（服装设计与工程专业论文）纳米珍珠纤维的开发及功能性研究.pdf

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s et r a d i t i o n a l d r u g s ，w h i c hw a s r e c o r d e di nt h ec h i n e s ea n c i e n tp h a r m a c o p o e i am o r et h a nt w ot h o u s a n d y e a r sa g o t e x t i l e sm a d eo fp e a r lf i b r ea l s oh a v et h ef u n c t i o no ft h ep e a r l t h a ti st on u r s es k i n s u c ht e x t i l e sw i l lb ep o p u l a rw i t hc u s t o m e r sa n d a d v a n c et h ed i s t i n c t i o no fc l o t h e s ，h e n c ew il le n h a n c et h ec o m p e t i t i o n a b i l i t yo fc h i n e s et e x t i l ei n d u s t r yi nt h ei n t e m a t i o n a lt r a d em a r k e ta n d t h e nw i l ld r i v et h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ep e a r lb r e e di n d u s t r y s u c ha r e f o c u s e da n do u t s p r e a d e di nt h i st h e s i s f u n c t i o n a lc l o t h e sa r et h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ff u t u r e t e x t i l et e c h n o l o g ya n dt h en e wr e q u i r e m e n to ft h ep e o p l ew i t ht h el i f e l e v e li n c r e a s i n g f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o n so fp e a r l a n df u n c t i o n ，t h et h e o r yt h a tp e a r le f f e c t s s k i n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f v i s c o s ef i b r ea n dt h eb r i e ff i l a t u r et e c h n i q u e so f p e a r lf i b r e t h ed i a m e t e ro f p e a r lg r a n u l e sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fg r a n u l e si nt h e f i b r e ，w h i c hc a ne m b o d yt h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co fp e a r lf i b r ea n d a f f e c tt h ek e yf i l a t u r et e c h n i q u e ，a r ei n d e p t hi n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d t h em o d e lo ft h ed i s t r i b u t i o nn a n o p e a r lg r a n u l e si n s i d ef i b r ei sb u i l ta n d p r o v e db yt h e v i r t u a lt h r e e d i m e n s i o n c y b e r - m o d e l ，a n d t h er e a l d i s t r i b u t i o ni so b s e r v e db yn a n o