吸濕排汗T恤麵料的動態濕傳遞機製與仿真模型構建 1. 引言 隨著人們對穿著舒適性要求的不斷提高，功能性紡織品在運動服裝、戶外裝備及日常服飾中的應用日益廣泛。其中，吸濕排汗（Moisture-Wicking）T恤...
吸濕排汗T恤麵料的動態濕傳遞機製與仿真模型構建
1. 引言
隨著人們對穿著舒適性要求的不斷提高，功能性紡織品在運動服裝、戶外裝備及日常服飾中的應用日益廣泛。其中，吸濕排汗（Moisture-Wicking）T恤因其優異的濕氣管理能力而受到廣泛關注。這類麵料能夠迅速將皮膚表麵的汗液吸收並擴散至織物外層蒸發，從而保持體表幹爽，提升穿著體驗。
吸濕排汗功能的核心在於其獨特的動態濕傳遞機製，即水分在纖維—紗線—織物多層級結構中從內向外遷移的過程。近年來，研究者通過實驗測試與數值模擬相結合的方式，逐步揭示了這一複雜傳質過程的內在規律，並嚐試建立可預測性能的仿真模型，為新型功能麵料的設計提供理論支持。
本文係統闡述吸濕排汗T恤麵料的濕傳遞物理機製，分析影響性能的關鍵因素，介紹典型產品參數，並構建基於多尺度耦合思想的仿真模型框架，旨在推動高性能紡織材料的研發進程。
2. 吸濕排汗麵料的基本原理
2.1 定義與功能特點
吸濕排汗麵料是一類具備快速吸收汗液、高效導濕和快速幹燥能力的功能性織物。其主要作用是通過毛細效應和擴散作用，將人體產生的液態水分從貼膚側傳輸到外層空氣中蒸發，避免汗水積聚導致的悶熱感或冷感。
該類麵料通常采用異形截麵滌綸（如十字形、Y形）、改性聚酯纖維或錦綸/氨綸混紡等材料製成，結合特殊編織結構（如雙層麵料、點陣結構），實現單向導濕效果。
百度百科定義：“吸濕排汗麵料是指能將皮膚表麵的汗水迅速吸收並向外擴散，使其快速蒸發，從而保持皮膚幹爽的一類功能性紡織品。”
2.2 濕傳遞三階段模型
根據濕氣在織物內部的遷移路徑，可將吸濕排汗過程劃分為以下三個階段：
| 階段 | 過程描述 | 主要驅動力 |
|---|---|---|
| 階段：吸濕 | 汗液接觸織物內層，被親水基團吸附 | 表麵張力、化學親和力 |
| 第二階段：導濕 | 水分沿纖維間孔隙向外部遷移 | 毛細壓力梯度、濃度梯度 |
| 第三階段：蒸發 | 外層水分汽化進入空氣 | 溫度梯度、濕度差 |
此三階段構成了完整的“吸收—傳導—蒸發”閉環係統，決定了整體濕管理效率。
3. 動態濕傳遞機製解析
3.1 微觀結構對濕傳遞的影響
（1）纖維截麵形狀
不同截麵形態顯著影響毛細作用強度。研究表明，異形截麵纖維因具有更多溝槽結構，可增強芯吸效應。
| 纖維類型 | 截麵形狀 | 芯吸高度（mm/5min） | 接觸角（°） | 數據來源 |
|---|---|---|---|---|
| 圓形滌綸 | 圓形 | 8.2 | 85 | Zhang et al., 2019 |
| 十字型滌綸 | 十字形 | 17.6 | 63 | Wang & Li, 2020 |
| Y型滌綸 | Y形 | 21.3 | 58 | ISO 13031標準測試 |
| 改性丙綸 | 扁平帶狀 | 14.8 | 70 | Textile Res. J., 2021 |
注：芯吸高度越高，表示導濕能力越強；接觸角越小，親水性越好。
（2）紗線結構與撚度
高撚度紗線雖增加強度，但會壓縮纖維間隙，降低滲透性。適度低撚有利於形成連續毛細通道。
（3）織物組織結構
針織物中常見的雙麵組織（如珠地布、蜂窩組織）可實現內外層功能分離：內層疏水以快速脫離皮膚，外層親水以促進蒸發。
3.2 濕傳遞的物理機製
（1）毛細作用（Capillary Action）
液體在微細管道中自發上升的現象，遵循Jurin定律：
$$
h = frac{2gamma costheta}{rho g r}
$$
其中：
- $ h $：液柱上升高度；
- $ gamma $：表麵張力（N/m）；
- $ theta $：接觸角；
- $ rho $：液體密度（kg/m³）；
- $ g $：重力加速度（9.8 m/s²）；
- $ r $：毛細半徑（m）。
由此可知，減小接觸角$ theta $和毛細半徑$ r $有助於提升芯吸速率。
（2）擴散作用（Diffusion）
水蒸氣分子在濃度梯度驅動下由高濕區向低濕區移動，符合Fick第二定律：
$$
frac{partial C}{partial t} = D nabla^2 C
$$
其中$ C $為水蒸氣濃度，$ D $為擴散係數，取決於織物孔隙率和溫度。
（3）蒸發冷卻效應
