魏 鵬，張 輝，錢(qián)海洪，史成波，杜趙群

（1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.羅萊生活科技股份有限公司，上海 200333）

羽絨具有輕盈、保暖、吸濕、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用為冬季服裝的填充料[1-3]。羽絨制品保暖機(jī)制主要是由于羽絨特殊的絨枝、絨小枝、菱節(jié)等分級(jí)形態(tài)結(jié)構(gòu)，其中由于絨枝向各個(gè)方向展開(kāi)，視覺(jué)上呈現(xiàn)由一個(gè)絨核向四周分散出絨枝形成一個(gè)放射球狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)賦予羽絨特有的多孔結(jié)構(gòu)從而能夠存儲(chǔ)大量的靜止空氣，實(shí)現(xiàn)羽絨的高保暖性[4]。

羽絨制品保暖性能在宏觀上主要取決于其填充羽絨的蓬松度，提高羽絨蓬松度是提高羽絨整體品質(zhì)的主要手段?，F(xiàn)有的提高羽絨蓬松度的方法有通過(guò)化學(xué)手段對(duì)羽絨進(jìn)行表面處理、接枝改性、噴涂蓬松劑[5-8]，或是通過(guò)物理手段的清潔、烘干、靜電處理等方法[9-11]。但化學(xué)手段不僅破環(huán)羽絨原有結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；現(xiàn)有的一些物理機(jī)械手段雖不會(huì)破壞羽絨特有的分支結(jié)構(gòu)，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但改善羽絨保暖性能的程度有限。楊齊超等[11]提出了靜電處理改善羽絨的方法，該種方法依據(jù)羽絨輕盈且容易產(chǎn)生靜電的特點(diǎn)，對(duì)羽絨制品直接進(jìn)行靜電處理，可快速、簡(jiǎn)便、高效提高羽絨的蓬松度，提升羽絨制品的保暖性。

由于羽絨本身是一種電介質(zhì)，其對(duì)于外電場(chǎng)的響應(yīng)往往是束縛電荷的受限移動(dòng)，而想要讓束縛電子脫離原子核產(chǎn)生取向運(yùn)動(dòng)就需要更強(qiáng)的外力。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)靜電極板的方式使羽絨極化從而產(chǎn)生靜電排斥，需要非常大功率的靜電發(fā)生器，所以想要通過(guò)增加外電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)使羽絨極化較為困難且成本極其高。但羽絨作為一種紡織纖維，其具有較好的吸濕性，而天然水中含有大量的離子和礦物質(zhì)，提高了水的介電性能，于是羽絨在吸濕后，其介電性能便會(huì)提高。該理論早在1983 年就被波普科夫和格拉佐夫驗(yàn)證過(guò)：當(dāng)空氣濕度從20%變化到80%時(shí)，纖維的電導(dǎo)率會(huì)增加達(dá)百萬(wàn)倍以上[12]。所以在羽絨纖維吸濕后，其表面就具有了大量的自由電子和離子，極化的效果也就會(huì)顯著提高。

本文對(duì)羽絨的靜電處理展開(kāi)研究，通過(guò)搭建羽絨靜電處理設(shè)備對(duì)單朵羽絨進(jìn)行靜電—加濕處理，探究靜電壓、相對(duì)濕度以及加濕時(shí)間對(duì)于羽絨保暖性能的影響，并用得到的最優(yōu)參數(shù)對(duì)絨包進(jìn)行靜電處理，從而驗(yàn)證羽絨靜電處理的有效性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用羽絨為鵝絨，含絨量為95%，蓬松度為250cm3/g，以及該種鵝絨填充的絨包，外層面料為全棉，單個(gè)絨包質(zhì)量為60g。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建

本實(shí)驗(yàn)需要搭建2 個(gè)實(shí)驗(yàn)處理設(shè)備，一個(gè)是對(duì)單朵羽絨的靜電處理設(shè)備，另一個(gè)是對(duì)絨包的靜電處理設(shè)備，2 個(gè)設(shè)備的原理相同，均包含加濕模塊、靜電極板、靜電處理室、直流高壓電源，搭建單朵羽絨靜電處理設(shè)備的目的是方便觀察羽絨在靜電處理過(guò)程中的形態(tài)變化，絨包靜電處理設(shè)備則擁有更大的處理室，能夠直接處理50 cm×50 cm 以?xún)?nèi)的絨包。

