Sorona吸湿排汗面料的结构设计与热湿舒适性提升研究
一、引言
随着人们对服装功能性需求的不断提升，吸湿排汗面料作为功能性纺织品的重要组成部分，广泛应用于运动服饰、户外装备及日常穿着中。吸湿排汗功能的核心在于通过纤维结构与织物设计，实现人体汗液的快速吸收与蒸发，从而维持皮肤表面的干爽与舒适。近年来，以生物基聚合物为原料的Sorona纤维因其环保性与优异性能，成为吸湿排汗面料研发的热点材料。
Sorona是由美国杜邦公司（DuPont）研发的一种部分生物基聚酯纤维，其原料中37%来源于可再生植物资源（如玉米），具有低碳排放、可降解等环保优势。更重要的是，Sorona纤维在物理结构和化学特性上具备良好的吸湿排汗性能，结合合理的织物结构设计，可显著提升服装的热湿舒适性。
本文将系统探讨Sorona吸湿排汗面料的结构设计原理、性能参数、热湿传递机制，并结合国内外研究成果，分析其在提升穿着舒适性方面的优势与应用前景。
二、Sorona纤维的物理化学特性
2.1 基本组成与结构
Sorona纤维的化学名称为聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT，Polytrimethylene terephthalate），其分子结构中含有较长的柔性链段（丙二醇单元），赋予其优异的弹性和回弹性。相比传统的聚酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），PTT的分子链更柔软，结晶速率适中，有利于纤维的加工与性能优化。
| 特性 | Sorona（PTT） | PET（聚酯） | PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯） |
|---|---|---|---|
| 单体来源 | 37%可再生植物糖 | 石油基 | 石油基 |
| 玻璃化转变温度（Tg） | 45–50°C | 67–81°C | 22–50°C |
| 熔点（Tm） | 228–235°C | 250–260°C | 223–225°C |
| 回弹性（50%伸长） | >90% | 70–80% | 80–85% |
| 吸湿率（标准大气） | 0.4–0.6% | 0.3–0.4% | 0.3–0.5% |
| 生物基含量 | 37% | 0% | 0% |
数据来源：DuPont Sorona Technical Data Sheet, 2022
2.2 吸湿机制
尽管Sorona的吸湿率略高于传统聚酯，但其吸湿能力仍低于天然纤维（如棉，吸湿率约8%）。然而，Sorona通过其独特的纤维表面微结构和分子极性，实现“吸湿快干”的功能。其吸湿主要依赖于纤维表面的微孔结构和分子链中的极性基团（如酯基），促进水分子吸附与扩散。
研究表明，Sorona纤维表面具有较高的比表面积和微细沟槽结构，有利于毛细作用的形成，从而加速汗液的横向扩散（Zhang et al., 2020）。此外，其分子链中的柔性段增强了水分子在纤维内部的迁移能力，提升整体湿传递效率。
三、Sorona吸湿排汗面料的结构设计
3.1 纤维截面设计
纤维截面形状对吸湿排汗性能有显著影响。Sorona可通过异形截面纺丝技术（如十字形、Y形、W形）增强毛细效应，提升导湿能力。
| 截面类型 | 毛细力（Pa） | 导湿速率（mm/min） | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 圆形截面 | 120–150 | 18–22 | 常规服装 |
| Y形截面 | 210–240 | 35–40 | 运动服、内衣 |
| W形截面 | 260–300 | 45–50 | 高强度运动装备 |
| 十字形截面 | 230–270 | 40–45 | 户外功能服 |
数据来源：Wang et al., "Capillary Effect of Cross-Sectional Fibers in Moisture Wicking Fabrics", Textile Research Journal, 2019
Y形与W形截面因具有更多棱角和沟槽，显著增强了纤维间的毛细通道，促进汗液从皮肤向织物外层迁移。杜邦公司开发的Sorona® ECO02系列即采用Y形截面设计，实测导湿速率较普通圆形截面提升约60%。
3.2 织物组织结构优化
织物组织直接影响孔隙率、透气性与导湿路径。常见的吸湿排汗织物组织包括平纹、斜纹、缎纹及双层结构。
| 织物组织 | 孔隙率（%） | 透气率（mm/s） | 蒸发速率（g/m²·h） | 适用性 |
|---|---|---|---|---|
| 平纹 | 38–42 | 120–150 | 280–320 | 日常穿着 |
| 斜纹 | 42–46 | 160–190 | 330–370 | 运动休闲 |
| 缎纹 | 46–50 | 180–220 | 360–400 | 高端运动服 |
| 双层结构（里层疏水，外层亲水） | 50–58 | 200–250 | 420–480 | 专业运动装备 |
数据来源：Li & Chen, "Structure-Property Relationship of Moisture-Wicking Knitted Fabrics", Journal of Textile Science & Engineering, 2021
双层结构是提升热湿舒适性的关键设计。内层采用疏水性Sorona纤维，快速将汗液从皮肤剥离；外层采用亲水改性Sorona或与棉混纺，促进水分蒸发。该结构模拟“泵效应”，实现单向导湿。
3.3 混纺与复合技术
为弥补Sorona吸湿率相对较低的不足，常采用混纺或复合技术提升整体性能。
| 混纺组合 | 混纺比例 | 吸湿率（%） | 导湿时间（s） | 舒适性评分（1–10） |
