（材料学专业论文）基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究.pdf

基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 摘要 功能化、差别化改性是我国化纤产业发展的重点方向，近年来一类 由传统合成纤维改性而来的高导湿纤维，因其排汗导湿性能优异，穿着 舒适性极佳，迅速成为服用纤维市场的热点，世界各大化纤生产商纷纷 推出各自的高导湿纤维产品，同时也吸引了越来越多的研究者致力于纤 维集合体导湿行为的研究。但是纵观高导湿纤维产品开发现状，存在着 纤维导湿机理不甚明确，现有理论模型不够完善，新产品开发缺乏理论 指导，开发方向盲目，开发成本高等问题。针对高导湿纤维研究与开发 过程中的问题，本文围绕以下内容进行了研究与探讨： 明确了织物导湿过程包括润湿、芯吸和蒸发几个过程，提高纤维材 料的润湿性是提高合成纤维集合体导湿性能的前提，经x 2 2 8 6 4 5 型纺 织用亲水整理剂处理后的p t t 纤维纱线润湿性明显改善，纤维固液接触 角由处理前的近9 0 。降低至5 0 。左右，纱线的芯吸高度也随之显著提高。 织物导湿过程连续影像分析表明，液体在纤维集合体内毛细孔隙中的芯 吸扩散是其导湿的主要方式，纱线内部的毛细孔隙是液体在织物内芯吸 扩散的主要通道，而对于相同结构的纱线，织物的织造结构对其导湿性 能影响并不显著。 在明确纤维集合体导湿机理的基础上，建立了纱线垂直芯吸数学模 型( m f b 模型) ，实现了对纱线最大芯吸高度、最大芯吸量和初始芯吸速 度等参数的量化表征，并利用这些参数评价纤维集合体的导湿性能。研 究表明对于特定的液体和纤维，纤维集合体导湿性能取决于纱线内毛细 孔数量及几何性质。分析纱线横截面结构，发现纤维在纱线中无规排列 且相互接触，纤维之间形成的毛细孔大小不一，形状多样。在此基础上， 开发了纱线截面模拟软件( s g 软件) ，首次实现了纤维在纱线中无规排 列方式的仿真模拟，获得的毛细孔数量及其几何性质等参数为利用m f b 模型表征纤维集合体导湿性能提供可靠依据。 利用s g 软件对一系列p t t 纤维纱线进行模拟，结合m f b 模型计算 各种纱线导湿性能，结果表明纱线最大芯吸高度、最大芯吸量随着单纤 维纤度的减小而提高，并在单纤维纤度为0 3 6 d t e x 时达到峰值。凹形截 面纤维( 十字形、工字形) 集合体的导湿性能优于凸形截面纤维( 圆形、 方形、三角形) ，尤以十字形截面纤维纱线导湿性能最强，其最大芯吸高 度比圆形截面纤维纱线提高10 ，最大芯吸量和初始芯吸速度均提高4 0 以上，说明截面异形化是改进纤维集合体导湿性能的有效途径，十字 形的截面形状是高导湿纤维开发的优选方案。同时，随着纤维异形度的 提高，十字形纤维纱线的最大芯吸高度及最大芯吸量均呈线性增加，纤 维异形度由3 0 提高至7 0 ，最大芯吸高度提高1 5 ，最大芯吸量提高 6 6 ，提高异形度有益于纤维集合体导湿性能的提高。十字形截面纤维 与一字形截面纤维混合形成纱线的最大芯吸量比纯十字形纤维纱线提高 3 0 ，初始芯吸速度提高近1 0 ，该混合纱线具有比纯十字形纤维纱线 更加优异的导湿性能。 关键词：纤维集合体导湿性能模型排列方式仿真模拟 王亚光( 材料学) 指导老师：张玉梅 i n v e s t i g a t i o no nm o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo ff i b e ra s s e m b l y b a s e do ns i mu l a t i o no ff i b e r - l o c a t i o nm o d ei ny a r n a b s t r a c t f u n c t i o n a lm o d i f i c a t i o no fc h e m i c a lf i b e r si sa ni m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n f o rc h e m i c a lf i b e ri n d u s t r y i np a s tf e wy e a r s as e r i e so ff i b e r sw i t hh i g hm o i s t u r e p e r m e a b i l i t ym o d i f i e df r o mt r a d i t i o n a lc h e m i c a lf i b e r sh a v eb e c o m et h ef o c u si nt h e t e x t i l em a r k e tb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tm o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya n dc o m f o r tc h a r a c t e r m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sd