2 個(gè)設(shè)備均使用Solidworks 建模設(shè)計(jì)、公差配合理論、Ideamaker 三維切片、3D 打印等技術(shù)搭建符合要求的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。以單朵羽絨的靜電處理設(shè)備的搭建流程為例（見(jiàn)圖1），先用Solidworks 設(shè)計(jì)設(shè)備外殼，之后用3D 打印機(jī)打印，最終與其他元器件組裝形成有加濕、靜電功能的可開(kāi)關(guān)的設(shè)備。

圖1 單羽絨靜電處理設(shè)備搭建流程

以絨包處理設(shè)備為例，絨包靜電處理設(shè)備原理示意圖如圖2 所示，設(shè)備由處理室連接著蒸汽發(fā)生機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、溫濕度記錄儀以及直流高壓電源等設(shè)備，處理室的上下連接有黃銅極板，羽絨在處理室中加濕完成后即可直接開(kāi)始靜電處理。

圖2 絨包靜電處理設(shè)備原理示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方案

實(shí)驗(yàn)采用單因素分析法研究靜電壓大小和相對(duì)濕度對(duì)羽絨保暖性能的影響，得到最優(yōu)參數(shù)后對(duì)填充同種羽絨的絨包進(jìn)行靜電處理，在絨包內(nèi)側(cè)放置60℃恒溫的熱源板，并用紅外熱成像儀分析絨包處理前后的外側(cè)單位時(shí)間內(nèi)溫度變化，得到絨包保暖性能的提升比例，從而驗(yàn)證靜電處理的有效性。

對(duì)單朵羽絨的靜電處理具體操作為：先用飽和濕蒸汽對(duì)羽絨進(jìn)行加濕處理。因?yàn)橛鸾q纖維較細(xì)并且比表面積大，所以單朵羽絨的吸濕能在較短時(shí)間內(nèi)完成。通過(guò)在10min 區(qū)間內(nèi)設(shè)置不同的加濕時(shí)間參數(shù)的方式，獲得單朵羽絨吸濕達(dá)到平衡的優(yōu)選時(shí)間。

通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)，直接觀察羽絨在實(shí)驗(yàn)中的形態(tài)變化確定了羽絨靜電排斥的有效靜電壓范圍為8～18kV?；诔醪接^察結(jié)果，設(shè)定3 個(gè)因子A、B、C 分別對(duì)應(yīng)靜電壓、相對(duì)濕度、加濕時(shí)間，其中A、B、C 都有4 個(gè)水平數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 羽絨靜電處理正交實(shí)驗(yàn)表

通過(guò)單羽絨靜電處理實(shí)驗(yàn)得到單因素的最優(yōu)參數(shù)和3 個(gè)因素中影響程度最大的因子，對(duì)應(yīng)設(shè)定最優(yōu)參數(shù)為A*、B*、C*。

對(duì)絨包的靜電處理及分析步驟為利用得到的最優(yōu)參數(shù)A*、B*、C*對(duì)絨包進(jìn)行靜電處理，具體處理流程為：先用飽和濕蒸汽對(duì)絨包進(jìn)行加濕，再對(duì)加濕后的絨包進(jìn)行5min 靜電處理，待處理完成后用60 ℃熱風(fēng)烘干。在處理完畢后的絨包一側(cè)放置熱源，用FLIR T420 紅外熱成像儀測(cè)量處理前后的絨包表面溫度變化，得到單位時(shí)間內(nèi)的溫度提高比例，從而得到絨包的保暖性能變化。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 靜電壓對(duì)羽絨展開(kāi)角的影響

羽絨的保暖性能主要是由其蓬松度決定的，而對(duì)于單朵羽絨，其所占體積空間大小決定了其蓬松度大小[13]。在單朵羽絨的實(shí)驗(yàn)中，為了方便量化羽絨受靜電處理的影響程度，定義羽絨蓬松開(kāi)的最大角度為展開(kāi)角θ，如圖3 所示。

圖3 單支羽絨最大展開(kāi)角示意圖

羽絨的展開(kāi)角越大，則其所占體積空間越大，能夠儲(chǔ)存的靜置空氣就越多，保暖性能自然就越好。實(shí)驗(yàn)所用的羽絨均經(jīng)過(guò)梳理，使其呈收縮狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得羽絨的初始展開(kāi)角θ 普遍為30°。

