王麗莎 馮愛芬

(河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018)

生物絨是由海興公司與美國杜邦公司合作開發(fā)成功的生物基產(chǎn)品，是世界上首個應(yīng)用于防寒服的高科技生物質(zhì)保暖材料。生物絨是一種扁球狀帶有微彈力的保暖絮狀填充材料。生物絨蓬松、保暖、富于彈性，手感更接近羽絨，可以成為羽絨的替代品。目前，在羽絨纖維方面的研究比較多，于偉東等人采用電子顯微鏡對羽絨纖維的外觀形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了構(gòu)成羽絨纖維的多樣化元素[1]；李婷婷等人對羽絨纖維的保暖性進(jìn)行了研究，得出了羽絨的最佳填充量[2]；劉茜等人對羽絨纖維的壓縮性能進(jìn)行了研究，并觀察了壓縮過程中纖維變形的情況[3]。由于生物絨是近年來推出的新產(chǎn)品，因此還未有報道。本文對生物絨和羽絨的外觀形態(tài)結(jié)構(gòu)、保暖性及壓縮性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期對使用生物絨和羽絨的企業(yè)有一定的借鑒指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原料：生物絨，白鴨絨，含絨量90%；380T尼絲紡防羽絨面料，厚度0.07 mm，單位面積質(zhì)量36 g/m2。以上原料均來自昆山華陽新材料股份有限公司。

考慮到生物絨和羽絨為松散絮狀形態(tài)，不能直接在保溫儀和KES測試系統(tǒng)試驗(yàn)板上直接進(jìn)行，故選用380T尼絲紡防羽絨面料縫制成30 cm×30 cm正方形試驗(yàn)袋，在其中一側(cè)留5 cm小孔充絨。分別填充9 g、13.5 g、18 g、22.5 g、27 g、31.5 g、36 g生物絨和9 g、18 g羽絨。

用哈式切片器制作生物絨和羽絨纖維橫向切片，采用TM3000型桌上顯微鏡(日本株式會社日立高新技術(shù))觀察纖維橫截面和縱向形態(tài)。

采用YG606L型平板式保溫儀測試保暖性能，指標(biāo)包括傳熱系數(shù)、克羅值和保溫率。按照GB/T 11048—1989《紡織保溫性能實(shí)驗(yàn)方法》的要求設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，試驗(yàn)板尺寸為25 cm×25 cm，設(shè)定試驗(yàn)板、保護(hù)板、底板溫度為36 ℃，預(yù)熱時間30 min，加熱5個周期。每種試樣測量3次，求其算術(shù)平均值[4]。

采用KES-FB3型壓縮試驗(yàn)儀測試?yán)w維的壓縮性能。按照儀器的操作方法，在每個絮片測試3個不同的部位，求算術(shù)平均值。其測試的指標(biāo)主要包括壓縮線性度、壓縮比功、壓縮功回復(fù)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形態(tài)

生物絨纖維在電子纖維鏡下的形態(tài)如圖1所示。從圖1(a)和圖1(b)可以看出生物絨纖維為異形截面，纖維中有細(xì)小的溝槽；從圖1(c)可以看出生物絨外觀比較卷曲，使纖維具有微彈的特性，可以提高纖維之間摩擦力和抱合力，增加生物絨纖維集合體的蓬松性和回彈性，使得手感柔軟，改善其熱舒適性，提高保暖性。

(a)生物絨橫截面形態(tài)放大2 000倍

(b)生物絨縱向形態(tài)放大2 000倍

(c)生物絨縱向形態(tài)放大120倍

圖1 生物絨纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

羽絨纖維在電子纖維鏡下的形態(tài)如圖2所示。從圖2(a)可以看出羽絨纖維的橫截面為圓形，相比于生物絨纖維比較平整光滑且表面沒有溝槽；從圖2(b)可以看出羽絨纖維呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，每根絨枝上都有許多絨小枝分枝；從圖2(c)可以看出羽絨纖維絨小枝上延伸出許多節(jié)點(diǎn)，而且保持一定的距離，向不同的方向延伸，占據(jù)更多的空間，其節(jié)點(diǎn)在纖維受到壓縮后可以起到支撐與回復(fù)的作用，使羽絨纖維具有較好的蓬松性、保暖性和回彈性。