e d i c a t et h ei n v e s t i g a t i o no nm o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo ff i b e r a s s e m b l y h o w e v e r , t h ee x i s t i n gf u n d a m e n t a lt h e o r ya n dm a t h e m a t i c sm o d e l sa r e l i m i t e d ，s ot h ed e v e l o p m e n to fh i g hm o i s t u r ep e r m e a b i l i t yf i b e r si sd e v o i do ft h e o r e t i c s u p p o r t m o i s t u r et r a n s m i s s i o ni nf a b r i c sc o n t a i n ss e v e r a lp r o c e s s e s ，s u c ha sw e t t i n g ， w i c k i n ga n de v a p o r a t i o n w e t t i n gi st h eb a s i so fe x c e l l e n tm o i s t u r ep e r m e a b i l i t y t h e w e t t i n ga b i l i t yo fp o l y t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ( p 丌) f i b e rh a sb e e ni m p r o v e db y t r e a t m e n tw i t h “x 2 2 8 6 4 5 h y d r o p h i l i cf i n i s h i n ga g e n tw i t ht h ec o n t a c ta n g l eo ff i b e r d e c r e a s i n gf r o m9 0 。t o5 0 。m e a n w h i l e ，t h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo fy a r n si s i m p r o v e d f r o mt h ec o n t i n u o u si m a g e so fm o i s t u r et r a n s m i s s i o ni nf a b r i c ，i ti ss h o w n t h a tw i c k i n gb e h a v i o ri st h em a i n l ym o d eo fm o i s t u r et r a n s m i s s i o ni nf i b e ra s s e m b l y , a n dt h ec a p i l l a r ys p a c ei n s i d ey a m sa r ec h a n n e l sf o rw i c k i n g w e a v es t r u c t u r eh a sl i t t l e e f f e c ti nt h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo ff a b r i c sw e a v e db ys a m ey a m s b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i o no ft h em e c h a n i s mo fm o i s t u r ep e r m e a b i l i t yi nf i b e r a s s e m b l y , av e g i c a lw i c k i n gm a t h e m a t i c sm o d e ln a m e dm o d e lo ff i b e rb u n d l e ( m f b ) h a sb e e ne s t a b l i s h e d ，b yw h i c ht h em a x i m a lw i c k i n gh e i g h t ，t h em a x i m a lw i c k i n g v o l u m ea n d i n i t i a t o r yw i c k i n gv e l o c i t y c a l lb ec a l c u l a t e d q u a n t i t a t i v e l y s u c h p a r a m e t e r sw e r ea p p l i e dt oc h a r a c t e r i z et h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo ff i b e ra s s e m b l