织物透气性能的研究与测试.pdfVIP

Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 织物透气性能的研究与测试 一 织物透气性测试的意义 人体穿着服装 除了可以给人以装饰美外 其主要目的是保持人体与周围环境之间的能量交换平衡 当周围环境变化时 利用增减服装来调节能量平衡 可保持人体皮肤的环境温度相对稳定 为了研究织物在人体 服装 环境系统中直到的重要调节作用 就需要测量织物的通透性 所谓通透性 是指热 湿 液相气相 空气 气流 等通过织物的难易程度 这种性能随着使用的目的不同而异 人体是一 个有机体 不断进行着新陈代谢 来维持皮肤表面温度恒定 此时 人体皮肤表面不断向环境散发热量和 湿气 湿气包括两方面内容 其一是在人体静止条件下 通过无感排汗向环境蒸发的湿气 气相 另一方面是 在人体运动的条件下 通过不感排汗向环境散发湿气 液相 为此 就需要测定织物的保暖性 透水性 吸 湿性 透气性等 依次来间接反映服装在穿着时的舒适性能 作为服装 需视季节 体质 个人爱好等不同而选用不同织物 如内衣应用吸湿透湿性好而具有保暖 性的织物 而外衣应选用透气性小且具有适当透湿性的织物 作为工业用的织物 要求织物的通透性好 而特殊用途的产品 如降落伞产品对透气性方面较高 雨伞产品要求透水性方面较高 蓬帆布除应具有坚 牢耐用外 还应有防水的特性 空气透过织物的能力称为织物的透气性 它直接影响到织物的服用和使用 性能 如夏季用的织物希望有较好的透气性 而冬天用的织物外衣透气性应该较小 以保证衣服具有良好 的防风性能 防止热量的大量散发 对于国防及工业上某些用途的织物 透气性更具有十分重要的意义 如降落伞的透气性要适中 过大下降速度太大 过小下降速度过慢 因此 织物的透气性的好坏与织物的 服用使用性能有密切的关系 防水透气面料可以防止液体水的渗透 同时可以让水蒸汽顺利通过 此类面料用途广泛 从普通的户 外运动服到用于医疗和军事的专业防护服都有防水透气面料的应用 为防止液体水的渗透 此类面料通常 需要进行后整理 涂层或者层压薄膜等处理 但这些处理可能阻止汗液的蒸发 从而导致穿着者的不舒适 和生理疲劳 因此 透气性是防水面料测试的主要项目之一 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 随着人们生活水平的提高 对织物的服用舒适性能要求日益提高 因此 作为织物舒适性能重要组成 部分的透气性也显得越来越重要 其性能的检测与评价方法也相应的更加重要 二 织物透气性的影响因素 影响织物透气性的因素很多 有纤维的截面形状 纱线的细度与体积重量 织物的组织材料 结构 表面特征 加工方式与以及染整加工工艺条件等等 具体见表 1 表 1 织物透气性影响因素 影响因素 影响结果 织物材料 透气性能从大到小依次为 麻 棉 羊毛 涤纶 尼龙 织物组织结构 透气性关系为 透孔织物 缎纹织物 斜纹织物 平纹织物 经纬纱纱支不变 经密或纬密增加 透气性下降 纱线的捻度增加 透气性提高 后整理方式 织物经柔软 液氨柔软 免烫 液氨免烫 液氨潮交联和三 防等后整理 其透气性大小为 液氨整理 普通柔软和免烫 整理 三防整理 水洗次数 前 5 次洗涤过程中 织物的透气性依次降低 洗涤 5 100 次 织物透 气性变化较小 趋于稳定 其中洗涤 30 次以上 织物的透气 性有略微增加的趋势 烘焙 焙烘后织物的透气率均比焙烘前有所增加 这是因为焙烘前 浸轧在织物上的助剂并未发生交联 覆盖在纤维及纱线之间 阻碍空气的流通 三 织物透气性能的国内外研究现状 织物的透气性是指在一定的压差下 单位时间内渡过织物单位面积的空气体积 其单位为 m2 s 一般的 服装面料都有一定的透气性 因为人体时刻都在呼吸 而服装面料的透气性恰好为人体皮肤与外界进行气 体交换提供了通道 同时 服装面料的透气性也有利于人体热量的发散 从而使人体保持舒适 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 影响织物舒适性的另一个重要因素是织物的透气性 运动服 防风防寒服均对织物透气性有较高要求 有些工业纺织品如飞机降落伞 滤布等对织物透气性有特殊要求 织物透气性决定于织物中经纬纱线间以 及纤维间隙的数量与大小 亦与经纬密度 经纬纱线特数 纱线捻度等因素有关 