由于织物厚度较厚，液态水从织物反面传递到正面所需时间长，因而蒸发速度较慢。300s后1#～6#试样平均蒸发速度分别为0.075、0.007、0.083、0.003、0.030、0.010 g/min。 　　2.2 织物层间水传递动态性能分析
　　当织物覆盖于润湿的织物上，织物是呈片状润湿的，不同于单点润湿水以润湿点为中心向四周扩散，织物层间水传递可以模拟人体大量出汗时衣服被汗湿的情形。本文以双层织物间水传递为例进行分析，将第1层织物作为模拟皮肤，由于出汗皮肤应具有保水量大，有较好的吸水性和水扩散性，因此根据2.1的分析3#织物具有优良的导湿性能且保水量大，适合作为模拟皮肤进行层间水传递实验。双层织物条件下，水分蒸发量与时间的关系如图6所示，第10 min时刻的水分总蒸发量、第2层试样的含水量、模拟皮肤的含水量与10 min内模拟皮肤的水分转移量见表2。
　　如图6所示，双层织物条件下，所测试样在10 min内水分蒸发量与时间基本呈正线性关系。1#～6#平均蒸发速度分别为0.206、0.132、0.251、0.141、0.126、0.14 g/min，1#、3#织物蒸发相对较快，2#、4#、5#、6#织物蒸发相对较慢且速度较接近。由表2可以看出，模拟皮肤上转移掉的水分一部分被试样织物吸收，一部分蒸发到空气中，因此水分总蒸发量与第2层试样含水量之和等于模拟皮肤上水的转移量，并根据模拟皮肤初始含水量计算出水分转移率。3#织物水的转移率最高，水的转移量最多，皮肤上残余水量最少，因此水的转移率可以用来评估织物层间水传递性能，水的转移率越高，水从皮肤表面渗出的越多，提供的湿感越少，人体感觉越舒适。
　　3 结 论
　　a）搭建了具有芯吸导水功能的显性模拟出汗装置，利用重力测量和图像分析方法实现了织物平面内芯吸性能测试和层间水传递测试。该装置的优点包括：能够直接和实时监测吸水量和蒸发量，可以连续供水模拟大量出汗。
　　b）织物的吸湿和快干性能可以通过一系列参数进行全面描述，包括：润湿面积、平均润湿半径、水分在织物平面内的扩散速度、吸水速度、蒸发速度。润湿面积、平均润湿半径、水分在织物平面内的扩散速度、吸水速度等指标可以评价织物的动态吸湿性 能;织物的快干性能由织物表面的蒸发速度而定。
　　c）水分的转移率可以用来评估织物层间水传递性能，水的转移率越高，皮肤湿感越小，穿着舒适性越好。
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