當水分汽化時吸收潛熱（約2450 kJ/kg），產生局部降溫，進一步促進汗液分泌與循環。這一反饋機製增強了整體熱濕調節能力。
4. 關鍵性能指標與產品參數對比
為量化評價吸濕排汗性能，國際標準化組織（ISO）、美國材料試驗協會（ASTM）及中國國家標準（GB/T）製定了多項測試方法。
4.1 主要性能指標
| 指標名稱 | 測試標準 | 物理意義 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 芯吸高度 | AATCC 197 / GB/T 21655.1 | 垂直方向導濕能力 | mm |
| 水分蒸發速率 | ISO 11092 | 織物表麵幹燥速度 | g/(m²·h) |
| 潤濕時間 | AATCC 79 | 液滴完全吸收所需時間 | s |
| 透濕量（MVTR） | ASTM E96 | 水蒸氣透過率 | g/(m²·d) |
| 熱阻與濕阻 | ISO 11092 | 綜合熱濕舒適性 | m²·K/W, m²·Pa/W |
4.2 典型市售產品參數比較
以下選取五款主流吸濕排汗T恤麵料進行橫向對比：
| 品牌/型號 | 纖維成分 | 克重 (g/m²) | 芯吸高度 (mm) | 透濕量 (g/m²/d) | 蒸發速率 (g/m²/h) | 是否抗菌處理 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nike Dri-FIT ADV | 100% Recycled Polyester | 145 | 18.5 | 12,800 | 980 | 是（Polygiene®） |
| Adidas Climacool | 88% Poly + 12% Elastane | 130 | 16.2 | 11,500 | 920 | 是（Silver-ion） |
| Uniqlo AIRism | 92% Poly + 8% Spandex | 98 | 14.0 | 10,200 | 850 | 是（防臭加工） |
| Lululemon Cool Racerback | 81% Nylon + 19% Lycra | 120 | 20.3 | 13,600 | 1050 | 是（Microban®） |
| 特步X-MODO | 75%改性滌+25%錦綸 | 135 | 17.8 | 12,100 | 960 | 是（納米銀） |
數據來源：各品牌官網技術白皮書、SGS檢測報告匯總（2023年）
可以看出，尼龍基麵料（如Lululemon）在芯吸性能上表現更優，而再生聚酯則在環保與綜合性能間取得平衡。
5. 多尺度仿真模型構建
為了深入理解濕傳遞行為並優化設計，近年來發展出多種基於物理機理的數值仿真方法。
5.1 模型構建思路
采用“多尺度耦合建模”策略，分別在微觀（纖維級）、介觀（紗線/織物結構級）和宏觀（整件服裝級）建立子模型，並通過邊界條件銜接實現協同仿真。
（1）微觀尺度：纖維表麵潤濕模擬
使用分子動力學（MD）模擬研究水分子在纖維表麵的吸附行為。例如，Chen等人（2022）利用LAMMPS軟件模擬水滴在Y型PET纖維上的鋪展過程，發現溝槽邊緣電荷分布不均顯著影響接觸角演化。
關鍵參數設置如下：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 模擬時間步長 | 1 fs |
| 總模擬時長 | 1 ns |
| 勢函數 | COMPASS III |
| 溫度控製 | NVT係綜，300 K |
（2）介觀尺度：孔隙網絡模型（Pore Network Model, PNM）
將織物簡化為由節點（孔隙）和連接通道（喉道）組成的拓撲網絡，每個單元賦予特定的毛細壓力與滲透率。
基本方程包括：
- 質量守恒：
$$
sumj Q{ij} = 0
$$ - 達西定律：
$$
Q{ij} = frac{k{ij} A{ij}}{mu L{ij}} Delta P_{ij}
$$
其中$ Q{ij} $為流量，$ k{ij} $為滲透率，$ A{ij} $為截麵積，$ mu $為粘度，$ L{ij} $為長度，$ Delta P_{ij} $為壓差。
PNM模型可有效預測水分在非均質織物中的優先路徑與滯留區域。
（3）宏觀尺度：有限元熱濕耦合分析
采用COMSOL Multiphysics等平台構建三維人體—服裝—環境係統，求解能量與質量傳輸方程。
控製方程組如下：
- 能量方程：
$$
rho cp frac{partial T}{partial t} = nabla cdot (k nabla T) + Q{evap}