此外还与纤维性质 纱 线结构 织物厚度和体积重量等因素有关 衣着用织物在穿着中的透气性还受到外界大气因素的影响 一 般气温升高 透气性下降 风速增加 则透气性增大 织物透气性的研究开始于卫生面料应用的十九世纪 通过多孔介质研究透气性的结果 Darcy 建立了依 据压降所得出的与透气之间的线形关系 第一个研究织物透气性的 Rubner 正是以 Darcy 的规律为依据 接 下来的研究是由 Rekk Florinskii Fochheimer Khanzhonkov 和 Zelenko 探索了气流通过多孔材料的通过率 这项研究显示了由压差决定的渗透性不再随着过滤速率的提高而呈现线形变化 应用到纺织材料上 这种 现象在Rakhmatullin的研究和他提出的等式中有所反映 Arkhangel对纺织材料透气性做了大量系统的研究 引进了一个现在常用的特征值 透气系数 并提出根据他们的透气性不同对纺织品进行分类 织物不同特征 结构对他们透气性的影响已经由 Clayton Keswell Hearle 等人研究出来 四 透气性的理论研究 气体通过织物有交织孔隙和纤维间缝隙两条途径 一般以交织孔隙为主要途径 纱线间的孔隙大都是 贯通的 孔隙截面形状基本上有一定的规律性 从织物一侧到另一侧 孔隙呈瘦角方形 当空气透过织物 时 类似于流体流经多孔介质的流动 织物的孔隙结构可以简化成平行毛细管束模型 见图 1 从而织物多 孔结构可以模拟为许多毛细管的平行集合体 图 1 毛细管 平行集合体模型 按流体力学理论 空气通过圆管时 层流的流量 q m3 s 可用哈根 伯肃叶 Hagen Poiseuille 定律计算 1 式中 p 为管两端的压力差 Pa L 为管的长度 m d 为管的直径 m 为空气的动力粘度 Pa s 运用上式 1 中计算织物的透气量 基于对织物作出的两点假设 1 纱线内纤维紧密结合且纱线在织物 中均匀分布 2 织物中纱线间的空隙截面是矩形 考虑到等式 1 中有 n 个气孔 等式 1 变为 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 2 现有的估算纤丝间的织物透气性的方法主要有三个 计算 方法 1 在等式 d 0 0357 T H 1 2 中确定纱线的直径 用线密度 T 和平均密度 Pn 接下来在 等式 1 中计算透过率 Rs Rs 1 dwa wa dwe we 10 2 dwa dwe wa we 3 其中 dwa 是经纱直径 dwe 是纬纱直径 wa 是经纱间气孔周长 we 是纬纱间气孔周长 精密计算 方法 2 从织物中分离出的纱线直径在光学显微镜下测出 透过率在等式 3 中计算出来 投影法 方法 3 基于扫描电子显微镜下织物样品的显微照片 相关气孔直径 dh 在著名的水力动力 学等式中计算 dh 4S 4 其中 S 是气孔直径 S ab a 100 wa dwa b 100 we dwe 2 a b 在确定织物孔径大小的方法中 RS 和 dh 值与用其他方法获得的值有显著的不同 时常比用其他的方法 获得的值要高一些 这是因为织物结构中纱线光滑和起毛的因素并没有考虑到 方法的使用是基于纱线横截 面是圆形的设想 并且用常规平均密度值来计算纱线直径 和真实值并不一样 以方法 2 为基础确定的 RS 和 dh 值比方法 1 更可靠一些 但测得的结果也有显著的不同 当织物透气性与织物中纱线横截面大小和纱线的起毛 不影响气孔 有关时 方法 2 测得 Rs 的一个小缺 陷是由于在不同截面抽出织物结构和测量纱线直径时纱线横截面开关的改变 而使数值发生了变化 方法 3 允许在织物纱线平面受压和他们的起毛情况下 测量透气性的真实值 部分覆盖气孔的纱线表面的单根纤 维并不存在重要的阻力 所以以此方法获得的 Rs 值比在气体流动条件下织物中测得的真实值要小一些 国际上认为目前对织物透气性的研究所受的局限主要在三个方面 描述由气体结构而决定的透气性模 型没有充分考虑到材料结构因素 其认可领域有一定的限制 测试透气性所用的方法并不能保证材料测试条 件和他们的使用条件一致 根据人们对透气量的不同要求设计透气性织物在目前是不太可能的 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 四 织物透气性测试基本知识 1 基本原理 所谓织物透气性 