|---|---|---|---|---|
| Sorona/棉（60/40） | 60:40 | 1.8 | 18 | 8.2 |
| Sorona/莫代尔（70/30） | 70:30 | 2.1 | 15 | 8.6 |
| Sorona/尼龙66（80/20） | 80:20 | 0.9 | 12 | 7.8 |
| Sorona/聚乳酸（PLA）（50/50） | 50:50 | 1.5 | 20 | 8.0 |
数据来源：Zhou et al., "Hygroscopic and Comfort Properties of Sorona Blended Knitted Fabrics", Fibers and Polymers, 2022
其中，Sorona与莫代尔混纺效果最佳，莫代尔具有高吸湿性（吸湿率约12%）和柔软手感，与Sorona的快干特性互补，显著提升整体热湿舒适性。
四、热湿舒适性评价体系
热湿舒适性是指织物在动态热湿环境下维持人体热平衡与皮肤干爽的能力，通常通过以下指标进行量化评估。
4.1 主要评价指标
| 指标 | 定义 | 测试标准 | 仪器 |
|---|---|---|---|
| 吸湿速率 | 单位时间内织物吸收水分的速度 | AATCC 79 | 滴水法测试仪 |
| 导湿半径 | 水分在织物平面扩散的最大半径 | ISO 13030 | 导湿测试仪 |
| 透湿量（WVT） | 水蒸气透过织物的速率 | ASTM E96 | 透湿杯法 |
| 透气性 | 空气透过织物的速率 | ISO 9237 | Shirley透气仪 |
| 热阻（Rct） | 织物阻止热量传递的能力 | ISO 11092 | 暖体假人系统 |
| 湿阻（Ret） | 织物阻止水蒸气传递的能力 | ISO 11092 | 暖体假人系统 |
低热阻与低湿阻是高热湿舒适性的关键。研究表明，Sorona双层面料的平均湿阻为0.18 m²·Pa/W，显著低于普通涤纶面料的0.25 m²·Pa/W（Liu et al., 2021）。
4.2 实际穿着测试
通过人体工效学实验，对Sorona吸湿排汗面料进行实际穿着评估。实验选取30名健康成年志愿者，在30°C、65%RH环境下进行60分钟中等强度运动（跑步机速度6 km/h），监测皮肤湿度、体表温度及主观舒适度。
| 指标 | Sorona双层面料 | 普通涤纶面料 | 棉织物 |
|---|---|---|---|
| 皮肤湿度变化（%RH） | +12.3 | +28.7 | +35.2 |
| 体表温度变化（°C） | +1.8 | +2.9 | +3.1 |
| 主观干爽感评分（1–5） | 4.3 | 2.8 | 3.0 |
| 排汗效率（%） | 88.5 | 62.3 | 58.7 |
数据来源：Chen et al., "Wearing Comfort Evaluation of Sorona-Based Sportswear", International Journal of Clothing Science and Technology, 2023
结果显示，Sorona面料在控制皮肤湿度和维持体温稳定方面表现优异，排汗效率接近90%，显著优于传统材料。
五、表面改性与功能整理技术
为进一步提升Sorona的吸湿排汗性能，常采用表面改性与功能整理技术。
5.1 亲水化处理
通过等离子体处理、碱减量或接枝亲水基团（如聚乙二醇、丙烯酸），可在Sorona表面引入羟基、羧基等极性基团，增强其亲水性。
| 处理方式 | 接触角（°） | 吸湿率提升（%） | 耐久性（次水洗） |
|---|---|---|---|
| 未处理 | 85–90 | 基准 | — |
| 等离子体处理 | 45–50 | +40% | 10–15次 |
| 碱减量处理 | 50–55 | +35% | 20次 |
| 丙烯酸接枝 | 35–40 | +60% | 30次 |
数据来源：Kim & Park, "Surface Modification of PTT Fibers for Enhanced Moisture Management", Surface and Coatings Technology, 2020
丙烯酸接枝改性效果最佳，但成本较高；碱减量处理在工业中应用广泛，兼具成本与耐久性优势。
5.2 纳米功能整理
引入二氧化硅（SiO₂）、氧化锌（ZnO）或碳纳米管等纳米材料，可提升织物的导湿、抗菌与远红外辐射性能。
| 纳米材料 | 功能 | 导湿提升（%） | 抗菌率（%） |
|---|---|---|---|
| SiO₂纳米颗粒 | 增加表面粗糙度，增强毛细力 | +25% | — |
| ZnO纳米棒 | 抗菌、抗紫外 | +18% | >99%（大肠杆菌） |
| 碳纳米管 | 提升导热与导湿 | +30% | — |
数据来源：Yang et al., "Nano-Functionalized Sorona Fabrics for Multifunctional Sportswear", Nanomaterials, 2021
复合纳米整理可实现多功能集成，如Sorona/ZnO复合面料兼具吸湿排汗与抗菌性能，适用于贴身运动内衣。
六、国内外研究进展与应用案例
6.1 国内研究动态
中国纺织科学研究院、东华大学、浙江理工大学等机构在Sorona功能面料开发方面取得显著进展。东华大学团队通过优化双层针织结构，开发出Sorona/莫代尔双层面料，其导湿半径达18.5 mm（30分钟内），湿阻降低至0.16 m²·Pa/W，达到国际先进水平（Wu et al., 2022）。
李等（2021）研究了Sorona与再生纤维素纤维混纺纱的纺纱工艺，发现采用紧密纺技术可提升纱线条干均匀度与织物表面光洁度，减少摩擦不适感。
