织物孔径特性与织物结构及芯吸性能的关系.pdf

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1、第2 8 卷第7 期 2 0 0 r 7 年7 月 纺织学报 J o u m a l0 f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 7 J u l 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 7 0 0 3 8 0 4 织物孔径特性与织物结构及芯吸性能的关系 范菲，齐宏进 ( 五邑大学纺织服装系，广东江门5 2 9 0 2 0 ) 摘要为了定量测定和描述水分传输的机制，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 对垂直于机织物平面方向的毛细孔分布及芯吸速率进行测试，分析了毛细孔分布与织物芯吸性

2、能的关系及织物结 构对毛细孔分布的影响，探讨了机织物优化设计原则。结果表明：决定织物中液体输运速度的不仅是平均孔径、最 大及最小孔径，孔径的分布也起到重要作用。织物纱线的线密度越大，织物的经纬密越小，织物就越疏松，则形成 的毛细管中粗毛细管多，芯吸速率越快。对于快速芯吸过程，粗毛细管的作用是决定性的。 关键词机织物；毛细效应；毛细孔特性；芯吸性能；优化设计。 中图分类号：喝1 0 1 9 2 3文献标识码：A R e l a t i o I 塔h i pb e t w e e nc a p m a r yp r o p e r t i e sa n dc o I l | ! i g u r a

3、 t i o I 塔 a n dw i c k i n gc a p a b i l i t yo ff a b r i c F A NF e i ，Q IH o n 商i n ( Z t 池以能n M 眦脚o n 聊眦，阢砸觇倦蚵，儿，咿w n ，G ，l g d D n g5 2 9 0 2 0 ，醌i M ) A b s 咖c t F o rq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n ta n d d e s c r i p t i o n o fm o i s t u r et 砌s f e rp r i n c i p l e ，a ns e

4、 l f - d e v e l o p e d c 印i l l a r ye f k c tt e s t i n g 印p a r a t u sc o n s i s t i n go fa ne l e c t r o nb a l a n c ea n 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 tw a s u s e dt od e t e m i n et h ec 印i l l a r yd i s t r i b u t i o na n dw i c k i n gr 札ep e I p e n

5、d i c u l a rt ot h e 鼬d cp l a n e T h eI 1 a t i o n b e t w e e nc 印i l l a r yd i s t r i b u t i o n sa n d 而c k i n gc 印a b i l i t ya n dt h ei I l f l u e n c eo ft h ef a b r i cc o i g u m t i o no nc 印i l l a r y d i s t r i b u t i o n sw e r ea n a l y z e d T h ep r i n c i p l eo fo p

6、 t i m i z i n gt h ed e s i g no ft h ew o v e nf a b r i cw a sd i s c u s s e d 7 I h e m o i s t u r et r a n s f e rs p e e di nt h ef a b r i cd e p e n d sn o to n l yo nt h es i z eo fc 印i l l a r y - a v e r a g e d ，m a ) 【i m u mo rI I I i n i m u m ， t I l ec 印i l l a r yd i s t 曲u t i o

7、 na l s op l a y sa I li n l p o n a n tr o l e 卟el a 昭e rt h el i n e a rd e n s i t yo ft h e 胁r i c ，t h es m a l l e r t h et h I _ e a dc o u n t ，明dt h ef a b r i cs t m c t u I i sl o o s e r ，a n da n l o n gt h ec a p i l l a r i e sf o 珊e d ，t h ec o a r s ec a p i l l a r i e s a 托p r e d

8、 o m i n a t i n g ， t h ew i c k i n gm t ei sf 如t e r I nt e m so ff 如t 埘c k i n gp r o c e s s ， t h ec o a r s ec 印i l l a r i e sa r e d e c i s i v e K e yw o r d sw o V e nf 如r i c ；c 印i l l a r ye f k c t ；c 印i l l a r yp r o p e r t y ；w i c k i n gc 印a b i l i t y ；o p t i m i z i n g 织物的热