s c o p ei v t h et h e o r e t i c a lm o d e li s c o n s i s t e n tw i t ht h er e a lo b s e r v e dr e s u l tt h a ti ti ss h o w nt h a tt h ep e a r l g r a n u l e sd i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo ff i b r ei sd i s p e r s i v e ，s t o c h a s t i ca n d h o m o g e n e o u s t h ep u r p o s eo fd e v e l o p i n gn a n o - p e a r lf i b r ei st om a k et h ef i b r e b e a t i n gt h ef u n c t i o no fp e a r l t h et h e o r yo fn a n o - p e a r lf i b r ef u n c t i o ni s a n a l y z e da n dv a l i d a t e d ，a n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tm a n yk i n d so f a m i n oa c i d sa r ec o n t a i n e di nt h e n a n o p e a r lf i b r e ，e x c e l l e n t a n t i - u l t r a v i o l e tf u n c t i o na n df a ri n f r a r e de r a d i a t i o na r eo w n e d ，a n dt h e p a r t i c u l a rs u r f a c ep o l i s he f f e c ta n ds m o o t hs e n s ea r ea l s oh e l d o n l yi st h ei m p o r t a n c eo ft h en a n o - p e a r lf i b r ef u l l ye m b o d i e dw h e n t h ef i b r ef a m i l i a r l yt o u c h e st h es k i n i nt h el a s tp a r a g r a p ho ft h et h e s i s ， t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e st h eu n d e r w e a rm a r k e ti ns h a n g h a ia n df o r e c a s t s t h em a r k e t i n gf u t u r eo f p e a r lf i b r ea p p l i e di nu n d e r w e a r n i ux u e m e i ( f a s h i o nd e s i g n & e n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y l id o n g p i n g k e y w o r d s ：f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，p e a r lf i b r e ，n a n o ，a m i n oa c i d ， u l t r a v i o l e t ，f a ri n f r a r e d 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 目录 0 绪论1 第一章新型服装材料与内衣市场的发展趋势1 1 1 新型功能纤维的发展概况1 1 2 内衣市场的发展趋势3 1 3 纳米珍珠纤维_ 丌发的创意4 1 4 纳米珍珠纤维专利申请5 本章小结5 第二章纳米珍珠纤维素纤维的构成机理6 2 1 珍珠的概述6 2 1 1 珍珠的成分6 2 1 2 珍珠的营养成份及其作用机理6 2 1 3 珍珠的药用功能8 2 1 4 珍珠的美容护肤机理9 2 1 5 纳米级珍珠粉的效应1 0 2 2 纤维素纤维概述1 2 2 2 1 粘胶纤维的定义和性质1 2 2 2 2 粘胶纤维的纺丝工艺1 3 2 3 珍珠纤维纺丝工艺概述1 5 2 3 1 生产方法概述1 5 2 3 2 具体实施方式1 6 本章小结1 7 第三章纳米珍珠微粒在纤维中分布的理论研究1 8 3 1 粒径测试与分和1 8 3 1 1 粒径测试分析仪1 8 3 1 2 粒径测试结果1 9 3 2 纳米珍珠微粒在纤维中的分布理论基础。