為了探究靜電壓大小對(duì)羽絨蓬松化程度的影響，用不同靜電壓對(duì)羽絨進(jìn)行處理，得到了不同靜電壓處理后的羽絨蓬松狀態(tài)，以羽絨展開(kāi)角來(lái)量化，得到了羽絨展開(kāi)角隨靜電壓變化的關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4 羽絨展開(kāi)角隨靜電壓變化的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖4 的曲線(xiàn)可以看出，靜電壓在9～15kV 的范圍內(nèi)，羽絨的展開(kāi)角隨靜電壓的增加不斷變大，但在15 kV 之后羽絨展開(kāi)角卻變小。通過(guò)觀察判斷認(rèn)為是由于靜電壓過(guò)大，羽絨產(chǎn)生了靜電牽引，絨朵的部分分枝受到了場(chǎng)強(qiáng)的牽引，呈現(xiàn)了沿電場(chǎng)線(xiàn)排列的狀態(tài)，這就導(dǎo)致了羽絨整體的展開(kāi)角變小，從而影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了驗(yàn)證羽絨在15 kV 后的羽絨靜電牽引現(xiàn)象，放入多朵羽絨，并將靜電壓設(shè)定到17 kV，其他條件不變，得到了如圖5 所示的結(jié)果。

圖5 靜電壓17 kV 下羽絨的靜電牽引

多朵羽絨呈一條豎直線(xiàn)沿電場(chǎng)線(xiàn)排列，這也說(shuō)明了對(duì)于羽絨的處理，靜電壓不是越大越好。雖然理論上靜電壓越大，羽絨纖維內(nèi)的束縛電荷的逃逸速度就越快，羽絨的極化速度也會(huì)越快，但羽絨絨枝的極化會(huì)在某一時(shí)刻達(dá)到平衡態(tài)，在達(dá)到平衡態(tài)后，外場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大就會(huì)使纖維受場(chǎng)強(qiáng)方向的牽引力繼續(xù)增加，這是不利于羽絨蓬松化的。考慮到羽絨受到過(guò)大的靜電力會(huì)沿場(chǎng)強(qiáng)被牽引或是團(tuán)簇在一起，從而影響實(shí)驗(yàn)效果，所以設(shè)定最合適的靜電壓為15 kV，后續(xù)實(shí)驗(yàn)的靜電壓統(tǒng)一設(shè)置為15 kV。

2.1.2 相對(duì)濕度和加濕時(shí)間對(duì)羽絨展開(kāi)角的影響

單朵羽絨的相對(duì)濕度以及加濕時(shí)間對(duì)于展開(kāi)角的影響如圖6 所示。從圖中的擬合曲線(xiàn)可以看出，在不同的加濕時(shí)間條件下，隨著相對(duì)濕度的增加，羽絨的展開(kāi)角都是變大的，且加濕時(shí)間越長(zhǎng)，羽絨展開(kāi)角受相對(duì)濕度影響的變化越小。結(jié)合前述理論分析可以知道，羽絨的含水量越高，則其導(dǎo)電性能越好，靜電處理的結(jié)果就會(huì)越明顯。當(dāng)羽絨所處環(huán)境相對(duì)濕度高時(shí)，水分子進(jìn)入羽絨纖維體內(nèi)的速率就會(huì)變大，羽絨將更快達(dá)到吸放濕平衡態(tài)，此時(shí)的羽絨纖維表面和體內(nèi)的自由電子及離子數(shù)量達(dá)到峰值。在增加外場(chǎng)強(qiáng)后，自由電子以及離子就會(huì)發(fā)生取向位移，在處理一段時(shí)間后，羽絨的極化便可以達(dá)到平衡態(tài)，此時(shí)的處理效果也是最好的。

從圖6 還可以看出，隨著加濕時(shí)間的增加，羽絨的展開(kāi)角隨相對(duì)濕度的變化率逐漸減小，且在加濕時(shí)間達(dá)到5 min 之后，變化率趨于平緩。分析這可能是由于羽絨表面有一層致密的分子層膜，這層膜具有很強(qiáng)的疏水性[14]，所以水分子會(huì)先吸附在羽絨纖維的表面，之后才慢慢地滲入羽絨體內(nèi)，前者是一個(gè)快速的過(guò)程，而后者過(guò)程較為緩慢。考慮到在濕度為100 %RH 且加濕時(shí)間為5 min 時(shí)羽絨的處理效果已經(jīng)接近此次實(shí)驗(yàn)的最佳值，故選定單枝羽絨最優(yōu)的加濕參數(shù)是相對(duì)濕度為100 %RH 的環(huán)境中加濕5 min。值得注意的是，對(duì)于單枝羽絨和成團(tuán)的羽絨，它們的吸放濕平衡所需要的時(shí)間是不同的[15]，所以實(shí)際上加濕時(shí)間應(yīng)當(dāng)選定為羽絨達(dá)到吸濕平衡所需的時(shí)間。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照表1 的正交實(shí)驗(yàn)方案對(duì)單朵羽絨進(jìn)行處理，得到了不同因素下的羽絨展開(kāi)角變化，對(duì)同一因素所得到的不同羽絨展開(kāi)角取平均值，得到了單因素的羽絨展開(kāi)角變化數(shù)據(jù)如表2 所示，其中1～5 為表1 中水平數(shù)對(duì)應(yīng)的靜電壓、相對(duì)濕度以及加濕時(shí)間。

