纺织导报-差动毛细效应与织物孔径特性的关系.pdf

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1、前沿技术 I 章用等液位分段快速响应毛细液体测试装置对4 组双层织物的垂直于织物方向的孔径分布及芯吸速率进 入行测量，根据毛细差动原理分析了毛细子L 分布与双层组合织物的芯吸性能的关系及双层织物的结构搭配 对于孔径分布及形成的附加压力差的影响。 T ba n a l y z ed i f 佗r e n t i a lc a p i l l a r ye f 琵c tm e c h a n i s mi nm i c r o c o s m i cc a p i l l a r y ，e x a c t i t u d ee l e c t r o ns c a l ew a su s e d

2、，a n dt h e c a p i l l a r yd j s t r i b u t i o n sp e r p e n d i c u l a rt Of a b r i cp l a n ea n dw i c 妯n gv e l o c i t ya l o n gt h ed i r e c t i o no fm o n o l a y e ra n da s s e m b l e d f 曲d c sw e r et e s t e di na ns e l f _ d e v e l o p e da p p a r a t u si nw h i c ha ne l

3、 e c t r o nb a l a n c ea J l das u b s e c t i o n f a s tl i q u i dr e s p o n s es e t w e r ea s s e m b 】e d C a p i l l a r yd i s t r i b u t i o np e r p e n d i c u l a rt of a b r i cp l a n eo ff o u rg r o u p so fd o u b l el a y e rf a b r i c sw a st e s t e d 差动毛细效应与织物孔径特性的关系 R e I

4、 a t i o n S h i 口h e t W e e nC a 口i a r VP r 0 e r l i e Sa n D i 竹e r e n t i a I C a i a r VE 仃e C t0 fF a b r i C 国内对于差动毛细效应的研究是通过平均或者称为简 单毛细管半径计算织物附加压力差A P 的理论值来分析其 机制，但是根据表面化学原理，毛细孔径的分布对液体输 运影响巨大，而垂直于汗液蒸发方向也即垂直于织物平面 方向的毛细结构对气态水的传输和液态水的芯吸有着显著 影响。同一简单半径的织物往往由于织物结构不同而织物 各范围内的孔径分布不同，进而影响差动毛细效应。 本

5、文尝试用定量测试织物孔径分布和快速芯吸速率的 方法与传统方法进行比较，力图更细致地定量分析织物差 动毛细效应的成因。本文利用精密电子天平，改进和组装 了适用于织物的等液位分段快速响应毛细液体吸收测试装 置。通过对组合织物的毛细孔分布及垂直于织物的芯吸速 率进行测量，分析孔径分布与织物芯吸性能的关系及织物 结构对毛细孔分布及形成的附加压力差的影响。 1 织物的差动毛细效应原理 1 1 原理 经过实验探索和理论分析，快速芯吸双层织物的内外 两层根据差动毛细效应原理内层织物的纱线线密度越大， 经纬密越小，外层纱线线密度越小，经纬密越大，则该组 合织物形成的正附加压力差越大，能形成较强的水分传输。 1

6、 2 差动毛细效应原理 有文献提出内层毛细管所形成的附加压力与外层毛细 引 _ I 作者单位：范菲，广东白云学院艺术设计系；齐宏进，五 I I 邑大学纺织服装系。 文范菲齐宏进 管所形成的附加压力之差P 为： 廿= 半一号竽 ( 1 ) 式中：P 附加压力差( P a ) ，y 液气界面张 力( N m ) 。，。织物里层纤维所形成的毛细管的当量半 径( m ) ；，2 织物外层纤维所形成的毛细管的当量半径 ( m ) 。 毛细管的简单半径r 和纤维的直径d 的关系可由式( 2 ) 表示，作简化处理： r = O 1 1 3 d ( 2 ) 纤维直径为： 拈35 6 8 X 1 0 - 8 挎

7、 ( 3 ) 式中：d 纤维直径( m ) ；j v 纤维线密度( t e x ) ； 6 纤维密度( g ，c m 3 ) 。 同一简单半径的织物往往由于织物结构不同而织物各 范围内的孔径分布不同，试验中尝试用定量测试织物孔径 分布和快速芯吸速率的方法，更细致地分析织物差动毛细 效应的成因，以跟传统方法作比较。 1 3 毛细孔测量原理 大量出汗的液态水或湿加工过程中的水溶液接触织 物，由于毛细管内弯曲液面的附加压力，自动引导液体在 纺织导报C h i n aT e x 蚓e L e a d e r 2 0 0 8N o 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO :

8、Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 毛细孔中流动，产生芯吸。毛细管压力依据L a p l a c e 公式 计算： P c ：掣 ( 4 ) 式中：只毛细管压力( P a ) ；y 液一气的界面 张力( N m ) ；，毛细管的等效半径( m ) ，p 接触 角( 。) 。 利用万分之一精密电子天平，组装了等液位分段快速 响应毛细液体测试装置，对不同高度日等液位瓶所对应的 织物中孔径分布进行测量，画出直方图并进行图解微分拟 合为孔径分布图。 2 实验部分 2 1 根据差动毛细效应原理组合的4 组织物 分组原则是外层的织