2 2 纳米珍珠纤维的开发及功能忡研究 3 2 1 御朗运动与随机分布理论2 2 3 2 2 纳米微粒在纺丝液中分布的数学模型2 3 3 3 纳米珍珠微粒在纤维中分布的电脑建模2 8 3 3 1 珍珠微粒的粒径与其在纤维中数量分布的关系2 8 3 3 2 电脑模型图例2 9 3 4 扫描探针显微镜对纤维表面状态的测试3 2 3 4 1 扫描探针显微镜概述3 2 3 4 2 扫描探针显微镜实验分析3 3 3 5 扫描电子显微镜实验报告3 6 3 5 1 扫描电子显微镜概述3 6 3 5 2 实验结果分析3 7 本章小结3 8 第四章珍珠纤维的功能测试与研究3 9 4 1 珍珠纤维中珍珠含量测定3 9 4 1 1 珍珠含量测试方法3 9 4 1 2 珍珠含量测试结果分析4 0 4 2 珍珠纤维对人体的护肤功能的测试分析4 l 4 2 1 氨基酸含量测试仪器4 l 4 2 2 氨基酸含量测试结果分析4 1 4 2 3 氨基酸对人体的作用4 2 4 2 4 皮肤吸收珍珠营养成分的机理4 3 4 3 珍珠纤维的抗紫外线功能的测试与分析4 4 4 3 1 过量紫外线对人体的危害4 4 4 3 2 珍珠纤维抗防紫外线性能的测试4 5 4 3 3 珍珠纤维防紫外线的机理分析4 7 4 4 珍珠纤维的远红外发射功能4 7 4 4 1 远红外的基本概念4 7 4 4 2 远红外发射的测试方法4 8 4 4 3 实验结果分析4 9 纳米珍珠纤维的开发及功能忡研究 4 4 4 远红外线对人体的保健功能4 9 本章小结5 0 第五章珍珠纤维在内衣领域的应用及市场前景展望5 1 5 1 珍珠纤维在内衣中应用的可行性及优势分析5 l 5 1 1 内衣市场调研结果分析5 l 5 1 2 珍珠纤维用于内衣的优势分析5 3 5 2 市场前景预测5 3 本章小结5 4 第六章结论5 5 参考文献5 7 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 0 绪论 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 珍珠是一味名贵中药，含有多种氨基酸和微量元素。自古就被人们用作药用 和美容。将珍珠经过精细加工粉碎成纳米状态，更易于被人体吸收。 粘胶纤维是一种再生纤维素纤维，具有类似于棉的舒适、柔软、吸湿等优良 性质。 如果将纳米级的珍珠微粒混入粘胶纤维的纺丝浆料中，均匀分散，纺出来的 纤维内部和表面就会均匀分布着珍珠微粒，这种纤维制成的服装穿在人身上，长 期与皮肤相接触，珍珠微粒中的营养成分在人体皮肤微酸性环境下被人体吸收， 可以起到养颜护肤、清火败毒的功效。同时，由于添加了纳米级的珍珠粉，又使 纤维具有了抗紫外线等功能。本文围绕这样一个创意展丌研究。 第一章新型服装材料与内衣市场的发展趋势 随着科学技术的高速发展和人民生活水平不断提高，以人为本发展保健型、 环保型纤维的呼声越来越高，采用高新技术生产的一批功能性、高性能和环保型 的纤维相继问市，并受到消费者的青睐。 1 1 新型功能纤维的发展概况 1 抗菌纤维：在纤维中加入纳米银或者抗菌剂，使纤维具有广谱抗菌效果， 对细菌、霉菌、癣菌都有抵抗作用，可防止细菌交叉感染，也可防霉、防癣，有 益于人体和环境的卫生。 2 芳香纤维：一种方法是采用微胶囊法将装有香料的微胶囊粘附在纤维上， 衣物穿著摩擦时，胶囊破裂散发出香味；另一种是用复合聚合法在纤维抽丝时将 香料注入纤维中，形成包芯丝，纤维香味持久性长，用芳香纤维制成的服装和室 内装饰品，给人带来愉快的享受和调节精神的作用。 3 远红外线纤维：将陶瓷粉术与化纤溶液在喷丝前共混制成，基质材料可 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 用涤纶、锦纶、丙纶、粘胶等。含有陶瓷粉的纤维能吸收太阳能并转换成人体所 需要的热能，促进血液循环，改善人体的机能，增强体质。 4 抗紫外线纤维：将紫外线屏蔽剂，经过熔融纺丝制成抗紫外线纤维，这 种纤维的织物对紫外线的屏蔽率在9 5 以上，适合夏季制作衬衣、沙滩装、t 恤 衫、遮阳伞、遮阳帽等。 5 微孔纤维【1 1 ：在聚酯的纺丝熔体中加入一定量胶体状的碳酸钙粒子纺丝成 形，拉伸后经碱减量除掉无机粒子，在纤维表面留下微孔，利用微孔的毛细管作 用，可以改善纤维的吸湿性和获得凉爽的手感。 6 麦饭石纤维：麦饭石是一种天然的药物矿石，含有多种对人体有益的微 量元素，用麦饭石原料经高科技处理后制成的纤维，能补充人体微量元素，产生 人体能吸收的远红外线，激活人体细胞，改善和促进血液循环。可用于制作衬衣、 内衣、保健品、床上用品和部分家用纺织品。 