表2 單因素羽絨展開(kāi)角平均值

根據(jù)表2 中不同因素的羽絨展開(kāi)角平均值數(shù)據(jù)，可以繪制單因素展開(kāi)角曲線(xiàn)圖，如圖7 所示。

圖7 不同因素的羽絨展開(kāi)角變化曲線(xiàn)

從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，靜電壓對(duì)羽絨展開(kāi)角的影響程度最大，其次是加濕時(shí)間，而相對(duì)濕度在80%～100%區(qū)間內(nèi)對(duì)羽絨展開(kāi)角的影響程度最小。對(duì)于單個(gè)因素而言，單朵羽絨的最佳靜電電壓值約為15kV，最佳相對(duì)濕度為100%RH，最佳加濕時(shí)間約為5min，在此最優(yōu)參數(shù)下處理后的羽絨的展開(kāi)角可相對(duì)原有的30°提高約165°。

2.3 絨包的靜電處理結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)前面單朵羽絨的實(shí)驗(yàn)，確定了靜電處理的最佳參數(shù)為：靜電壓為15kV，相對(duì)濕度為100%RH。由于絨包質(zhì)量為60g，為盡可能使絨包達(dá)到吸放濕平衡態(tài)，將絨包置于100%RH 的環(huán)境中平衡24h 之后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

羽絨因其特殊的結(jié)構(gòu)能夠儲(chǔ)存大量的靜置空氣，所以具有非常好的隔熱性能和保暖性能。本實(shí)驗(yàn)具體操作方案為：在絨包的一側(cè)放置60℃恒定加熱的熱板，熱板周?chē)胖酶魺崤菽瓉?lái)減少熱量損失，在另一側(cè)用紅外熱成像儀測(cè)量絨包表面溫度。絨包測(cè)試前后的紅外熱成像圖如圖8 所示，通過(guò)紅外熱成像儀獲得絨包表面溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖8 絨包處理前后紅外熱成像對(duì)比圖

圖9 絨包表面溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出，羽絨處理前后的表面溫度有著明顯的高低關(guān)系，處理前的平均表面溫度為25.80 ℃，而處理后的平均表面溫度為24.99 ℃，兩組數(shù)據(jù)的離散程度均較低，說(shuō)明數(shù)據(jù)比較可靠。設(shè)絨包表面溫度的提高比例為K，則K 的計(jì)算公式如公式（1）所示。

式中：T0為絨包初始表面溫度，℃；T1和T2分別為絨包處理前后的平均表面溫度，℃。

測(cè)量絨包初始表面溫度是用熱成像儀對(duì)絨包表面進(jìn)行50 次測(cè)量，并取平均值，得到絨包在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的表面溫度為23.56℃。將處理前后絨包平均表面溫度T1、T2以及絨包初始表面溫度T0代入公式（1）得到K=36.16%。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)蓬松化處理后的絨包在60℃加熱板加熱的情況下其表面溫度下降比例為36.16%，這表明經(jīng)過(guò)靜電蓬松化處理，絨包的隔熱性能得到了較大提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了靜電處理對(duì)羽絨保暖性能的影響，通過(guò)自行搭建的靜電處理設(shè)備觀察羽絨在靜電場(chǎng)下的狀態(tài)，定義羽絨展開(kāi)角θ 來(lái)評(píng)價(jià)處理結(jié)果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出靜電處理中靜電壓、相對(duì)濕度和加濕時(shí)間的最佳處理參數(shù)，預(yù)期可用于指導(dǎo)絨包的靜電處理。實(shí)驗(yàn)表明，羽絨在高壓靜電場(chǎng)下有明顯的蓬松狀態(tài)，蓬松程度與靜電壓大小及加濕程度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)所得的最佳靜電壓為15kV，最佳相對(duì)濕度為100%RH，加濕時(shí)間視羽絨的數(shù)量而定，單朵羽絨處理時(shí)間約為5min，羽絨數(shù)量越多則時(shí)間越長(zhǎng)。按照以上最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)絨包進(jìn)行處理和測(cè)試，得到羽絨在60℃穩(wěn)定熱源下的表面溫度變化數(shù)據(jù)，將表面溫度值取平均值后代入比例公式，得到羽絨表面溫度的比例變化為36.16%，說(shuō)明絨包經(jīng)靜電—加濕處理后的隔熱性能和保暖性能得到了較大的提升。