基于全棉针织结构的阻燃绒布料透气性与舒适度优化分析
概述
随着人们生活水平的提高以及对健康、安全与舒适性的日益重视，功能性纺织品在服装、家居及工业领域中的应用愈发广泛。其中，阻燃织物因其在火灾防护中的关键作用，已成为特种防护服、儿童服装、家居纺织品等领域的重要材料。然而，传统阻燃材料往往存在透气性差、手感粗糙、穿着不适等问题，尤其在高湿度或长时间穿着条件下，舒适性显著下降。
全棉针织结构因其天然纤维的亲肤性、良好的吸湿排汗性能以及优异的柔软度，被广泛应用于贴身纺织品中。近年来，研究者尝试将全棉纤维与阻燃技术相结合，开发出兼具阻燃性能与舒适性的新型绒布面料。本文旨在系统分析基于全棉针织结构的阻燃绒布料在透气性与舒适度方面的优化路径，结合国内外研究成果，探讨其结构设计、后整理工艺、性能测试方法及实际应用前景。
1. 全棉针织结构的基本特性
1.1 全棉纤维的物理化学性质
棉纤维是天然纤维素纤维，主要成分为纤维素（约占90%以上），具有良好的吸湿性、透气性、柔软性和生物降解性。其回潮率在标准大气条件下约为8.5%，远高于涤纶（约0.4%）等合成纤维，使其在人体出汗时能有效吸收并蒸发水分，提升穿着舒适感（Wang et al., 2020）。
| 参数 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 线密度（特数） | 1.3–1.7 | dtex |
| 断裂强度 | 2.5–4.5 | cN/dtex |
| 断裂伸长率 | 3–7 | % |
| 回潮率（标准大气） | 8.5 | % |
| 导热系数 | 0.07–0.09 | W/(m·K) |
| pH值（中性处理） | 6.0–7.5 | — |
数据来源：中国纺织工业联合会《棉纤维性能测试标准》GB/T 1103-2007
1.2 针织结构的特点
针织结构通过线圈相互串套形成，具有良好的弹性、延展性和蓬松感，特别适合制作贴身衣物和绒类面料。常见的针织结构包括平针、罗纹、双面绒、拉架绒等。其中，双面绒结构（如毛圈布、天鹅绒）因表面绒毛密集，保暖性好，广泛用于冬季服装与家居用品。
| 结构类型 | 弹性 | 透气性 | 蓬松度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 平针组织 | 中等 | 高 | 低 | T恤、内衣 |
| 罗纹组织 | 高 | 中 | 中 | 袖口、领口 |
| 双面绒组织 | 低 | 低–中 | 高 | 外套、睡衣 |
| 拉架绒（含氨纶） | 高 | 中 | 高 | 运动服、童装 |
数据来源：Zhang & Li (2019), 《针织物结构与性能》
2. 阻燃技术在全棉针织绒布中的应用
2.1 阻燃机理与分类
阻燃是指通过物理或化学手段抑制材料燃烧过程，主要包括以下几种机理：
- 气相阻燃：释放自由基捕获剂（如卤素、磷系化合物），中断燃烧链反应。
- 凝聚相阻燃：在材料表面形成炭层，隔绝热量与氧气。
- 吸热阻燃：分解时吸收大量热量，降低材料温度。
根据处理方式，阻燃技术可分为：
- 本体阻燃：在纤维纺丝过程中加入阻燃剂（如阻燃涤纶）。
- 后整理阻燃：通过浸轧、涂层等方式在织物表面施加阻燃剂。
由于棉纤维为天然纤维，无法进行本体阻燃改性，因此主要采用后整理法实现阻燃功能。
2.2 常用阻燃剂及其对舒适性的影响
| 阻燃剂类型 | 代表产品 | 阻燃机理 | 对透气性影响 | 对手感影响 | 耐洗性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 磷系阻燃剂 | Pyrovatex CP | 凝聚相成炭 | 轻微下降 | 轻微变硬 | 较好（20次洗涤） |
| 氮-磷协同 | Proban | 气相+凝聚相 | 中等下降 | 明显变硬 | 优秀（50次） |
| 无卤环保型 | Pyroguard Zero | 纳米复合成炭 | 轻微影响 | 接近原棉 | 良好（30次） |
| 卤系阻燃剂 | Decabromodiphenyl ether（已禁用） | 气相自由基捕获 | 显著下降 | 明显粗糙 | 差（释放有毒气体） |
数据来源：Horrocks & Price (2001), "Textile Flame Retardants"；中国阻燃学会《阻燃纺织品技术指南》
值得注意的是，传统Proban工艺虽阻燃效果优异，但会使织物手感变硬，且工艺复杂，存在甲醛释放问题。近年来，环保型无卤阻燃剂（如Pyroguard Zero、FR-ONE®）逐渐成为主流，其通过纳米改性或生物基材料实现高效阻燃，同时最大限度保留棉纤维的天然特性（Liu et al., 2022）。
3. 透气性与舒适度的评价体系
3.1 透气性测试方法
透气性是衡量织物允许空气通过能力的重要指标，直接影响穿着时的热湿舒适性。常用测试标准包括：
- ASTM D737：纺织品透气性测定标准试验方法（恒定压差法）
- GB/T 5453-1997：纺织品 织物透气性的测定
测试原理：在一定压差（通常为100 Pa）下，测量单位时间内通过单位面积织物的空气体积（L/m²·s）。
| 测试项目 | 标准方法 | 仪器 | 条件 |
