（纺织工程专业论文）纤维形态对液体在非织造结构中扩散影响的研究.pdf

纤维形态对液体在非织造结构中扩散影响的研究 摘要 非织造产品已经越来越多地被应用于医用、化妆、健康等生活 用或产业用吸湿性产品。 非织造材料的吸湿扩散性与其构成结构有着很强的联系。这一 性能在许多应用领域都非常重要，如吸湿，排湿，过滤，排水以及蒸 汽传输等。纤维基材料的内部结构主要由两方面因素决定：纤维在材 料中的排列方式( 堆积密度，纤维取向，孔隙结构等) ，以及纤维本 身的特征( 纤维形态，纤维性质，表面能，膨胀性，混纺等) 。对于 非织造材料来说，液体在其内部的扩散和传输行为是相当复杂的，目 前为止还没有一个完善的模型来很好的描述这一现象。 研究液体在非织造材料中的扩散机理，可以更好地了解液体纤 维的相互作用，从而有助于新产品的开发和现有产品的性能改进。另 一方面，液体扩散的主要动力来源于由纤维之间微小空隙形成的毛细 管，因此研究对于非织造材料这种不规则结构( 如空隙率，非均质性) 的表征也有一定的借鉴意义。 我们将选择一些不同细度、不同截面的纤维纺成非织造织物作 为研究对象，因为这些参数将会影响纤维基材料内部的孔隙大小和分 布情况，进而影响材料的吸湿性能。整个研究分为三个过程：首先， 我们将各种涤纶纤维通过梳理成网和针刺固网的方式加工成非织造 织物，然后根参考非织造材料的测试标准，采用三种不同的测试方法， 分别在不同的条件下对材料进行吸湿性能测试。这三种测试方法分别 为：试样垂直悬挂并处于无压状态下的张力机测试、吸湿能力测试和 试样水平放置并处于一定压力下的连通器测试。最后，通过对测试结 果的分析和比较发现，纤维形态的不同确实影响非织造织物的内部结 构和孔隙分布。其外部则表现为织物吸湿性能的变化。 该课题受到欧洲a s i a - l i n k 项目的资助，是其合作研究的一部分。 关键词：非织造，吸湿性，液体扩散，混纺，纤维形态 s t u d yo ft h ei n f l u e n c eo ff i be r m o r p h o l o g yo n l i q u i dd i f f u s i o nw i t h i n n o n w o v e ns t r u c t u i t es a bs t r a c t n o n w o v e np r o d u c t sa r eb e i n gw i d e l yu s e di nt h ea b s o r p t i o nr e l a t e d a p p l i c a t i o n ss u c ha sh y g i e n e ，c o s m e t i c ，h e a l t hc a r e ，i n d u s t r i a lo rd o m e s t i c w i p i n gp r o d u c t s l i q u i dd i f f u s i o na n ds t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fn o n w o v e n m a t e r i a l sa r e s t r o n g l y l i n k e d t h es t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o ff i b r o u sm a t e r i a l sa r e c h a r a c t e r i z e db yt h ef i b e ra r r a n g e m e n t ( p a c k i n gd e n s i t y , f i b e ro r i e n t a t i o n ， p o r es t r u c t u r e ，e t c ) a sw e l la st h ef i b e rf e a t u r e s ( m o r p h o l o g y , n a t u r e ， s u r f a c e e n e r g y , s w e l l i n g ，b l e n d ，e t c ) t h e e f f e c to ft h en o n w o v e n s t r u c t u r a lp r o p e r t i e so nt h el i q u i dd i f f u s i o nb e h a v i o rw i l lt h e r e f o r eb e c o m p