织物湿传递性能的研究与测量

服装湿传递是比纯热传递更复杂的现象。它伴随着质量和能量的双重传递。出汗是人体体温调节的重要部分，通过汗液蒸发来达到散热的目的。服装对体表汗液的蒸发起着阻碍作用，因而，透湿性良好的服装是服装湿舒适性研究的目标。

对于纺织品的湿传导而言，由于织物内部的缝隙空洞较小，在一般使用场合下对流传热传质现象较少出现，一般织物的湿传导途径［22］有：发生在与缝隙空洞中的水汽扩散；水蒸气在一侧表面及纱间、纤维间的缝隙空洞表面凝结、在微细通道中形成毛细水并经过毛细输送，在另一侧蒸发；在纤维内部发生的吸湿、毛细输送及在较干燥端的放湿。水分子通过织物的缝隙空洞扩散是湿传递的主要途径，其他途径对湿传递也起到一定作用，这些途径比水汽扩散更复杂，但对织物的舒适性起着很重要的作用。通过织物的水蒸气传递有静态和瞬态湿传递。

（一）静态湿传递

织物的静态湿传递是通过扩散过程发生的，例如水分子通过纤维和纱线间的空隙，以及沿着纤维表面扩散［23－24］。这些过程用费克的扩散定律［25－27］表示为：

这里R为水汽扩散的阻力，Q为时间t内通过织物面积A的水蒸气的质量，δC为织物两面的水蒸气浓度差，D是水蒸气的扩散系数。水蒸气的浓度差可由织物两面的温度、湿度和饱和水蒸气压计算出来。与织物属性相关的唯一决定因素是通过织物的水蒸气流量（Q），它和织物的性能参数有关。

1.影响静态湿传递的因素

静态湿传递主要发生在织物的空隙，因此，织物的空隙是影响静态湿传递的主要因素。织物湿阻与织物几何结构（尤其是厚度及空隙率）有关［25，26，28］。慧兰（Whelan）［30］用打了孔的金属圆盘来研究影响湿传递的因素。通过改变板厚（T）、孔径（d）和单位面积孔的个数，得出了湿阻（R）与盘的结构参数的关系：

这里β为空隙率，也即打孔面积所占的比例。

公式（1－2）表示湿阻随着盘厚的增加而变大，随孔径和孔的个数增加而减小。慧兰用这一关系来研究织物的湿传递。而织物的几何结构比打孔的盘要复杂得多。织物的湿阻通过织物的重量、结构及纤维类型来计测，结果显示，当纤维的体积含量β在20%～29%之间时，织物的厚度与湿阻成正比，但是当纤维的体积含量超出这一范围时，结果会偏离这种线性关系。

允（Yoon）和巴克利（Buckley）［28，29］用织物的厚度（L），空隙率（β）以及空气中水蒸气的扩散系数（Da）来描述针织物的蒸发热阻。

织物厚度对织物的湿传递也起着重要作用，是影响静态湿传递的因素之一，因为它影响水分子通过织物的通道长度，织物越厚，其湿阻越高。此外，织物的厚度以及纱线的类型（膨体纱、短纤还是长丝）［31］也是影响静态湿传递的因素。

2.织物静态湿传递的测试方法

织物静态湿阻的测量方法主要有以下几种：

（1）垂直杯法。垂直杯法测湿传递最早用于包装用材料［22，25，26，30，32，34］。在ASTM E96－80的标准测试方法［33］中，在上口敞开的透湿杯中盛水，杯口紧密覆盖织物，放在一定的实验环境中（温度设定在23℃、相对湿度为50%），计算一段时间内水蒸气的传递率（MVTR）［单位：g/（m2·h）］。水蒸气传递的驱动力是杯内的空气湿度与周围空气湿度的浓度差。如图1－1所示。

图1－1　垂直杯法［26］

（2）出汗热平板法。出汗热平板法需要采用出汗热平板仪进行测试。出汗热平板仪用于测量织物的热湿传递性能，包括热阻和湿阻［34］。在热平板的测试中，计算织物的热阻，要求覆盖织物的热平板表面温度维持35℃，通过在热平板中滴水模拟出汗来计算织物的蒸发热阻，如图1－2所示。

图1－2　出汗热平板［26］

热平板和周围空气的温度差是通过织物热传递的驱动力。织物干态热阻与织物阻碍热量从热平板扩散出去的能力有关，可以表示如下：(www.xing528.com)

