一种仿生导湿排汗纱线及其制备装置和方法与流程

本发明涉及一种基于仿生学设计的导湿排汗纱线及其制备装置和方法，属于静电纺丝和纺织技术领域。

背景技术：

纤维纱线的导湿排汗性能直接影响其织物的穿着舒适性，目前常以天然亲水性纤维作为贴身穿着用面料，但该类纤维存在吸湿不导湿的缺陷，会粘贴在皮肤表面产生不适感。为了改善这一缺陷，基于仿生学原理，模拟水分在植物内部传递通道，设计导湿排汗纱线。

通过对植物中水分转移机理的研究，发现植物中液态水的吸收与传输与其结构和水分形成的压力梯度有关。植物中数量巨大、有较大的吸水面积的根毛区，通过渗透和扩散作用大量吸收水分，产生大的正静水压，而在植物顶部叶片中数目多、分布广的气孔的蒸腾作用产生很大的负静水压，根系与植物顶部产生的巨大压差产生蒸腾拉力将导管中的水柱向上拖动，并通过植物中大量相互贯通的木质部导管形成水分的向上运输；水分传输中，植物中独特的自下而上粗大的集中的根系通管到细小的大量分散的叶片毛细结构，也提高了根系与织物顶部的压差，加快了水的输送拉力，蒸腾-内聚力-张力保证了水流体系的连续性。

为了在纱线中构建类似于植物内部水分传输的通道，形成树杈状的毛细管，并利用毛细管大小的差异形成压差，产生差动毛细效应。需要在传统天然纤维纱线表面包覆更细的纤维，且其细度尺度应比原纤维低至少一个数量级，因此纳米纤维是最合适的选择。

静电纺丝是当前一种最流行的制备纳米纤维的技术，但目前大多数静电纺丝纳米纤维是以纤维膜的形式收集的，大为限制了静电纺技术的应用范围。将静电纺纳米纤维与传统纱线结合是静电纺丝技术与传统纺织的结合，是对静电纺丝技术应用的一大拓展。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种导湿排汗纱线，其能改善传统天然纤维纱线吸湿不导湿的缺陷，提高其织物的服装舒适性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种仿生导湿排汗纱线，其特征在于，结构为包芯结构，芯层纤维采用亲水性纤维，外层纤维采用疏水性纤维；该仿生导湿排汗纱线内设有模拟植物内部水运输通道的树状交叉网络通道。

优选地，所述芯层纤维的细度比外层纤维的细度大。

更优选地，所述芯层纤维的细度比外层纤维的细度大1～2个数量级。

优选地，所述芯层纤维的细度为5～20μm，厚度为200～300μm。

优选地，所述芯层纤维采用棉纤维。

优选地，所述外层纤维的细度为100～1000nm，厚度为15～30μm，取向度为10～25°。

优选地，所述外层纤维采用静电纺聚丙烯腈纳米纤维。

本发明提供的另一个具体技术方案是：一种仿生导湿排汗纱线的制备装置，其特征在于，包括绝缘圆锥罩，绝缘圆锥罩内壁的两侧对称设有至少一个喷气口一及至少一个喷气口二，喷气口一、喷气口二分别与绝缘圆锥罩外侧的气管一、气管二连通，气管一连接空气压缩机一，气管二连接空气压缩机二；喷气口一、喷气口二的下方分别设有一根端部设有金属圆环的金属杆，两个金属圆环的下方分别设有一个静电纺丝喷头，两个静电纺丝喷头各自与高压正极或高压负极连接。

优选地，所述绝缘圆锥罩的下横截面比上横截面大。

优选地，所述绝缘圆锥罩的倾斜角为10°～30°

优选地，所述绝缘圆锥罩为透明材料制成。

优选地，所述绝缘圆锥罩采用聚四氟乙烯制成。

优选地，所述绝缘圆锥罩的上方设有卷绕装置。

优选地，所述静电纺丝喷头采用针头式静电纺丝喷头。

优选地，所述金属圆环的半径为4～10cm。

优选地，所述绝缘圆锥罩内壁上设有4～6个喷气口一/喷气口二。

本发明提供的另一个具体技术方案是：一种上述仿生导湿排汗纱线的制备方法，其特征在于，采用上述仿生导湿排汗纱线的制备装置，芯层纤维的纱线从绝缘圆锥罩底部向顶部沿其中心穿过，绝缘圆锥罩中空气沿内壁高速螺旋运动带动静电纺纳米纤维进行螺旋运动，从而实现纳米纤维对纱线的包覆，制得的导湿排汗纱线从绝缘圆锥罩的顶部露出。

优选地，所述纳米纤维由单侧或双侧静电纺丝喷头喷射获得；两个静电纺丝喷头分别与高压正极、高压负极连接，或均与高压正极/高压负极连接。

优选地，所述纳米纤维处于可移动的自由状态，即无序随机的漂浮状态。

优选地，制备过程中所述绝缘圆锥罩内产生带动纳米纤维进行定向运动的螺旋气流。

更优选地，所述螺旋气流由电机带动的圆靶产生，或由电机带动的圆环产生，或由电机带动的叶片产生，或由电机带动的漏斗形喇叭口产生，或由鼓风装置产生。

本发明有效地将静电纺纳米纤维与传统纱线结合，实现纳米纤维包覆纱的产业化制备，是对静电纺纳米纤维应用的一大拓展。

本发明中芯层纤维以纱线形式存在与芯层，纳米纤维由静电纺丝获得，并通过空气压缩机喷出的高速气流将其取向排列并缠绕于棉纱外层，形成外层致密内层疏松的包芯纱结构。该结构中外层纤维具有疏水性，且纤维直径小，比表面积大；芯层纤维具有亲水性，且纤维直径大，比表面积小。该种结构模拟植物内部导水通道，利用表里层空隙大小不同形成的压差，产生差动效应，导湿能力明显增强且具有单向导湿的能力。而表层纳米纤维所提供的纳米效应又能使液态水在纱线表面快速铺展，从而被快速蒸发。