$$ - 濕氣輸運方程：
$$
epsilon frac{partial phi}{partial t} = nabla cdot (D_v nabla phi) + S_m
$$
其中$ Q_{evap} $為蒸發吸熱項，$ S_m $為水分源項。
邊界條件設定參考ISO 15858標準中的人體代謝產熱與出汗率數據。
5.2 仿真案例：雙層麵料濕傳遞模擬
以某款蜂窩結構雙麵針織物為例，構建其二維橫截麵幾何模型，尺寸為5 mm × 2 mm，包含內層疏水區與外層親水區。
| 層次 | 材料屬性 | 孔隙率 | 接觸角 | 毛細半徑範圍 |
|---|---|---|---|---|
| 內層 | 改性滌綸 | 42% | 110° | 5–15 μm |
| 外層 | 親水整理滌綸 | 48% | 40° | 10–25 μm |
初始條件：左側施加0.1 mg/cm²液滴，相對濕度RH=65%，環境溫度25℃。
仿真結果表明：
- 0~30秒：水分迅速被內層吸收；
- 30~90秒：通過垂直紗線向上遷移；
- 90~180秒：在外層大麵積擴散並開始蒸發；
- 300秒後：內層基本幹燥，外層殘留少量水分。
流場可視化顯示，水分主要沿“V”字形溝槽路徑流動，驗證了結構導向導濕的有效性。
6. 影響濕傳遞性能的關鍵因素總結
| 因素類別 | 具體要素 | 正向影響方式 | 參考文獻 |
|---|---|---|---|
| 材料選擇 | 異形截麵纖維 | 增強毛細力 | Fan et al., 2018 |
| 親水改性劑（如聚乙二醇接枝） | 提高潤濕性 | J. Appl. Polym. Sci., 2020 | |
| 結構設計 | 雙層不對稱織物 | 實現單向導濕 | Luo & Li, 2021 |
| 高孔隙率編織 | 加速空氣流通 | Textile Bioengineering and Informatics Symposium, 2022 | |
| 環境條件 | 風速 >1 m/s | 提升蒸發速率 | ASHRAE Handbook, 2020 |
| 相對濕度 <60% | 減少反向吸濕 | Int. J. Therm. Sci., 2019 |
此外，洗滌耐久性也是實際應用中的重要考量。多次水洗可能導致親水塗層脫落，使芯吸性能下降30%以上（據東華大學2023年耐洗測試報告）。
7. 新興技術與未來發展方向
7.1 智能響應型吸濕材料
開發具有溫敏或濕敏特性的智能纖維，如PNIPAAm接枝滌綸，在體溫升高時自動開啟微孔通道，增強透氣性。
7.2 仿生結構設計
借鑒植物葉脈輸運係統，設計分級導管網絡織物；或模仿沙漠甲蟲背部集水機製，實現定向集濕與排放。
7.3 數字孿生與AI輔助設計
結合機器學習算法（如隨機森林、神經網絡），基於曆史實驗數據訓練預測模型，快速篩選優纖維配比與織造參數。
例如，清華大學團隊（2023）開發了一套基於卷積神經網絡（CNN）的織物性能預測係統，在僅輸入纖維種類與組織圖樣的情況下，即可輸出芯吸高度與蒸發速率的估算值，誤差小於12%。
8. 應用領域拓展
吸濕排汗技術已不僅限於運動服飾，還在多個領域展現潛力：
| 應用場景 | 特殊需求 | 技術適配方案 |
|---|---|---|
| 醫用防護服 | 防水透濕、抗病毒 | ePTFE複合膜+導濕內襯 |
| 軍用作戰服 | 極端氣候適應 | 相變材料PCM集成 |
| 航空航天服 | 微重力環境下導濕 | 電場輔助水分遷移 |
| 嬰童服裝 | 安全無刺激 | 天然蛋白纖維混紡 |
尤其在高溫作業環境中（如消防、冶煉），配備高效濕管理係統的工裝可顯著降低熱應激風險，提高作業安全性。
9. 標準化測試與認證體係
目前全球主要采用以下幾類標準評估吸濕排汗性能：
| 認證機構 | 標準編號 | 測試項目 | 適用地區 |
|---|---|---|---|
| AATCC | AATCC TM195 | 動態水分管理測試（DMT） | 北美 |
| ISO | ISO 13031 | 吸濕速幹性能評定 | 歐洲、亞洲 |
| GB/T | GB/T 21655.1-2008 | 吸濕速幹性試驗方法 | 中國大陸 |
| JIS | JIS L 1092 | 合成纖維織物吸濕排汗測試 | 日本 |
其中，AATCC TM195采用紅外圖像追蹤液滴擴散過程，可同時獲取吸水速率、擴散麵積和幹燥時間三項指標，被認為是目前全麵的評價體係之一。