y i n a d d i t i o n ，i no r d e rt oc o m p u t et h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo fg i v e nf i b e r sa n dl i q u i d ，t h e n u m b e ra n dg e o m e t r i c a lc h a r a c t e ro ft h ec a p i l l a r ys p a c ei nf i b e ra s s e m b l ya r er e q u i r e d t h e r e f o r e ，a l lo r i g i n a ls i m u l a t o rn a m e ds h a p e g a n e r a t o r ( s g ) h a sb e e nc o m p i l e db y v i s u a lc + + ”，b yw h i c ht h ee m u l a t e dl o c a t i o nm o d eo ff i b e r s i ny a mh a sb e e n a c h i e v e d a n dt h ep a r a m e t e r sf o rm o i s t u r ep e r m e a b i l i t yh a v eb e e no b t a i n e d q u a n t i t a t i v e l y as e r i e so fp t t y a m sh a v eb e e ns i m u l a t e db ys ga n dt h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t y h a sb e e nc o m p u t e db ym f b i ti si n d i c a t e dt h a tt h em a x i m a lw i c k i n gh e i g h ta n dt h e m a x i m a lw i c k i n gv o l u m eo fy a m si n c r e a s e dw i t hf i n i n go ff i b e r st i l lac e r t a i ns i z eo f 0 3 6 d t e x f i b e r sw i t hc o n c a v ec r o s ss e c t i o n ，s u c ha s “+ ”o r “h ”s h a p e ，h a v eb e t t e r m o i s t u r ep e r m e a b i l i t yt h a nf i b e r sw i t hc o n v e xc r o s ss e c t i o n c o m p a r e dw i t ht h e c i r c u l a rf i b e ra s s e m b l y , t h em a x i m a lw i c k i n gh e i g h to f + s h a p e df i b e ra s s e m b l y i n c r e a s e db y10 ，t h em a x i m a lw i c k i n gv o l u m ea n di n i t i a t o r yw i c k i n gv e l o c i t y i n c r e a s e do v e r4 0 t h e r e f o r e ，c r o s ss e c t i o nm o d i f i c a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o dt o i m p r o v et h em o i s t u r ep e r m e a b i l i t yo f f i b e ra s s e m b l y , a n dt h e + ”s h a p ei so p t i m a l t h e m a x i m a lw i c k i n gh e i g h ta n dt h em a x i m a lw i c k i n gv o l u m eo fy a m si n c r e a s e dl i n e a r l y w i t l li n c r e a s i n go fp r o f i l ed e g r e eo ff i b e r s w h e nt h ep r o f i l ed e g r e eo ff i b e r si n c r e a s e d f r o m3 0 t o7 0 ，t h em a x i m a lw i c k i n gh e i g h to fy a m si n c r e a s e db y15 ，a n dt h e m a x i m a lw i c k i n gv o l u m eo fy a m si n c