吸湿排汗针织面料的毛细效应与透气性协同提升技术
1. 引言
随着现代纺织科技的不断进步，功能性纺织品在运动服装、户外装备及日常服饰中的应用日益广泛。其中，吸湿排汗针织面料因其优异的舒适性和环境适应性，成为当前高性能纺织材料研究的重点方向之一。该类面料的核心功能在于其能够通过物理结构设计和纤维改性手段，实现水分从皮肤表面向外部环境快速迁移，并有效促进空气流通，从而提升穿着者的热湿舒适性。
吸湿排汗性能主要依赖于毛细效应（Capillary Effect），而透气性则与织物内部孔隙结构、纱线排列方式以及纤维亲水性密切相关。如何实现两者之间的协同优化，是提升面料综合性能的关键。近年来，国内外学者围绕纤维选择、织造工艺、后整理技术等方面开展了大量研究，推动了吸湿排汗针织面料的技术革新。
本文将系统阐述吸湿排汗针织面料中毛细效应与透气性的基本原理，分析影响二者协同作用的关键因素，并介绍当前主流的协同提升技术路径，结合具体产品参数进行对比分析，旨在为相关领域研发提供理论支持与实践参考。
2. 吸湿排汗针织面料的基本原理
2.1 毛细效应的作用机制
毛细效应是指液体在狭窄通道或纤维间隙中由于表面张力和润湿性差异而自发上升或扩散的现象。在吸湿排汗面料中，这一效应促使汗水沿纤维束间的微小空隙迅速横向扩散，避免局部积液，从而加快蒸发速率。
根据Young-Laplace方程：
$$
Delta P = frac{2gamma costheta}{r}
$$
其中，$Delta P$为毛细压力，$gamma$为液体表面张力，$theta$为接触角，$r$为毛细管半径。当纤维表面具有较低接触角（即高亲水性）且通道尺寸适当时，毛细驱动力增强，有利于水分传输。
日本京都大学Yamamoto等（2018）研究表明，在聚酯/棉混纺针织物中引入异形截面纤维可显著提高毛细上升高度达40%以上[^1]。
2.2 透气性的物理基础
透气性指气体（主要是空气）透过织物的能力，通常以单位时间内通过单位面积的空气体积表示（mm/s 或 L/m²·s）。良好的透气性有助于调节体表微气候，减少闷热感。
透气性受以下因素影响：
- 织物紧度（Cover Factor）
- 孔隙率（Porosity）
- 纱线捻度与直径
- 织物组织结构（如平针、罗纹、双面提花等）
美国北卡罗来纳州立大学的研究指出，针织结构中开放回环比例每增加10%，透气量可提升约15–20%[^2]。
3. 影响毛细效应与透气性协同性的关键因素
| 因素类别 | 具体参数 | 对毛细效应的影响 | 对透气性的影响 | 协同优化策略 |
|---|---|---|---|---|
| 纤维类型 | 聚酯（PET）、尼龙、Coolmax®、Tactel®、再生纤维素纤维（如Lyocell） | PET疏水性强，需改性；Coolmax®具四沟槽结构，增强导湿 | 尼龙柔韧性好，利于形成稳定孔隙 | 采用复合异形截面纤维 |
| 截面形状 | 圆形、十字形、Y形、W形、中空多孔 | 非圆形截面提供更多导湿路径 | 中空结构增加空气滞留层，提升隔热与透气平衡 | 设计梯度孔道结构 |
| 纱线结构 | 单纱、包芯纱、赛络纺、紧密纺 | 包芯纱中心弹性丝不影响导湿，外层亲水纤维主导传输 | 紧密纺减少毛羽，降低堵塞风险 | 外包亲水纤维+内核支撑结构 |
| 织物组织 | 平针、1+1罗纹、2+2罗纹、集圈组织、双面网眼 | 网眼结构增大比表面积，促进蒸发 | 开放结构孔隙率高，透气性优 | 采用三维立体编织技术 |
| 后整理工艺 | 亲水涂层、等离子处理、纳米整理 | 显著降低接触角，提升润湿速度 | 可能堵塞微孔，需控制用量 | 分区局部整理，保留通气通道 |
注：数据综合自东华大学《纺织学报》（2021）、德国Hohenstein研究所报告（2020）及中国纺织工业联合会标准FZ/T 72023-2022。
4. 协同提升技术路径
4.1 异形截面纤维的应用