(a)羽絨橫截面形態(tài)放大4 000倍

(b)羽絨縱向形態(tài)放大120倍

(c)羽絨縱向形態(tài)放大2 000倍

圖2 羽絨纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.2 保暖性

衡量保暖性好壞的指標(biāo)有傳熱系數(shù)、克羅值和保溫率等[5]。由于李婷婷等人對羽絨纖維的保暖性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了羽絨的最佳填充量,因此在這一試驗(yàn)部分測試兩個羽絨絮片與7個生物絨絮片，建立生物絨拋物線回歸模型分析填充量與保溫率的關(guān)系，得出生物絨填充量與保溫率的擬合曲線。

2.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1為不同填充量和不同材料的保暖指標(biāo)數(shù)。由表1可以看出，30 cm×30 cm絮墊填充27 g生物絨試樣的保溫率等同于18 g羽絨試樣保溫率。生物絨和羽絨的填充量相同時，生物絨的保暖性低于羽絨；9 g的生物絨與羽絨試樣相比，填充量溫差熱流量生物絨高于羽絨1.311 W/(m2·℃)，克羅值生物絨低于羽絨0.956 CLO，保溫率生物絨低于羽絨8.9%。當(dāng)生物絨小于27 g時，生物絨試樣的傳熱系數(shù)隨著填充量的增加而降低，克羅值和保溫率則呈現(xiàn)升高的趨勢；當(dāng)填充量大于27 g時，試樣的傳熱系數(shù)隨著填充量的增加而增加，而克羅值和保溫率則呈現(xiàn)下降的趨勢。

表1不同填充量和不同材料的保暖指標(biāo)數(shù)

填充物填充量/g傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1克羅值/CLO保溫率/%加熱時間/s罩內(nèi)溫度/℃生物絨生物絨生物絨生物絨生物絨生物絨生物絨羽絨 羽絨 9.013.518.022.527.031.536.09.018.03.7713.0332.7081.7831.4711.5891.9892.4601.5591.7132.2122.6813.6164.0573.7953.2532.6694.13673.6477.6480.6785.5288.4687.7485.9882.6388.666.06.06.06.06.05.06.06.05.020.320.921.121.622.022.622.923.523.6

2.2.2 拋物線回歸模型的建立

保溫率是指保暖熱能量的比率，是度量絮料綜合保暖性能的重要指標(biāo)，數(shù)值越高，保暖效果越好。保溫率的大小直接決定該類材料在保暖領(lǐng)域的應(yīng)用價值和發(fā)展前景[6]。假設(shè)生物絨的填充量對保暖性的影響非常顯著。根據(jù)散點(diǎn)圖可認(rèn)為生物絨的填充量與保溫率大致符合拋物線回歸，設(shè)回歸模型為Y=c+bX+aX2。用R軟件進(jìn)行曲線回歸分析，得出回歸方程式為Y=58.36+1.874 9X-0.030 2X2。其中，X為填充量(g)；Y為保溫率(%)。

對保溫率與填充量進(jìn)行回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，用R軟件得保溫率與填充量的T檢驗(yàn)分析表，見表2。其中相關(guān)系數(shù)R2=0.964 7，取顯著水平α=5%，表2中的Pr值均小于0.05，則以上方程通過了回歸方程檢驗(yàn)和回歸系數(shù)檢驗(yàn)，生物絨的填充量對保暖性的影響非常顯著[7]。保溫率與填充量擬合曲線見圖3。

表2T檢驗(yàn)方差分析表

系數(shù)參數(shù)估計參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差T值Pr(>|T|)cba58.360 0001.874 947-0.030 2003.235 8650.317 5990.006 95418.0345.903-4.3430.000 060.004 120.012 23