r e a s e db y6 6 c o m p a r e dw i t ht h ep u r e , 4 - ” s h a p e dy a m ，t h em a x i m a lw i c k i n gv o l u m eo ft h ey a mb l e n d e db y + s h a p e df i b e r s a n d “一”s h a p e df i b e r si n c r e a s e db y3 0 t h e r e f o r e ，b l e n d e dy a m 州t h d i f f e r e n ts h a p e h a sb e t t e rm o i s t u r ep e r m e a b i l i t y k e y w o r d s ：f i b e ra s s e m b l y , m o i s t u r ep e r m e a b i l i t y , m o d e l ，l o c a t i o nm o d e ，s i m u l a t i o n w a n gy a g u a n g ( m a t e r i a ls c i e n c e ) s u p e r v i s e db yp r o f z h a n gy u m e i 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名： 匆k 芡 日期：铲7 年z 月讨日 指导教师签名：致西施 日期：矽年二月z 馅 东华大学硕上学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 第一章绪论 1 1 我国化纤产业发展现状 纺织工业一直是一项关系着国计民生的支柱产业，而作为 纺织工业的重要组成部分，化学纤维已占纺织纤维加工总量近 三分之二，化纤工业的发展直接影响到我国纺织工业发展的整 体水平和竞争能力。改革开放近三十年来，我国的化纤工业取 得了突飞猛进的发展。自19 81 起，中国化纤一直保持二位数的 增长，而l9 97 年以来，我国化纤生产更是超高速发展，化纤 产量连续10 年位居全球首位，取得了令世人瞩目的成绩。20 0 5 年我国化纤产量为16 2 9 万吨，达到全球化纤产量的4 0 ，其中 涤纶比重突出，产量占化纤总量的80 ，且呈现了继续保持高 速发展的趋势【1 ，2 1 。 如此迅速的发展速度，如此巨大的化纤产量，使得中国成 为一个名副其实的“化纤大国”，但是冷静的分析我国的化纤 产业发展现状，我们离“化纤强国 还有着不小的差距。主要 体现在自主创新能力不足、上游原料发展滞后、可持续发展能 力急待提高几个方面。以至我国的化纤产业总体利润率不高， 竞争能力低下。 为此，国家发展与改革委员会在化纤工业“十一五 发 展指导意见中明确指出我国化纤产业必须加强自主创新能力， 提高化纤产品附加值，提升整个化纤产业的核心竞争力，而化 纤产品的功能化、差别化将是“十一五 期间我国化纤产业的 主要发展方向。 化纤产品的差别化率往往反应了整个化纤产业的技术发展 水平。发达国家的化纤产品差别化率普遍超过50 ，而我国距 之还有一定差距。提高化纤产品差别化率是提高我国化纤产业 整体技术水平、改善化纤产品结构、扩大应用市场、增进企业 效益的有效途径。随着经济的发展和社会的进步，人们对功能 东华人学硕l 学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 化纤维的需求愈加强烈，随之问世的差别化纤维涵盖了易染、 有色、高导湿、防水、高吸缩、抗静电、抗起球起毛、抗菌、 阻燃、远红外、防紫外、发光、异形、细旦、超细旦、复合、 仿真丝、仿毛及仿麻等品种，产品品种的更新速度远远高于常 规产品。这些种类繁多的差别化纤维中，一类由常规合成纤维 改性而来的高导湿纤维，因其优异的排汗导湿性能越来越受到 人们的关注，并迅速成为服用纤维市场上的热点。 1 2 高导湿纤维的特点及应用 经济发展，社会进步，人们对生活品质的要求越来越高， 对服装的舒适性要求也达到空前的高度。纤维织物的穿着舒适 性可以分为基本感官舒适性与热湿舒适性，前者是指面料织 物满足人们最基本最直接的感官要求，包括触觉、视觉、嗅觉 甚至听觉上的舒适性1 4j 。伴随着人类社会几千年的发展史，衣 物从树叶、兽皮发展到今天的各种材质，无数种颜色图案和款 式，已经可以满足人们基本感官舒适性的要求。而织物的热湿 舒适性，是指衣物适应外界环境及人体生理活动变化，维持衣 物内“小气候 的特性，即维持人体、衣物、环境之间的热湿 平衡【5 1 ，而这正取决于织物的透气导湿性能。对于人体来说， 湿热总是相伴面生的，出汗是人体调节体温的直接方式，热量 的传递依附于汗液的扩散和蒸发。当人体代谢水平低下时，汗 液在汗腺孔内或汗腺孔附近蒸发为水蒸气，皮肤表面不呈现湿 润状态，称之为无感出汗；而当人体代谢亢奋，剧烈运动或出 于高热环境下时i 汗液以液态形式排出，皮肤表面明显湿润， 称之为有感出汗。姚穆等1 6 】研究发现无感出汗对于衣物的舒适 性影响不大，而有感出汗则严重影响着衣物的穿着舒适性，并 且无感出汗时产生的水蒸气可能会在织物表面凝结，再以液态 的形式传输，所以研究织物的导湿性能，特别是液态水在织物 中的运输、扩散过程有着更加重要的意义。 