魏 鹏，张 辉，钱海洪，史成波，杜赵群

（1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.罗莱生活科技股份有限公司，上海 200333）

羽绒具有轻盈、保暖、吸湿、环保等诸多优点，故被广泛应用为冬季服装的填充料[1-3]。羽绒制品保暖机制主要是由于羽绒特殊的绒枝、绒小枝、菱节等分级形态结构，其中由于绒枝向各个方向展开，视觉上呈现由一个绒核向四周分散出绒枝形成一个放射球状结构。该结构赋予羽绒特有的多孔结构从而能够存储大量的静止空气，实现羽绒的高保暖性[4]。

羽绒制品保暖性能在宏观上主要取决于其填充羽绒的蓬松度，提高羽绒蓬松度是提高羽绒整体品质的主要手段。现有的提高羽绒蓬松度的方法有通过化学手段对羽绒进行表面处理、接枝改性、喷涂蓬松剂[5-8]，或是通过物理手段的清洁、烘干、静电处理等方法[9-11]。但化学手段不仅破环羽绒原有结构，还会对环境造成污染；现有的一些物理机械手段虽不会破坏羽绒特有的分支结构，也不会对环境造成污染，但改善羽绒保暖性能的程度有限。杨齐超等[11]提出了静电处理改善羽绒的方法，该种方法依据羽绒轻盈且容易产生静电的特点，对羽绒制品直接进行静电处理，可快速、简便、高效提高羽绒的蓬松度，提升羽绒制品的保暖性。

由于羽绒本身是一种电介质，其对于外电场的响应往往是束缚电荷的受限移动，而想要让束缚电子脱离原子核产生取向运动就需要更强的外力。本实验通过静电极板的方式使羽绒极化从而产生静电排斥，需要非常大功率的静电发生器，所以想要通过增加外电场的场强来使羽绒极化较为困难且成本极其高。但羽绒作为一种纺织纤维，其具有较好的吸湿性，而天然水中含有大量的离子和矿物质，提高了水的介电性能，于是羽绒在吸湿后，其介电性能便会提高。该理论早在1983 年就被波普科夫和格拉佐夫验证过：当空气湿度从20%变化到80%时，纤维的电导率会增加达百万倍以上[12]。所以在羽绒纤维吸湿后，其表面就具有了大量的自由电子和离子，极化的效果也就会显著提高。

本文对羽绒的静电处理展开研究，通过搭建羽绒静电处理设备对单朵羽绒进行静电—加湿处理，探究静电压、相对湿度以及加湿时间对于羽绒保暖性能的影响，并用得到的最优参数对绒包进行静电处理，从而验证羽绒静电处理的有效性。

1 试验部分

1.1 试验材料

实验所用羽绒为鹅绒，含绒量为95%，蓬松度为250cm3/g，以及该种鹅绒填充的绒包，外层面料为全棉，单个绒包质量为60g。

1.2 实验设备搭建

本实验需要搭建2 个实验处理设备，一个是对单朵羽绒的静电处理设备，另一个是对绒包的静电处理设备，2 个设备的原理相同，均包含加湿模块、静电极板、静电处理室、直流高压电源，搭建单朵羽绒静电处理设备的目的是方便观察羽绒在静电处理过程中的形态变化，绒包静电处理设备则拥有更大的处理室，能够直接处理50 cm×50 cm 以内的绒包。

2 个设备均使用Solidworks 建模设计、公差配合理论、Ideamaker 三维切片、3D 打印等技术搭建符合要求的实验设备。以单朵羽绒的静电处理设备的搭建流程为例（见图1），先用Solidworks 设计设备外壳，之后用3D 打印机打印，最终与其他元器件组装形成有加湿、静电功能的可开关的设备。

图1 单羽绒静电处理设备搭建流程

以绒包处理设备为例，绒包静电处理设备原理示意图如图2 所示，设备由处理室连接着蒸汽发生机、热风机、温湿度记录仪以及直流高压电源等设备，处理室的上下连接有黄铜极板，羽绒在处理室中加湿完成后即可直接开始静电处理。

图2 绒包静电处理设备原理示意图

1.3 实验分析方案

实验采用单因素分析法研究静电压大小和相对湿度对羽绒保暖性能的影响，得到最优参数后对填充同种羽绒的绒包进行静电处理，在绒包内侧放置60℃恒温的热源板，并用红外热成像仪分析绒包处理前后的外侧单位时间内温度变化，得到绒包保暖性能的提升比例，从而验证静电处理的有效性。

