本發(fā)明涉及一種基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)的導(dǎo)濕排汗紗線及其制備裝置和方法，屬于靜電紡絲和紡織技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

纖維紗線的導(dǎo)濕排汗性能直接影響其織物的穿著舒適性，目前常以天然親水性纖維作為貼身穿著用面料，但該類纖維存在吸濕不導(dǎo)濕的缺陷，會(huì)粘貼在皮膚表面產(chǎn)生不適感。為了改善這一缺陷，基于仿生學(xué)原理，模擬水分在植物內(nèi)部傳遞通道，設(shè)計(jì)導(dǎo)濕排汗紗線。

通過(guò)對(duì)植物中水分轉(zhuǎn)移機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)植物中液態(tài)水的吸收與傳輸與其結(jié)構(gòu)和水分形成的壓力梯度有關(guān)。植物中數(shù)量巨大、有較大的吸水面積的根毛區(qū)，通過(guò)滲透和擴(kuò)散作用大量吸收水分，產(chǎn)生大的正靜水壓，而在植物頂部葉片中數(shù)目多、分布廣的氣孔的蒸騰作用產(chǎn)生很大的負(fù)靜水壓，根系與植物頂部產(chǎn)生的巨大壓差產(chǎn)生蒸騰拉力將導(dǎo)管中的水柱向上拖動(dòng)，并通過(guò)植物中大量相互貫通的木質(zhì)部導(dǎo)管形成水分的向上運(yùn)輸；水分傳輸中，植物中獨(dú)特的自下而上粗大的集中的根系通管到細(xì)小的大量分散的葉片毛細(xì)結(jié)構(gòu)，也提高了根系與織物頂部的壓差，加快了水的輸送拉力，蒸騰-內(nèi)聚力-張力保證了水流體系的連續(xù)性。

為了在紗線中構(gòu)建類似于植物內(nèi)部水分傳輸?shù)耐ǖ溃纬蓸?shù)杈狀的毛細(xì)管，并利用毛細(xì)管大小的差異形成壓差，產(chǎn)生差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)。需要在傳統(tǒng)天然纖維紗線表面包覆更細(xì)的纖維，且其細(xì)度尺度應(yīng)比原纖維低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此納米纖維是最合適的選擇。

靜電紡絲是當(dāng)前一種最流行的制備納米纖維的技術(shù)，但目前大多數(shù)靜電紡絲納米纖維是以纖維膜的形式收集的，大為限制了靜電紡技術(shù)的應(yīng)用范圍。將靜電紡納米纖維與傳統(tǒng)紗線結(jié)合是靜電紡絲技術(shù)與傳統(tǒng)紡織的結(jié)合，是對(duì)靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用的一大拓展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種導(dǎo)濕排汗紗線，其能改善傳統(tǒng)天然纖維紗線吸濕不導(dǎo)濕的缺陷，提高其織物的服裝舒適性。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線，其特征在于，結(jié)構(gòu)為包芯結(jié)構(gòu)，芯層纖維采用親水性纖維，外層纖維采用疏水性纖維；該仿生導(dǎo)濕排汗紗線內(nèi)設(shè)有模擬植物內(nèi)部水運(yùn)輸通道的樹(shù)狀交叉網(wǎng)絡(luò)通道。

優(yōu)選地，所述芯層纖維的細(xì)度比外層纖維的細(xì)度大。

更優(yōu)選地，所述芯層纖維的細(xì)度比外層纖維的細(xì)度大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

優(yōu)選地，所述芯層纖維的細(xì)度為5～20μm，厚度為200～300μm。

優(yōu)選地，所述芯層纖維采用棉纖維。

優(yōu)選地，所述外層纖維的細(xì)度為100～1000nm，厚度為15～30μm，取向度為10～25°。

優(yōu)選地，所述外層纖維采用靜電紡聚丙烯腈納米纖維。

本發(fā)明提供的另一個(gè)具體技術(shù)方案是：一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的制備裝置，其特征在于，包括絕緣圓錐罩，絕緣圓錐罩內(nèi)壁的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有至少一個(gè)噴氣口一及至少一個(gè)噴氣口二，噴氣口一、噴氣口二分別與絕緣圓錐罩外側(cè)的氣管一、氣管二連通，氣管一連接空氣壓縮機(jī)一，氣管二連接空氣壓縮機(jī)二；噴氣口一、噴氣口二的下方分別設(shè)有一根端部設(shè)有金屬圓環(huán)的金屬桿，兩個(gè)金屬圓環(huán)的下方分別設(shè)有一個(gè)靜電紡絲噴頭，兩個(gè)靜電紡絲噴頭各自與高壓正極或高壓負(fù)極連接。