2 东华人学硕上学位论文 基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 进行体育运动及户外休闲时，人体常常处在湿热环境中， 誊 一， ， ： 此时传统的天然纤维和合成纤维均不能满足舒适的要求。以棉 为代表的天然纤维织物，虽然具有优异的吸湿性能，但是其吸 湿后导湿快干性能差，穿着时易与皮肤粘连，温度降低时会有 “激冷 感。而以常规涤纶纤维为代表的传统合成纤维织物， 虽然具有快干易洁的特点，但是其吸湿导湿性能差，穿着时不 透气，舒适性不佳。 由传统合成纤维改性而来的高导湿纤维兼具了天然纤维和 合成纤维的优点，既具有优良吸湿性，又具有优异的导湿快千 性能。高导湿纤维织物制成的衣物可以在人体出汗时迅速吸收 汗液水分，并及时将汗液扩散至尽可能大的面积，大大促进汗 液的蒸发速度，保持衣物内“小气候 的舒适。 1 3 纤维集合体导湿机理 纺织材料均可视为纤维的集合体，纱线、织物是纤维集合 体的常见形态。研究者在对纤维集合体的导湿过程的研究中发 现，纤维集合体导湿过程会同时涉及几种基本的物理现象，它 们包括液体在纤维表面吸附、扩散，液体在纤维内部的扩散等， 液体在纤维集合体内的流动以及液体的蒸发等。其中主要涉及 两个过程，即润湿和芯吸过程【| 。润湿对于纤维或织物来说是 一项非常常见而重要的过程，是指液体与纤维织物接触时最初 时刻发生在纤维表面的吸附和扩散行为，它是芯吸行为发生的 前提。而芯吸现象是指纤维织物表面被润湿之后，液体在界面 张力的作用下沿着织物内毛细空间流动扩散的现象，是纤维集 合体具有导湿性能的主要原因。 1 3 1 纤维集合体润湿机理 纤维材料的润湿机理研究始于上世纪四五十年代【8 10 1 。纤 维材料的润湿性能取决于纤维中大分子的化学结构、超分子结 构和形态结构，同时也与纤维表面的粗糙程度有关，当纤维大 nf 。纱垃自玎堆方，模m 纤雄集音h7 忡臆i l l 究 分予j 。柏亲水基刚( 如羟基、氧坫、酰胺肚、羧基等i ) 或丸 定形区州，纤维就具有润拂h 。水分fa 控l 啦附在亲水基【划或 尢定形区卜称为直接吸附而这螳直接吸附的水分子也是自极 旺的，所以蚬有可能再与其他水分子相7 l 作用，彤成多层水分 子吸附，称为m 接吸附。直接l 吸附的水分r 在氢键的束缚下， 运动受到l 艇制，而怕j 接啦附的水分子则棚对山山，排列不舰则。 仵光定形区中，亲水基圳不会永远保持游离状态7 占或吸附水 分子呈现湿态；或帕互之间交联m 芏脱r 态。随着水分含量 变化，丁温状态是小断转化的，吸湿量增加时受联断裂并吸水， 形成禽有少虽交联的结构：吸湿景减少，亲水草用脱水晕新 交联形成其有大量交联的结构。山十这种结构有保持小变的倾 向，使得交联的断裂和艰建敏0 二滞后现蒙，因而纤维的吸湿过 稃也产，+ 滞后现象，这就足l i er m a ns ”l 的吸湿滞厉理论。而 k o h ier i 1 研究发现纤维的润湿过科有陕、慢两个阶段，并将其 归结于水分予吸附的何置筹异。水分子吸刚于纤维外表面上的 亲水基团和无定形区的过程是迅速的，而吸附于纤维内表面和 结晶区的过稃是缓慢的。基于以上各种理论可知，天然纤维m 于其纤维大分子上具有较多的亲水基川和尢定形区，所以澜谢 性好，但却造成无然纤维吸湿后快干性能很筹。而合成纤维由 f 亲水基州较少，结品度- 苘等原闭，润湿性能相对较差，但足 干燥速率快，帙二f 性能很好。 132 纤维集合体芯吸机理 细铅匕幔不百刚 东华人学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 芯吸效应也称毛细效应，是指润湿的毛细孔隙中的液体在 界面张力的作用下自发流动的现象，。如图1 1 所示。它与液体 的性质、固体介质表面性质和毛细孔的几何属性有关【1 4 , 15 1 。纤 维集合体中芯吸的动力来源是液体在毛细管中润湿管壁之后， 液体顶端形成弯月形水柱，液体的表面张力会使弯月形的液气 界面产生附加压力推动液体流动。根据经典的l a p la c e 方程16 1 ， 附加压力表达式如下： m i l ) 。，川 式中：p 附加压力( p a ) j ，液气界面张力( n m ) r ，液柱曲面一轴向的曲率半径( m ) r 2液柱曲面另一轴向的曲率半径( m ) 对于圆形毛细孔尺，= r 2 = 尺，所以： p ：2 y l v r ( 1 2 ) 所以： 尸：2 7 t vc o s 0 ， ( 1 4 ) 式中：，毛细管半径( m ) 8 固液接触角( 0 9 0 。) 当毛细管截面为非圆形时，为有效毛细管当量半径。由 式( 1 4 ) 可以看出驱动芯吸的附加压力大小与液气界面张力、 固液接触角和毛细管当量半径有关。天然纤维吸湿后会纤维形 态往往会发生改变，以至纤维之间无法形成有效的毛细空间， 这也是天然纤维导湿性能很差，几乎不发生芯吸行为的原因。 一 南 = 足 且 东华大学硕十学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 润湿是纤维集合体导湿的前提条件，而芯吸则是纤维集合 体导湿的主要方式。