这里Rtotal是织物和边界空气层的热阻（m2 K/watt），A是测试织物的面积（m2），Tplate和Tair分别是热平板表面和周围空气的温度（K），Q是维持热平板温度在35℃的电力（watts）。

织物本身的热阻（Rct）是总的热阻（Rtotal）减去没有试样覆盖时的热阻（Rct0）。

计算织物的热阻，必须在干态下进行测量。伍德考克［3］提出了一个体现织物透湿性能的指标透湿指数（im）。

这里S是常数（1.65×10－2 K/Pa），Ps和Pa分别是平板表面温度和环境空气温度下的饱和水蒸气压，φ表示环境空气的相对湿度，im的值从0（完全不透湿）到1（完全透湿）。

吉普森（Gibson）［26］建议在考虑对流传热与蒸发传热的情况下，用im/Rtotal的比值来表示织物的透湿性。im/Rtotal比率越高表示织物的热扩散能力（包括蒸发降温和对流传热）越强。织物本身的蒸发热阻（Rct）由im和Rtotal计算：

这里im0，Rct0分别是空平板（没覆盖织物）的透湿指数和热阻。

（二）瞬态湿传递

服装的热湿传递性能在动态与静态条件下是有显著差异的，盖奇所采用的服装静态热阻与湿阻模型只能适用于稳定环境条件下着装人体的热舒适状态，而不适用于瞬态。另外，实际穿着条件下由于人体运动、物理活动以及环境条件的改变是动态的。大量研究者［35，49］对织物非静态条件下的湿传递性能进行了研究。

1.影响瞬态湿传递的因素

文献［35－38，40－41］研究了纤维的吸湿性对织物瞬态湿传递的影响。这些研究表明，如果织物中的纤维不吸湿，则织物的湿传递是由其空隙率来决定的。如果织物中含有高吸湿性纤维（如棉或羊毛），则随着有感出汗的开始，皮肤和织物间微气候的水汽压会缓慢增加；如果织物中含有不吸湿性纤维（如聚酯），则微气候内的湿度会迅速增加，并在很短的时间内达到湿平衡。从皮肤表面蒸发的汗气可通过织物的空隙扩散，也可能被织物内的吸湿性纤维吸收再重新蒸发，这个过程会使微气候内的初始水汽压增加很慢。对吸湿性很小的纤维，水分子通过织物间的空隙扩散，而不被纤维吸收，微气候内初始水汽压增加很快。纤维的吸湿过程发生在瞬态，是影响织物瞬态湿传递的重要因素［35，37－40］。因而，研究织物的动态湿传递，除了织物的几何结构外，纤维的吸湿性也是必须考虑的决定性因素。

鸿（Hong）［40］发现纤维的吸湿效应对平衡状态没影响，这可以解释如下：当吸湿达到平衡后，由于吸湿性纤维的亲水区都填满了水分子，吸湿过程可以忽略。这时，水分子通过织物的空隙扩散不再受纤维吸湿性能的影响，这反映了平衡状态的连续湿传递特性。这个过程和不吸湿性纤维织物的湿传递现象相似，没有吸湿现象的发生。因而，不同纤维种类的织物达到湿平衡状态时，湿传递性相同就不奇怪了。

普兰特（Plante）等［49］发现实际穿着时的湿感与织物的吸湿性相关。穿着吸湿性好的羊毛织物比穿着吸湿性不好的聚酯织物感觉更干燥。这些发现表明瞬态的湿传递比平衡状态的湿传递对穿着时的舒适感影响更大。静态下织物的湿传导指标，可以评价长时间暴露在水蒸气中的织物湿传递特性，却不能评价初始阶段的湿传递特性，而这一阶段对织物穿着舒适的感觉是非常重要的。鉴于这点，静态下测试的湿传递指标不能很好评价实际穿着时的舒适感。

阿德勒（Adler）和沃尔什（Walsh）［36］研究了从一层织物到另一层织物的瞬态湿传递机理。比较了不同纤维类型（如棉和聚酯），不同组织结构（机织和针织）以及不同后整理（聚酯亲水整理）对织物湿传递机理的影响。

2.瞬态湿传递的研究方法

王（Wang）和亚苏达（Yasuda）［37］研制了一种出汗圆筒（放在一个可控制的人工气候箱中）来研究瞬态湿传递。该圆筒由几个小隔间组成，每个隔间放置有温湿度传感器。测试织物放在小隔间之间，可以通过移走或增加隔间来测量单层或多层织物的湿传递。圆筒可以模拟无感出汗和有感出汗两种状态，以便测量水蒸气传递和液态水接触织物再通过织物蒸发两种情况，从而连续监控整个湿传递过程。他们采用不同纤维和不同后整理的织物来研究纤维表面特征（亲水性）和纤维吸湿特征（吸湿性）对湿传递的影响。

鸿和赫理斯［40］用湿度计来连续测量整个湿传递过程中，织物表面动态湿度变化，直至达到平衡。在研究中，用出汗温度为34℃的人造麂皮来做模拟皮肤，由一个液流装置来控制模拟皮肤上均匀的出汗。湿度和温度传感器放在织物内层（面向模拟皮肤）和织物外层（面向外界环境）。该系统放在一个温度为27℃，湿度为80%的人工气候箱内。通过改变纤维、纱线和织物组织结构，研究纤维类型（棉、聚酯、50/50棉/聚酯）对湿传递的影响。在后来的研究工作中，金姆（Kim）和斯皮瓦克（Spivak）［41］研究了两层织物系统的表面温湿度变化，主要对比了100%棉和100%聚酯两种针织物。织物都具有相同结构，两层织物中一层是棉，一层是聚酯，要么棉在上，聚酯在下；要么棉在下，聚酯在上。湿度计能连续有效的动态测试织物——皮肤表面以及微气候内的瞬态湿度变化。

为了建立热损失和湿传递的关系，法恩沃斯（Farnworth）等［44，50］用出汗热平板仪测量随时间变化的热损失和温度改变，热平板仪可以放在一个可控制的环境气候中模拟出汗。平板仪设计的重点是随时间的快速反应，而不是绝对的静态热损失。热平板的温度保持在35℃，热损失可由维持平板恒定温度所需的功率计算出来。水分从水泵中通过聚乙烯管中0.5mm的小孔传输到热平板，热平板上有4个小孔，一张薄纸放在热平板上，用来散布水分。热平板所用的功率、环境温度和微气候的温度每隔20s记录一次。

允和巴克利［28］用聚酯和棉混纺平针织物来研究聚酯和棉的混纺比以及纤维、纱线、织物的物理属性与织物热湿舒适性相关的物理属性如热阻、透湿指数、透湿率之间的关系。研究显示针织物的热阻、透湿指数、透湿率主要和织物的几何结构因素有关（如厚度和空隙率），而织物的液态水传递性能与纤维的类型关系很大。他们用古丁（Gooding）［51］的模型（该模型用织物的空隙率、厚度及孔的个数来表达织物的透气性），从透气性数据来计算织物的空隙率，结果显示织物空隙率的预测与实际测量的结果吻合很好。他们得出结论，针织物的透气性主要由织物的结构如空隙率、厚度来决定的，观察到透气性的偏差主要由于纤维的紧密度，而不是纤维类型。从水蒸气传递的理论分析，采用费克的扩散模型和WVTR实验，织物的湿传递性能主要由纱线间的空隙决定。随着纤维组成的变化，观察到的WVTR的变化可由纱线直径的改变来解释，纱线直径的改变会影响纱线间空隙的尺寸和织物的厚度。他们的结果显示纤维类型对针织物的湿传递影响不大。

乌姆巴赫（Umbach）［46］根据织物的缓冲能力测量织物的水蒸气和液态水传递，用一个模拟皮肤和实验技术来模拟无感和有感出汗。在乌姆巴赫的实验中，用一个金属板加热到35℃来模拟皮肤。铝箔放在金属板上端防止水分浸到板中。用吸湿性的织物代替模拟皮肤，放在铝箔上，并注入35℃流动的水。用4cm3和15cm3的水来模拟无感出汗和有感出汗。为了模拟运动，织物用一个框架夹住放在距离烧结板10mm的上方。模拟无感出汗时，湿度传感器放在微气候中来测量微气候的湿度，环境条件设定在温度25℃、湿度30%。模拟有感出汗时，测试织物直接放在吸湿材料的上方，环境条件设定为温度35℃、湿度35%。同时，乌姆巴赫还提出了一个缓冲指数，来评价织物的湿传递性能。