圖3 保溫率與填充量擬合曲線

2.3 壓縮性

由于儀器最大的測試厚度為2 cm，因此，選擇30 cm×30 cm的18 g的生物絨絮墊和羽絨絮墊進(jìn)行測試。當(dāng)具有一定空間體積的纖維受到一定的壓力時會產(chǎn)生壓縮變形。其中，最主要的影響因素是蓬松度[8]，蓬松度反映了絮片的含氣量，而含氣量對絮片的保暖性能有很大的影響。測試的結(jié)果包括壓縮線性度、壓縮比功、壓縮功回復(fù)率、織物在0.5 cN/cm2壓力和最大壓力作用下的厚度。壓縮測試結(jié)果如下。

填充物 生物絨 羽絨

壓縮線性度 0.240 0.271

壓縮比功/cN·cm·cm-210 10

壓縮回復(fù)率/% 83.25 88.67

0.5 cN/cm2壓力厚度/mm 18.936 19.802

最大壓力厚度/mm 2.275 4.316

壓縮線性度表示纖維壓縮的屈曲程度，即纖維的松軟感，其數(shù)值越大，纖維越不容易被壓縮變形。由以上數(shù)據(jù)可以看出，相同填充量的條件下，生物絨壓縮線性度要低于羽絨，即生物絨相對于羽絨更容易被壓縮變形。壓縮比功表示纖維的蓬松度，其數(shù)值越大，纖維越蓬松，相同填充量的生物絨和羽絨的壓縮比功均為10 cN·cm/cm2，即生物絨和羽絨的都具有優(yōu)異的蓬松度。壓縮回復(fù)率表示纖維壓縮的彈性回復(fù)性能，其數(shù)值越大，表示織物的彈性越好，相同填充量的生物絨和羽絨，生物絨的彈性回復(fù)性能要低于羽絨；在織物進(jìn)行壓縮及回復(fù)的過程中，兩種纖維的壓縮及回復(fù)曲線見圖4。

(a)生物絨

由圖4可以看出，生物絨和羽絨的纖維集合體其壓縮及回復(fù)曲線具有不同的形狀特點(diǎn)，兩種纖維在壓力上升的同時，其絮片的厚度均立即下降，生物絨絮片下降的速度要快于羽絨；到達(dá)一定的壓力之后，其厚度保持不變；在壓縮回復(fù)階段，當(dāng)壓力回復(fù)為0時，羽絨和生物絨絮片回復(fù)的厚度相差不大,當(dāng)正向壓力完全消失后，因?yàn)樯弦浑A段壓力所作的功，使纖維內(nèi)部會產(chǎn)生一定的負(fù)向壓力，由圖4可以看出，羽絨所產(chǎn)生的負(fù)向壓力要大于生物絨，這是由于羽絨纖維呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，每根絨枝上都有許多絨小枝分枝，絨小枝上延伸出許多節(jié)點(diǎn)，而且保持一定的距離，向不同的方向延伸，占據(jù)更多的空間，其節(jié)點(diǎn)在纖維受到壓縮后可以起到支撐與回復(fù)的作用，所以當(dāng)壓力去除后，從絮片內(nèi)部釋放出來的負(fù)向壓力要大于生物絨。

3 結(jié)論

(1)羽絨仍是目前保暖性比較好的材料，30 cm×30 cm生物絨和羽絨的填充量相同時，生物絨的保暖性低于羽絨；生物絨填充量達(dá)到27 g時的保暖效果等同于填充量為18 g羽絨的保暖效果；生物絨填充物的保暖性與填充量密切相關(guān)，根據(jù)保溫率與填充量的拋物線經(jīng)驗(yàn)回歸曲線分析，試樣填充量在31.04 g附近，保溫率最高，保暖性最好，此點(diǎn)為生物絨填充量的最佳飽和值點(diǎn)。

(2)羽絨和生物絨的填充量相同時，生物絨相對于羽絨更容易被壓縮變形；生物絨和羽絨都具有優(yōu)異的蓬松度；生物絨的彈性回復(fù)性能要低于羽絨。