m a r c u s 等研究者【1 7 】认为合成纤维具有优良 导湿性能的关键是产生强烈的毛细芯吸效应。lu k a s 等研究者 引比较了单根纤维和多根纤维组成的纤维束的导湿性能后认 为纤维束的导湿性能主要取决于纤维之间的毛细孔隙形成的芯 吸效应。h a g h i 【l9 】研究了织物的湿润和干燥过程，也将织物具 有良好透气导湿性能的原因归结于纤维之间的毛细效应。 因此，在开发高导湿纤维集合体时，如何提高纤维集合体 的毛细芯吸效应是提高纤维集合体导湿性能的关键。 1 4 高导湿纤维的改性方法 高导湿纤维的改性方法大致可以分为化学改性法和物理改 性法。 1 。4 1 化学改性铂1 化学改性主要是为了提高纤维的润湿性能，通过接枝共聚 或化学表面处理的方法，在大分子结构内部或纤维表面引入亲 水基团，或是提高纤维表面粗糙程度，从而增加纤维润湿性能。 然而对纤维材料的化学改性仅提高了纤维的润湿性能，而对纤 维集合体的毛细芯吸效应贡献不大，因此单独采用化学改性方 法提高纤维集合体导湿性能是非常有限的。 1 4 2 物理改性 物理改性方法主要是为了促进纤维集合体内的毛细芯吸作 用，常采用的方法有以下三种。 ( 1 ) 纤维细旦化 超细纤维织物不但具有柔软的手感，真丝般的光泽，而且 具有十分优良的透气导湿性能。这是由于纤维细旦化后，纱线 中纤维根数大大增加，从而纤维间形成更多的毛细管，大大增 加了毛细芯吸效应。纺制细旦纤维通常采用的方法有，复合纺 6 东华大学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 丝剥离法、溶解法、常规熔融法、超拉伸法、闪蒸法和熔喷法。 臻已 特别是涤纶细旦纤维因其良好的服用性能，在纺织用纤维中占 有主导地位。 ( 2 ) 中空微孔化 中空微孔纤维指贯通纤维轴向且有管状空腔或纤维上有微 孔的化学纤维。中空结构可以通过改变喷丝孔的形状来获得， 而其微孔结构的形成是向普通聚合物中添加成孔改性剂，使它 均匀分布在聚合物中，经熔融纺丝后，于织物整理阶段再用碱 将其溶解出来，纤维上就留下了许多微孔。中空微孔纤维的特 点是密度小，保暖性强，适合做羽绒型制品，如高档絮棉、仿 羽绒服、睡袋等等。另外，纤维上的孔洞形成的毛细管也会发 生毛细芯吸效应，从而具有优良的吸水导湿性能。 ( 3 ) 截面异形化 通过设计不同的喷丝板可以得到各种截面形状的纤维，随 着异形孔喷丝板加工技术不断发展和完善，喷丝板的种类不断 增加，据不完全统计到目前为止已有近百种，用于工业生产的 主要有三角形、四叶形、三叶形、多叶形、菱形、中空形和异 形中空等24 1 。由于异形纤维表面存在轴向的沟槽，在纤维织 造时纤维与纤维间由于这些沟槽而形成毛细管道，通过这些毛 细管的芯吸效应而达到吸水导湿的功能。不同截面纤维的导湿 性能有所差异，胡盼盼等 2 5 1 研究了7 种不同喷丝孔型纺出的涤 纶纤维的导湿性能后发现“h 孔型纺出的涤纶纤维导湿性能最 佳。 截面异形化是实际运用最多的改性方法，此方法成本较低， 实施简便而且效果永久。国内外市场上已有的多种高导湿纤维 产品均是通过截面异形化改性而来的。 1 5 高导湿纤维产品2 6 m 1 美国杜邦公司在上世纪八十年代率先推出了“c o o l m a x ”系 东华大学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 列高导湿纤维，其特有的十字形四沟槽截面赋予了纤维优异的 导湿性能，“co o lm a x 系列产品开创了服用纤维的“高导湿时 代 ，取得了巨大的成功。此后，国内外许多知名企业纷纷研制 开发了各自的高导湿纤维产品。日本东洋纺推出了“y 型三叶 片截面高导湿纤维产品。韩国晓星公司推出的“a e r o c o o l 系 列高导湿纤维，其截面参照了苜蓿草的四叶形状。国内，泉州 海天轻纺集团与东华大学合作研制了“c o o l d r y ”系列高导湿纤 维，具有很高的市场占有率。仪征化纤也推出了“c o o lb s t ”系 列高导湿纤维。台湾地区也有“c o o i p l u s ，“t e c h n o f i n e ， “se c o t e c 等多个品牌的高导湿纤维产品。 如今，国内外各大著名运动、休闲时装公司，如a d i d a s 、 n i k e 、r e e b o k 、l in i n g 等，均将上述的各种高导湿纤维面料作为 原料首选。而性能优异的高导湿纤维面料更被人们称作“会呼 吸的面料”。 1 6 纤维集合体导湿性能评价体系 对纤维集合体导湿性能的评价是研究开发工作中的重要一 环。因为只有通过合理的测试和比较30 1 ，才可能筛选出性能优 异的产品。 1 6 1 导湿性能测试方法。r 3 ( 1 ) 垂直芯吸法 垂直芯吸法是将纤维纱线或织物狭条一端吊起。另一端浸 入加有染色剂的液体中，观察测定液体在纱线或织物内的芯吸 爬升高度、重量等参数随时问的变化。该方法测量方便，是国 内外应用最为广泛的导湿性能测试方法。通过该方法可以测定 纤维集合体的芯吸高度、芯吸时间、芯吸速度、芯吸液体重量 等性能参数。 ( 2 ) 液滴扩散法 液滴扩散法是在平置织物上滴上液滴，测量液滴扩散面积 8 东华大学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 或完全扩散所用时间。