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技術(shù)文章
紡織品遠(yuǎn)紅外功能的性能及其測(cè)試研究
1 遠(yuǎn)紅外紡織品發(fā)展概況
在紡織服裝領(lǐng)域，日本、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家最早開(kāi)展對(duì)遠(yuǎn)紅外技術(shù)的應(yīng)用研究，推動(dòng)了遠(yuǎn)紅外紡織品的發(fā)展[1]。尤其在日本，20世紀(jì)80年代中期遠(yuǎn)紅外纖維制品的相關(guān)專(zhuān)利在日本大量涌現(xiàn)，形成一股開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)紅外功能紡織品的熱潮。日本鐘紡公司采用陶瓷粉末滲入尼龍或腈綸聚合物中，分別紡出“瑪索尼克N” 和“瑪索尼克A”遠(yuǎn)紅外纖維；旭化成公司采用碳化鋯陶瓷溶液涂層開(kāi)發(fā)出新型尼龍保暖織物“SOLAR-V”，主要用于滑雪衫。
我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)紅外紡織品。江蘇省紡織研究所開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)紅外滌綸短纖維；天津工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)紅外丙綸，導(dǎo)濕性好，價(jià)格低廉，輕便，抗菌防蛀性好[2]。
目前開(kāi)發(fā)出的各種遠(yuǎn)紅外紡織品主要采用將超細(xì)陶瓷粉末作為添加劑加入到紡絲液中制備遠(yuǎn)紅外纖維，或者采用陶瓷粉末制成的整理液對(duì)紡織品進(jìn)行整理。主要應(yīng)用的陶瓷粉末：金屬氧化物，如Al2O3，TiO2，BaO，ZrO，SiO2等；金屬碳化物，如SiC，TiC，ZrC等；金屬氮化物，如BN，AlN，ZrN等[3]。
2 遠(yuǎn)紅外紡織品作用機(jī)理
2.1 遠(yuǎn)紅外線
紅外線位于可見(jiàn)光和微波之間，紅外線的波長(zhǎng)范圍很寬，科學(xué)上將其劃分為三個(gè)波段：近紅外波段：0.77~3 μm；中紅外波段：3~30 μm；遠(yuǎn)紅外波段：30~1000 μm。由于中紅外波段范圍很窄，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，將中紅外波段納入遠(yuǎn)紅外波段 [4]。
2.2 作用機(jī)理
熱輻射是以電磁波形式傳遞能量為特征的傳熱方法。熱輻射主要包括紫外線、可見(jiàn)光、紅外線。
根據(jù)基爾霍夫定律，一個(gè)良好的輻射體必然是一個(gè)良好的吸收體，即一個(gè)物體發(fā)射熱輻射的能力強(qiáng)，則其吸收的能力也強(qiáng)，兩者成正比。人體既能輻射遠(yuǎn)紅外線，又能吸收遠(yuǎn)紅外輻射。由于人體60%~70%為水，根據(jù)匹配吸收理論，當(dāng)紅外輻射的波長(zhǎng)和被輻照的物體吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)時(shí)，物體分子共振吸收。人體所發(fā)射的熱輻射的主波長(zhǎng)在10 μm左右，遠(yuǎn)紅外紡織品在吸收外界能量后輻射出3~25 μm的遠(yuǎn)紅外線，與人體能夠吸收的紅外線相符，能形成共振。遠(yuǎn)紅外紡織品吸收來(lái)自人體的紅外波能量，并反饋給人體，提高了皮膚溫度，從而達(dá)到蓄熱保暖的目的。被皮膚吸收的熱量可以通過(guò)介質(zhì)傳遞和血液循環(huán)，使熱能到達(dá)肌體組織，達(dá)到保健和輔助醫(yī)療效果[4]。遠(yuǎn)紅外紡織品一般通過(guò)提高表面發(fā)射率來(lái)提高發(fā)射功率。
2.3 功能
遠(yuǎn)紅外紡織品主要有保暖功能（即保溫功能）、保健功能和抗菌功能等[3]。
遠(yuǎn)紅外紡織品由于添加了發(fā)射率高的遠(yuǎn)紅外線輻射材料，其保溫性能表現(xiàn)為利用生物體的熱輻射，吸收、存貯外界向生物體輻射的能量，使生物體產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，阻止熱量流失，起到良好的保溫效果。因此，遠(yuǎn)紅外織物具有顯著的保暖作用，適宜制作防寒織物、輕薄型的冬季服裝。
被皮膚吸收的熱量可以通過(guò)介質(zhì)和血液循環(huán)，使熱能到達(dá)肌體組織，可促進(jìn)人體血液循環(huán)和新陳代謝，具有消除疲勞、恢復(fù)體力及對(duì)疼痛癥狀緩解的功能，對(duì)身體炎癥有一定的輔助醫(yī)療作用。因此,遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品對(duì)血液循環(huán)或微循環(huán)障礙等引起的疾病具有一定的癥狀改善和輔助治療功效。適宜制作貼身內(nèi)衣、襪子、床上用品，以及護(hù)膝、護(hù)肘、護(hù)腕等。
纖維中微粒子的加入，使纖維表面出現(xiàn)多孔性，表面積增加，表面活性及表面狀態(tài)的吸附、擴(kuò)散等特性明顯提高，使產(chǎn)品具有吸汗、除臭、殺菌等功能。抑菌試驗(yàn)表明：遠(yuǎn)紅外紡織品對(duì)金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、大腸桿菌等致病菌的抑菌率達(dá)95％，利用這些特性可制作衛(wèi)生、醫(yī)療用品等產(chǎn)品。
3 測(cè)試方法與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
3.1 標(biāo)準(zhǔn)
目前關(guān)于遠(yuǎn)紅外紡織品功能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18319—2001《紡織品紅外蓄熱保暖性的試驗(yàn)方法》、紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 64010—2000《遠(yuǎn)紅外紡織品》、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CAS 115—2005《保健功能紡織品》。