对单朵羽绒的静电处理具体操作为：先用饱和湿蒸汽对羽绒进行加湿处理。因为羽绒纤维较细并且比表面积大，所以单朵羽绒的吸湿能在较短时间内完成。通过在10min 区间内设置不同的加湿时间参数的方式，获得单朵羽绒吸湿达到平衡的优选时间。

通过初步实验，直接观察羽绒在实验中的形态变化确定了羽绒静电排斥的有效静电压范围为8～18kV。基于初步观察结果，设定3 个因子A、B、C 分别对应静电压、相对湿度、加湿时间，其中A、B、C 都有4 个水平数，具体实验方案见表1。

表1 羽绒静电处理正交实验表

通过单羽绒静电处理实验得到单因素的最优参数和3 个因素中影响程度最大的因子，对应设定最优参数为A*、B*、C*。

对绒包的静电处理及分析步骤为利用得到的最优参数A*、B*、C*对绒包进行静电处理，具体处理流程为：先用饱和湿蒸汽对绒包进行加湿，再对加湿后的绒包进行5min 静电处理，待处理完成后用60 ℃热风烘干。在处理完毕后的绒包一侧放置热源，用FLIR T420 红外热成像仪测量处理前后的绒包表面温度变化，得到单位时间内的温度提高比例，从而得到绒包的保暖性能变化。

2 测试结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 静电压对羽绒展开角的影响

羽绒的保暖性能主要是由其蓬松度决定的，而对于单朵羽绒，其所占体积空间大小决定了其蓬松度大小[13]。在单朵羽绒的实验中，为了方便量化羽绒受静电处理的影响程度，定义羽绒蓬松开的最大角度为展开角θ，如图3 所示。

图3 单支羽绒最大展开角示意图

羽绒的展开角越大，则其所占体积空间越大，能够储存的静置空气就越多，保暖性能自然就越好。实验所用的羽绒均经过梳理，使其呈收缩状态，此时测得羽绒的初始展开角θ 普遍为30°。

为了探究静电压大小对羽绒蓬松化程度的影响，用不同静电压对羽绒进行处理，得到了不同静电压处理后的羽绒蓬松状态，以羽绒展开角来量化，得到了羽绒展开角随静电压变化的关系曲线（见图4）。

图4 羽绒展开角随静电压变化的关系曲线

由图4 的曲线可以看出，静电压在9～15kV 的范围内，羽绒的展开角随静电压的增加不断变大，但在15 kV 之后羽绒展开角却变小。通过观察判断认为是由于静电压过大，羽绒产生了静电牵引，绒朵的部分分枝受到了场强的牵引，呈现了沿电场线排列的状态，这就导致了羽绒整体的展开角变小，从而影响了实验结果。

为了验证羽绒在15 kV 后的羽绒静电牵引现象，放入多朵羽绒，并将静电压设定到17 kV，其他条件不变，得到了如图5 所示的结果。

图5 静电压17 kV 下羽绒的静电牵引

多朵羽绒呈一条竖直线沿电场线排列，这也说明了对于羽绒的处理，静电压不是越大越好。虽然理论上静电压越大，羽绒纤维内的束缚电荷的逃逸速度就越快，羽绒的极化速度也会越快，但羽绒绒枝的极化会在某一时刻达到平衡态，在达到平衡态后，外场强继续增大就会使纤维受场强方向的牵引力继续增加，这是不利于羽绒蓬松化的。考虑到羽绒受到过大的静电力会沿场强被牵引或是团簇在一起，从而影响实验效果，所以设定最合适的静电压为15 kV，后续实验的静电压统一设置为15 kV。

2.1.2 相对湿度和加湿时间对羽绒展开角的影响

单朵羽绒的相对湿度以及加湿时间对于展开角的影响如图6 所示。从图中的拟合曲线可以看出，在不同的加湿时间条件下，随着相对湿度的增加，羽绒的展开角都是变大的，且加湿时间越长，羽绒展开角受相对湿度影响的变化越小。结合前述理论分析可以知道，羽绒的含水量越高，则其导电性能越好，静电处理的结果就会越明显。当羽绒所处环境相对湿度高时，水分子进入羽绒纤维体内的速率就会变大，羽绒将更快达到吸放湿平衡态，此时的羽绒纤维表面和体内的自由电子及离子数量达到峰值。在增加外场强后，自由电子以及离子就会发生取向位移，在处理一段时间后，羽绒的极化便可以达到平衡态，此时的处理效果也是最好的。