该方法仿真效果较好，能够较准确地测 黔 量织物的横向导湿能力。 ( 3 ) 保水率法 保水率法是通过测量织物在干态和湿态下重量的差值，来衡 量织物的吸湿能力和干燥速率。 1 6 2 导湿性能表征参数 表征纤维集合体导湿性能的参数主要包括：芯吸高度、芯 吸速度、芯吸液体量、液滴扩散面积、干燥速率等。 1 7 纤维集合体导湿行为的模型化研究概况 纤维集合体的导湿行为是一个复杂多变的过程，受到许多 物理、化学因素的影响。要将整个导湿过程模型化是相当困难 的。但是液体在纤维集合体中的浸润、流动行为是很多研究、 应用领域里的常见现象，除了高导湿纤维的开发应用领域以外， 诸如织物的染色整理，液体的过滤、纤维增强复合材料的研制 等方面也有重要价值。所以越来越多的研究者们对该领域不断 深入研究，对导湿机理的不断认识，新的假设不断提出，国内 外许多研究者基于各种原理建立了相应的纤维集合体导湿模 型。 s h a n n o n 等人【3 2 1 基于纱筒染色而建立的液体在纱线集合体 中浸润模型；ja k u bw i e n e r ”】提出的纤维束芯吸效应模型； m o h a m m a d 和m a r t i n 3 4 , 35 】建立的关于流体在多孔介质中流动 和分布的三维两相数值模型。另外，r k e n n e t hm a r c u s 等人【3 6 1 还研究了异形多毛细管道聚酯纤维在染色液中的芯吸行为。这 些模型常应用于模拟水或染料液体在纤维集合体内的芯吸、运 输现象，且都是采用y o u n g l a p l a c e 等基本定律来解释液体在 纤维集合体内的流动和转移现象 37 】。潘宁和d l u k a s 等人 3 8 , 3 9 】 采用i s i n g 模型，结合m o n t ec a r l o 模拟来研究液体和纤维间的 相互作用以及相应的浸润行为。i s i n g 模型本来是一个用于研究 9 东华人学硕i ：学位论文 基十纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 铁磁体相变的统计模型，液体在纤维集合体内的浸润可视为纤 维之间的空隙从充满空气的状态转变为充满液体的状态。在他 们的模型中，流体与纤维之间的相互作用归结于它们各自对整 个统计系统的能量所做的贡献，并在m o n t eca r l o 模拟中，由 能量差的正负来决定流动的随机进展。然而，该模型注重定性 地描述液体在纤维集合体内浸润的趋势。钟闻【4 0 】等人在此基础 上，将该模型拓展，进一步定量地模拟芯吸时间和高度。然而 这些模型将纤维集合体假设成无规的多孔介质，忽略了纤维集 合体内毛细空间几何形态的特殊性，忽略了纤维截面形状、纤 维纤度、纤维异形度等因素对纤维在纤维集合体中排列方式以 及纤维之间形成的毛细孔隙几何形态的影响。 如+ 附f l 图1 2 单毛细管垂直芯吸模型示意图 r e e d 和w i ls o n 4 】为了研究液体在毛细空间中的扩散传输 情况，提出了一种简单的单毛细管垂直芯吸模型，如图 1 2 。 毛细管中的液体垂直向上芯吸爬升，其爬升的动力来自于液体 界面张力丁所产生的附加压力尸。通过对毛细管内的液体进行 受力分析可知，该段液体除了受到与液体运动方向一致的附加 压力尸之外，还受到与液体运动方向相反的液体自身重力尸g ， 液体粘滞力尸矿，流体惯性力尸，。当芯吸达到最大高度时，该段 液体受力达到平衡，在此基础上r e e d 和w i ls o n 的单毛细管芯 吸模型实现了毛细管芯吸性能的量化，同时明确了影响毛细管 芯吸性能的几个因素，包括液体密度p ：液气界面张力丁；固 液接触角秒；毛细管截面几何性质( 周长c ，面积a ) 。当纤维 与液体固定时，p ，z 口为定值，毛细管芯吸性能主要取决于毛 1 0 p-+ n u 东华大学硕士学位论文 基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 细管截面几何性质。因此，如何获得纤维集合体中毛细孔隙的 ， ? 几何性质成为利用芯吸模型量化纤维集合体芯吸性能的关键。 为此，研究者们建立了相关的纤维排列模型，以研究纤维在纤 维集合体中的排列状态和纤维之间生成毛细孔隙的几何性质。 h e a r l e 和l u k a s 等研究者 38 , 3 9 1 先后提出了纤维理想排列模 型，这种理想排列模型中纤维束中间总是以一根单纤维为中心， 其他六根圆形纤维呈圆形外接圆紧紧将那根纤维包围，纤维排 列紧密而规则，如图1 3 ( a ) 。姚穆等研究者【6 】也提出了几种纤 维排列方式，但这些排列方式也属于理想排列范畴，如图1 3 ( b ) 。 晷蜜 ( a ) ( b ) 图1 3 纤维理想排列示意图 王其等研究者【l6 ，4 2 ，4 3 1 也用类似的纤维理想排列模型来研究 纤维集合体的导湿性能，不仅建立了常规圆形纤维的排列模型， 还建立了一些异形截面纤维排列模型。 品母母圈咎 圆形纤维三角形纤维十字形纤维工字型纤维三叶形纤维 图1 4 王其的纤维排列模型示意图 1 l 东华人学硕一l 学位论文 基f 纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 以上这些纤维理想排列模型中，纤维被假定为以规整而统 一的方式紧密地排列，而纤维之间形成的所有毛细孔隙具有相 同的几何尺寸，且各毛细孔隙相互独立。