7 吸湿发热纤维：当遇到身体散发的湿气，就能自行产生反应热，使其保 暖性远超羊毛等纤维。同时它还兼具抗菌防臭、低静电等多种特性，十分适合冬 天穿着。 8 竹纤维：以竹子为原材料制成竹纤维具有很好的韧性和耐磨性，吸渝性、 透气性和悬垂性都优于普通的棉织品，其丝绒感、滑爽、易染色的特点也优于其 它普通的纤维织物，同时还具有抗菌性。 9 甲壳素纤维：甲壳素纤维的原料来源于虾、蟹、昆虫等甲壳动物。该纤 维具有良好的吸附性，粘结性、杀菌性和透气性等优良性能。甲壳素纤维废弃物 可自然降解，对环境不会造成污染，属绿色坏保型纤维。 1 0 聚乳酸纤维：以玉米、小麦等淀粉原料经发酵、聚合、抽丝而制成。其 弹性、悬垂性、吸湿性、透气性、耐热性以及抗紫外线功能都很好，该纤维原料 来源于再生的天然植物，从生产到废弃完全是自然循环，废弃后可自然降解，是 绿色环保型纤维。 1 1 竹碳纤维：利用纳米技术将竹碳微细化，再通过熔融纺丝把竹炭均匀地 融入聚酯纤维中或加入粘胶纺丝液中，从而制成竹碳纤维。具有抗菌、负离子等 多种功能，适用于生产贴身衣物和防护型纺织品。 1 2 牛奶纤维：将牛奶浓缩去水脱脂，其中分离出的蛋白质为基本原料，加 2 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 入一种特殊的试剂，经过化学处理和机械加工制得的再生蛋白质纤维。或蛋白质 和丙烯腈共聚物纺丝成牛奶纤维。 1 3 大豆纤维：主要原料是来自于自然界的大豆糟粕，通过化学生物的方法 提取球状蛋白质和高聚物接枝、共聚共混，通过添加功能性助剂改变蛋白质的空 间结构，经湿法纺丝而成的再生植物蛋白纤维。生产过程对环境无污染，是一种 易生物降解的再生纤维。 1 2 内衣市场的发展趋势 内衣【2 】( u n d e rw e a r ) 指：以与人的肌肤直接接触的贴身服装为主，穿着在 外衣罩面的具有卫生、保健、保暖装饰、塑身等功能的服装，其主要产品包括文 胸、贴身内衣裤、保暖内衣、紧身内衣裤、睡衣、泳衣等。 二十世纪九十年代中期以来，中国内衣业( 尤其是女式内衣) 发展迅速，形 成南方以广东为代表，东部以上海为代表，北方以北京为代表的三分天下局面。 据有关单位统计资料显示，2 0 0 3 年我国内衣产量超过1 5 0 亿件，销售额在1 5 0 0 亿元以上。据海关统计，2 0 0 3 年我国内衣出口7 4 亿件，同比增长超过2 0 ；出 口金额9 0 亿美元，同比增长也超过2 0 【2 】。 我国内衣市场目前正处在高速成长期，内衣品牌林立，消费者对品牌的接受 相对固定在有限的几个品牌。据了解，国内热销的品牌多数是香港或其他国家在 广东、上海等地合资建厂的产品，一些著名品牌如黛安芬、安莉芳、欧迪芬、古 今、爱慕、华歌尔等市场销售稳步上升。 在中国内衣行业发展空间不断拓展的同时，暴露出的问题也不容忽视。与国 外品牌相比，中国内衣行业的时尚性较弱，虽然近年来各个品牌都在强调设计和 时尚，但品牌之间的特色区分不甚明显，造成低层次的竞争。若想提高品牌附加 值，只能依靠提高产品的档次和差别化经营来实现。随着科技的进步，各种新型 的纤维不断涌现出来，大豆纤维、牛奶纤维以其柔软、亲肤的特性赢得消费者的 喜爱，远红外纤维、甲壳素纤维由于其特殊的性能使服装具有了新的功能。 随着人们生活水平的提高，功能型内衣越来越受到消费者的喜爱。例如以塑 身为卖点的婷美内衣；前几年风靡一时的保暖内衣；2 0 0 2 年出现的黛安芬芦荟 内衣；欧迪芬大力提倡的水袋内衣；远红外内衣等等，由于其独特的外观或作用， 纳米珍珠纤维的开发及功能件们f 究 受到了不同消费者的喜爱，从而赢得市场。差别化、功能化、舒适化、绿色化将 成为内衣品牌竞争的法宝。 1 3 纳米珍珠纤维开发的创意 将纳米级的珍珠加入纤维中，使纤维具有珍珠一样的功效，这是我们研究丌 发珍珠纤维的出发点。通过大量资料的查阅，我们了解了珍珠的药用和美容功能。 我国有2 0 0 0 多年利用珍珠的历史，从西汉名医别录至清代的雷公药性赋， 有十几部医药书典对珍珠的功能予以记录。唐代的李洵在其所著的海药本草 中，就说明珍珠有“主明目、除面瘢”( 即面部黑斑) 的美容作用，宋代的丌 宝本草日：“涂面，信人润泽好颜色；涂手足，去皮肤逆胪 。 据清宫秘史记载，慈禧太后每隔1 0 天就口服一匙珍珠粉，以此养颜， 还常用玉棍摩脸。据慈禧女侍官德龄公主所著的御香缥缈录中纪述“五六十 岁时，肌肤仍宛若处子”，可见长期服用珍珠粉有其神奇功效。再如京剧表演艺 术家梅兰芳先生，年逾花甲男扮女装演花旦时，尚能风韵不减当年。据其子梅葆 久说，先父青春常驻的原因，除了坚持练功、调摄饮食外，还与长期服食珠粉及 外涂自己用珍珠粉调配的护肤霜有关。 据现代医药分析珍珠中所含有的十几种人体不能合成的氨基酸及多种微量 元素，能调节人体内分泌等，而珍珠中大量的碳酸钙，对老年性生理缺钙( 老年 人易患骨质疏松等症) 又起到了有益的作用。