附图说明

图1为一种仿生导湿排汗纱线的制备装置的结构示意图；

图2为一种仿生导湿排汗纱线的结构示意图；

图3为一种仿生导湿排汗纱线的截面示意图；

图4为一种仿生导湿排汗纱线的截面水通道模拟图；

图5为实施例中外层纤维剖面的扫描电镜图；

图6为实施例中纱线截面扫描电镜图；

图7为实施例中纱线与织物的实物对比图；

图8为对照样液态水分管理测试图；

图9为试验样液态水分管理测试图；

图中：1-喷气口；2-气管；3-空气压缩机；4-金属杆；5-高压负极；6-金属圆环；7-针头式静电纺丝喷头；8-芯纱；9-针头式静电纺丝喷头；10-高压正极；11-空气压缩机；12-气管；13-喷气口；14-锥形静电纺纳米纤维束；15-绝缘圆锥罩；16-导湿排汗纱线；17-卷绕装置；18-外层纤维，19-芯层纤维。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，为本发明提供的一种仿生导湿排汗纱线的制备装置，其包括绝缘圆锥罩15，绝缘圆锥罩15内壁的两侧对称设有5对喷气口一1、喷气口二13，喷气口一1、喷气口二13分别与绝缘圆锥罩15外侧的气管一2、气管二12连通，气管一2连接空气压缩机一3，气管二12连接空气压缩机二11；喷气口一1、喷气口二13的下方分别设有一根端部设有金属圆环6的金属杆4，两个金属圆环6的下方分别设有针头式静电纺丝喷头一7、针头式静电纺丝喷头二9，针头式静电纺丝喷头一7与高压负极5连接，针头式静电纺丝喷头二9与高压正极10连接。所述绝缘圆锥罩15的下横截面比上横截面大；倾斜角为10°～30°；采用聚四氟乙烯制成。绝缘圆锥罩15的上方设有卷绕装置17。金属圆环6的半径为4～10cm。

如图2所示，为本发明制得的导湿排汗纱线的结构示意图，芯层纤维19为传统天然纤维，细度为5～20μm；外层纤维18为静电纺纳米纤维，细度为100～1000nm。两者细度相差至少1个数量级，使得内外层纤维之间存在很强的毛细差动效应，有利于水分从芯层向外层的传导。

如图3、4所示，导湿排汗纱线的芯层疏松，通道少而大；外层致密，通道多而小。整个截面通道形成树杈型的交叉网络状，模拟植物内部水分传递通道。

实施例

芯层纤维19采用40支纯棉纱线，其纤维直径范围为7～15μm；外层纤维18采用静电纺聚丙烯腈(pan)纳米纤维，其纤维直径范围为0.3～0.5μm。其纤维平均取向度为15°。

纱线8的厚度为453μm，其纤维之间的平均距离为9.7μm；纱线8外的纳米纤维14的厚度为15.6μm，其纤维之间平均距离为0.3μm。

棉纤维具有良好的亲水性和吸湿性，但是其无法良好地导湿，使得棉纤维织物被汗液浸湿后会粘贴在皮肤上，带来不适感。

静电纺pan纳米纤维是疏水性纤维，纳米尺度赋予的纳米效应，使表面的水分能迅速地沿纳米纤维轴向铺展，有利于水分的蒸发。

两种纤维的相互结合，将模拟植物内部水分传递的机制，产生显著的差动毛细效应，使得水分能在纱线径向良好的传导，有利于内侧水分向外侧排出。

测试该种导湿排汗纱线的导湿性能，制备平纹织物以表征导湿效果。经纱均采用40支纯棉纱线，对照样纬纱采用40支纯棉纱线，试验样纬纱采用该实施例制备的导湿排汗纱线。

利用动态水分管理测试仪对两种样品进行测试。液态水分管理测试仪能够有效的测量织物的动态水分传递性能，其能够获得的相关指标有浸润时间top(wtt)，浸润时间bottom(wtb)，吸收速率top(art)，吸收速率bottom(arb)，最大浸润半径top(mwrt)，最大浸润半径bottom(mwrb)，扩散速度top(sst)，扩散速度bottom(ssb)，单向传递指数(r)，液态水动态传递综合指数(ommc)。如图8、9分别为对照样品和试验样品液态水分管理测试结果图，如图8所示对照样下表面含水量在测试时间(120秒)内一直为零，可知在测试时间内水分不能在对照样中进行有效传递；如图9所示试验样中下表面水分含量迅速上升，意味着水分快速地从上表面渗透到下表面，具有良好的导湿排汗性能。

表1液态水分管理测试数据结果

由表1可知，试验样相对于对照样在下表面的各个指标均有显著的提升，表明该种导湿排汗纱线确实具有导湿排汗性能，尽管织物样品的某些指标还不能达到相关水平，但考虑到其芯纱采用的是普通纯棉纱线，其导湿排汗性能已经有大幅改善，并且该实施例只是进行初步的探索，还具有长远的探索空间。