l e xt of i g u r eo u t t h es t u d yo fl i q u i dd i f f u s i o ni nn o n w o v e nm e d i aa l l o w sab e t t e r u n d e r s t a n d i n go ft h el i q u i d f i b e ri n t e r a c t i o n si no r d e rt os u p p o r td e c i s i o n s d u r i n gt h ed e s i g np r o c e d u r eo fn e wp r o d u c t s m o r e o v e r , i te n a b l e st h e c h a r a c t e r i z a t i o no ft h en o n w o v e ns t r u c t u r e ( p o r o s i t y , h e t e r o g e n e i t y ) f r o m t h ec a p i l l a r i e sf o r m e db yt h ei n t e r s p a c e sb e t w e e nf i b e r si nw h i c ht h e l i q u i df l o w s s u c hp r o p e r t i e sa r ec r i t i c a li nm a n ye n d - u s e sd e d i c a t e dt o a b s o r p t i o n ，d e s o r p t i o n ，f i l t r a t i o n ，d r a i n a g e ，v a p o rt r a n s m i s s i o n ，e t c i no u rp r o j e c t ，s e v e r a ln o n w o v e nm a t e r i a l sm a d eo f10 0 p o l y e s t e r ( p e t ) f i b e r sw i t hd i f f e r e n tf i n e n e s sa r eu s e df o rt h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e s t e s t s t h ef i b e r sc h o s e na r eo ft h ed i f f e r e n tc o u n to rc r o s s s e c t i o ns h a p e ， b e c a u s et h e s ef a c t o r sw o u l dp r o b a b l yi n f l u e n c et h ep o r ed i s t r i b u t i o nw i t h t h en o n w o v e nf a b r i c ，a n df u r t h e r m o r e ，a f f e c tt h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e s t h r e ed i f f e r e n tt e s tm e t h o d sa r ec h o s e n ：t e n s i o m e t r i ct e s t ，a b s o r p t i o n c a p a c i t yt e s ta n dd e m a n da b s o r b e n c yt e s t ，i no r d e rt oe v a l u a t et h er e a l a b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e rm o r p h o l o g yd o e si n f l u e n c et h e s t r u c t u r eo ft h en o n w o v e nf a b r i c s ot h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e sa r ea l s o r e l a t e d c h e nx i a o ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f c h e nn a n l i a n g k e yw o r d s ：n o n w o v e n ，a b s o r p t i o n ，l i q u i dd i f f u s i o n ，b l e n d ，f i b e r m o r p h o l o g y 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。 