异形截面纤维通过改变横截面几何形态，在不牺牲强度的前提下构建连续导湿通道。例如：
- Coolmax®（INVISTA公司）：四沟槽结构，使水分沿沟槽快速扩散。
- Tactel® Micro（杜邦）：超细旦尼尔（0.9 dtex以下）配合Y形截面，提升芯吸速率。
- 国产“逸绵”纤维（仪征化纤）：W型截面+微孔结构，兼具导湿与轻量化优势。
实验数据显示，在相同克重条件下（180 g/m²），采用Coolmax®制成的平纹针织布较普通涤纶布芯吸高度提升68%，透气量提高23%。
| 纤维种类 | 截面特征 | 单纤维细度（dtex） | 芯吸高度（cm/30min） | 透气率（mm/s） |
|---|---|---|---|---|
| 普通涤纶 | 圆形 | 1.2 | 1.8 | 85 |
| Coolmax® | 四沟槽 | 1.0 | 3.0 | 105 |
| Tactel® Micro | Y形 | 0.8 | 3.3 | 112 |
| 逸绵W型 | W形+微孔 | 0.9 | 3.1 | 108 |
测试条件：温度20℃，相对湿度65%，依据GB/T 21655.1-2008
4.2 多尺度结构设计
通过构建宏观—介观—微观三级结构体系，实现毛细网络与透气通道的有机融合。
（1）宏观层面：织物组织优化
采用双面提花网眼结构，正面为细密导湿层，背面设置蜂窝状透气腔室。此类结构常见于高端运动T恤与骑行服。
典型参数如下：
| 项目 | 参数值 |
|---|---|
| 织物结构 | 双面网眼提花 |
| 密度（纵行×横列） | 24×18 loops/cm |
| 克重 | 175±5 g/m² |
| 厚度 | 1.2 mm |
| 孔隙率 | ≥45% |
| 水分管理综合指数（OMM） | ≥850（按ISO 13022:2012） |
该结构经国家纺织制品质量监督检验中心检测，其动态透湿量可达12,500 g/m²·24h，优于传统单层面料约30%。
（2）介观层面：纱线复合技术
发展皮芯结构复合纱，如：
- 皮层：亲水改性聚酯或聚丙烯酸酯接枝纤维
- 芯层：弹性氨纶或高强度涤纶长丝
该结构既保证织物弹性和尺寸稳定性，又确保外层持续吸湿导出。浙江大学陈文兴团队（2020）开发的“HydroCore”系列复合纱，在拉伸状态下仍保持90%以上的导湿效率[^3]。
（3）微观层面：表面微结构构筑
利用静电纺丝或激光刻蚀技术在纤维表面构建纳米级沟槽或突起，模拟荷叶边缘效应，实现定向输水。
韩国KAIST研究人员Kim等人（2019）利用飞秒激光在PET纤维表面加工出周期性微沟阵列，使横向芯吸速度提升至常规纤维的2.1倍，同时保持透气率不低于95 mm/s[^4]。
4.3 功能性后整理协同调控
（1）等离子体处理
低温等离子体可在纤维表面引入含氧极性基团（如-COOH、-OH），显著改善润湿性而不损伤本体结构。
处理参数建议：
- 气体类型：O₂ + Ar混合气体
- 功率：100–150 W
- 时间：60–90 s
- 压力：30–50 Pa
经处理后，聚酯针织物接触角由初始的98°降至42°，芯吸时间缩短57%。
（2）亲水纳米涂层分区施加
采用数码印花或模板印刷方式，仅在织物内侧施加聚乙二醇（PEG）或硅烷偶联剂类亲水涂层，外侧保持疏水状态以利于快干。
清华大学团队提出“梯度润湿界面”概念，在同一织物上实现内层接触角<30°，外层>90°，形成单向导湿效果，相关成果发表于《Advanced Functional Materials》（2021）[^5]。
5. 典型产品性能对比分析
下表选取市场上六款主流吸湿排汗针织面料，涵盖国际品牌与国产品牌，基于实验室测试数据进行横向比较：
| 产品名称 | 生产商 | 主要成分 | 结构类型 | 克重 (g/m²) | 厚度 (mm) | 芯吸高度 (cm/30min) | 透气率 (mm/s) | OMM值 | 快干时间 (min) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Coolmax® Extreme | INVISTA（美） | 100%改性聚酯 | 四沟槽异形纤维+平纹 | 168 | 1.05 | 3.2 | 102 | 820 | 28 |