是指织物两面存在压差的情况下 织物透过空气的性能 即织物两面在规定的压差 下 单位时间内流过织物单位面积的空气体积 单位为 L mm2 s 因为压差是空气赖以流动的必要条件 只有在被测织物两面保持一定的压差 才能在织物中产生空气流动 2 主要测试标准 透气量的测试是按固定压差作为透气量试验的基准 各国试验标准规定的压差并不一致 例如美国 ANSI ASTM K773 FS191 5450 及日本的 JISL1096 规定为 127 4Pa 13mm 水柱 法国 NFG07 111 规定为 196Pa 20mm 水柱 德国 DIN 53387 规定服装织物为 100Pa 10mm 水柱 降落伞织物为 160PA 16mm 水柱 过滤织物及工业用织物为 200Pa 20mm 水柱 英国 BS5636 规定为 98Pa 约 10mm 水柱 等 我国标准 GB T 5453 1997 纺织品 织物透气性的测定 规定为服用织物 100Pa 约 10mm 水柱 产业用织物为 200Pa 20mm 水柱 3 测试方法 不同织物的透气性要求有很大不同 即使同一织物 由于使用要求不同 织物两面压差情况往往是不 同的 故应根据织物自身材料的特性 使用要求的不同 而选用不同的压降来进行测试 常用织物透气性测试仪基本的测试方法是在一定的压力差下气体通过已经面积的织物 测试气流流量 从而得出织物的透气率 大部分的服用织物可以认为是相对稀疏的 测试使用的压力要求比较低 在这个 低压水平下习惯上用真空泵抽出空气来达到要求的的压力差 从流量计上读出气体流量 普遍使用的 Gellowen G021 织物透气性测试仪就采用这种测试方法 织物透气量仪测试示意图如图 2 如示 1 3 为两个空气室 试样 5 置于空气室 1 的前面 当排气风扇 4 转动时 空气即透过试样 5 进入空气室 1 和 3 空气在通过气孔 2 时 由于截面缩小 即引起静压降落 其数值可在压力计 7 上读取 织物两侧的压差可从压力计 6 读出 待压力计示数稳定后 读取数据 经查 表 求出相应的透气量值 图 2 织物透气率测试 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 织物透气性测试仪的测试原理是根据不同织物选用相应的口径 利用排气风扇抽取空气 使得织物两 侧达到要求的压力差 产生稳定的气流通过织物 适用孔板节流原理测试出气体的流量 从而得到织物的 透气量 G021 型织物透气性测试仪是测试在稳定的压力下 织物透过稳定的气流时的透气情况 目前透气 性测试仪不断更新换代 新一代数字式透气性测试仪从测量精度和测试压力范围都得到提高 但是 从测 试方法和原理上看 仍然是准定常态 是静态的测量 4 透气性测试的关键技术 透气性测试仪的关键技术是压力和流量的测量 G021 型织物透气性测试仪采用孔板流量计测量气流 U 形管测量气压 孔板作为流量计装置已经有超过 100 年的历史 许多国家与国际标准的颁布都以它为首 在狭窄的管 道中适用孔板作为阻塞板进行测量 并迫使流动物质受到挤压 充满管道的流体 当它流经管道内节流件 时 流束将在节流件处形成局部收缩 静压力降低 于是在节流件前后便产生了压差 流体流量愈大 产 生的压差愈大 因而可依据压差来衡量流量的大小 在许多装置中 孔板流量计的应用是很普遍的 也有 一些织物透气性测试仪器采用文丘里管等测量流量 文丘里管与孔板相比压力损失小 寿命长 无论是孔板节流装置还是文丘里管节流装置 测量方法均是以流动连续性方程 质量守恒定律 和伯努利 方程 能量守恒定律 为基础的 适用于测量稳定的气流 使用标准节流装置进行流量测量时必须满足以下条 件 1 被测介质充满全部管道截面 并沿着内径不小于 50mm 的圆形管道流动 对文丘里管 其管径不应 小于 100mm 亦不应大于 800mm 2 管道内的流束是稳定的 或者实际上可以认为是稳定的 当流束稳定时 在同一点上流速和压力不 随时间而变化 3 被测介质通过节流装置时 其相态不变 例如 液体不蒸发 过热蒸汽仍然是过热的 溶解在液体 中的气体不析出等 同时是单相存在的 对于成分复杂的介质 只有其性质与单一成分的介质类似时才能 使用 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 在织物透气性测试仪上 