学位论文作者繇阿臂 日期：2 0 0 8 年月z v 日 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。 指导教师签名：门徇殳 日期：轧砰年2 月修日 第一章绪论 第一章绪论 非织造产品已经越来越多地被应用于医用、化妆、健康等生活用或产业用 吸湿性产品。 然而，非织造材料的吸湿性能是一个非常复杂的过程，通常来讲材料的吸 湿性能受到几个方面的影响：原材料的选择( 纤维，粉末等) ，原材料的形态特 征以及物理化学特点( 纤维细度与横截面形态、表面张力等) ，材料的聚集结构 形态( 梭织、针织、非织造等) ，以及在此结构基础上进行后道整理，以满足最 终产品功能性或者舒适性的需求。 研究液体在非织造材料中的扩散机理，可以更好地了解液体纤维的相互作 用，从而有助于高吸湿产品的开发和现有产品的性能改进。 1 1 基本吸湿理论 1 1 1 吸湿进程理论 通常来讲，材料对液体的经典吸湿被分为四个过程： 箍澎童z 确 ( a ) 礅叠硒 戤游葫 图2 一l 吸湿的四个过程( a ) i 润湿( b 卜芯吸( c ) 一膨胀( d ) 饱和 润湿( 图l a ) ：液体与材料表面相互接触。它取决于纤维材料本身的表面粗 糙情况以及表面能大小( 接触角) 。 芯吸( 图i b ) ：液体开始进入材料的内部孔隙。由于材料和液体表面具有一 定张力，并且纺织材料是多孔性非实心材料，其内部的孔隙将会对液体产生 一定的内部负压力p 。，导致液体能够从材料表面渗入到材料内部。 第一章绪论 膨胀( 图1 c ) ：液体进入纤维材料内部，使得纤维发生一定程度的膨胀。它 取决于材料和液体的亲和力。 饱和( 图l d ) ：纺织材料完全被液体所填充。它取决于材料内部的孔隙大小 和孔隙数量。 纺织材料内部的孔隙是不规则的，并且相互连通。这对于研究芯吸现象非 常不利，因为经典的芯吸理论都是假设被研究物是长直的管状物体。因此，在研 究纺织材料时，将其内部孔隙等效成长直的芯吸管，然后再运用经典的芯吸理论 对其进行分析和解释。 1 1 2 芯吸管润湿理论_ 中o i s e u ii l e 理论 当把一根细长的管子插入到一个装满润湿性液体的容器中时，液体将自发 的从管子内部向上攀升至一定的高度，这一现象称为芯吸现象。液体的自发性渗 透是由于在材料表面张力作用下，管子内部与大气压存在一个压力差。该现象被 w a s h b u r n ( 1 9 2 1 ) 在p o i s e u i l l e 的芯吸理论基础上所描述和解释( i l 。 p o i s e u i l l e 理论是在满足一定条件下，对于n a v i e r - s t o k e s 方程给出一个特 解。它必须满足： 流体的流动是稳定的，没有压缩和层流的情况 流体的流速相对比较慢，并且是在微小的空间内运动 液体在微小芯吸管中运动时均满足于上述条件。 1 1 3 l a pla c e 方程 如图2 2 所示，在芯吸管内部，介于两个管壁之间存在一个液面弧形，这 一现象表明，在分界面的内外有一个压力差。它取决于分界面内的曲率半径大小 以及液体的表面张力。液面内部的凹处部分具有更大的压力【2 1 。 ；乎 ，2r 、 乡 鼋l ，一，：。 图2 2 液体在芯吸管内部的上升运动 第一章绪论 当分界面的形状是球面形的时候，这一压力差可以表示为： 必：2 _ z 。( 1 - i ) 尺 这里r 代表液体和气体分界面的曲率半径，7 代表液体的表面张力 又因为屹可以表述为： 叱：2 y c o s g 0 - 2 ) c o s g 代表固液相接触角余弦值，为芯吸管内半径 因此，在一根足够细的圆柱形芯吸管中，可以得到： r = 南( 1 - 3 )c o s 1 1 4 芯吸高度理论- - j u ri n 公式 内外的压力差导致了液体能够在芯吸管内部流动。当达到平衡时，根据流 体静力学，液体内部具有l a p l a c e 压力a p l ，它的大小等于液体本身的重力p 分3 1 ， 因此我们可以得到： 叱= 丝笋2 必2 础 ( 1 - 4 ) ， 。 ，1 一a 、 其中，p 代表液体密度，g 重力加速度，h 液体所达到的高度 于是，当液面达到平衡态时，我们可以得到j u r i n 公式： h e ：兰兰竺翌( 1 - 5 ) 其中h 。代表平衡时态的液面高度 1 1 5 芯吸动态学理论- - w a s h b u r n 方程 w a s h b u r n 关于芯吸动态理论的方程是基于p o i s e u i l l e 理论。它描述了一定 体积流量9 的粘性流体在半径为r 的圆柱形管道内层流的状态。在管道端口有 一压力，表述为【4 】： 包= 若竽 m 6 ) 其中刁代表液体的黏度，为管道长度 在管道润湿的时候，流体将会在一个压力差的作用下向前移动，这一作用 第一章绪论 力可被表示为： a p - _ 2 y c o s o a p g h = 竿h 0 - 7 ， rr 、，1 j 其中， r 代表液体的表面张力，h 代表了t 时刻弯曲液面在管道中的高度，h 。代 表在最终达到平衡时的高度 如果我们把；：譬记为液体在芯吸管中流动的平均速度，并且用品z 来表 示9 ，于是原公式可以表述为： 厅d h = 1 rte。soirlt 一舡( 1 - 8 4 ， 办。j 当短时间内( h i t 渺织物吸收的液体质量随时间的变化( 包含半圆形液带质量) 野p = 钿4 测试结束后，织物吸收的液体( 包含半圆形液带质量) p = 测试结束后，织物吸收的液体( 不包含半圆形液带质量) w o 织物的干燥重量( 常温下调湿后) 玩吸湿饱和时的平衡液面高度 可以被推导出来的参数： 液体与织物间的半圆形液带质量 2 野p = 籼一f j f = 枷口p ( 2 4 ) 既渺织物吸收的液体质量随时间的变化( 不包含半圆形液带质量) 岛饱和时间( 根据：5 秒钟内所吸收液体的质量变化值小于1 ) f j f = 桫吸湿饱和时织物中液体的质量 2 2 2 吸湿能力测试 测试的过程符合非织造材料吸湿性能评价标准s t a n d a r dt e s t ：w s p 1 0 1 ，t h r e es t a n d a r dt e s tm e t h o d sf o rn o n w o v e na b s o r p t i o n 。 测试原理为：将一定大小非织造织物试样调湿后称重，然后将其放入一盛 有润湿液体的容器中，并让其完全浸没在液体中，保持6 0s4 - 1s 。再用镊子将试 样取出，垂直悬挂，使其自动排出部分液体，保持1 2 0s4 - 3s 。最后将试样称重。 见图3 5 。 第二章织物吸湿性的研究方法及测试仪器 土 髟勿勿绣勿勿黝 图3 - 5 吸湿能力测试的三个步骤 口 o60 测试中，所有的试样被剪成长度6 0m m ，宽度3 0n l m 的形状，并且在常温 下调湿后称重。 小结： 实验中可以直接得到的参数： 职总质量( 液体+ 试样) w o 试样的干燥质量( 调湿后) 2 2 3 连通器测试 连通器测试给我们提供另种评价织物吸湿能力的测试方法。其原理是基 于非织造材料吸湿性能评价标准e d a n as t a n d a r dt e s tw s p1 0 1 ( 0 5 ) n o n w o v e n a b s o r p t i o n ：t e s td e m a n da b s o r b e n c y l l 0 1 。该项测试的目的在于模拟日常使用过程 中，织物水平放置，一面与液体相接触，并且处于一定的压力下所表现出来的吸 湿性能。 测试前，试样被水平放置在一个带孔的圆形载物盘上，此载物盘的下端与 润湿液体直接相触，并通一根管子连接到一个装满液体的大容器中( 见图3 6 ) 。 根据连通器原理，左侧容器中的液面高度始终与右侧载物盘下部的液面高度保持 平齐。因此在每次测试前，需要调整左侧容器的液体量以保证右侧的液面始终保 持在和载物盘底部相触的高度，但是液面又不可以超出载物盘上部，即载物盘上 端保持干燥。左侧容器置于一架天平之上，用来测试容器中液体的质量变化【1 3 1 。 天平与电脑相连接，用于触发、记录信号。 实验开始时，左侧容器的质量变化以4 3 0 次分钟的频率被记录下来，并被 保存在电脑中直至实验结束。其标志是5 s 内液体的质量变化小于l 。 第市0 物m 湿性的研究方法侧e 仅# l u 7 f # 度00 1 9 整个仪器有以下几方面需要说明，根据图3 7 & 自 m 半( 用来* 托 点脚( 月口女 度1 龄3 7 连通器测试中的仪器示意圈 仪器的主要组成部分为载物台( 1o ) ，连接左右两侧传输液体的管子( 5 和8 ) ， 盛有润湿液体的容嚣( 3 ) 和电子天平( 2 ) 。