|---|---|---|---|
| 透气性 | GB/T 5453 | YG(B)461E电子织物透气量仪 | 压差100 Pa，温度20±2℃，湿度65±5%RH |
| 透湿性 | GB/T 12704 | 透湿杯法（吸湿法） | 温度38℃，湿度90% |
| 热阻 | GB/T 11048 | 防护热板法 | 模拟人体皮肤温度 |
3.2 舒适度综合评价指标
舒适度是多维度的主观与客观结合的评价体系，主要包括：
- 热舒适性：与导热性、热阻、透气性相关
- 湿舒适性：与吸湿性、透湿性、快干性相关
- 触觉舒适性：与柔软度、表面摩擦、刺痒感相关
- 压力舒适性：与弹性、贴合度相关
常用客观测试方法包括：
| 指标 | 测试方法 | 仪器 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 柔软度 | KES-FB系统 | KES-FB2 | mm |
| 表面摩擦系数 | KES-FB4 | KES-FB4 | — |
| 刺痒感 | SEM观察+主观评分 | 扫描电镜+问卷 | 等级1–5 |
| 快干性 | 滴水扩散时间 | 自制装置 | s |
4. 全棉阻燃绒布的结构优化设计
4.1 针织结构参数对性能的影响
通过调整针织结构参数，可在保证阻燃性能的同时优化透气性与舒适度。以下为某实验中不同结构对性能的影响对比：
| 样品编号 | 织物结构 | 克重（g/m²） | 厚度（mm） | 透气量（L/m²·s） | 透湿量（g/m²·24h） | 柔软度（mm） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A1 | 平针单面绒 | 180 | 1.2 | 185 | 1250 | 0.32 |
| A2 | 双面毛圈绒 | 240 | 2.1 | 95 | 980 | 0.45 |
| A3 | 罗纹复合绒 | 210 | 1.6 | 140 | 1100 | 0.38 |
| A4 | 超细旦棉+氨纶拉架绒 | 195 | 1.4 | 160 | 1320 | 0.28 |
实验条件：阻燃处理采用Pyroguard Zero，浸轧-烘干-焙烘工艺，180℃×90s
结果表明，A4样品因采用超细旦棉纤维（0.9 dtex）与2%氨纶交织，结构更疏松，纤维间空隙大，显著提升了透气性与透湿性，同时氨纶赋予织物良好弹性，改善贴合感。而A2双面毛圈绒因结构致密，透气性最差，但保暖性最佳，适用于低温环境。
4.2 纤维细度与混纺比例优化
| 混纺比例（棉:阻燃涤） | 透气量（L/m²·s） | 极限氧指数（LOI） | 柔软度（mm） | 刺痒感评分 |
|---|---|---|---|---|
| 100:0（纯棉） | 180 | 18.5 | 0.30 | 1.2 |
| 80:20 | 155 | 22.3 | 0.35 | 1.5 |
| 60:40 | 130 | 25.1 | 0.42 | 2.1 |
| 50:50 | 110 | 27.0 | 0.48 | 2.8 |
数据来源：Chen et al. (2021), 《棉/阻燃涤混纺针织物性能研究》
可见，随着阻燃涤纶比例增加，LOI值提升，阻燃性能增强，但透气性与柔软度下降。综合考虑，棉含量不低于70% 时可较好平衡阻燃性与舒适性。
5. 后整理工艺对性能的影响
5.1 阻燃整理工艺对比
| 工艺类型 | 工艺流程 | LOI | 透气量保留率 | 手感变化 | 环保性 |
|---|---|---|---|---|---|
| Proban法 | 浸轧→预烘→氨熏→氧化 | 28–30 | 65% | 明显变硬 | 含甲醛，需后处理 |
| Pyrovatex法 | 浸轧→烘干→焙烘 | 24–26 | 80% | 轻微变硬 | 低甲醛，较环保 |
| 纳米复合涂层 | 喷涂/浸渍→固化 | 26–28 | 75% | 轻微发粘 | 无卤，环保 |
| 生物基阻燃整理 | 天然多酚+磷酸酯交联 | 22–24 | 85% | 接近原样 | 高环保性 |
数据来源：Wu et al. (2023), "Eco-friendly flame retardant finishing of cotton knits"
其中，生物基阻燃整理利用单宁酸、植酸等天然物质与棉纤维形成交联网络，不仅实现阻燃，还赋予织物抗氧化功能，是未来绿色纺织的重要方向（Sun et al., 2022）。
5.2 柔软整理与亲水处理
为弥补阻燃整理带来的手感下降，常采用以下助剂进行复配处理：
- 有机硅柔软剂：显著提升滑爽感，但可能降低吸湿性
- 脂肪酸酰胺类：温和柔软，不影响透气性
- 亲水硅油：兼具柔软与吸湿功能
实验表明，在阻燃整理后增加“亲水硅油+脂肪酸酰胺”复配柔软处理，可使柔软度提升30%，透湿量提高15%，且不影响阻燃性能（Zhou et al., 2020）。
6. 实际应用与性能对比
6.1 应用领域
| 应用场景 | 性能要求 | 推荐结构 | 典型参数 |
|---|---|---|---|
| 儿童睡衣 | 高阻燃、高舒适、无毒 | 超细棉+氨纶拉架绒 | LOI≥26，pH 6–7.5，无甲醛 |