水银压力计用来测量气室内的压力大小 待压力计示数稳定后 读取数值 每次实验只能得出一个结果 这种测量压力的装置无法实现实时瞬间测量 传统透气性测试仪中 无论是气体压力的测量不是流量的测量 都是适用于对定常态气体 一些织物 在应用过程中 如安全气囊织物在展开过程中 气体压力是不断变化的 而且变化的范围大 历时短 定常 态下静态测试织物的透气性并不能反应出织物的使用性能 除此之外 传统透气性测试仪采用抽真空的方法 在织物两侧形成一定的压力 压力范围很小 当压 力水平达到或超过了真空泵所承受的压力时 这种方法显得无能为力 织物中压透气性测试最高只能测量 3000Pa 传统的测量方法难以达到一些特殊织物的实际工作时压力 五 国内外常用织物透气性测试标准和方法 1 透气性测试标准介绍 纺织品的透气性是影响织物性能的重要因素之一 服用 装饰用织物等的舒适性能与织物的透气性有 很大关系 一些工业纺织品 如飞机降落伞 滤布以及安全气囊织物也必须遵守一定的透气性要求 才能 更好的发挥作用 目前 国外的透气性检测方法主要有 ISO 9237 1995 主要应用于纺织织物 产业用布 非织造布上 ISO 7229 1997 主要应用于橡胶或塑料涂层织物 ASTM D737 2004 2012 主要应用于纺织织物 BS 5636 1978 主要应用于纺织织物 JIS L1096 1999 主要应用于纺织品 其中 ISO 9237 和 ASTM D737 两项标准方法应用最为广泛 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 我们国内对织物透气性的测定方法 应用较为广泛的标准是 GB T 5453 1997 等效采用 ISO 9237 1995 该标准适用于多种纺织织物 包括产业用织物 非织物布和其它可透气的纺织产品 在测试时通过不同的 压降对服用织物与产业用织物进行了细微区分 服用织物压降选择 100Pa 产业用织物压降为 200Pa GB T 5453 1985 织物透气生试验方法 中以透气量 是指织物两面在规定的压力差下 单位时间内流过织物单位 面积的空气体积 衡量织物透气性的指标 修订标准 GB T 5453 1997 采用透气率 是指在规定的试样面积 压 降和时间条件下 气流垂直通过试样的速率 表示织物的透气性能 而 ASTM D737 与上述两项标准在适用范围 温湿度 测试面积 压力差等方面有所差异 考虑到进出 口纺织品贸易的实际情况 拟选用不同的样品对 ISO 9237 和 ASTM D737 的具体温湿度 测试面积 压力差 等条件进行对比探讨 选择出最具适用性和代表性的条件 建立适合进出口贸易的行业标准 2 透气性测试标准比较 目前 常用的透气性测试标准主要有 ASTM D737 2012 纺织品透气性测试方法 ISO 9237 1995 纺 织品 织物透气性的测定 GB T 5453 1997 纺织品 织物透气性的测定 和 JIS L1096 1999 纺织品透气 性测试方法 其中 GB T 5453 1997 等效于 ISO 9237 1995 JIS L1096 1999 分为 A 法和 B 法 A 法采用弗雷泽型 Frazir 透气度测试仪 压差为 125Pa 测量 5 次求平 均值 B 值采用格利型 Gurley 透气度测试仪 测量在特定压差下 300ml 空气透过织物所用的时间 透气率 用时间来表达 单位为秒 此法适用于毛织物 由于 JIS L1096 要求采用特定的仪器 因而在日常检测中并 不常用在下文的条件探讨中 不考虑该标准 主要针对为 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 下面对两种测试方法进行比较 两种标准的具体条件对 比见表 2 表 2 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 检测差异对照表 测试标准测试标准 ISO 9237 1995 ASTM D737 2012 单位 mm s 或 m s cm s 使用范围 适用于多种纺织品 包括产业 用纺织品 非织造布和其它可 透气的纺织品 适用于多数纺织品 包括机织 物 非织造布 充气袋用布 地毯 起毛起绒织物 针织物 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 