6.2 国际应用案例
杜邦公司与Adidas、The North Face等品牌合作，推出多款基于Sorona的功能服装。Adidas的“Climachill”系列运动服采用Sorona双层结构，结合矿物降温技术，实测体感温度降低2–3°C（DuPont Case Study, 2021）。
日本帝人（Teijin）开发的Sorona基生物聚酯面料已应用于优衣库（UNIQLO）的“Dry-EX”系列，主打“快干+环保”概念，市场反馈良好。
七、环境与可持续性分析
Sorona的生物基特性使其在可持续纺织领域具有显著优势。生命周期评估（LCA）显示，相比传统PET，Sorona生产过程减少约37%的能源消耗与63%的温室气体排放（DuPont LCA Report, 2020）。
| 指标 | Sorona | PET |
|---|---|---|
| 原料来源 | 37%可再生 | 100%石油基 |
| CO₂排放（kg/kg纤维） | 3.8 | 10.2 |
| 能源消耗（MJ/kg） | 68 | 108 |
| 可回收性 | 可化学回收 | 可物理回收 |
此外，Sorona纤维在特定条件下可实现生物降解，符合欧盟EN 13432标准，适用于可降解纺织品开发。
参考文献
- DuPont. (2022). Sorona® Polymer Technical Data Sheet. Wilmington, DE: DuPont Performance Materials.
- Zhang, Y., Wang, X., & Li, J. (2020). "Moisture Wicking Mechanism of PTT Fibers with Different Cross-Sections." Textile Research Journal, 90(5), 512–521.
- Wang, L., Chen, H., & Liu, Y. (2019). "Capillary Effect of Cross-Sectional Fibers in Moisture Wicking Fabrics." Textile Research Journal, 89(14), 2876–2885.
- Li, M., & Chen, K. (2021). "Structure-Property Relationship of Moisture-Wicking Knitted Fabrics." Journal of Textile Science & Engineering, 11(3), 1000521.
- Zhou, F., Yang, R., & Zhang, Q. (2022). "Hygroscopic and Comfort Properties of Sorona Blended Knitted Fabrics." Fibers and Polymers, 23(4), 789–797.
- Liu, S., Wu, D., & Huang, T. (2021). "Thermal and Moisture Comfort of Sorona-Based Sportswear." Textile Bioengineering and Informatics Symposium Proceedings, 13, 45–50.
- Chen, X., Zhao, Y., & Li, W. (2023). "Wearing Comfort Evaluation of Sorona-Based Sportswear." International Journal of Clothing Science and Technology, 35(2), 210–225.
- Kim, J., & Park, S. (2020). "Surface Modification of PTT Fibers for Enhanced Moisture Management." Surface and Coatings Technology, 384, 125301.
- Yang, Z., Liu, H., & Wang, P. (2021). "Nano-Functionalized Sorona Fabrics for Multifunctional Sportswear." Nanomaterials, 11(6), 1456.
- Wu, J., Li, Y., & Zhang, L. (2022). "Development of High-Performance Sorona/Modal Knitted Fabrics." China Textile Leader, 41(8), 56–60.
- DuPont. (2021). Sorona in Action: Adidas Climachill Case Study. DuPont Sustainability Report.
- 国家标准 GB/T 32617-2016《纺织品 吸湿速干性的评定》. 中国标准出版社.
- ISO 11092:1993 Textiles — Physiological effects — Measurement of thermal and water-vapour resistance under steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test).
- AATCC Test Method 79-2018 Absorbency of Textiles. American Association of Textile Chemists and Colorists.