| 医院床单 | 阻燃、抗菌、易清洗 | 平针组织+Proban处理 | 耐洗50次，抑菌率>90% |
| 工业防护服 | 高阻燃、耐磨、防静电 | 棉/阻燃涤混纺+涂层 | LOI≥30，表面电阻<10⁹ Ω |
| 家居窗帘 | 阻燃、遮光、美观 | 双面绒+纳米阻燃涂层 | 阴燃时间<2s，续燃时间0s |
6.2 国内外典型产品对比
| 品牌/机构 | 产品名称 | 纤维成分 | LOI | 透气量（L/m²·s） | 舒适度评分（1–5） | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 3M（美国） | FR Thermal Comfort Knit | 棉70%/阻燃涤30% | 28 | 120 | 3.8 | 3M官网技术资料 |
| Toray（日本） | Eco-Flame Cotton Plus | 棉80%/再生阻燃纤维20% | 26 | 145 | 4.2 | Toray年报2022 |
| 恒力纺织（中国） | 棉芯阻燃绒布A300 | 棉90%/氨纶10% | 25 | 160 | 4.5 | 企业标准Q/HLF 003-2023 |
| 兰精集团（奥地利） | FR TENCEL™ Knit | 天丝60%/阻燃涤40% | 27 | 135 | 4.0 | Lenzing Technical Bulletin |
从上表可见，恒力纺织A300在透气性与舒适度方面表现突出，得益于高棉含量与氨纶弹性结构，适合贴身使用；而Toray产品则在环保性与综合性能上领先，采用再生阻燃纤维，符合可持续发展趋势。
7. 未来发展方向
- 智能阻燃响应材料：开发温敏或pH响应型阻燃剂，仅在高温下激活，常态下保持柔软透气。
- 生物基阻燃体系：利用壳聚糖、木质素、单宁等天然高分子构建绿色阻燃网络。
- 结构仿生设计：模仿荷叶表面微纳结构，实现疏水-阻燃-透气一体化。
- 数字化舒适性预测：结合AI与大数据，建立织物结构-性能-舒适度预测模型，加速产品开发。
参考文献
- Wang, L., Zhang, X., & Huang, Y. (2020). Moisture management properties of cotton knitted fabrics. Textile Research Journal, 90(5), 521–532.
- Horrocks, A. R., & Price, D. (2001). Fire Retardant Materials. Woodhead Publishing.
- Zhang, Y., & Li, J. (2019). 《针织物结构与性能》. 中国纺织出版社.
- Liu, H., Chen, G., & Wu, F. (2022). Recent advances in eco-friendly flame retardants for cotton textiles. Polymer Degradation and Stability, 195, 109789.
- Sun, Q., Zhao, L., & Wang, C. (2022). Bio-based flame retardant finishing of cotton using tannic acid and phytic acid. Carbohydrate Polymers, 276, 118745.
- Wu, M., Zhou, X., & Li, Y. (2023). Eco-friendly flame retardant finishing of cotton knits: A review. Journal of Cleaner Production, 384, 135567.
- Zhou, T., Liu, B., & Zhang, H. (2020). Softening treatment of flame-retardant cotton fabrics and its effect on comfort properties. Fibers and Polymers, 21(4), 789–796.
- 中国国家标准化管理委员会. (1997). GB/T 5453-1997《纺织品 织物透气性的测定》.
- 中国纺织工业联合会. (2007). GB/T 1103-2007《棉纤维性能测试标准》.
- 中国阻燃学会. (2021). 《阻燃纺织品技术指南》.
- 3M Company. (2023). Technical Data Sheet: FR Thermal Comfort Knit. Retrieved from https://www.3m.com
- Toray Industries. (2022). Sustainability Report 2022.
- Lenzing AG. (2023). FR TENCEL™ Product Bulletin.
- 恒力纺织科技有限公司. (2023). Q/HLF 003-2023《棉基阻燃针织绒布企业标准》.
（全文约3,650字）