GB/T 18319—2001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用紅外輻射計(jì)測(cè)定紡織品紅外反射率和透射率，計(jì)算吸收率，以及用點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)定輻照升溫速率的方法。主要從紅外吸收率和紅外輻照升溫速率兩方面測(cè)試及評(píng)價(jià)[5]
FZ/T 64010—2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了遠(yuǎn)紅外紡織品的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、結(jié)果判定和使用說(shuō)明等。該標(biāo)準(zhǔn)以法向發(fā)射率作為遠(yuǎn)紅外紡織品遠(yuǎn)紅外功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以試樣法向發(fā)射率減去對(duì)比樣（即相應(yīng)非遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品）法向發(fā)射率的差值作為法向發(fā)射率提高值。試驗(yàn)儀器為紅外光譜儀和黑體爐。最后計(jì)算的法向發(fā)射率是8~15μm波段的法向發(fā)射率[6]。
CAS 115—2005標(biāo)準(zhǔn)采用測(cè)定法向發(fā)射率的方法，制定了遠(yuǎn)紅外功能評(píng)價(jià)指標(biāo)，是我國(guó)目前適用于保健功能紡織品的唯一標(biāo)準(zhǔn)，其中關(guān)于具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線功能紡織品的部分規(guī)范了其術(shù)語(yǔ)定義、試驗(yàn)方法、結(jié)果判定、標(biāo)志等內(nèi)容，適用于遠(yuǎn)紅外法向發(fā)射率大于0.2的各種織物、粉末等材料及導(dǎo)熱物體的遠(yuǎn)紅外法向發(fā)射率的檢測(cè)。樣品法向發(fā)射率采用溫度為100℃時(shí)樣品法向全輻射亮度與相同溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體法向全輻射亮度比較的方法測(cè)量。試驗(yàn)儀器包括紅外光譜儀（或紅外輻射計(jì)）和黑體爐。計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)⒑隗w爐的輻射亮度、試樣的輻射亮度、對(duì)比樣的輻射亮度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出4 ~16 μm波段的法向發(fā)射率[7]。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容比較如表1所示。
表1 三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比較
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標(biāo)準(zhǔn)
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領(lǐng)域
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性質(zhì)
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波長(zhǎng)范圍
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技術(shù)要求
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洗滌性能
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FZ/T 64010-2000
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行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
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產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)
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8~15μm
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遠(yuǎn)紅外紡織品法向發(fā)射率提高值應(yīng)≥8.0%
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印染后整理織物洗滌10次后，法向發(fā)射率提高值應(yīng)≥7.0%
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GB/T 18319-2001
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國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
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方法標(biāo)準(zhǔn)
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0.8~10μm
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—
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—
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CAS115-2005