9、物形成较细的毛细管，内层织物 形成较粗的毛细管，内外层织物就会形成正差动( 表1 ) 。 表1 组合机织物的结构参数 A l c 6 UJ 4 D 内层)2 02 03 6 U5 2 8 C 6 0 T 4 0 ( 外层) 2 02 03 8 76 8 6 爹A 2 c 6 叽( 内层) 2 02 03 6 0 5 2 8 遵 瓢 c 6 叽( 外层 2 02 03 6 2 5 3 0 锵 A 3 C 1 0 0 ( 内层)2 52 53 3 15 4 0 C 1 0 0 ( 外层)2 02 04 4 l7 5 9 簦M c 1 0 0 内层) 2 52 53 3 l 5 4 0 懑 簟酝晨l

10、 + 。i 钤羼j 。“热、一。飘。，寻媳，。一。手眵。潮 2 2 各方案理论计算的附加压力差值 各方案理论计算的附加压力差值见表2 。 表2 织物附加压力差户的理论计算值 k P a 附加压力差 l O 8 2 3 织物内外层毛细管的简单半径比较 根据式( 2 ) 、( 3 ) 计算各组外层和内层简单半径如表 3 所示。 表3 织物内外层毛细管的简单半径比较 m A 1粤层 外层 霪A 2 赛霍 A 3 内层 外层 3 9 1 0 一 3 7 l O 5 3 7 l O 一5 3 6 1 0 5 5 3xl O 一5 3 4 1 0 5 2 1 1 0 6 5 6 I O 一7 1 9 l

11、O 一5 鏊龇筌厶簇。幽基三。曩毫。漱蝴。兰：墨乙 由表3 可以看出：内外层织物的纱线线密度与经纬密 度相差越大，即内层织物的纱线线密度越大，经纬密越小， 前沿技术 外层纱线线密度越小，经纬密越大则该组和织物形成的正 附加压力差越大。 3 结果与分析 3 1 各织物组合的芯吸速率 各织物组合的芯吸速率根据如下公式求得： 一万 ( 5 ) 其中，y 芯吸速率( 舻m ) ；m 芯吸量( g ) ； f 芯吸时间( s ) 。 根据公式( 5 ) ，求得各组合织物A 1 、A 2 、A 3 、A - 4 的 芯吸速率0 0 2 29 、0 0 1 89 、0 0 6 50 、0 0 6 18 幽m

12、 。 3 2A 1 与A 2 的织物结构对于芯吸速率的影响 3 2 1A l 与A 2 的孔径分布的比较 母 ， 墨 筮 上 盗 7 0 63 5 32 3 5 1 7 71 4 l1 1 8l O l8 8 37 8 47 0 66 4 2 毛细孔范围( 邮n ) 图1A 1 与A 2 的孔径分布曲线 由图l 可见，A 1 与A 2 的毛细孔分布于6 4 2 7 0 6 岫 范围内。两个样布的孔径分布特征有相似之处均呈单波状 但波峰高度和宽度不同，二者均在3 5 3 “m 孔比例达极大 值。小于3 5 3 岫的毛细管范围内，它们的分布趋势均是先 递减再递增，说明7 8 4 “m 以下的最细孔

13、较多，这是由于 两组织物的纱线线密度小，这些最细的毛细管可能是纱线 中纤维与纤维之间的毛细孔。 3 2 2 毛细孔分布对于芯吸速率的影响 在较细的毛细管范围6 4 2 1 4 1 “m 内，A 1 所占比 例是3 1 1 ，A 2 是2 0 9 ，A 1 比A 2 的细毛细管多，因 为A l 、A 2 是同质地，纱线线密度相同，A 2 的内外层的经 纬密与A l 的内层经纬密相当，所以其外层纱线与纱线之间 的孔隙的细毛细孔仅比内层稍微细一些，但A 1 的外层的经 纬密比内层明显偏大，A 1 外层纱线与纱线之间的孔隙则明 显偏小。根据式( 4 ) ，A 1 的外层对内层的毛细管内液一汽 弯曲界面

14、的拉动力增强。所以A 1 的芯吸速率比A 2 快，这 与试验结果基本吻合。 纺织导报c h i n aT e ) ( t i l eL e a d e r 2 0 0 8N o 8 9 1 如”弘n堪蟮i 9 6 3 O 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 前沿技术 3 3A 3 与A 4 的织物结构对于芯吸速率的影响 3 3 1A 3 与A 4 的孔径分布的比较 承 一 蕊 羞 上 龌 8 3 4 4 1 7 2 7 8 2 0 91 6 7 1 3

15、 9 1 1 9 1 0 49 2 7 8 3 47 5 86 9 5 “25 9 石5 565 2 1 毛细孔范围( 岬) 图2A 3 与A 4 的孔径分布曲线 如图2 所示，A 3 毛细管范围分布在5 2 1 8 3 4 “m 范 围，A 4 则分布于5 5 6 8 3 4 m 范围内。两个样布的孔 径分布特征有相似之处，二者均在4 1 7n m 孔比例达极大 值。小干4 1 7u m 的毛细管范围内，它们的分布趋势均是先 递减再略微递增。 3 3 2 毛细孔分布对于芯吸速率的影响 在较细的毛细管范围5 2 1 一1 1 9p m 内，A 3 所占比 例是2 3 9 ，A 4 是2 0 6

16、 ，A 3 比A 4 的细毛细管多，而 较粗毛细管则相当。比较相同材质的A 3 、A 4 ，其纱线线密 度差异相同，但两组的内外层经密、纬密之差分别不同， A 4 的内外层的经纬密与A 3 的内层经纬密相当，所以其外 层纱线与纱线之间的孔隙的细毛细孔仅比内层稍微细一些， A 3 的外层与内层的经密之差大于A 4 的外内层的经密之 差，A 3 的外层与内层的纬密之差也大于A 4 的外内层的纬 密之差，所以A 3 外层纱线与纱线之间的孔隙明显偏小。根 据式( 4 ) ，A 3 的外层对内层的毛细管内液一气弯曲界面 的拉动力增强。所以A 3 的芯吸速率比A 4 快，上述分析也 可以解释实验结果。 4

17、 结论 利用精密电子天平组装的等液位分段快速响应毛细液 体测试装置可以对垂直于织物方向的毛细孔径及快速芯吸 速率进行同步动态测试，进而得到微米级织物孔隙分布及 同步响应动态芯吸速率，能够较好地定量分析织物中水分 传输和双层织物组合的差动毛细作用机制。 实验和理论分析表明，内层织物的纱线线密度越大， 经纬密越小，外层纱线线密度越小，经纬密越大，则该组 和织物形成的正附加压力差越大，芯吸速率越快。国晒 9 2 参考文献( 略) 目前广泛应用于纺织领域的传感器主要有光纤、压电 等传统的传感器，但是这些传统的传感器与纺织品兼容性 较差，因此，柔性传感器越来越引起人们的重视，如应用 于滑翔伞，能随伞篷布

18、变形且可测试篷布所受张力大小的 传感器。应用场合的特殊性要求这种传感器具有灵活、轻 质和敏感的基本特性，同时对传感器自身强度也有较高的 要求。 炭黑作为填料在聚合物基导电复合材料上的应用最为 广泛，因为它不仅价格低，添加量少，导电性也好，而且 炭黑不易氧化，因而广泛取代金属粒子作为导电填料用在 导电聚合物上。而选择热塑性弹性体s B s 橡胶作为基体聚 合物的理由是，该材料具有良好的弹性，其生产过程和大 多数热塑性材料相同，操作简单，易于成型。因此，本实 验选取炭黑填料作为导电材料、S B S 橡胶作为基体聚合物 设计一种复合型导电聚合物传感器( c P C ) 以测试滑翔伞 篷布在滑翔过程中

19、所受张力的大小。 1 实验 1 1 实验原料 苯乙烯一丁二烯一苯乙烯( s B s ) ：具有两相结构， A 1 p h aG a r y 公司提供；炭黑：平均粒径为l8n m ，由 D e g u s s ac o r p 公司提供；滑翔伞篷布：尼龙面料，平方 米克重为4 2g m 2 。 1 2c P c 制备 采用溶剂法制备c P C 材料。将s B s 基体、炭黑粉末、 氯仿、二甲苯分别加入到由丙酮溶液清洗过的锥形瓶中混 合，干5 5 条件下搅拌5h 使炭黑粉末能够均匀分散在聚 合物基体中。完成后移去冷凝设备，室温条件下冷却待用。 1 3c P c 导电性测试 将装有c P C 材料的

20、模具加热至2 0 0 ，加热5m i n ， 然后加压并用冷水使模具降至室温。取出后制成尺寸为 2 0 m m 1 9 m m 1m m 的c P C 样品，置于两个铜电极中 间，用万用表测量样品的电阻值，实验装置如图l 所示。 1 4 涂层 将C P c 薄膜涂层在尼龙织物上，在其两端连接铜导线 制成织物样本，并在薄膜表面涂上一层保护乳胶。整个传 感系统的最终尺寸为1 1 0 m m 1 0 m m 4 6 U m 。 作者单位：张奕，东华大学纺织学院，东华大学纺织面料技 术教育部重点实验室；俞建勇，东华大学现代纺织研究院，东 华大学纺织面料技术教育部重点实验室；C e d r i cC o c h r a n e ， L a b o r a t o i r ed eG n i ee tM a 话r i a u xT e x t i l e s( G E M T E X ) 。 纺织导报C h i n aT e x I i l e L e a d e r 2 0 0 8N o 8 勰M 撕挖8 4 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark