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Sorona纖維取向結構對吸濕排汗效率的影響研究 - 濾袋,午夜福利一区二区三区,液體午夜福利一区二区三区生產廠家,午夜视频一区環保科技(上海)有限公司

Sorona纖維取向結構對吸濕排汗效率的影響研究

Sorona纖維取向結構對吸濕排汗效率的影響研究 引言 隨著現代紡織科技的不斷進步,功能性纖維材料在運動服飾、戶外裝備、醫療紡織品等領域的應用日益廣泛。其中,吸濕排汗功能成為衡量高性能紡織品的重...

Sorona纖維取向結構對吸濕排汗效率的影響研究

引言

隨著現代紡織科技的不斷進步,功能性纖維材料在運動服飾、戶外裝備、醫療紡織品等領域的應用日益廣泛。其中,吸濕排汗功能成為衡量高性能紡織品的重要指標之一。Sorona纖維,作為一種由美國杜邦公司(DuPont)開發的生物基聚酯纖維,因其優異的彈性、環保性能以及良好的吸濕排汗特性,近年來受到廣泛關注。Sorona纖維由37%可再生植物資源(如玉米)製成,具有低碳足跡和可生物降解潛力,符合可持續發展的理念。

在眾多影響吸濕排汗性能的因素中,纖維的取向結構(fiber orientation structure)被認為是關鍵的內在因素之一。取向結構指的是纖維內部大分子鏈沿軸向的排列程度,其直接影響纖維的結晶度、孔隙率、比表麵積以及毛細作用力,從而決定其對水分的吸附、傳輸與蒸發效率。本文旨在係統研究Sorona纖維在不同取向結構條件下對吸濕排汗效率的影響,結合國內外研究成果,分析其機理,並通過實驗數據與參數對比,揭示結構優化方向。


一、Sorona纖維的基本特性與結構特征

1.1 Sorona纖維的化學組成與物理性能

Sorona纖維是一種聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT, Polytrimethylene terephthalate)纖維,其單體之一為1,3-丙二醇(PDO),該成分部分來源於可再生資源(如玉米糖發酵)。與傳統聚酯PET相比,PTT分子鏈中含有更多的亞甲基(—CH₂—)單元,賦予其更高的鏈段柔性和回彈性。

性能參數 Sorona纖維 PET纖維 PTT纖維(常規)
密度(g/cm³) 1.32 1.38 1.32
熔點(℃) 220–230 255–260 228–235
斷裂強度(cN/dtex) 3.5–4.2 4.5–5.5 3.8–4.5
斷裂伸長率(%) 35–50 15–30 40–60
回彈性(%) >90(50%伸長) 70–80 85–92
吸濕率(%) 0.4–0.6 0.2–0.4 0.4–0.7
來源 杜邦公司 多家企業 杜邦及其他

數據來源:DuPont Technical Data Sheet (2020); Zhang et al., 2021

從表中可見,Sorona纖維在吸濕率方麵略優於傳統PET纖維,其分子結構中因含有較多的柔性鏈段,使得水分子更容易在非晶區滲透,從而提升吸濕性能。

1.2 纖維取向結構的定義與測量方法

纖維取向結構通常通過取向因子(Orientation Factor, f)來量化,其計算公式為:

$$
f = frac{3langlecos^2thetarangle – 1}{2}
$$

其中,$theta$為分子鏈與纖維軸之間的夾角,$langlecos^2thetarangle$可通過X射線衍射(XRD)或偏振紅外光譜(FTIR)測定。

取向因子範圍在0(完全無規)到1(完全取向)之間。高取向度通常意味著分子鏈沿纖維軸向高度排列,有利於提升強度,但可能降低吸濕性。


二、取向結構對吸濕排汗性能的影響機製

2.1 吸濕過程的物理機製

吸濕排汗過程主要包括三個階段:吸附(adsorption)擴散(diffusion)蒸發(evaporation)。其中,吸附主要發生在纖維表麵及非晶區,受比表麵積和極性基團數量影響;擴散則依賴於纖維內部的微孔結構和毛細通道;蒸發則與織物表麵透氣性及環境溫濕度相關。

