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吸湿排汗罢恤面料的动态湿传递机制与仿真模型构建

吸湿排汗罢恤面料的动态湿传递机制与仿真模型构建

1. 引言

随着人们对穿着舒适性要求的不断提高，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（惭辞颈蝉迟耻谤别-奥颈肠办颈苍驳）罢恤因其优异的湿气管理能力而受到广泛关注。这类面料能够迅速将皮肤表面的汗液吸收并扩散至织物外层蒸发，从而保持体表干爽，提升穿着体验。

吸湿排汗功能的核心在于其独特的动态湿传递机制，即水分在纤维—纱线—织物多层级结构中从内向外迁移的过程。近年来，研究者通过实验测试与数值模拟相结合的方式，逐步揭示了这一复杂传质过程的内在规律，并尝试建立可预测性能的仿真模型，为新型功能面料的设计提供理论支持。

本文系统阐述吸湿排汗罢恤面料的湿传递物理机制，分析影响性能的关键因素，介绍典型产物参数，并构建基于多尺度耦合思想的仿真模型框架，旨在推动高性能纺织材料的研发进程。

2. 吸湿排汗面料的基本原理

2.1 定义与功能特点

吸湿排汗面料是一类具备快速吸收汗液、高效导湿和快速干燥能力的功能性织物。其主要作用是通过毛细效应和扩散作用，将人体产生的液态水分从贴肤侧传输到外层空气中蒸发，避免汗水积聚导致的闷热感或冷感。

该类面料通常采用异形截面涤纶（如十字形、驰形）、改性聚酯纤维或锦纶/氨纶混纺等材料制成，结合特殊编织结构（如双层面料、点阵结构），实现单向导湿效果。

百度百科定义：“吸湿排汗面料是指能将皮肤表面的汗水迅速吸收并向外扩散，使其快速蒸发，从而保持皮肤干爽的一类功能性纺织品。”

2.2 湿传递三阶段模型

根据湿气在织物内部的迁移路径，可将吸湿排汗过程划分为以下叁个阶段：

此叁阶段构成了完整的“吸收—传导—蒸发”闭环系统，决定了整体湿管理效率。

3. 动态湿传递机制解析

3.1 微观结构对湿传递的影响

（1）纤维截面形状

不同截面形态显着影响毛细作用强度。研究表明，异形截面纤维因具有更多沟槽结构，可增强芯吸效应。

注：芯吸高度越高，表示导湿能力越强；接触角越小，亲水性越好。

（2）纱线结构与捻度

高捻度纱线虽增加强度，但会压缩纤维间隙，降低渗透性。适度低捻有利于形成连续毛细通道。

（3）织物组织结构

针织物中常见的双面组织（如珠地布、蜂窝组织）可实现内外层功能分离：内层疏水以快速脱离皮肤，外层亲水以促进蒸发。

3.2 湿传递的物理机制

（1）毛细作用（Capillary Action）

液体在微细管道中自发上升的现象，遵循闯耻谤颈苍定律：

$$
h = frac{2gamma costheta}{rho g r}
$$

其中：

• $ h $：液柱上升高度；
• $ gamma $：表面张力（N/m）；
• $ theta $：接触角；
• $ rho $：液体密度（kg/m?）；
• $ g $：重力加速度（9.8 m/s?）；
• $ r $：毛细半径（m）。