9、湿传递与其毛细孔径及分布密切相 关，包括气态水的传输和液态水的渗透、芯吸都受到 这种结构的显著影响。国内外的研究大都将毛细孑L 径简化为平均孔径来处理，国内的研究主要是根据 公式计算织物毛细孔的平均半径。3 ，国外对织物 孔径分布的测试大都采用平均值及最大、最小孔径 的简化处理。但上述工作大都局限于沿织物平面方 向的芯吸速率和孔径测试，对于与舒适性最直接相 关的、垂直于织物方向的芯吸速率，往往由于瞬间完 成给同步测量带来困难，所以文献报道很少H “1 。 实际上，毛细孔径分布对液体输送和蒸发凝聚影响 巨大，而垂直于汗液蒸发方向即垂直于织物平面方 向的毛细孔结构对热湿舒适性的影响是至关重要 的。

10、本文利用精密电子天平，通过组装等液位分段 快速响应毛细液体测试装置，对垂直于织物方向的 毛细孑L 径及芯吸速率进行动态测试，分析了织物结 构与毛细孔分布的关系及毛细孑L 分布对织物芯吸性 能的影响，对机织物的结构进行初步优化设计。 收稿日期：2 0 0 6 1 0 1 5修回日期：2 0 0 7 一0 1 1 7 作者简介：范菲( 1 9 8 2 一) ，女，硕士生。主要研究方向为功能材料的开发与应用。齐宏进，通讯作者，E _ 1 1 1 a i l ：啦h o n 面i n 1 6 3 c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase fr

11、om www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期范菲等：织物孔径特性与织物结构及芯吸性能的关系 3 9 。 织物湿传导的理论分析 1 1 湿传导通道 皮肤表面处于极端显汗时，汗液分布在皮肤表 面。这时，服装湿传导的初始状态是液态水，其湿传 导通道川如图1 所示。 汗液壁型函逝圆趱水气邋圃 图1 水分通过织物的传导通道 n g 1W a yo f w a t e rt 猁n s f e r 图1 中没有包括亲水纤维中空腔对于芯吸的贡 献，由于这个数量级的极细小的孔隙在芯吸过程中 响应非常慢，所以不考虑它的芯吸作用。 1 2 公式推导 将润湿室降低

12、使滤纸正好在水槽中液体线的下 方，当滤纸完全润湿时，将待测织物放置于滤纸上 方，待其完全润湿后将润湿室提高形成一个负压值， 此时，由于毛细作用，液柱仍然部分保留在织物中。 在该负压下，液体仅从比临界尺寸大的毛细管中退 出，而较临界尺寸小的毛细孑L 中仍可保留水分，这个 临界值R 由下式推出1 ： 为垂直芯吸高度( c m ) 。 较直观的W a s h b u m 方程8 1 为 日z ：雩掣。 Z 竹 式中f 为芯吸时间( s ) 。 2实验部分 ( 4 ) 2 1实验装置 润湿室由漏斗、孑L 隙板及压板等组成，如图2 所示。 图2 等液位分段快速响应毛细液体测试装置 F i g 2 A s

13、 s e m b l e de l e c t r o nb a l a n c ea n ds 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 R = 型嚣堡刍 ( 1 ) 2 2 操作方法与测试环境 式中：R 为毛细管的临界尺寸( m ) ；y 为水的表面张 力( N m ) ；臼，为后退接触角( o ) ；日为负压值( c m ) ；l D 为液态水的密度( g m 3 ) ；g 为重力加速度( I I l ，s 2 ) 。 大量出汗的液态水接触织物时，由于毛细管内 弯曲液面的附加压力自动引导液体在毛细孔中流动 而产生芯吸

14、。毛细管压力的大小可以依据应用于理 想毛细管的I J a p l a c e 公式描述b 1 P 。= 孚c o s 臼 ( 2 ) 式中：P 。为毛细管压力( P a ) ；r 为毛细管的等效半 径( m ) ；口为接触角( 。) 。 液流在一束圆形毛细管中抵抗重力的流速可以 根据L u c a s w a s h b u m 方程描述，当抬高润湿槽中待 测织物的水位时形成负压值，则原来式中的重力加 速度g 可以由施加的负压值P 。代替，适当修改的 W a s h b u m 方程旧1 为 y = ( 2 y c o s p r P H ) ( 7 c r 4 8 叩 ) ( 3 ) 式中：