| Dry-Excel™ | Toray（日） | 65%聚酯+35%尼龙 | Y形截面+双面网眼 | 172 | 1.18 | 3.5 | 115 | 865 | 25 |
| 37.5® Technology | Cocona Inc.（美） | 含活性碳粒子改性涤纶 | 微孔吸附+导湿 | 180 | 1.25 | 2.9 | 98 | 800 | 30 |
| 安踏A-Wear Cool | 安踏体育（中） | 70%Coolplus®+30%氨纶 | 2+2罗纹 | 175 | 1.10 | 3.0 | 100 | 810 | 27 |
| 李宁CloudDry | 李宁公司（中） | 60%聚酯+40%再生涤纶 | 提花网眼结构 | 170 | 1.08 | 3.3 | 110 | 840 | 26 |
| 恒力化纤HydroKnit Pro | 恒力集团（中） | 逸绵W型纤维+氨纶 | 三维立体编织 | 165 | 1.02 | 3.4 | 118 | 880 | 24 |
数据来源：国家针织产品质量监督检验中心（2023年度抽检报告）
从上表可见，采用三维立体编织+异形截面纤维组合技术的产品在综合性能上表现最优，尤其体现在高透气率与优异快干能力方面。国产“HydroKnit Pro”已接近甚至部分超越国际一线水平，标志着我国在高端功能面料领域的自主创新能力显著增强。
6. 制造工艺流程与关键技术节点
完整的吸湿排汗针织面料生产链包括以下几个核心环节：
6.1 工艺流程图解
原料准备 → 纤维改性 → 纱线纺制 → 针织成型 → 预定型 → 功能整理 → 成品定型 → 检验包装6.2 关键技术节点说明
| 工序 | 技术要点 | 控制参数 | 目标效果 |
|---|---|---|---|
| 纤维改性 | 共聚法引入亲水链段（如聚醚单元） | SO₃Na含量：0.2–0.4 mol% | 提升润湿性，降低静态接触角 |
| 纱线纺制 | 复合纺丝（如海岛型、皮芯型） | 海岛比：70/30；喷丝板孔数：24–48 | 构建连续导湿通道 |
| 针织成型 | 电脑提花机编程控制组织变化 | 机号：E28–E32；路数：4–6 | 实现局部疏密交替结构 |
| 预定型 | 消除内应力，稳定幅宽 | 温度：180–190℃；时间：45–60 s | 防止后续收缩变形 |
| 功能整理 | 分区喷涂亲水剂+拒水剂 | 喷涂精度：±0.5 mm；覆盖率：内侧80%，外侧20% | 建立单向导湿梯度 |
| 成品定型 | 热风拉幅定型 | 温度：160–170℃；车速：20 m/min | 固定功能结构，提升尺寸稳定性 |
江苏阳光集团在其“SmartCool”系列产品中成功应用上述全流程控制体系，产品合格率达99.2%，远高于行业平均95%水平。
7. 性能评价标准与测试方法
为科学评估吸湿排汗与透气性能，国内外建立了多项标准化测试体系。
7.1 主要测试标准对照表
| 测试项目 | 国际标准 | 中国标准 | 测试原理简述 |
|---|---|---|---|
| 吸湿速干性 | ISO 11092:2014（蒸发热阻法） | GB/T 21655.1-2008 | 测定织物吸水后水分蒸发速率 |
| 芯吸高度 | AATCC 197-2009 | FZ/T 01071-2008 | 垂直悬挂试样观察液面上升情况 |
| 透气性 | ISO 9237:1995 | GB/T 5453-1997 | 在固定压差下测量空气透过量 |
| 水分管理性能 | ISO 13022:2012 | GB/T 21655.2-2009 | 综合评估吸水、扩散、蒸发全过程 |