从图6 还可以看出，随着加湿时间的增加，羽绒的展开角随相对湿度的变化率逐渐减小，且在加湿时间达到5 min 之后，变化率趋于平缓。分析这可能是由于羽绒表面有一层致密的分子层膜，这层膜具有很强的疏水性[14]，所以水分子会先吸附在羽绒纤维的表面，之后才慢慢地渗入羽绒体内，前者是一个快速的过程，而后者过程较为缓慢。考虑到在湿度为100 %RH 且加湿时间为5 min 时羽绒的处理效果已经接近此次实验的最佳值，故选定单枝羽绒最优的加湿参数是相对湿度为100 %RH 的环境中加湿5 min。值得注意的是，对于单枝羽绒和成团的羽绒，它们的吸放湿平衡所需要的时间是不同的[15]，所以实际上加湿时间应当选定为羽绒达到吸湿平衡所需的时间。

2.2 正交实验结果分析

按照表1 的正交实验方案对单朵羽绒进行处理，得到了不同因素下的羽绒展开角变化，对同一因素所得到的不同羽绒展开角取平均值，得到了单因素的羽绒展开角变化数据如表2 所示，其中1～5 为表1 中水平数对应的静电压、相对湿度以及加湿时间。

表2 单因素羽绒展开角平均值

根据表2 中不同因素的羽绒展开角平均值数据，可以绘制单因素展开角曲线图，如图7 所示。

图7 不同因素的羽绒展开角变化曲线

从正交实验结果中可以看出，静电压对羽绒展开角的影响程度最大，其次是加湿时间，而相对湿度在80%～100%区间内对羽绒展开角的影响程度最小。对于单个因素而言，单朵羽绒的最佳静电电压值约为15kV，最佳相对湿度为100%RH，最佳加湿时间约为5min，在此最优参数下处理后的羽绒的展开角可相对原有的30°提高约165°。

2.3 绒包的静电处理结果分析

经过前面单朵羽绒的实验，确定了静电处理的最佳参数为：静电压为15kV，相对湿度为100%RH。由于绒包质量为60g，为尽可能使绒包达到吸放湿平衡态，将绒包置于100%RH 的环境中平衡24h 之后再进行实验。

羽绒因其特殊的结构能够储存大量的静置空气，所以具有非常好的隔热性能和保暖性能。本实验具体操作方案为：在绒包的一侧放置60℃恒定加热的热板，热板周围放置隔热泡沫来减少热量损失，在另一侧用红外热成像仪测量绒包表面温度。绒包测试前后的红外热成像图如图8 所示，通过红外热成像仪获得绒包表面温度随时间的变化曲线如图9 所示。

图8 绒包处理前后红外热成像对比图

图9 绒包表面温度随时间变化曲线

从图中可以看出，羽绒处理前后的表面温度有着明显的高低关系，处理前的平均表面温度为25.80 ℃，而处理后的平均表面温度为24.99 ℃，两组数据的离散程度均较低，说明数据比较可靠。设绒包表面温度的提高比例为K，则K 的计算公式如公式（1）所示。

式中：T0为绒包初始表面温度，℃；T1和T2分别为绒包处理前后的平均表面温度，℃。

测量绒包初始表面温度是用热成像仪对绒包表面进行50 次测量，并取平均值，得到绒包在实验当天的表面温度为23.56℃。将处理前后绒包平均表面温度T1、T2以及绒包初始表面温度T0代入公式（1）得到K=36.16%。这说明经过蓬松化处理后的绒包在60℃加热板加热的情况下其表面温度下降比例为36.16%，这表明经过静电蓬松化处理，绒包的隔热性能得到了较大提高。

3 结语

本文分析了静电处理对羽绒保暖性能的影响，通过自行搭建的静电处理设备观察羽绒在静电场下的状态，定义羽绒展开角θ 来评价处理结果，通过实验得出静电处理中静电压、相对湿度和加湿时间的最佳处理参数，预期可用于指导绒包的静电处理。实验表明，羽绒在高压静电场下有明显的蓬松状态，蓬松程度与静电压大小及加湿程度有关，实验所得的最佳静电压为15kV，最佳相对湿度为100%RH，加湿时间视羽绒的数量而定，单朵羽绒处理时间约为5min，羽绒数量越多则时间越长。按照以上最优实验参数对绒包进行处理和测试，得到羽绒在60℃稳定热源下的表面温度变化数据，将表面温度值取平均值后代入比例公式，得到羽绒表面温度的比例变化为36.16%，说明绒包经静电—加湿处理后的隔热性能和保暖性能得到了较大的提升。