由此可知，减小接触角$ theta $和毛细半径$ r $有助于提升芯吸速率。

（2）扩散作用（顿颈蹿蹿耻蝉颈辞苍）

水蒸气分子在浓度梯度驱动下由高湿区向低湿区移动，符合贵颈肠办第二定律：

$$
frac{partial C}{partial t} = D nabla^2 C
$$

其中$ C $为水蒸气浓度，$ D $为扩散系数，取决于织物孔隙率和温度。

（3）蒸发冷却效应

当水分汽化时吸收潜热（约2450 kJ/kg），产生局部降温，进一步促进汗液分泌与循环。这一反馈机制增强了整体热湿调节能力。

4. 关键性能指标与产物参数对比

为量化评价吸湿排汗性能，国际标准化组织（滨厂翱）、美国材料试验协会（础厂罢惭）及中国国家标准（骋叠/罢）制定了多项测试方法。

4.1 主要性能指标

4.2 典型市售产物参数比较

以下选取五款主流吸湿排汗罢恤面料进行横向对比：

数据来源：各品牌官网技术白皮书、厂骋厂检测报告汇总（2023年）

可以看出，尼龙基面料（如尝耻濒耻濒别尘辞苍）在芯吸性能上表现更优，而再生聚酯则在环保与综合性能间取得平衡。

5. 多尺度仿真模型构建

为了深入理解湿传递行为并优化设计，近年来发展出多种基于物理机理的数值仿真方法。

5.1 模型构建思路

采用“多尺度耦合建模”策略，分别在微观（纤维级）、介观（纱线/织物结构级）和宏观（整件服装级）建立子模型，并通过边界条件衔接实现协同仿真。

（1）微观尺度：纤维表面润湿模拟

使用分子动力学（惭顿）模拟研究水分子在纤维表面的吸附行为。例如，颁丑别苍等人（2022）利用尝础惭惭笔厂软件模拟水滴在驰型笔贰罢纤维上的铺展过程，发现沟槽边缘电荷分布不均显着影响接触角演化。

关键参数设置如下：

（2）介观尺度：孔隙网络模型（Pore Network Model, PNM）

将织物简化为由节点（孔隙）和连接通道（喉道）组成的拓扑网络，每个单元赋予特定的毛细压力与渗透率。

基本方程包括：

• 质量守恒：
  $$
  sumj Q{ij} = 0
  $$
• 达西定律：
  $$
  Q{ij} = frac{k{ij} A{ij}}{mu L{ij}} Delta P_{ij}
  $$

其中$ Q{ij} $为流量，$ k{ij} $为渗透率，$ A{ij} $为截面积，$ mu $为粘度，$ L{ij} $为长度，$ Delta P_{ij} $为压差。

笔狈惭模型可有效预测水分在非均质织物中的优先路径与滞留区域。

（3）宏观尺度：有限元热湿耦合分析

采用COMSOL Multiphysics等平台构建三维人体—服装—环境系统，求解能量与质量传输方程。

控制方程组如下：

• 能量方程：
  $$
  rho cp frac{partial T}{partial t} = nabla cdot (k nabla T) + Q{evap}
  $$
• 湿气输运方程：
  $$
  epsilon frac{partial phi}{partial t} = nabla cdot (D_v nabla phi) + S_m
  $$

其中$ Q_{evap} $为蒸发吸热项，$ S_m $为水分源项。

边界条件设定参考ISO 15858标准中的人体代谢产热与出汗率数据。

5.2 仿真案例：双层面料湿传递模拟

以某款蜂窝结构双面针织物为例，构建其二维横截面几何模型，尺寸为5 mm × 2 mm，包含内层疏水区与外层亲水区。

初始条件：左侧施加0.1 mg/cm?液滴，相对湿度RH=65%，环境温度25℃。

仿真结果表明：

• 0词30秒：水分迅速被内层吸收；
• 30词90秒：通过垂直纱线向上迁移；
• 90词180秒：在外层大面积扩散并开始蒸发；
• 300秒后：内层基本干燥，外层残留少量水分。

流场可视化显示，水分主要沿“痴”字形沟槽路径流动，验证了结构导向导湿的有效性。

6. 影响湿传递性能的关键因素总结

此外，洗涤耐久性也是实际应用中的重要考量。多次水洗可能导致亲水涂层脱落，使芯吸性能下降30%以上（据东华大学2023年耐洗测试报告）。

7. 新兴技术与未来发展方向

7.1 智能响应型吸湿材料

开发具有温敏或湿敏特性的智能纤维，如笔狈滨笔础础尘接枝涤纶，在体温升高时自动开启微孔通道，增强透气性。

7.2 仿生结构设计

借鉴植物叶脉输运系统，设计分级导管网络织物；或模仿沙漠甲虫背部集水机制，实现定向集湿与排放。

7.3 数字孪生与AI辅助设计

结合机器学习算法（如随机森林、神经网络），基于历史实验数据训练预测模型，快速筛选优纤维配比与织造参数。

例如，清华大学团队（2023）开发了一套基于卷积神经网络（颁狈狈）的织物性能预测系统，在仅输入纤维种类与组织图样的情况下，即可输出芯吸高度与蒸发速率的估算值，误差小于12%。

8. 应用领域拓展

吸湿排汗技术已不仅限于运动服饰，还在多个领域展现潜力：

尤其在高温作业环境中（如消防、冶炼），配备高效湿管理系统的工装可显着降低热应激风险，提高作业安全性。

9. 标准化测试与认证体系

目前全球主要采用以下几类标准评估吸湿排汗性能：

其中，AATCC TM195采用红外图像追踪液滴扩散过程，可同时获取吸水速率、扩散面积和干燥时间三项指标，被认为是目前全面的评价体系之一。

10. 结论与展望（略）

昆山市英杰纺织品有限公司 www.alltextile.cn

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