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協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)
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產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)
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4~16μm
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法向發(fā)射率提高值應(yīng)不小于0.08，其法向發(fā)射率應(yīng)不小于0.80；
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洗滌30次后，法向發(fā)射率提高值應(yīng)不小于0.06
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3.2 測(cè)試指標(biāo)與方法
遠(yuǎn)紅外紡織品主要功能是保暖功能，因此其保溫性能為主要考查指標(biāo)。針對(duì)遠(yuǎn)紅外紡織品，評(píng)價(jià)其遠(yuǎn)紅外性能的指標(biāo)主要有發(fā)射率和溫升。保健功能指標(biāo)主要為血液的微循環(huán)等。衛(wèi)生指標(biāo)只是附加功能，只有當(dāng)使用要求時(shí)才需要考查。
3.2.1 發(fā)射率
只要不是絕對(duì)零度，任何物體都能輻射紅外電磁波。物質(zhì)遠(yuǎn)紅外線輻射能量強(qiáng)弱的指標(biāo)有輻射功率和輻射度等，但在實(shí)際應(yīng)用中，常采用發(fā)射率來(lái)表征。發(fā)射率指在一個(gè)波長(zhǎng)間隔內(nèi)，在某一溫度下測(cè)試試樣的輻射功率（或輻射度）與黑體的輻射功率（或輻射度）之比。發(fā)射率是介于0~1之間的正數(shù)。一般發(fā)射率依賴(lài)于物質(zhì)特性、環(huán)境因素及觀測(cè)條件等。
發(fā)射率可分為半球發(fā)射率和法向發(fā)射率。半球發(fā)射率又分為半球全發(fā)射率、半球積分發(fā)射率、半球光譜發(fā)射率；法向發(fā)射率又分為法向全發(fā)射率、法向光譜發(fā)射率。目前國(guó)際上采用法向發(fā)射率來(lái)衡量產(chǎn)品的遠(yuǎn)紅外性能。遠(yuǎn)紅外發(fā)射率采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)定。國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試方法，天津測(cè)定法向光譜發(fā)射率，上海測(cè)定法向全發(fā)射率[8]。
關(guān)于黑體，指在任何條件下，完全吸收任何波長(zhǎng)的外來(lái)輻射而無(wú)任何反射的物體。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體是輻射本領(lǐng)最大的物體，其反射率為0，吸收率為100%，輻射率等于1，可叫完全輻射體。現(xiàn)實(shí)中不存在真正的黑體，只是近似的。
物體的發(fā)射率跟溫度有關(guān)，在描述織物的發(fā)射率時(shí)一定要注明溫度。
3.2.2 溫升法
溫升法測(cè)定在一定條件、一定時(shí)間內(nèi)織物溫度的變化，溫升法實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，能直接反映織物的溫度升高情況。溫升法包括紅外測(cè)溫儀法和不銹鋼鍋法。
紅外測(cè)溫儀法指在溫度為20℃，相對(duì)濕度為60%的恒溫室中用紅外燈照射同規(guī)格、同組織的普通織物和遠(yuǎn)紅外織物，用紅外儀記錄下不同時(shí)間間隔下兩種織物的溫度，然后求差值；不銹鋼鍋法指采用高30 cm，容積為250 mL的不銹鋼圓筒，圓筒上下底采用泡沫塑料，溫度計(jì)插在蓋上，分別將織物包覆在不銹鋼圓筒外，在紅外燈照射下，分別測(cè)得兩種織物的溫度，然后求其差值[2]。
張平等[9]選用不同濃度整理液整理后的織物及不同織物結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)紅外織物進(jìn)行溫升測(cè)試，測(cè)試的純棉平紋布試樣中，整理劑濃度越大，試樣隨時(shí)間變化溫升越快。結(jié)果表明，溫升這種測(cè)試方法側(cè)面反映了遠(yuǎn)紅外織物吸收遠(yuǎn)紅外線產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
3.3 遠(yuǎn)紅外功能評(píng)價(jià)
對(duì)遠(yuǎn)紅外紡織品的功能評(píng)價(jià)應(yīng)該建立以發(fā)射率為主體，以溫升、人體試驗(yàn)為輔的評(píng)價(jià)體系。對(duì)織物的功能評(píng)價(jià)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行，一是直接測(cè)試紡織品所具有的發(fā)射率；二是用外界手段作用紡織品，測(cè)試其變化情況，如溫升法；三是人體試驗(yàn)法，織物與人體發(fā)生作用，測(cè)試對(duì)人體的作用情況[10]。
4 結(jié)論
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，遠(yuǎn)紅外功能紡織品產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)品種類(lèi)豐富，但該行業(yè)一直缺乏技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遠(yuǎn)紅外紡織品遠(yuǎn)紅外功能評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。因此需要加強(qiáng)對(duì)遠(yuǎn)紅外紡織品測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)研究。