其综合作用是促进了机体活力，延 缓了衰老，因而也可推迟闭经期，从而保持了血脉旺盛、容颜年轻、身体健康。 珍珠粉涂面后通过促进人体肌肤超氧化物歧化酶( s o d ) 的活性，抑制黑色素的 合成，保持皮肤白皙。此外，由于s o d 具有清除自由基的作用，可防止皮肽衰 老、起皱。珍珠粉为全天然成分，具有镇心安神、加深睡眠、消除紧张疲劳的作 用。 纳米材料是一种新型的高科技材料。纳米材料的物理化学性质不同于微观原 子、分子，也不同于宏观物体，纳米介于宏观世界与微观世界之| 、日j 【3 】。由于构 成纳微米材料的微粒具有特殊的表面效应和小尺寸效应，因此能够产生与常规材 料不同的物理、化学性质，如具有高强度、高韧性、良好的导电和静电屏蔽效应， 能够抗紫外线、吸收可见光和红外线、抗老化，具有很强的抗菌除臭功能和吸附 4 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 能力等。如果将珍珠粉碎到纳米级，添加到纺丝浆料中就可能产生意想不到的效 果。 我国使用珍珠已经有几千年的历史，也是世界上珍珠生产和出口的大国，珍 珠产量曾一度占世界珍珠总产量的9 5 以上。1 9 9 3 年后由于我国淡水无核珍珠 生产发展过热，产量增长过猛，造成珍珠质量下降，销售价格猛跌，这对我国淡 水珍珠养殖打击惨重。通过珍珠市场的调整，提高育珠技术，加快产业化经营步 伐，再加上国家放丌珍珠出口的控制权，使我国淡水无核珍珠生产出现了大的转 机。2 0 世纪9 0 年代以来，我国新建了不少珍珠专业销售市场，最有名的是江苏 原吴县渭塘珍珠批发交易市场和浙江诸暨珍珠批发交易市场，2 0 0 0 年全国珍珠 产量约在1 2 0 0 吨左右【4 1 ，如果能妥善利用我国丰富的珍珠资源，通过先进的科 学技术对其进行高附加值后加工处理，使其利用领域更加广泛，就能有效地提高 我国珍珠市场的经济效益，也有助于新产品的开发。 我国是服装生产和出口大国，2 0 0 5 年上半年，在外销市场不甚景气的情况下， 服装行业完成超过2 0 0 亿件的服装产量。从2 0 0 0 年到2 0 0 4 年，中国居民在穿类 产品消费平均增长为1 2 5 6 ，高于g d p 的增速【5 】。如果能将珍珠用于服装当中， 可以大大提高珍珠的利用率和附加值。推动珍珠养殖业及高档纺织服装业的发 展，提升我国服装业在国际市场的竞争力。 1 4 纳米珍珠纤维专利申请 通过前期的调研探索和试验，我们于2 0 0 4 年申请了国家发明专利“一种珍 珠粘胶纤维及其生产方法”，申请号：2 0 0 4 1 0 0 6 7 9 6 2 5 。 本人为该发明专利的第三发明人。( 申请受理文件见附录) 本章小结 服装市场经历了数量发展、品种发展，现在正过渡到个性化、特色化、功能 化需求的阶段。抓住特色发展的机遇，发展我国优势产业，不断创新，丌发具有 中国特色的新材料，才能真j 下提升我国服装业在国际市场上的竞争力。本次论文 研究的课题是如何应用纳米技术丌发新型的功能型内衣材料。 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 第二章纳米珍珠纤维素纤维的构成机理 纳米珍珠纤维素纤维，是由纳米级珍珠粉与纤维素共混纺丝而成。要了解纳 米珍珠纤维特性，首先要研究构成纳米珍珠纤维的两个要素：珍珠和纤维素纤维。 2 1 珍珠的概述 2 1 1 珍珠的成分 珍珠别名珠子、真珠。为珍珠贝科动物合浦珍珠贝p t e r i am a r t e n s i i ( d u n k e r ) 和蚌科动物三角帆蚌h y r i o p s i sc u m i n g i i ( l e a ) 、褶纹冠蚌c r i s t a f i ap l i c a t a ( l e a c h ) 等双壳类动物的贝壳外套膜受刺激形成的珍珠【6 】。 褶纹冠蚌中的珍珠含壳角蛋白，组成为甘氨酸，丙氨酸，组氨酸等氨基酸。 还含碳酸钙，及少量钠、镁、钾等无机元素。此外，还含牛磺酸( t a u r i n e ) 。珍 珠贝的天然珍珠含碳酸钙9 1 7 2 ，无机元素有铝、铜、铁、镁等。还含组氨酸、 丙氨酸等十几种氨基酸。此外，还含1 3 胡萝b 素( 1 3 c a r o t e n e ) ，叶黄素( 1 u t e i n ) ， 葡萄糖，果糖等1 7 】。 2 1 2 珍珠的营养成份及其作用机理1 9 i 1 氨基酸类：经各研究单位测定，珍珠中含有1 8 种氨基酸，其中7 种是 人体必需的氨基酸。由于珍珠品种的不同以及养殖环境的差异，不同珍珠样本测 出的数据会有所差别，本文以一种为例进行介绍，详见表2 2 。