然而，这种完全理想 化的排列方式是不可能存在的，因此基于纤维理想排列模型研 究纤维集合体导湿性能意义不大。 1 8 高导湿纤维研发过程存在的问题 由于现有理论模型的不完善，模型假设条件与实际情况差 距过大，致使理论模型对新产品开发的指导意义不大。 纵观国内外各种高导湿纤维产品，绝大多数产品均是由纤 维截面异形化改性而来，而截面形状都偏向大众化的三叶形、 十字形等。对于这些纤维产品的导湿性能研究也仅局限于对已 有产品的测试性研究，这些研究没有涉及纤维截面形状、纤维 纤度、纤维异形度、排列方式等因素与纤维集合体导湿性能关 系，以致高导湿纤维产品的开发研制缺乏较完整的理论指导。 而且这种先生产再测试、再改进、再生产的开发模式比较 盲目，且严重的耗时耗力。可见高导湿纤维产品的开发亟需理 论指导，使得开发具有针对性、方向性，以提高开发效率，降 低开发成本。 1 9 本论文的研究意义 本论文在明确纤维集合体导湿机理的基础上，建立纤维集 合体导湿数学模型，以量化纤维集合体导湿性能。并开发专用 计算机模拟软件，首次实现纤维在纤维集合体中排列方式的仿 真，彻底摒弃纤维理想排列模型的弊端。系统地研究分析纤维 截面形状、纤维纤度、纤维异形度、纤维表面性能以及不同截 面混合对纤维集合体导湿性能的影响。这种研究方法较之现有 的试制摸索性开发方式节省了大量的人力、物力和时间，为高 导湿纤维产品的开发提供了可靠的理论基础和方向。 1 2 东华大学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 1 10 主要研究内容 ( 1 ) 对纤维、纱线以及织物样品进行亲水处理，并测试各 种样品在亲水处理前后的固液接触角及其导湿性能，以明确润 湿性能对纤维集合体导湿性能的影响。 ( 2 ) 选用具有不同导湿性能的纱线织造不同结构的针织物 小样，并测试其导湿性能，结合织物导湿过程的显微影像分析， 明确纱线导湿性能、织物织造结构与织物导湿性能的关系。 ( 3 ) 建立纱线垂直芯吸模型，明确影响纤维集合体导湿性 能的关键因素，并通过纱线芯吸动力学计算量化纤维集合体导 湿性能。 ( 4 ) 通过纱线截面显微照片的拍摄，研究纤维在纱线中的 排列方式，并开发了纱线中纤维排列方式的模拟软件，实现了 纤维在纱线中实际排列方式的仿真处理，为纱线垂直芯吸模型 中的芯吸动力学研究提供可靠数据。 ( 5 ) 利用纱线中纤维排列方式的模拟软件模拟计算了不同 纤度的纤维、不同截面形状的纤维、不同异形度的纤维以及两 种不同形状的纤维按一定比例混合所形成纱线的截面图象，结 合纱线垂直芯吸模型，预测各种纱线的导湿性能，以研究单纤 维纤度、截面形状、异形度以及两种形状纤维的组合对纤维集 合体导湿性能的影响，为高导湿纤维集合体的设计优化提供依 据。 参考文献 【l 】金立国，倪如青，化纤工业现状及技术进步，合成纤维，20 0 5 ， 4 ：1 7 2 】中华人民共和国国家发展和改革委员会，化纤工业“十一 五”发展指导意见，2 0 07 【3 】y o os j ，b a r k e rr l ，c o m f o r tp r o p e r t i e so fh e a t - r e s i s t a n t p r o t e c t i v ew o r k w e a ri nv a r y i n gc o n d i t i o n so fp h y s i c a la c t i v i t y 东华大学硕士学位论文基于纱线内纤维排列方式仿真模拟的纤维集合体导湿性能研究 a n de n v i r o n m e n t p a r t i ：t h e r m o p h y s i c a l a n ds e n s o r i a l p r o p e r t i e so ff a b r i c s ，t e x t i l er e s e a r c hj o u r n a l ，2 0 0 5 ，7 5 ( 2 ) ： 5 2 3 5 3 0 【4 】s w e e n e ym ，b r a n s o nd ，s e n s o r i a lc o m f o r t ，t e x t i l er e s e a r c h j o u r n a l ，199 0 ，60 ：37l 37 7 【5 】李毅，纺织品热湿舒适性能测试方法研究，纺织学报，198 4 ， 5 ( 12 ) ：5 10 【6 】姚穆，施楣梧，蒋素婵，织物湿传导理论与实际的研究，西 北纺织工学院学报，2 0 01 ，15 ( 2 ) ：1 5 【7 】s i m i l ec b ，c r i t i c a le v a l u a t i o no fw i e k i n gi np e r f o r m a n c e f a b r i c s 【d 】，g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 0 4 【8 】b a r r e rr m ，