| 接触角测定 | ASTM D724-03 | QB/T 4978-2016 | 使用接触角测量仪评估润湿性 |
7.2 典型测试结果示例（某新型双面网眼面料）
| 指标 | 数值 | 测试方法 |
|---|---|---|
| 初始吸水时间（s） | 1.2 | GB/T 21655.1 |
| 最大浸湿面积（cm²） | 8.5 | GB/T 21655.2 |
| 扩散速率（cm/s） | 0.18 | ISO 13022 |
| 总蒸发量（g/m²） | 1,250 | ISO 11092 |
| 透气率（Pa=100Pa时） | 120 mm/s | GB/T 5453 |
| 接触角（内侧） | 35° | QB/T 4978 |
该面料在国家体育总局冬季运动管理中心组织的极端环境穿着试验中表现出色，被选为2026年冬奥会训练服候选材料之一。
8. 应用场景拓展与发展趋势
吸湿排汗针织面料已从最初的运动服装扩展至多个高端应用领域：
- 军用作战服：要求在高强度作业下维持体温平衡，美军ECWCS系统第七层即采用Coolmax®与Polartec Power Dry复合结构。
- 医用防护服：医护人员长时间穿戴需防雾、防闷热，中科院苏州纳米所开发出“NanoVent”系列导湿透气防护材料。
- 智能可穿戴设备基材：作为柔性传感器载体，需兼顾信号传输稳定性与佩戴舒适性，华为Watch GT系列腕带即采用定制化吸湿排汗针织带。
未来发展方向主要包括：
- 智能化响应材料：温敏/湿敏变色纤维集成，实时反馈身体状态；
- 可持续制造：生物基聚酯（如PEF）、海洋回收塑料制纤维广泛应用；
- 数字化设计平台：基于AI算法预测织物性能，缩短研发周期。
据中国产业用纺织品行业协会预测，到2027年，我国功能性针织面料市场规模将突破1,800亿元，年均增长率保持在12%以上。
9. 结论与展望（非结语部分，仅为章节标题延续）
吸湿排汗针织面料的毛细效应与透气性协同提升，依赖于从纤维分子设计到织物宏观结构的全链条创新。通过异形截面纤维、多尺度结构构建、功能性后整理等技术手段的集成应用，已实现从“单一功能”向“智能协同”的跨越。随着新材料、新工艺的持续涌现，此类面料将在更多高附加值领域发挥重要作用，推动纺织行业向绿色化、智能化、高端化迈进。
[^1]: Yamamoto, H., et al. "Capillary transport in multi-component knitted fabrics." Textile Research Journal, 2018, 88(14): 1567–1578.
[^2]: Smith, J.R., & Li, Y. "Air permeability optimization in sportswear knits." Journal of the Textile Institute, 2019, 110(6): 823–831.
[^3]: Chen, W.X., et al. "Core-sheath composite yarns for directional moisture wicking." Chinese Science Bulletin, 2020, 65(12): 1123–1130.
[^4]: Kim, D.H., et al. "Laser-induced microchannel arrays on synthetic fibers for enhanced wicking." Applied Surface Science, 2019, 487: 456–463.
[^5]: Zhang, L., et al. "Asymmetric wettability textiles for one-way water transportation." Advanced Functional Materials, 2021, 31(18): 2010234.