天平与电脑连接。实验中测试液体质 最变化的频率为01 3 9 5 s 。 载物盘是一个直径为6 0 m m 的树脂原盘。为了模拟实际应用中的情况，我们 有两种盘可阻选择：单孔和多孔。单孔的孔径大小为直径6 r a m ，位于原盘中 * g ：物m 性的州宄方法删试仪措 央r 如罔3 9 1 。多空的孔径为25 m m ，仵盘中成均匀分布。 载物台山三个支架( 9 坟撑，以保持其中的液面水下 右侧容器的容量足够人，以避免左侧织物吸收液体以后，右侧液| i i | 娈化过人 使得织物无法到达吸湿饱和。 以k 所有部件都被置于一块带有水平测试器的木板之上，木板带有支脚，可 以根挤 需要来调节高度以保持术板面的水平 1 5 ，1 6 、1 7 是一个能给予织物胜力的砝码，j f 底部呈圆形，其a 径与载物盘 相同。我们有三种砝码可以选择，分别可以给试样提供ol k p a 、l k p a 和2 k p a 的压强。 戟物船 传输液体的导落 瑙隘 刳38 载物台细节目3 - 9 两种载物盘 惮孔与多守) 实验操作步骠： 将试样鲫成直径为6 0 t m n 的圆形，常温条件( 2 0 。c ，h r6 5 ) 下2 4 小时调湿 后称重 选取需要的载物盘r 单孔或多孔) 并将其放八载物台 将天甲清零，并将容器置于天平之上 在容器中加入一定量的润湿液体。使得另- - n 载物台中的液体正好与载物珊 相碰，但又不没过。汜下这时候的天下读数。以后每次测试丌始时，容器中 的液体只要补允到这一数值即可 将被测非织造试样贴在砝码底部 舍 一 铡 筐 鎏 链 罄 蓉 第二章织物吸湿性的研究方法及测试仪器 开动电脑中的记录软件，使得每隔o 1 3 9 5 s 秒，软件就对天平的读数作一次 记录 稳定地放入砝码。放入过程中既要避免放入时间过短造成载物台中的液体回 流到容器，造成吸湿曲线初始的突然波动( 见图3 1 0 ) ，也要避免放入过慢 在试样到达吸湿饱和( s s 内容器中液体的变化小于1 ) 时，停止电脑的读数操 作，实验终止 将数据存盘 将数据导入e x c e l ，并作相应处理，画出吸湿曲线 重新开始实验，对于每种纤维组合的试样重复l o 次 由于实验进程的原因，我们只对试样中的y a 、y b 、y c 、y d 和y e 进行 了连通器测试，并将测试结果进行数据处理。 下面的曲线是在e x c e l 数据处理后得到的： 时间l s ) 备 _ 一 嘲 矮 蛏 溪 擎 鼙 图3 1 0 连通器测试得到的吸湿动态曲线( a ) - 不理想测试结果( b ) 理想结果测试结果 小结： 实验中可以直接得到的参数： 形何试样所吸收的液体质量随时间的变化 w o 试样的干燥质量( 调湿后) 第二章织物吸湿性的研究方法及测试仪器 野实验结束后试样的质量 可以被推导出来的参数： 厶饱和时间( 5 秒钟内所吸收液体的质量变化值小于1 ) p = 桫吸湿饱和时试样的质量，由于达到饱和时间后，还有极少量的液 体渗入织物，因此既p = 矽的值要略小于野 第三章测试结果与分析 第三章测试结果与分析 3 1无压力测试( 张力计测试吸湿能力测试) 3 1 1 吸湿动态曲线 3 0 0 0 0 0 功 = 2 5 0 0 0 0 礓 魁 莲2 0 0 0 0 0 餐 盏1 5 0 0 0 0 督 霉1 0 0 0 0 0 埝 晕湖m 蕃 0 0 吸收液体质量 51 0 52 02 5筠4 0 时间( s ) 图4 1 张力计测试所得的动态吸湿曲线 图4 1 中的3 根曲线分别代表了三种纯纺非织造织物( y a1 0 0 3 3 d t e x 、y b 1 0 0 6 7 d t e x 和y c1 0 0 1 7 d t e x ) 在张力计测试中的动态吸湿性能。曲线是根据 仪器每o 2 s 自动记录试样的质量变化数值而得到。总的来说，每根曲线都由两 部分组成：半圆形液带质量以及被吸收液体质量。 半圆形部分的液带是在试样与液面刚接触时，在表面张力的作用下所形成 的。从图中可以看到，半圆形部分的形成时间很短( 1 s ) ，因此可以忽略其形成 时问。 由于织物内部的芯吸力作用( 芯吸压) ，被吸收液体的质量随着时间的变化 而增加。通过曲线可以看到，三种织物的初始芯吸速率( 即曲线上每一点的切向 斜率) 十分接近：起初的芯吸速率主要取决于织物中的大孔隙，这是因为根据 w a s h b u r n 理论，液体在大孔隙内的填充速率要比小孔隙快得多。尽管三种织物 组成纤维的细度不同，但是非织造是一种纤维相互交错的松散结构( 相比较纱线 第三章测试结果与分析 而言) ，因此不论组成纤维有多细，大孔隙都大量广泛存在于织物内部。接着， 当大孔隙达到饱和之后，液体开始填充那些孔径稍小的孔隙，芯吸速率也开始下 降( 斜率下降) 。最后，液体填充那些小孔隙，于是芯吸进一步放慢。组成织物的 纤维越细，构成小孔隙的概率越大，因此芯吸饱和时间也越长。 3 1 2 单位织物的液体吸收量以及芯吸平衡液面高度 单位织物的液体吸收量可以表征不同克重的非织造织物的芯吸能力。对于 每一块试样来说，所吸收的液体质量都会被仪器记录下来。为了排除实验本身尺 寸和克重的差异性，便于比较不同类型织物的性能，单位织物的液体吸收量可以 用以下公式计算得到： 单位织物液体吸收量( g g ) = 试样的干重( g )甄 ( 3 - 1 ) 口m d c d 壬豳 壬 霾 壬 匡 正 霭阉j肾 壬 圉 j ￥毋函f 露 震 壬 震豳 夕一， 图4 - 2 张力计测试结果：单位织物的液体吸收量 图化表示的是各种织物的单位液体吸收量。横坐标中，根据组成纤维的 细度由小到大依次排列。从图中可以看出：纤维的细度越是高，所形成的织物所 吸收的液体越多。 饱和时的平衡液面高度被定义为当织物达到吸湿饱和时，织物中的液体不 再上升，在芯吸作用以及重力的双重作用下所达到的动态平衡。这一参数是在每 7 6 5 4 3 2 1 o 奄国蛙罄娶毯器然缮辞 第三章试结与h 析 次试样测试结束时进行测量的，其误差为2n u n 。 单位织物液体吸收量和饱和时的平衡液面高度直接相联系。图43 给出了 纤维芯吸度和平衡液面高度的关系围。横坐 , , j i q l ，根据组成纤维的细度由小到大 依次排列。我们可以发现其分椎与图4 2 | 分接近。 酗4 - 3 张力计测试结果：饱和时刻平衡液面高度 根据l a p l a c e 公式，芯吸力其实是芯吸管中液体在气液两相分界处弧形被 面处的l a p l a c e 压力；一占吸力a 只取决于液体的表面能m 同液两相的接触角0 以及芯吸管的半径屁 只= 塾警( 3 - 2 ) 在我们的测试中，2 ；c o s 0 是恒定不变的，因此芯吸管半径r 是唯一的变 化参数：芯吸管越是细，其内部的芯吸压力越是大，从而口驶湿饱和后越是能够 到达较高的平衡液面高度。图1 5 中，y j 取fy c 的平衡高度比其它试样要高很多， 所以我们相信存在个伐值，当纤维细度达到这个值以后，平衡液面高度的增长 将大大加快。 总的来说，在这两张图表里y k ( 纤维横截面u 形，图4 - 4 ) 的纤维由于具有 特殊形状的横截面，大大增加了织物内部小孔隙形成的几率，有利于芯吸效应， 因此其织物具有很好的吸湿效果。这一原理同d u p o n t 的c o o l m a x 纤维十分接 i竺幽豳。 一曲避。 捶曩。 盥。 一 一“阻匮。，母蕾，。 虹匮西o。 妇置， 阻圈一十。 妇i。 撼瞳i墨一p 篇裟淼黜舞。 僻三章d 绪h * 近 ( a )( b ) 旧4 4 两种纤维的横截血切片( a ) 侧形( b ) 一u 型 在图4 - 2 中可以看到，y k 的吸湿量超过了纤维细度更细的y j 和y c ，尽 管其芯吸高度不如后两者。哉们认为，尽符嘻付织物的液体吸收量和平衡芯吸高 度这两个参数具有j z 联系，| j l _ l 足所表达的含义并卟完令柏同：我们知道，在非 织造织物内部既钉大孔隙电有小孔障，冈此存在个从大到小的孔隙分布。单位 织物的液体l 蛙收量代表了织物中、l 均孔隙的大小r 均值1 ，而平衡芯吸高度则取决 于织物内部最小的孔隙( 极值1 ， 当试样的吸湿达到饱和时，芯吸力干【j 重力达到平衡，从而织物能够“撼持” 住所吸收的液体。这一平均芯吸力就取决于织物中平均孔隙的大小。织物所能吸 l | 殳的液体越多，平均芯吸力就越大，织物中的平均孔隙直径就越小。 此外，两张图中y i 的值部比其两侧的织物：y a 和y h 小。这能是嘲为 混合三种纤维的缘故。似乎混纺太多的纤维对形成小孔隙来说并不理想。 最后，在机器方_ l 】( m d ) 和水、f 方向( c d ) 的测试比较中，我们并没有发现纤 维取m 度对织物吸湿量和平衡液面高度带束太多的小同。 31 3 孔隙的孔径大小 织物内部具有形状不、大小各异的孔隙是产生芯吸内压的原因。而这些 孔隙钓孔径就成为影响芯吸性能的重要参数。孔隙的形成与组成纤维的细度和纤 维截面形状有关。 前面我们讨论到，织物的孔隙半径有平均值和虽小值之分。方面，织物 的平均孔隙大小决定了其能够吸收的液体量，然而这一数值狠难被直接测出来。 第三章测试结果与分析 但通常情况下，纤维细度越高，织物的平均孔隙就越小。此外，增加纤维的比表 面积，采用特殊截面形状的纤维( 截面形状u 、x 、y ) 也是一种降低平均孔隙的 有效方法。 另一方面，我们根据j u r i n 法则，通过饱和态下的平衡液面高度h 叼可以推 算出织物中的最小芯吸管半径。具体公式为： r ，：生叠坐尝( 3 - 3 ) p d e c m g h 其中， y d e c a n e 代表癸烷液体的表面能，c o s o 聚酯纤维与癸烷之间的接触角 余弦值，触癸烷的密度，饱和时平衡液面高度。 需要注意的是，这里所说的芯吸管半径是一个等效值，称之为j u r i n 半径。 因为非织造织物的内部孔隙不但大小形状不一，而且还相互连通、交错，非常复 杂。所以在事实上并不存在严格意义上的“芯吸管 。 计算结果以图表的形式呈现在图4 5 中。 喜 塞 螫 纂 d 2 1 nq a 0 7 3 种纤维混纺 一。置岁：石彳；石 一! ；彩形一 2 椭? 纺一：；乏豸芗乡一 害形 ，一一it “ 7 屉超狞 j u r i n 半径 纯纺纤维 j l l r i n 半径趋势 图4 5 纤维直径与织物等效芯吸半径的关系 综合来看( 图中的黑线) ，组成织物的纤维半径与j u r i n 半径成正比，即纤维 的半径越小，织物的孔隙就越小。 具体来讲，图4 5 中的蓝色直线代表了纯纺织物的变化趋势。在它上方的红 色直线则代表了采用两种不同细度纤维的混纺。而红线上方的黑点是采用三种不 第三章测试结果与分析 同纤维的混纺。因此，我们可以得出，在相同的等效半径下，采用混纺将增加织 物的j u r i n 半径，而增加的数值与混纺的数量有关，即采用越多的纤维混纺，尽 管其等效半径不变，j u r i n 管半径也会越大。 另外，w h i t e ( 1 9 8 2 ) 在计算了液体在织物内传输的过程中，液体前端微小移 动导致的表面能变化值时，也提出一个计算织物内部孔隙的方法。根据他的理论 我们通过织物的一些基本参数，也可以计算织物内部孔隙的理论半径。具体公式 如下【1 4 】： r 矿2 击r 伽( 3 - 4 ) 其中代表织物的孔隙率，r 触代表纤维横截面半径 譬 3 鼎 鬻 鼬 螫 均 鬏 鼢 r 2 - 0 9 4 9 7 f ，_ f t 2 = 0 一8 6 ，8 6 一一， ，(，一一一，一：。_。一一 ：，二( 一一一一一一一一一 = ；一，五 w h i t e 半径 一一半径趋势( w h i t e ) 半径趋势( j u r i n ) 纤维直径( i j m ) 图4 6 纤维直径与织物等效芯吸半径的关系( j u r i n 与w h i t e 理论的比较) 我们看到，图4 6 中的红点代表了根据w h i t e 理论计算得出的孔隙半径，虚 线代表了这些红点的趋势，实线则代表了由j u r i n 理论计算的孔隙半径趋势。可 以看出，通过w h i t e 理论得出纤维直径与织物孔隙之间仍然呈线性关系，虽然虚 线和红点之间吻合性没有j u r i n 理论这么完美。这主要是由于不同的织物孔隙率 并不完全相同。尽管如此，纤维直径与织物孔隙之间实验趋势( j u r i n 理论) 与理论 趋势( w h i t e 理论) 仍然十分相近，特别是在纤维细度较细的时候。 3 1 4 吸湿饱和时间 根据非织造材料吸湿性能测试标准：t h r e es t a n d a r dt e s tm e t h o d sf o r 第三章测试结果与分析 n o n w o v c na b s o r p t i o n ，吸湿饱和时间指的是在织物吸湿过程中，5 s 内的质量变化 小于1 的那一时刻。其数值大小不但与吸湿液体总量有关，而且还取决于吸湿 速度。 宙 。口m d c d 一 工 r 臼 蕊上离 壬t 击 tt 蘸 壬 露寓 田搦 t1 - 一 雾 上阻铜阄 |豳露 图4 7 的横坐标根据组成纤维的细度由小到大依次排列。可以看出，吸湿饱 和时间随着纤维细度的增加而增加。有两方面因素影响这一结果： 首先根据w a s h b u r n 吸湿理论，芯吸管的半径越粗，其吸湿速度越快。 w a s h b u m 吸湿理论公式为： 塑：生( 型一p g h ) ( 3 - 5 ) d t 8 r h 、 r 其中，叩代表润湿液体的黏度，) ，液体的表面能，户液体密度以及r 芯吸管 半径 因为较细纤维的纤维比粗纤维更容易构成小孔隙，所以细纤维织物的平均 芯吸半径较小，芯吸速率较粗纤维织物也更慢。 其次，芯吸管半径越细，达到饱和时刻的平衡液面高度也越大。即使在芯 吸速率相同的情况下，细纤维较粗纤维具有更高的平衡液面高度，由此也需要更 多的时间来达到吸湿饱和。 祀 衢 1 2 伯 5 o s)墅岔娶翠味醛 第三章测试结果与分析 此外，在机器方向( m d ) 和水平方向( c d ) 的测试比较中，我们同样没有发现 纤维取向度对织物的吸湿饱和时间带来太多的差异。 3 1 5 孔隙填充率 液体对于非织造织物的孔隙填充率( ) 指的是饱和时刻织物吸收的液体 总量占织物内部空隙的体积百分比。这一参数可以表征不同材料、不同结构的织 物对于同一液体润湿时，填充其孔隙的能力。由于我们测试所用的材料孔隙率都 在9 5 左右，因此孔隙填充率也代表了织物孔隙对于液体的“握持能力 。 我们的研究设计了两种测试方法来分别计算织物的孔隙填充率：张力计测 试和吸湿能力测试。因此，我们可以得到以下两种结果： t 1 ，根据张力计测试结果( 试样被垂直悬挂) ，代表了织物中液体在芯吸力的 作用下，自下而上、克服重力和摩擦力作用的主动吸湿。我们根据以下公式来计 算孔隙填充率： 删= 慕瓣x 1 0 0 = 鬻日, v e h 。 弋7 织物被润湿部分的孔隙体积，。 ( 3 6 ) 其中，代表饱和时刻吸收的液体质量，p 润湿液体密度，w 试样宽度，e 试 样厚度，五田平衡液面高度，s 织物的孔隙率 需要说明的是，在张力计测试中，液体只是上到试样的某一高度，也就是 说织物并不是被整块润湿的。因此在数据处理中，我们只计算被液体润湿的那部 分织物的孔隙 由图4 _ 8 可以看出，对于纯纺纤维来说，t l 随着纤维等效直径的增加而增 加( 图中的4 5 3 7 、4 7 2 9 和5 2 3 8 分别对应于试样y c 、y a 和v 8 ) 。对于混 纺纤维我们可以发现同样的趋势( 5 8 7 2 、6 0 7 6 、6 4 0 6 、6 7 7 1 和6 8 2 2 分 别对应于试样y d 、y e 、y h 、y g 和0 。这是因为在织物的润湿部分具有一个 自下而上逐渐减小的液体分布梯度：位于底部的液体含量最高，接近1 0 0 ，越 是上面的部分其液体含量越低。当纤维细度较高时，织物具有较大的平衡液面高 度，于是这个分布梯度越是明显，而总体的孔隙填充率反而下降。这就是为什么 y c 的较y b 低的原因。 始= $ i 结粜oj 析 1 l ! 篓蕾漕厦闱日阔、吾掌酉圈 梦矿，扩梦扩 jl ? 。 j 一【1 * 织园t r 特“m r f t 与z 相反的是，t 2 ，山吸湿能力测试得到，表现的是织物的自动排水后保 持液体的性能。凶为测试时织物是被完令浸没在液体中，取出后f 悬挂、排水。 所以t 2 的大小取决于织物内部的“内能”，队占吸内脏。y c 的组成纤维要比 y b 细得多，构成的等效芯吸管半径【! 王越细，因此其内部的芯吸压力也越大。外 部表现为y c 比y b 能保持住更多的液体。这也就是为什么t 2 数值随着纤维细 度的减小而减小r 图中的7 74 9 、5 32 8 和4 l2 3 分别对应千y c 、y b 和y a ) 。 可以发现，混纺织物( y d 、y e 、y i 、y h 、y g 和y f ) 的孔隙填充率要比相 应的纯纺织物高r 对应t l 数值分别为4 61 、4 76 、4 38 、4 46 、4 14 和 3 8 】) 。实验结果表l 蝈，通过将耜纤维和细纤维混纺后织成非绍造织物的方法i j 以获得比相应的纯纺非织造织物具有更高的孔隙率，织物更能保留住所吸收的液 体。这u r 能足由粗细纤维的混台、交错，使得织物内部结构发生微妙的变化，孔 鹾c 分布率得剑改变。尽管织物等效芯吸管半径的最小值没有发生变化，m i 是印使 其半均值发生改变，使得材料的芯吸内 得到鼹著提高。 此外，我们还可以发现，在阻种测试中织物内的孔隙部没有完全被液体填 充( 孔隙率 1 0 0 ) ，即使织物先前被液体完全浸没过。这里有几方面的原因，首 先，在润湿过程- l ，在织物内部仍有部分的气体没有被液体所替代，而足被液体 第三章测试结果与分析 包覆起来。这些气体在没有外加压力的情况下无法自动排出。其次，位于织物内 部的大尺寸孔隙不能给与液体足够的芯吸内压，使得当织物从液体中取出之后， 这一部分的液体无法被握持而流失。再次，位于织物表面的那些纤维由于缺少必 要的相互交错，无法形成有效的芯吸效应，因此当织物离开液体之后同样流失。 这三个因素导致了实际测试中1 0 0 的孔隙填充是无法达到的。 最后，具有u 型横截面纤维的织物y k 表现出最优秀的孔隙填充率。这要 归因于该纤维具有较大的比表面积。比表面积的增加十分有利于纤维在交错的过 程中形成有效的芯吸管，而这些芯吸管正是给织物带来强大内压