和多层织物 测试织物可以是 未经整理的 也可以是经重度 上浆 涂层 树脂整理或其它 整理 测试面积 cm2 5 20 50 100 5 6 45 38 3 100 压力差 50 500 100 2500 常用参数 Pa 100Pa 服装面料 200Pa 工 业织物 20cm2 125Pa 38 3cm2 预调温 调湿 试验条件 20 2 65 2 21 1 纺织品透气性测试为无损检测 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 在抽样和取样进行了不同的规定 具 体见表 3 表 3 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 抽样和取样差异对照表 测试标准测试标准 抽样抽样 ISO 9237 1995 样品批数 抽样数量 3 1 4 10 2 11 30 3 31 75 4 75 5 ASTM D737 2012 样品批数 抽样数量 1 3 全部 4 24 4 25 50 5 50 最多从 10 件中抽取 10 测试标准测试标准 取样取样 ISO 9237 1995 从批样的每一匹中剪取长至少为 1m 的整幅织物作为实验室样 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 品 注意应在距布端 3m 以上的部位随机选取 并不能有折皱 或明显疵点 ASTM D737 2012 1 实验室样品从测试角度考虑 织物在长度方向必须达到 1m 的宽度 如果是成卷的织物 取样时必须避开外层包裹的织 物和内层中心的织物 2 测试样品从每份实验室样品中取 10 个测试样 使用裁剪器 或标准中规定的模板 3 裁剪样品从每份实验室样品尺寸至少要与夹持装置大小相 同 并标示样品可区分 4 所取样品必须具有代表性 最好从实验室样品的对角线上 取 不要靠近边缘的十分之一处 除非经过客户同意 在取 样过程中 避免油 水和油脂等的污染 从表中可以看出 为了减少贸易纠纷和风险 需要从样品中抽取足够多的具有性的样品 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 均对样品抽取进行了明确的规定 从批次上来看 ASTM D737 2012 的规定更为严 格 对于进出口贸易来说 抽样的代表性至关重要 因此系统内部也对纺织品和服装的抽样均制定了行业 标准 为了更好的适应进出口纺织品的具体情况 抽样的原则引用 SN T 3702 进出口纺织品质量符合性评 价抽样方法 该标准包括 7 个部分分别为 第 1 部分 通则 第 2 部分 纺织原料 第 3 部分 纺织纱线 第 4 部分 纺织织物 第 5 部分 纺织制品 第 6 部分 服装 Standard International Group HK Limited 标准集团 香港 有限公司 Standard International Group HK Limited 第 7 部分 特种纺织品 可以满足各种需求 比 ASTM D737 2012 和 ISO 9237 1995 的规定更为具体和全面 在取样方面 ISO 9237 1995 的规定较为笼统 仅表示测试部位随机选取 ASTM D737 2012 的规定具体 但是特别规定了样品的裁剪 从透气性测试本身的需要和客户成本需求 进行无损检测更为合适 没有必 要对样品进行裁剪 六 透气性测试仪器设备 织物透气性测试仪器国际上主要有 FF 12 匈牙利 VPTM 2 俄罗斯 Shirley 透气仪 英国 其中 VPTM 2 适用于研究气体透过织物的流动特征 VPTM 2和Shirley透气仪测得结果的一致性已经确定 在这些仪器中 透气性结果测量的比率范围 0 83 BVPTM BShirley 1 07 BVPTM BShirley 的平均值约等于 0 96 从 FF 12 和 Shirley 透气仪测得的结果比率范围 0 93 BFF BShirley 1 61 BFF BShirley 的平均值约等于 1 32 数据的相关系 数值是 RFF and Shirley 0 98 RVPTM and Shirley 0 99 国内透气仪主要有 Y561 YG461A KESF AP1 YG B 4