很多学者指出， 珍珠中的氨基酸对人体具有十分重要的生理作用，例如丝氨酸、半胱氨酸、缬氨 酸可调节人体内分泌，增强免疫力和抗衰老；酪氨酸可治疗甲状腺疾病和促进发 育；精氨酸可扩张血管和治疗高血压；甘氨酸、甲硫氨酸可促进皮肤胶原细胞的 再生，达到美容的效果，谷氨酸可治疗耳鸣、鼻炎、失眠等。这说明珍珠的功效 是由于含有各种重要的氨基酸而引起的。 6 纳米珍珠纤维的开发及j j j 能件研究 表2 - 1珍珠的成分【8 】 名称含鼙 碳酸钙 9 0 9 3 水分2 4 蛋白质2 8 微昔元素0 0 5 一l 表2 2珍珠粉氨基酸含颦 ( 中国医学科学院基础医学研究所测试报告) 名称 含量( m g lo o g ) 名称 含昔( m g 10 0 9 ) fj 尔氨酸 2 8 5 2 异亮氨酸 3 6 0 苏氨酸 4 0 7 酪氨酸 5 3 5 谷氨酸 5 4 8 3 苯丙氨酸 7 7 5 丝氨酸 8 8 5 组氨酸 3 3 4 甘氨酸2 6 2 9精氨酸 5 0 5 丙氨酸 2 8 7 3 脯氨酸 2 2 9 3 蛋氨酸 2 4 4 缬氨酸 7 2 8 色氨酸 0 0 0 赖氨酸 4 4 4 亮氨酸 9 7 5 表2 - 3 珍珠中微量元素含量【9 】克克 锶s r 2 8 1 0 4针t h 3 1 0 9 钡b d 8 9 x1 0 5铯c s 0 9 x1 09 钪s e 1 2 x1 0 9铑r h 0 9 lx 1 0 7 钴c oo 7 x1 0 9硒s e 1 1 0 8 锌z n0 4 3 x1 0 6钠n ai 7 x1 0 3 铬c r o 1x1 0 7铜c u1 3 x1 0 7 铁f e i 2 x1 0 6钾k5 2 x1 0 6 溴b r 5 1 0 7金a u 3 8 x1 0 9 银a g 1 4 x1 0 9钨w o 3 x1 0 叫 饴h f 0 4 1 0 一s镧l d o ，x ( t ) n ( o ，c 2 f ) 如果c 三1 ，我们称之为标准布朗运动；如果c 1 ，则可以考虑 x ( t ) c ，t 0 ， 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 这也是标准铈朗运动。故不失一般性，可仅考虑标准布朗运动的性质。 3 2 2 4 布朗运动的性质 要认识珍珠微粒在纺丝浆料中的分布，首先要了解其运动轨迹，布朗运动的 几乎每条样本轨道都是连续的，这可以通过物理试验直观得到，并可以通过数学 严格证明。但样本轨道是一个几乎处处没有导数的函数，其物理意义是粒子在每 一瞬问，都可能受到介质中分子的碰撞，碰撞后的方向是任意的，而速度为无穷。 也就是说，珍珠微粒在纺丝浆料中受到周围液体分子的碰撞，做不规则的运动。 从数学上看，可以由下面的分析看出： 。 。，x ( t o + _ a t _ ) - x 一( t o ) x ，( t o ) ( 出j0 ) 若x ( t ) 在“有导数，则 出 由布朗运动的平稳性和正态性可知 x ( t o + ，) 一x ( t o ) n ( o ，a t ) 因此对于任意给定f 数m ，有 p c l 盟等型卜叫i 等l m 伍， = o ( m 4 a t ) 一( 一m f ) 一0 ( a t 专0 ) ( 3 一1 ) ( 3 1 ) 式的推导表明，布朗运动在任一点( f 专o ) 的导数有限的概率为0 ，换而占 之，对几乎每条样本轨道的任意一点，其导数不存在。并在数学上更严谨的阐述 了粒子在每一瞬间，都可能受到介质中分子的碰撞，碰撞后的方向是任意的，而 速度为无穷。换而言之，纳米珍珠微粒的运动在任意时刻后的运动方向是任意的。 下面我们进一步的介绍布朗运动的概率特性。由布朗运动的定义，如果 0 s , o f ，则x ( t + s ) 一x ( s ) 与时刻v ，0 ， s 的位置x ( v ) 相互独立，故而 p ( x ( t + s ) 口i x ( s ) = x ，x ( v ) = x ，0 1 ， s ) = p ( x ( t + s ) 一x ( s ) a x x ( s ) = x ，x ( v ) = x v , o ， s ) = p ( x ( t + s ) 一x ( s ) a - x ) 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 = p ( x o + s ) ax ( s ) = x )( 3 - 2 ) 由( 3 2 ) 式得知，在给定现在状态x ( s ) 的条件下，过去x ( v ) ，0 v o 独立，这是一个连续时f n j马可夫过程( 随机过程x ( ，) ，0 ，若对 任何的s ，t 0 ，0 甜 s ，其条件概率分布函数满足 尸( ，+ s ) ax ( s ) = x ，x ( 甜) = x ( ”) ，0 “ s = 尸扛( f + s ) 口l x ( s ) = x 贝。成为马 可夫过程) 。