15、y 为一根纱线毛细管中液流运输的总流量 ( m 3 s 。1 ) ；P 。为负压值( c 珥) ；刁为黏滞系数( P a s ) ； 将织物用双面胶固定在润湿室中的塑料压板 上。当测量快速芯吸速率时，将润湿室降低使滤纸 正好在水槽中液体线的下方，当滤纸完全润湿时，将 待测织物放置于滤纸上方，压板一方面模拟真实穿 着的外衣自重产生的压力，另一方面防止织物下面 产生气泡。其接触织物部分挤压作用对垂直于织物 方向芯吸产生抑制作用，但：一是这部分面积已经尽 可能小，产生误差较小；二是每种织物测定都用同一 块压板，因而相对比较这种影响可以抵消；三是国外 已经提出在机械压力下吸水量测定规定，比如I S O

16、 9 0 7 3 一1 2 的规定说明加压板具有实际意义，具体问 题将另文叙述。从织物被放置在滤纸上的初始时刻 起到织物完全润湿为止，天平所称量的水的减少量即 为织物的芯吸量。测试结果是以垂直于织物平面为 主的兼具沿织物平面的芯吸，这更符合实际穿着情 况，因为内衣的芯吸是在有外衣压力情况下进行的。 天平与计算机相连，通过软件按需设定功能，记 录数据。采用s a r t o r i u s B P 2 l l D 电子天平，实验量程 为2 0 0g ，精度为万分之一。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermark

17、R to remove the watermark 4 0 纺织学报第2 8 卷 水槽下方的天平对由于不同负压产生的织物中 水分的减少量进行精确测量，将各相邻负压范围之 间水槽中水分的质量相减即为先后两个负压之间织 物中较计算对应临界尺寸大的范围内毛细孔中退出 的水分量，据此可以算出各数量级范围内毛细管所 占的比例，计算各负压范围对应的孑L 径范围，进一步 得到孔径分布值，画出直方图并进行图解微分拟合 为孑L 径分布图。 测试温度：( 3 3 2 ) ，相对湿度( 6 5 2 ) 。由 于不同的毛细管及孔径分布中液体所受到的重力和 毛细管压力平衡所需的时间不同，各负压范围内织 物的毛细管中水分

18、掉下的时间也不同，故各测试阶 段的时间不一致，应该以达到平衡，在该负压范围内 织物中毛细管中的水分完全掉出，即天平的数据呈 现规律性小幅波动为准。忽略水分蒸发是由于在恒 温恒湿箱中操作，蒸发和凝聚达到平衡，故不考虑蒸 发的散失。 2 3 试样 采用机织自坯布，其结构参数如表1 所示。织 物按传统工艺退浆。 表1 样品结构参数 T a b 1S t n l c t l l r ep a r 舢e t e r so ff a b r i c s 3 结果与分析 3 1 织物的芯吸速率 织物的芯吸是由于毛细管内弯曲液面的附加压 力自动引导液体在毛细孔中产生的流动。根据 W a s h b u m 方

19、程，织物的芯吸速率埘由下式计算 埘：罢( 5 ) 式中：m 为芯吸量( g ) ；f 为芯吸时间( s ) 。 尽管通过先期实验发现沿织物和垂直于织物方 向的芯吸都很快，但考虑到与长宽相比，织物厚度很 薄，沿厚度方向芯吸瞬间完成，从这个意义上说，垂 直于织物方向的芯吸称为快速芯吸。测试的织物芯 吸速率见表2 。每次实验选择3 4 个试样，最后求 得芯吸速率的平均值和绝对误差。 表2 织物芯吸速率 T a b 2W i c k i n gv e l 姆o ff a b r i c s 织物编号 芯吸速率，( g 瓶) - 1 ) 绝对误差 1 O 0 3 ll0 o ( ) 48 2 4 0 0