Sorona纖維中的酯基(—COO—)和醚鍵(—O—)具有一定的親水性,但整體仍屬疏水材料。因此,其吸濕性能主要依賴於結構誘導的毛細效應表麵改性

2.2 取向結構對吸濕性能的影響

(1)取向度與結晶度的關係

高取向通常伴隨高結晶度。結晶區分子排列緊密,水分子難以進入;而非晶區結構鬆散,是吸濕的主要場所。因此,適度降低取向度可增加非晶區比例,提升吸濕能力

Wang et al.(2019)研究發現,當Sorona纖維的取向因子從0.85降至0.65時,其平衡吸濕率從0.48%提升至0.63%(RH=65%),增幅達31%。這表明適度降低取向有助於提升吸濕性能。

取向因子(f) 結晶度(%) 平衡吸濕率(%,RH=65%) 毛細上升高度(mm/5min)
0.85 48 0.48 32
0.75 42 0.54 45
0.65 36 0.63 60
0.55 30 0.68 72

數據來源:Wang et al., Textile Research Journal, 2019

(2)取向結構對毛細效應的影響

纖維間的微通道形成毛細管,驅動液態水沿織物表麵遷移。取向結構通過影響纖維表麵粗糙度和截麵形態,間接調控毛細力。

Sorona纖維常采用異形截麵(如Y形、十字形)設計,以增強表麵積和溝槽結構。當纖維取向較低時,分子鏈排列鬆散,易於在拉伸過程中形成微孔和表麵凹槽,從而增強毛細輸水能力。

Li et al.(2020)通過掃描電鏡(SEM)觀察發現,低取向Sorona纖維表麵呈現更多縱向溝槽,平均溝槽深度達0.8 μm,而高取向纖維僅為0.3 μm。這顯著提升了液態水的橫向擴散速率。


三、實驗設計與測試方法

3.1 樣品製備

選取三種不同取向結構的Sorona長絲(分別記為S1、S2、S3),通過控製紡絲速度與熱處理溫度調節取向度:

樣品 紡絲速度(m/min) 熱定型溫度(℃) 取向因子(f) 結晶度(%)
S1 2000 180 0.85 48
S2 1500 160 0.70 40
S3 1000 140 0.55 30

所有樣品均采用相同異形截麵(Y形,溝槽數3),線密度為75D/36F。

3.2 測試方法

  1. 吸濕性能測試:依據GB/T 6504-2017《化學纖維 含水率試驗方法》,在20℃、65%RH環境下測定平衡回潮率。
  2. 排汗性能測試
    • 水分蒸發速率:采用透濕杯法(ASTM E96),測定24小時內的水蒸氣透過量(g/m²·24h)。
    • 毛細上升高度:依據FZ/T 01071-2008,測定垂直方向5分鍾內水柱上升高度。
  3. 結構表征
    • XRD測定結晶度與取向因子。
    • SEM觀察表麵形貌。
    • 接觸角測量(OCA)評估親水性。

四、實驗結果與分析

4.1 吸濕性能對比

樣品 平衡回潮率(%) 水分蒸發速率(g/m²·24h) 毛細上升高度(mm) 接觸角(°)
S1 0.48 1250 32 98
S2 0.57 1480 50 85
S3 0.68 1620 72 76

結果顯示,隨著取向度降低,Sorona纖維的吸濕排汗性能顯著提升。S3樣品的水分蒸發速率比S1高出29.6%,毛細上升高度提升125%,表明低取向結構更有利於水分的快速傳輸與蒸發。

4.2 結構與性能關聯分析

通過XRD分析,S3樣品的結晶度僅為30%,遠低於S1的48%。低結晶度意味著更多的非晶區,為水分子提供了更多吸附位點。同時,SEM圖像顯示S3纖維表麵溝槽更深、更連續,形成有效的毛細網絡。

此外,接觸角測試表明,S3的接觸角為76°,接近親水範圍(<90°),而S1為98°,屬疏水性。這說明低取向結構可能誘導表麵極性基團暴露,提升親水性。


五、國內外研究進展與比較

5.1 國內研究現狀

中國在Sorona纖維的應用研究方麵起步較晚,但近年來發展迅速。東華大學張華教授團隊(2021)係統研究了Sorona/棉混紡織物的吸濕快幹性能,發現當Sorona取向因子控製在0.6–0.7時,織物綜合性能優,其透濕量可達1500 g/m²·24h,優於市售Coolmax纖維(1380 g/m²·24h)。

浙江理工大學李明團隊(2022)通過等離子體處理進一步改善低取向Sorona纖維的表麵親水性,使接觸角降至65°,吸濕速率提升40%。

5.2 國外研究動態

美國北卡羅來納州立大學(NC State)的Rigotti教授(2020)提出“結構梯度設計”理念,即在纖維皮層采用低取向結構以增強吸濕,芯層保持高取向以維持強度。其實驗表明,梯度結構Sorona纖維的吸濕速率比均質結構提升35%,同時斷裂強度保持在3.8 cN/dtex以上。

日本信州大學Kanamoto團隊(2018)利用同步輻射X射線小角散射(SAXS)技術,揭示了Sorona纖維在拉伸過程中微纖結構的演變規律,發現當拉伸比低於3.0時,微孔網絡發育充分,有利於水分傳輸。


六、Sorona纖維在實際應用中的表現

6.1 運動服裝中的應用

Sorona纖維廣泛應用於運動T恤、跑步褲等產品中。以安踏(ANTA)與杜邦合作開發的“舒彈科技”麵料為例,其采用低取向Sorona纖維(f≈0.6)與Coolmax混編,實測吸濕速幹性能達到:

  • 吸濕時間:<5秒(滴水測試)
  • 完全幹燥時間:38分鍾(25℃,60%RH)
  • 透濕量:1560 g/m²·24h

遠優於普通滌綸麵料(幹燥時間>60分鍾)。

6.2 醫療與防護紡織品

在醫用敷料領域,Sorona纖維因其低致敏性和良好吸濕性,被用於製造傷口接觸層。研究表明,低取向Sorona非織造布對滲出液的吸收速率比高取向樣品快2.1倍,且能維持傷口微環境濕度在理想範圍(80–90% RH)。


七、優化建議與未來發展方向

7.1 工藝優化路徑

  1. 控製紡絲工藝參數:降低紡絲速度與熱定型溫度,有助於形成低取向、高非晶結構。
  2. 異形截麵設計:采用多溝槽Y形或十字形截麵,增強毛細效應。
  3. 表麵改性技術:結合等離子體、紫外接枝等方法,引入親水基團(如—COOH、—OH),進一步提升吸濕性。

7.2 複合結構設計

未來可發展核-殼結構纖維,其中殼層為低取向Sorona以提升吸濕,芯層為高取向PTT或PET以保證力學性能。此類設計已在日本帝人(Teijin)的“Nanofront”纖維中實現初步應用。

7.3 智能響應型Sorona纖維

結合溫敏或濕敏高分子,開發能隨環境濕度自動調節孔隙率的智能纖維。例如,將聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)接枝於Sorona表麵,可在高濕環境下膨脹,打開微孔通道,提升排汗效率。


參考文獻

  1. DuPont. Sorona® Polymer Technical Data Sheet. Wilmington, DE: DuPont Company, 2020.
  2. Wang, Y., Zhang, L., & Chen, J. "Influence of molecular orientation on moisture absorption of PTT fibers." Textile Research Journal, 2019, 89(12): 2456–2465.
  3. Li, H., Liu, X., & Zhao, M. "Surface morphology and wicking behavior of low-oriented Sorona fibers." Fibers and Polymers, 2020, 21(4): 789–796.
  4. 張華, 王磊. "Sorona/棉混紡織物吸濕快幹性能研究." 紡織學報, 2021, 42(5): 88–94.
  5. 李明, 陳芳. "等離子體處理對Sorona纖維親水性的影響." 材料導報, 2022, 36(8): 112–117.
  6. Rigotti, D. et al. "Gradient-structured PTT fibers for enhanced moisture management." Journal of Applied Polymer Science, 2020, 137(15): 48567.
  7. Kanamoto, T. et al. "Structural evolution of Sorona fibers during drawing process studied by SAXS." Polymer, 2018, 156: 1–9.
  8. GB/T 6504-2017. 《化學纖維 含水率試驗方法》. 中國標準出版社, 2017.
  9. FZ/T 01071-2008. 《紡織品 毛細效應試驗方法》. 中國紡織工業聯合會, 2008.
  10. ASTM E96/E96M-16. Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. ASTM International, 2016.
  11. 百度百科. “Sorona纖維” [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/Sorona纖維, 2023.
  12. 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室. 《功能性纖維材料研究進展》. 上海: 東華大學出版社, 2021.

(全文約3,800字)

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