( 3 - 2 ) 式表明，微粒的运动虽然是连续时间的，但微粒在各个时问所 处的空间位置是彼此独立的。因此，布朗运动是著名的马可夫过程。 另有，x ( t ) 的均值为0 ，方差为t 的币念分布，故其概率密度函数为： 胁击p | - “ ( 3 - 3 ) 任给甩+ f 核i j 0 t l ，2 人 f 。，以z ( x i ，人，x n ) 记这刀个时刻的位置 ( x ( t 。) ，a ，x ( t 。) ) 的联合分布密度函数，则有： z 。 厶( j c l ，人，x 一) = z ，( 五) z ：- f l ( 而一而) 人矗一。( 一一1 ) ( 3 - 4 ) 由上述等式( 3 - 4 ) 可知，对任意以个时刻的粒子位置( x ( ) ，a ，x ( t 。) ) 服从，z 维 正念椭正念黼：烘粹密度函姚m ) 2 击p 七1 络， 同理，符合此概率密度分布函数的随机变量，即是符合正念分布的随机变量，也 可以说某随机变量符合f 态分布，记做x n ( z ，盯2 ) 。) ，从而布朗运动也是一个 高斯过程( 随机过程g ( ，) ，硼 t s 时，x ( s ) 和x ( t ) 的协方差为f ，因此 c o v ( x ( s ) ，x ( f ) ) = m i n ( s ，) ( 3 5 ) 以上的推导和公式( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 建立在一维空间下，实际的布朗运 动当然是在三维空间下的运动。但由于我们所观察到的粒子运动在三维空间中各 个方向的运动都是相互独立的，所以在随机数学上有如下的定义： 设b ( t ) = ( x ( 吐】，( ，) ，z ( ，) ) 是定义在三维空间的随机过程，若x ( f ) ，j ，( ，) ，z ( t ) 三 个随机过程彼此相互独立而分别为一维布朗运动时，我们称b ( t ) 为三维布朗运 动。 纳米珍珠微粒的真实运动模式就是三维行朗运动，其数学模型和意义为本节 所推导和叙述的过程。形象而言：微粒在任何时刻后运动方向是随机的；碰撞后 的运动速度是无穷的；微粒在任意时刻所处的空间位置是随机的，但满足正念分 布。这就证明了纳米珍珠微粒在纺丝浆料中的运动是随机的，那么它的分行也就 是随机的、均匀的。 3 2 2 5 布朗运动模型对纳米珍珠纤维制备的意义 由于布朗运动而有利于形成稳定的悬浮流体，因此在制备纳米珍珠纤维之 前，纳米珍珠微粒是均匀地分布在粘胶溶液中。通过布朗运动的数学物理性质可 以得知，这种均匀性有利于纤维生成时的纳米珍珠颗粒的分布均匀性。也正是布 朗运动，保证了从珍珠微粒从粘胶溶液阶段到纤维阶段的分布均匀。基于布朗理 论，我们可以认为经过分散、混合、过滤后，珍珠微粒在纺丝浆料中的分布是分 散的、随机的、均匀的、稳定的，因此纺丝液通过喷丝孔喷出，凝固成丝的纤维 中，珍珠微粒的分布是均匀的、随机的、分散的。 下面章节将采用计算机随机分布理论建模，对纳米珍珠颗粒在纤维中的分伟 模型进一步论述。 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 3 3 纳米珍珠微粒在纤维中分布的电脑建模 3 3 1 珍珠微粒的粒径与其在纤维中数量分布的关系 粒的含量占粘胶纤维质量的5 时，设珍珠微粒粒径为由，在长为h 的珍珠纤维 中珍珠微粒的数量可由下式计算： ：鬻d2 p 6 ， 其中：n 珍珠微粒个数 ( 个) 由珍珠微粒平均直径 ( i t m ) d 纤维直径 ( p m ) h 纤维长度 ( 1 a m ) 如殊珍珠密度( e d m3 ) 以f 维粘胶纤维密度( g c m3 ) 其中厂珍取= 2 6 3 ( g c m3 ) ，扬维= 1 5 1 ( g c m3 ) f 1 9 】 ( 3 7 ) y 纤维密度( g c m3 ) 纤维细度为1 5 旦，则它的直径为1 2 9 m 。长度为纤维直径二倍( 即2 4 m m ) 的纤维体中，珍珠颗粒的个数与珍珠粒径的关系如下表3 4 所示： ) e 序愀 9 一 吖一 l ， 卅 巩 纳米珍珠纤维的开发及功能件研究 表3 4 珍珠个数与粒径关系表 珍珠颗粒平均直纤维直径纤维长度珍珠颗粒个数 径由( g m )d ( g m )h ( g i n ) ( 个) 21 22 41 9 l1 2 2 41 4 9 o 2 1 2 2 41 8 6 0 2 o 11 22 41 4 8 8 1 8 根据公式和上表可知，当珍珠微粒的粒径由改变时，颗粒个数与粒径呈3 次 方变化，珍珠微粒粒径减小，会使珍珠粉的颗粒数急剧增大。 那么颗粒多少和其在纤维中的分布之i 日j 的关系如何，我们采用了电脑建模进 行观察分析。 3 3 2 电脑模型图例 利用3 d m a x 进行电脑建模。实际的珍珠纤维截面是近似齿轮形的，简化其 结构把纤维的外形看成圆柱体。实际的纳米珍珠微粒是不规则的形状，这罩也简 化为圆球形表示。 假设珍珠微粒在纤维中分布是随机的、均匀的( 前二节理论证明的) ，当d = 1 2 9 m ，由= 2 9 m ，h - 2 4 9 m ，n = 1 9 个，珍珠微粒在纤维中分布如图3 5 所示， 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 i l l = 2 m 一一 1 2 t i m 图3 5 电脑模型i 2 4 t l m 当d - - 1 2 p m ，由- i p m ，h - - 2 4 p m ，n = 1 4 9 个，珍珠微粒在纤维中分布 如图3 6 所示： l l i = i t e m 1 2 p r o 图3 6 电脑模型2 2 4 姗 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 当d = 1 2 p m ，由= o 2 1 a m ，h = 2 4 9 m ，n = 1 8 6 0 2 个，珍珠微粒在纤维中 分布如图3 7 所示： 1 2 岫 l l i = 0 2 姗 2 4 1 a m ， 图3 - 7 电脑模型3 为了更清楚的反应上图的内容，选取其中l g m 3 内所含的珍珠微粒个数表示。 根据纤维体积的比例计算可得，由= o 2 p m 时，平均1 l x m 3 内平均含有7 个珍珠 微粒，如图3 8 所示： 由= 0 2 l a i n l 蛔 图3 8 电脑模型4 l 岫 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 当d = 1 2 9 m ，由= 0 1 l a m ，h = 2 4 9 m ，n = 1 4 8 8 1 8 个，由于数量太大，计 算机无法画出来，因此以单位体积的个数进行描述，根据体积比例计算得知l g m 3 珍珠纤维体中平均含有5 5 个珍珠微粒，如图3 9 所示： , - - o 1 岫 图3 9 电脑模型5 比较图3 7 、图3 8 、图3 9 可以知道，采用纳米级的珍珠粉( 由0 1j - t m ) 可以使珍珠纤维内部和表面布满密集的珍珠微粒。 根据以上电脑模型可知，随着珍珠微粒粒径的减小，微粒个数显著增加，使 得其在纤维中的分布更加均匀、更加密集。因此，珍珠微粒粒径越小，表面体积 比越大，出现在纤维表面的几率越大，纤维所能体现出的珍珠的特性就越好，而 且也更利于纺丝，不会造成喷丝孔的阻塞，纳米级的珍珠粉能使粉体在纤维中分 布更均匀，对纤维强力性能影响小，更利于珍珠风格在纤维上的体现。 3 4 扫描探针显微镜对纤维表面状态的测试 为了验证电脑模型分布状态，作者通过扫描探针显微镜对试纺的珍珠纤维进 行测试，了解珍珠微粒在纤维表面分布状态，结合理论分布进行分析比较。 3 4 1 扫描探针显微镜概述 扫描探针显微镜实验在东华大学材料学院测试中心进行。采用美国d i g i t a l 3 2 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 i n s t r u m e n t s 公司制造的n a n o s c o p ei v 扫描探针显微镜( 如图3 一1 0 所示) 。 图3 一l o 扫描探针显微镜 技术参数： 最大扫描范围：1 0 1 1m x1 0 um 垂直扫描范围：2 5 l am 最大样品尺寸：巾1 5 m i n x5 m m 主要附件t 扫描探针显微镜扫描头；光学显微镜观察系统；防震隔音系统； 扫描隧道显微镜转接器；加热台；探针( n p s ，o t r 8 3 5 ，r t e s p 7 ，m e s p ， p t ，f e s p 7 ：m m a s p ) 。 3 4 2 扫描探针显微镜实验分析 本次实验分别对珍珠纤维短丝、珍珠纤维长丝进行观察，得到大量图片。其 中图3 1 l a 和图3 1 2 a 各有3 幅小图表示。第一幅是高度图( h e i g h t ) ，表示纤 维表面高低起伏，颜色越深表示高度越低；第二幅是平面图( a m p l i t u d e ) ，表示 纤维表面的形态；第三幅是相位图( p h a s e ) ，模拟表面颗粒的空间分布。 纳米珍珠纤维的开发及功能性研究 根据图3 1 l a 和图3 1 2 a ，可以明显的看出在纤维表面2 5ur e x 2 5um 内， 分布着无数的微小颗粒。普通的粘胶纤维表面是光滑的，颗粒就是纺丝时加入的 珍珠微粒。从微粒的大小比例可以看出除了少数微粒产生团聚，其余基本上仍为 纳米尺寸，且在纤维表面均匀分布。 图3 一l l b 和图3 1 2 b 表示纤维表面图，由纤维结构中的沟壑可以确定其为 粘胶纤维，颜色深浅表示高低起伏，表面凹凸不平处为珍珠