20、 3 30O 0 0 20 3 O 0 1 42O O o o5 4 0 0 2 0lO 0 ( ) 22 由表2 可以看出，各织物的芯吸速率大小次序 为：24 l 。 4 34 。根据w a s h b u m 方程，芯吸速 率与毛细孑L 径成正比，所以对孑L 径分布不同的织物， 孔的大小、分布比例都会影响其芯吸速率。 3 2 孔径分布与芯吸速率的关系 图3 为根据实验数据并按公式计算，经拟合绘 制的织物孔径分布曲线。 3 5 3 0 2 5 薹：。 丑 摆” 1 0 5 0 3 5 3 0 2 5 薹：。 墨 摆坫 1 0 5 0 7 0 6 3 5 3 2 3 51 7 7 1 4 1

21、1 1 8 1 0 l8 8 37 8 47 0 66 4 25 8 3 毛细孔径，| l 血 ( a ) 1 屿2 + 织物 8 3 44 1 72 7 82 0 91 6 71 3 91 1 91 0 49 2 78 3 47 5 86 9 56 4 2 毛细孔径，衄 ( b ) 3 + 与4 + 织物 图3 孔径分布曲线 F i g 3C a p i a r yd i s t d b u t i o n so fl ! a n d 2 。f i b r i c s ( a ) ，3 a n d4 。f a b r i c s ( b ) 由图3 ( a ) 可以看到：1 。织物的毛细管孔

22、径分布 于5 8 7 0 6 肚m 范围，24 织物的毛细管孔径则分布于 6 4 2 7 0 6 肛m 范围，2 块样布的孔径分布特征相似。 二者均在3 5 3 肛m 附近孔比例达极大值，在小于 3 5 3 “m 范围内孑L 比例则随孔径减小而减少；在 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期范菲等：织物孔径特性与织物结构及芯吸性能的关系 4 1 6 4 2 1 7 7 扯m 范围内二者的孔径分布比例基本相 同；在6 4 2 肚m 以下，2 4 织

23、物的细毛细管比1 ”织物 少。由于涤棉织物的润湿性能较纯棉织物弱，其接 触角较大。根据w a s h b u m 方程，较粗毛细管的贡献 是主要的，较细毛细管在动态芯吸中的响应速度相 对要慢一些，特别在本文实验条件下的快速芯吸下 贡献很小，所以细毛细管的芯吸作用不予考虑。在 较粗的毛细管范围内( 1 1 8 7 0 6 肚m ) 2 。织物占 8 4 ，1 。织物占8 1 5 ，这种差异是由于2 9 织物的 纱线比14 织物的粗；2 。织物的经密比14 织物大，经 向纱线之间的孔隙比l4 织物小一点，但24 织物的 纬密比l ”织物小，纬向纱线之间的孔隙就大一点。 其中，2 织物在3 5 3

24、7 0 6 肚m 最粗孑L 范围内的毛细 孑L 占5 6 ，而l 。织物占4 3 5 ；在中粗的2 3 5 3 5 3 “m 范围内24 织物占1 3 5 ，1 。织物占2 3 ；在 1 1 8 2 3 5M m 范围内2 4 织物占1 4 5 ，1 织物占 1 5 。尽管1 。织物在中粗孔比例较多，但在最粗孔 尺寸段并不占优，最粗孑L 的比例2 4 织物明显占优。 根据式( 4 ) ，织物孑L 径在芯吸过程中发挥的作用权重 很大，最粗孑L 发挥的芯吸作用的权重最大，2 。织物 芯吸速率比14 织物快，这与实验结果是吻合的。 3 。和4 。织物的特点是质地相同，纱线线密度相 同，经纬密不同。由

25、图3 ( b ) 看出：3 和4 。织物的毛 细孔分布有较大差异，分别分布在6 4 1 5 8 3 4 ”m 和 6 9 5 8 3 4 肚m 范围内。其孔径分布特征不同，3 ”织 物在2 0 9 ”m 附近孔比例达极大值，而44 织物在 4 1 7 肚m 附近达极大值，二者在最细毛细管范围内随 孔径的减小孔比例增加，而且4 。织物的最细孔比 3 。织物少，因为4 。织物的经纬密比34 织物小。由 于纯棉织物的润湿性能好，较细的毛细管也起到一 定的的芯吸作用。在较粗的毛细管范围内( 8 3 8 3 4 “m ) ，4 织物占8 0 2 5 ，34 织物占6 6 5 ，这种 差异显然是由于经纬密