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩的下橫截面比上橫截面大。

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩的傾斜角為10°～30°

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩為透明材料制成。

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩采用聚四氟乙烯制成。

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩的上方設(shè)有卷繞裝置。

優(yōu)選地，所述靜電紡絲噴頭采用針頭式靜電紡絲噴頭。

優(yōu)選地，所述金屬圓環(huán)的半徑為4～10cm。

優(yōu)選地，所述絕緣圓錐罩內(nèi)壁上設(shè)有4～6個(gè)噴氣口一/噴氣口二。

本發(fā)明提供的另一個(gè)具體技術(shù)方案是：一種上述仿生導(dǎo)濕排汗紗線的制備方法，其特征在于，采用上述仿生導(dǎo)濕排汗紗線的制備裝置，芯層纖維的紗線從絕緣圓錐罩底部向頂部沿其中心穿過(guò)，絕緣圓錐罩中空氣沿內(nèi)壁高速螺旋運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)靜電紡納米纖維進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)納米纖維對(duì)紗線的包覆，制得的導(dǎo)濕排汗紗線從絕緣圓錐罩的頂部露出。

優(yōu)選地，所述納米纖維由單側(cè)或雙側(cè)靜電紡絲噴頭噴射獲得；兩個(gè)靜電紡絲噴頭分別與高壓正極、高壓負(fù)極連接，或均與高壓正極/高壓負(fù)極連接。

優(yōu)選地，所述納米纖維處于可移動(dòng)的自由狀態(tài)，即無(wú)序隨機(jī)的漂浮狀態(tài)。

優(yōu)選地，制備過(guò)程中所述絕緣圓錐罩內(nèi)產(chǎn)生帶動(dòng)納米纖維進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)的螺旋氣流。

更優(yōu)選地，所述螺旋氣流由電機(jī)帶動(dòng)的圓靶產(chǎn)生，或由電機(jī)帶動(dòng)的圓環(huán)產(chǎn)生，或由電機(jī)帶動(dòng)的葉片產(chǎn)生，或由電機(jī)帶動(dòng)的漏斗形喇叭口產(chǎn)生，或由鼓風(fēng)裝置產(chǎn)生。

本發(fā)明有效地將靜電紡納米纖維與傳統(tǒng)紗線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)納米纖維包覆紗的產(chǎn)業(yè)化制備，是對(duì)靜電紡納米纖維應(yīng)用的一大拓展。

本發(fā)明中芯層纖維以紗線形式存在與芯層，納米纖維由靜電紡絲獲得，并通過(guò)空氣壓縮機(jī)噴出的高速氣流將其取向排列并纏繞于棉紗外層，形成外層致密內(nèi)層疏松的包芯紗結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中外層纖維具有疏水性，且纖維直徑小，比表面積大；芯層纖維具有親水性，且纖維直徑大，比表面積小。該種結(jié)構(gòu)模擬植物內(nèi)部導(dǎo)水通道，利用表里層空隙大小不同形成的壓差，產(chǎn)生差動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)濕能力明顯增強(qiáng)且具有單向?qū)竦哪芰?。而表層納米纖維所提供的納米效應(yīng)又能使液態(tài)水在紗線表面快速鋪展，從而被快速蒸發(fā)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的截面示意圖；

圖4為一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的截面水通道模擬圖；

圖5為實(shí)施例中外層纖維剖面的掃描電鏡圖；

圖6為實(shí)施例中紗線截面掃描電鏡圖；

圖7為實(shí)施例中紗線與織物的實(shí)物對(duì)比圖；

圖8為對(duì)照樣液態(tài)水分管理測(cè)試圖；

圖9為試驗(yàn)樣液態(tài)水分管理測(cè)試圖；

圖中：1-噴氣口；2-氣管；3-空氣壓縮機(jī)；4-金屬桿；5-高壓負(fù)極；6-金屬圓環(huán)；7-針頭式靜電紡絲噴頭；8-芯紗；9-針頭式靜電紡絲噴頭；10-高壓正極；11-空氣壓縮機(jī)；12-氣管；13-噴氣口；14-錐形靜電紡納米纖維束；15-絕緣圓錐罩；16-導(dǎo)濕排汗紗線；17-卷繞裝置；18-外層纖維，19-芯層纖維。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種仿生導(dǎo)濕排汗紗線的制備裝置，其包括絕緣圓錐罩15，絕緣圓錐罩15內(nèi)壁的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有5對(duì)噴氣口一1、噴氣口二13，噴氣口一1、噴氣口二13分別與絕緣圓錐罩15外側(cè)的氣管一2、氣管二12連通，氣管一2連接空氣壓縮機(jī)一3，氣管二12連接空氣壓縮機(jī)二11；噴氣口一1、噴氣口二13的下方分別設(shè)有一根端部設(shè)有金屬圓環(huán)6的金屬桿4，兩個(gè)金屬圓環(huán)6的下方分別設(shè)有針頭式靜電紡絲噴頭一7、針頭式靜電紡絲噴頭二9，針頭式靜電紡絲噴頭一7與高壓負(fù)極5連接，針頭式靜電紡絲噴頭二9與高壓正極10連接。所述絕緣圓錐罩15的下橫截面比上橫截面大；傾斜角為10°～30°；采用聚四氟乙烯制成。絕緣圓錐罩15的上方設(shè)有卷繞裝置17。金屬圓環(huán)6的半徑為4～10cm。

如圖2所示，為本發(fā)明制得的導(dǎo)濕排汗紗線的結(jié)構(gòu)示意圖，芯層纖維19為傳統(tǒng)天然纖維，細(xì)度為5～20μm；外層纖維18為靜電紡納米纖維，細(xì)度為100～1000nm。兩者細(xì)度相差至少1個(gè)數(shù)量級(jí)，使得內(nèi)外層纖維之間存在很強(qiáng)的毛細(xì)差動(dòng)效應(yīng)，有利于水分從芯層向外層的傳導(dǎo)。

如圖3、4所示，導(dǎo)濕排汗紗線的芯層疏松，通道少而大；外層致密，通道多而小。整個(gè)截面通道形成樹(shù)杈型的交叉網(wǎng)絡(luò)狀，模擬植物內(nèi)部水分傳遞通道。

實(shí)施例

芯層纖維19采用40支純棉紗線，其纖維直徑范圍為7～15μm；外層纖維18采用靜電紡聚丙烯腈(pan)納米纖維，其纖維直徑范圍為0.3～0.5μm。其纖維平均取向度為15°。

紗線8的厚度為453μm，其纖維之間的平均距離為9.7μm；紗線8外的納米纖維14的厚度為15.6μm，其纖維之間平均距離為0.3μm。

棉纖維具有良好的親水性和吸濕性，但是其無(wú)法良好地導(dǎo)濕，使得棉纖維織物被汗液浸濕后會(huì)粘貼在皮膚上，帶來(lái)不適感。

靜電紡pan納米纖維是疏水性纖維，納米尺度賦予的納米效應(yīng)，使表面的水分能迅速地沿納米纖維軸向鋪展，有利于水分的蒸發(fā)。

兩種纖維的相互結(jié)合，將模擬植物內(nèi)部水分傳遞的機(jī)制，產(chǎn)生顯著的差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng)，使得水分能在紗線徑向良好的傳導(dǎo)，有利于內(nèi)側(cè)水分向外側(cè)排出。

測(cè)試該種導(dǎo)濕排汗紗線的導(dǎo)濕性能，制備平紋織物以表征導(dǎo)濕效果。經(jīng)紗均采用40支純棉紗線，對(duì)照樣緯紗采用40支純棉紗線，試驗(yàn)樣緯紗采用該實(shí)施例制備的導(dǎo)濕排汗紗線。

利用動(dòng)態(tài)水分管理測(cè)試儀對(duì)兩種樣品進(jìn)行測(cè)試。液態(tài)水分管理測(cè)試儀能夠有效的測(cè)量織物的動(dòng)態(tài)水分傳遞性能，其能夠獲得的相關(guān)指標(biāo)有浸潤(rùn)時(shí)間top(wtt)，浸潤(rùn)時(shí)間bottom(wtb)，吸收速率top(art)，吸收速率bottom(arb)，最大浸潤(rùn)半徑top(mwrt)，最大浸潤(rùn)半徑bottom(mwrb)，擴(kuò)散速度top(sst)，擴(kuò)散速度bottom(ssb)，單向傳遞指數(shù)(r)，液態(tài)水動(dòng)態(tài)傳遞綜合指數(shù)(ommc)。如圖8、9分別為對(duì)照樣品和試驗(yàn)樣品液態(tài)水分管理測(cè)試結(jié)果圖，如圖8所示對(duì)照樣下表面含水量在測(cè)試時(shí)間(120秒)內(nèi)一直為零，可知在測(cè)試時(shí)間內(nèi)水分不能在對(duì)照樣中進(jìn)行有效傳遞；如圖9所示試驗(yàn)樣中下表面水分含量迅速上升，意味著水分快速地從上表面滲透到下表面，具有良好的導(dǎo)濕排汗性能。

表1液態(tài)水分管理測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

由表1可知，試驗(yàn)樣相對(duì)于對(duì)照樣在下表面的各個(gè)指標(biāo)均有顯著的提升，表明該種導(dǎo)濕排汗紗線確實(shí)具有導(dǎo)濕排汗性能，盡管織物樣品的某些指標(biāo)還不能達(dá)到相關(guān)水平，但考慮到其芯紗采用的是普通純棉紗線，其導(dǎo)濕排汗性能已經(jīng)有大幅改善，并且該實(shí)施例只是進(jìn)行初步的探索，還具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的探索空間。