26、不同造成的，44 织物的经纬 密比3 。织物的小，4 。织物经纬方向的纱线之间的孑L 隙比3 织物大。其中，4 4 织物在4 1 7 8 3 4 肚m 最粗 孔范围内的毛细孔占6 1 ，3 。织物占2 0 5 ；在 8 3 4 。4 1 7 “m 中粗孑L 范围内4 织物占1 9 2 5 ，3 织物占4 6 。虽然3 。织物在中粗孑L 比例较多，但在 最粗孔范围并不占优，最粗孔的比例44 织物明显占 优。根据式( 4 ) ，织物孑L 径在芯吸中发挥的作用权重 很大，最粗孑L 发挥芯吸作用的权重最大，4 。织物芯 吸速率比34 织物快，这与实验结果相吻合的。 4结论 1 ) 织物孔隙分布是复杂的

27、，决定织物中液体输 运速度的不仅是平均孔径、最大及最小孔径，孔径的 分布也起到重要作用。 2 ) 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 毛细孑L 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动态芯吸速率，能够更 好地定量测定和描述水分传输的机制。 3 ) 决定织物中液体输运速度的主要是粗毛细 孔。织物的纱线线密度越大，织物的经纬密越小，织 物就越疏松，则形成的毛细管中粗毛细管多，芯吸速 率越快。对于快速芯吸过程，粗毛细管的作用是具 决定性的。黼 参考文献： 王其，冯勋伟织物差动毛细效应模型及应用 J 东 华大学学报：自然科学版，

28、2 0 0 1 ，2 7 ( 3 ) ：5 4 5 7 王其高导湿功能织物的研究和设计 J 纺织科学研 究，2 0 0 3 ( 4 ) ：“一1 7 姚穆，施楣梧织物湿传导与实际的研究，第二报：织 物湿传导理论与实际的研究 J 西北纺织工学院学 报，2 0 0 l ，1 5 ( 2 ) ：1 3 M i e rB ，T y o m k i nI S p o n t a n e o u s 锄n s p l a n a ru p t a k eo f l i q u i db yf a b r i c s J T e x 矗l eR e sJ ，2 0 0 1 ( 1 1 ) ：7 0 6 7

29、1 2 H s i e hY o u L o ，Y uB a n 西i n g L i q u i dw e t t i n g ，t r a n s p o na J l d r e t e n t i o np m p e r t i e so ff i b m u sa s s e m b l i e s ，P a r t1w e t t i n g p m p e r t i e so f w o v e nf a c sa I l dt l l e i rc o n s t i t u e n t s i n 西e f i b e r s J T b x t i l eR e sJ

30、，1 9 9 2 ，6 2 ( 1 1 ) ：6 7 7 6 8 5 G h a l iK ，J o n e sB ，I h c yJ E x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sf o r m e a s u r i n gp 珊a m e t e 玛d e s c r i b i n gw e t t i n ga n dw i c k i n gi n f a b r i c s J T e x m eR e sJ ，1 9 9 4 ，6 4 ( 2 ) ：1 0 6 一1 1 1 姚穆，施楣梧，蒋素婵织物湿传导与实际的研究，第 一报：织物的湿传导

31、过程与结构的研究 J 西北纺织 工学院学报，2 0 0 1 ，1 5 ( 2 ) ：1 8 P a t n a i kA ，R e n g a s a m yRS ，K o t l a r iVK ，e ta 1 W e t t i n ga n d w i c k i n gi nf i b m u sm a t e r i a l s J 7 I e x t i l eP r o g I s s ，2 0 0 6 ，3 8 ( 1 ) ：3 3 5 0 11J 1 j 1 J 1 J 1 J ， 2 3 4 5 6 7 8 rI r L r L r L r l r l 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark