（纺织材料与纺织品设计专业论文）提高静电植绒密度的理论与实验研究.pdf

摘要 本文研究了绒毛在静电场的充电机理，建立了绒毛在静 电植绒过程中的力学运动模型，分析了影响植绒密度的因素， 并对原料和工艺参数对植绒密度的影响进行了实验研究。 在绒毛运动的力学模型建立中，假定绒毛为理想的椭球 体，分析了绒毛在均匀电场中的力和力矩，研究了绒毛在静 电植绒过程中的平动和转动。得出：绒毛在电场中的平动是 一个变加速度运动，其速度逐渐增加，要提高绒毛的运动速 度，必须提高静电场中的电场强度( 增加极板电压和降低极 板距离) 和绒毛的带电量；绒毛的转动是一个周期性的小阻 尼振动，其振幅逐渐减少，最终停在平衡位置，绒毛插入基 布的角度要结合绒毛穿过植绒区域的时间求得，绒毛转动达 到平衡的时间越短以及绒毛穿过植绒区域的时间越长，越有 利于绒毛的取向。那么要使绒毛以尽可能大的速度及尽可能 垂直的取向插入，也就是平动速度尽可能大，转动平衡时间 尽可能小，绒毛穿过植绒区域的时间尽可能大，这可以通过 合理的选择静电场强度和绒毛的带电量等因素而获得。 本文分别讨论了纤维种类、纤维长度、纤维细度、植绒 时间、极板电压、极板距离单因子影响植绒密度的过程，通 过试验及分析得出，纤维长度、纤维细度和极板距离与植绒 密度成反比，植绒时间和极板电压与植绒密度成正比，其中 植绒时间在o 6 秒是有效的植绒过程，植绒密度随植绒时间 的增加而显著增加，当植绒时间超过6 秒时，植绒时间的增 长仅仅影响绒毛植入量的百分率，实际植入基布的绒毛数量 基本不变化。 本文通过实验研究分析了原料和工艺参数影响植绒密度 的联合效应。以粘胶和尼龙绒毛为原料，本实验采用正交设 计，利用方差分析法，对影响植绒密度的五个变量( 外加电 压值、极板距离、植绒时间、纤维长度、纤维细度) 进行了 分析。研究表明：尼龙绒毛影响植绒密度的大小顺序为纤维 长度 极板距离 纤维细度 极板电压，粘胶绒毛影响植绒 密度的大小顺序为纤维长度 极板电压 极板距离 纤维细 度，植绒时间对密度的影响不显著。电场强度由极板电压和 极板距离共同决定，尼龙绒毛中电压对植绒密度的影响大于 极距，粘胶绒毛则反之，极距对植绒密度的影响大于电压。 本文同时利用多元线性回归模型，通过实验得到了植绒 密度和电场强度、纤维长度、纤维细度、植绒时间的理论表 达式，并对植绒密度的理论值和实测值进行了比较，实验表 明该理论表达式能较好地预测植绒密度。 关键词：静电植绒，绒毛，充电，运动，植绒密度 a s t u d yo ft h e o r ya n de x p e r i m e n to ni m p r o v i n gt h e f l o c k p a c k i n gd e n s i t yi ne l e c t r o s t a t i cf l o c k a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ef l o c km o t i o nm o d e li na ne l e c t r o s t a t i c f l o c k i n gp r o c e s si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ef i b e rc h a r g i n ga n d t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gf l o c k p a c k i n gd e n s i t ya r ed i s c u s s e d a t t h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c e so ff i b e rm a t e r i a l sa n ds o m e p r o c e s s i n gv a r i a b l e so nt h ef l o c k i n gd e n s i t ya r ea l s os t u d i e d b a s e do na ni d e a le l l i p s o i da n dt h ef o r c e sa n dm o m e n t so f g y r a t i o na c t i n go nas i n g l ef l o c ki nau n i f o r me l e c t r i cf i e l d ，t h e m e c h a n i c so ff l o c kt r a n s f e ra n dr o t a t i o ni na ne l e c t r o s t a t i cf l o c k a r ea n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt h ee q u a t i o no ff l o c km o v i n gi sa n o n u n i f o r ma c c e l e r a t i o nm o v e m e n ta n dt h es p e e do fa s i n g l e f l o c ki si n c r e a s e dg r a d u a l l yi nt h ee l e c t r o s t a t i cf l o c k i n gp r o c e s s t h ei n c r e a s eo fe l e c t r i cf i e l da n dt h ef o r m a t i o no fc h a r g eo n f l o c ki sb e n e f i c i a lt oe n h a n c et h ef l o c km o v i n gs p e e d t h e r o t a t i o no ff l o c ki nt h ee l e c t r o s t a t i cf l o c ki s a d a m p i n g o s c i l l a t o r y b u ti sa p e r i o d i c m o v e m e n ta n dt e n d st ot h e e q u i l i b r i u mp o s i t i o n t h ee n t r ya n g l eo fas i n g l ef l o c ki n t ot h e g r o u n ds t u f fc a nb ee s t i m a t e db yt h et i m eo fi tc r o s st h e e l e c t r o s t a t i cf i e l dz o n e t h es h o r t e rt i m et oa t t a i nt h e e q u i l i b r i u mp o s i t i o na n dt h el o n g e rt i m et oc r o s st h ef l o c k i n g z o n ei no t h e ru n c h a n g e dc o n d i t i o n si sb e n e f i tt h eo r i e n t a t i o no f a s i n g l e f l o c ki n t ot h e g r o u n ds t u f f a c c o r d i n g t oa b o v e d i s c u s s i o n ，i ti st h eb e s tw a yt os e l e c tr e a s o n a b l ee l e c t r o s t a t i c f i e l da n dc h a r g e so nf l o c ks ot h a tt h ef l o c ko b t a i nt h el a r g e s t v e l o c i t ya n dv e r t i c a lo r i e n t a t i o na ss o o na sp o s s i b l ew h e ne n t e r t h eg r o u n ds t u f ft oi m p r o v et h eq u a l i t yo ff l o c k i n gf a b r i c t h eu n i l a t e r a li n f l u e n c eo ff i b e rt y p e ，f i b e rl e n g t h ，f i b e r f i n e n e s s ，f l o c k i n gt i m e ，v o l t a g ea n de l e c t r o d es e p a r a t i o no nt h e f l o c k p a c k i n gd e n s i t ya r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef l o c k p a c k i n gd e n s i t yi sr a i s e dw i t ht h ea u g m e n t so ff i b e r l e n g t h ，f i b e rf i n e n e s sa n de l e c t r o d es e p a r a t i o n ，w h i l et h ee f f e c t f l o c k i n gt i m ea n dv o l t a g e o nf l o c k p a c k i n gd e n s i t yi so nt h e c o n t r a r y t h er e s u l t s o ft h ee x p e r i m e n ta l s os h o wt h a tt h e m a x i m u m6 sf l o c k i n gt i m ei sa d e q u a t et oi n t r o d u c ea l lt h ef l o c k i n t ot h eg r o u n ds t u f f a st h et i m ei n c r e a s e ，t h ef l o c kd e n s i t y i n c r e a s e s w h i l et h et i m ec o n t i n u et oi n c r e a s e ，t h ed e n s i t yh a s n os i g n i f i c a n ti m p r o v e da n dt h et i m eo ff l o c k i n go n l ya f f e c tt h e p e r c e n t a g eo f a v a i l a b l ef i b e ra c t u a l l yf l o c k e d t h ec o m b i n e di m p a c to nf l o c k - p a c k i n gd e n s i t y i sa l s o a n a l y z e di n t h ee x p e r i m e n t s t h en y l o na n dr a y o nf i b e r sa r e s t u d i e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a ll a y o u ta n dv a r i a n c ea n a l y s i s t h e f i v eo r o c e s s i n 2v a r i a b l e ss u c hv o l t a , e ，lectrode,arationfivep r o c e s s i n gv a r l ae ss u c a sv o l t a g eee c t r 0 1 7 1 0s e p a r a n o n , ， l f l o c k i n gt i m e ，f i b e rl e n g t ha n d f i b e rf i n e n e s sa r ed i s c u s s e d t h e s t u d ys h o w st h a tt h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ef l o c k p a c k i n g d e n s i t y f o r n y l o n i sf i b e rl e n g t hf o l l o w e db y e l e c t r o d e s e p a r a t i o n ，f i b e rf i n e n e s s ，v o l t a g ea n df o rr a y o ni s f i b e rl e n g t h f o ll o w e db yv o l t a g e ，e l e c t r o d es e p a r a t i o n ，f i b e rf i n e n e s sw h i l e t h ee f f e c to ff l o c k i n gt i m eo nf l o c k p a c k i n gd e n s i t y i s v e r y s m a l l e l e c t r i cf i e l di sd e c i d e db yv o l t a g ea n d e l e c t r o d e s e p a r a t i o nt o g e t h e r a sf o rn y l o nf i b e r ，t h ee f f e c to fv o l t a g eo n f l o c k p a c k i n gd e n s i t yi s m o r et h a nt h a to fe l e c t r o d es e p a r a t i o n h o w e v e r ，t h e i ri n f l u e n c eo nt h er a y o nf i b e ri so p p o s i t e t h em a t h e m a t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o c k i n gd e n s i t y a n de l e c t r i cf i e l d ，f i b e r l e n g t h ，f i b e rf i n e n e s sa sw e l l a st h e f l o c k i n gt i m ei se s t a b l i s h e db ym u l t i e l e m e n tl i n e a rr e g r e s s i o n f o rn y l o na n dr a y o nf l o c k t h ec o m p a r i s o nt h r o u g he x p e r i m e n t s s h o w st h a tt h er e s u l to ft h e o r ya n dp r a c t i c ei sc o n s i s t e n to nt h e w h o l e z h i q i n gl i u ( f i b e rs c i e n c ea n dt e x t i l e sd e s i g n ) s u p e r v i s e d b yp r o f e s s o rj i a n y o n gy u k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i c f l o c k ，f l o c k ，c h a r g i n g ，m o t i o n ， f l o c k p a c k i n gd e n s i t y 附件一： 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。除文中己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。 学位论文作者签名：刮喝清 日期：d 口厂年1 月i 口日 附件二： 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d 在 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：吞降讳 日期：2 ，p 歹年f 月i o n 指删雠：南 日期：吱。口辉f 月f 咱 u 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 引言 静电植绒是利用静电场和绒毛的相互作用把绒毛植入涂有粘合剂 的基布上，成为一种特殊的织物。各种微粒一包括绒毛纤维能通过 不同的植绒方式植到涂有粘合剂的表面，加工成许多终端产品。绒毛 纤维通常采用机械方法、静电植绒方法或两种方法结合植到涂有粘合 剂的表面。机械植绒方法可进步划分为鼓风植绒法、振荡植绒法。 在空气流中静电植绒气流会与静电场一起驱动纤维向表面运动。植绒 方法可在许多方面包括从零售消费用品到电子、工业、军事上产品得 到应用【引。 静电植绒是涉及静电、机械、化工等多学科的综合技术，影响植 绒质量的因素是多方面的，除绒毛、粘合剂、底布以及设备等条件外， 工艺条件、操作规范和生产管理都很重要【3 】。 1 2 静电植绒原理与工艺 静电植绒是通过高压静电场与绒毛的相互作用来实现的。由于经 过一定电着处理的绒毛在静电场作用下产生极化和驻极而带电，带电 绒毛经转动、振动、平动等复杂运动，最后，作直立定向运动，依靠 电场力而植入涂有粘合剂的基材表面1 3 l 。 其基本工作原理如图1 1 所示，在两块相互平行的金属板或金属 网之间加上直流高压电，在两极板间就形成了电场。当纤维短绒毛进 入电场区时，在电场的作用下，绒毛发生极化，形成电极性，从而产 生运动。绒毛的运动是由两种运动复合而成的。一个运动是绒毛垂直 于极板方向的上、下运动，当绒毛接触负电极，绒毛表面带上负电荷， 其电荷分布并不均匀，接近负高压端处的负电荷密度小，另一端负电 荷密度大。绒毛向正极( 接地基材) 方向加速运动，使绒毛栽植于粘合剂 涂层中；而没有触及到粘合剂的绒毛，由于其接触到接地基材( 正极端) ， 表面的负电荷被中和掉，靠静电力的作用又会向上运动，碰到金属丝 东华大学硕士学位论文第一章绪论 网( 负极端) 后又重复上述运动。另一个运动是绒毛的翻转运动，绒毛在 电场中发生极化，正电极对绒毛的负极端有吸引作用，同时对绒毛的 正极端又有排斥作用，而绒毛的正极端又受到负电极的吸引和正电极 的排斥，因此原来紊乱的绒毛绕电场方向转动，并最终平行于电力线 方向，从而保证绒毛以垂直立于工件表面方向栽植于表面的粘合剂中， 形成良好的外观特征【4 1 。 绒 正极 图1 1静电植绒原珲示意图 静电植绒生产过程由四部分组成：绒毛制备、上胶、静电植绒和 后处理。静电植绒的加工工艺流程如下【5 】： 乳胶助剂一粘合剂 上 基布一烫平一涂刮粘合剂一静电植绒一预烘一焙烘一刷毛一后整 理一成品 j i 绒毛一染色一电着处理一千燥 静电植绒生产流程如图l 2 所示【4 1 。 456 7 l 一上胶；2 一落绒 3 一绒毛回收l4 一植绒区；5 预烘； 6 一焙烘；7 一刷绒；8 一绒毛回收；9 一基材 图1 2 静电植绒流程示意图 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 当涂有粘合剂的基布通过静电植绒装置中的金属框和金属托架间 的电场时，绒毛受到电场力作用将作平动和转动等复杂运动，然后插 入基布上。绒毛的植入一般有自上而下( 下降法) ，自上而下( 上升法) 及侧飞式等植绒方式。虽然植入方式不同，但绒毛在电场中的运动情 况是相似的。 1 3 静电植绒设备 静电植绒设备主机流水线，一般由进布整理装置、上胶装置、静 电植绒室、烘箱、刷毛吸毛装置和成卷装置组成。根据产品要求，还 配备有各种后处理设备，如轧花、喷花、磨花以及印花等等1 3 】。 1 4 静电植绒原材料 静电植绒产品一般由基布、粘合剂、绒毛组成，俗称三大件”。 1 4 1 绒毛 绒毛是静电植绒产品的关键材料。绒毛应根据植绒产品所要求的 外观、风格和各种物理性能来选用，理论上各种纤维都可制成绒毛， 实际上受到加工性、经济性、实用性等限制。目前国内外所用的绒毛 主要有尼龙和粘胶，也有用腈纶、涤纶等丝束1 6 】。 绒毛按其加工方法可分为粉碎绒毛和切割绒毛两类。一般粉碎绒 毛质量较差，中、高档植绒产品应该选用优质的切割绒毛。 丝束加工成绒毛的工艺流程为【7 1 ： 丝束切割一绒毛染色一电着处理一干燥一筛选一成品 静电植绒产品的档次和质量，很大程度上取决于绒毛的质量。一 般地，绒毛质量除了长度、细度指标外，对其导电性、飞升性、分散 性以及整齐度等指标也有严格要求，具体考核标准见表l 一1 ： 3 东华大学硕士学位论文第一章绪论 表i 一1 绒毛主要考核指标 编号考核项目尼龙绒毛粘胶绒毛 l 飞升性 15 2 5 秒15 2 0 秒 2 分散性o 5 克0 5 克 3 比电阻1 0 7 1 0 9q c m 21 0 7 i 0 9q c m 2 4 回潮率 4 6 6 8 5 长度不匀率 1 0 l0 6测试电压4 0 k v4 0 k v 尼龙绒毛 3 d 0 8 l m m1 3 d 0 5 m m 常用规格1 5 d 0 5 m m1 2 d 0 5 m m 粘胶绒毛2 5 d 0 4 0 8 m ml d x 0 4 0 6 m m 常用规格1 5 d 0 4 0 6 m m0 8 d 0 3 5 0 5 m m 注a ：绒毛规格表示法为“绒毛细度( d ) 绒毛长度( m m ) ”。 b ：资料来源为常州华艺绒毛制品厂 绒毛的导电性一般用绒毛的电阻率来表示。绒毛的电阻率要控制 在一定的范围内，如电阻率过大，导电性能差，绒毛所带电量小，所 受电场力也小，绒毛的飞升性就差，那么绒毛的植绒牢度和插入粘合 剂的数量就少；如果电阻太小，即导电系数过大，则绒毛的电流泄漏 密度增大，容易造成短路电流而损坏产品。要使绒毛有最佳电阻值， 就要进行电着处理。良好的电着处理能使绒毛在静电场中有良好的飞 升性和分散性，确保最佳的植绒状态【3 1 。 为了保证绒毛的导电性能，还要求控制绒毛的含水率，一般尼龙 绒毛含水率在6 左右，粘胶绒毛的含水率在15 左右【3 l 。 1 4 2 植绒粘合剂 绒毛和基布材料的结合是通过粘合剂来实现的。粘合剂对植绒产 品的内在质量起着关键性作用。它直接影响植绒产品的摩擦牢度、手 4 东华大学硕士学位论文第一章绪论 感等服用性能。粘合剂除了吸湿性、导电性以及低的表面张力等基本 要求外，还要求无毒、无味。 目前一般粘合剂都不透气，服用性能受到影响，因此透气、透汽、 透水等功能型粘合剂是值得研究开发的。由于植绒产品应用面很广， 粘合剂也可以根据植绒产品的要求，从经济、实用考虑而有所不同。 对纺织品植绒目前多数是用丙烯酸类粘合剂，对皮革植绒一般用聚氨 酯类粘合剂l 。 1 4 3 基布 静电植绒基布材料非常广泛，除目前大多数所用的纺织品基布外， 还有塑料、皮革、纸张以及木材、金属等各种材料。就家纺产品而言， 主要是纺织品基布。对植绒基布也有一定要求，特别是均匀性、与粘 合剂的共容性、表面要平整无疵点、耐高温、纱支经、纬密度合适。 国外植绒装饰材料面料所用基布多数为经纬密度较稀的织物3 1 。 总之，植绒基布、粘合剂、绒毛三要素的选择要根据绒毛产品的 要求而定。 1 5 国内、外静电植绒业的发展 静电植绒研究始于2 0 世纪3 0 年代的德国。从19 41 年开始，欧洲 的静电植绒业逐渐发展起来：在上世纪五十年代，日本开始研究和应 用静电植绒产品。目前德国、日本、意大利、美国等国在植绒产品深 加工方面处于领先地位。而我国的静电植绒行业是在2 0 世纪7 0 年代 兴起的，是一个新兴行业。从8 0 年代初期开始，我国静电植绒行业进 入大发展时期，植绒企业从7 0 年代的十几家发展到目前的几百家，拥 有植绒流水线4 0 0 多条；并在浙江绍兴和福建石狮等地形成了颇具规 模的静电植绒专业市场【引。 目前的市场环境下，植绒产品在世界范围内的一个重要趋势是向 产业用植绒发展。以下介绍一些重要的产业用植绒的发展方向。 1 5 1 绝缘材料 绝缘材料的作用原理是在多层膜结构之间分布间隔材料，从而使 其中布满静止空气。间隔纤维采用静电植绒加工工艺垂直分布于双层 东华大学硕士学位论文第一章绪论 膜之间，多层植绒膜的相互层加就构成了适应不同需要的绝缘材料。 这种绝缘材料的设计主要是基于热力学原理，即各层膜之间的静止空 气使热交换系数大大降低，通过选择适宜的材料，这种绝缘产品可应 用于多种产业用途。如：航天飞机的绝缘垫和汽车制造中的热绝缘片 竺【9 】 可口 1 5 2 隔音材料 通过采用不同类型的植绒纤维( 细度、长度) ，合适的植绒参数和 有选择的基布材料，植绒内饰可以有效的吸收不同频谱的噪音，当植 绒结构和其他纺织材料特别是无纺材料结合使用时可以最大限度的发 挥各自的优势，取得最好的吸音效果。作为差异化应用的一个新领域， 汽车内饰正逐步推广采用平面植绒产品，降低噪音。在民用领域植绒 产品可以替代目前使用较多的家庭装饰防潮膜，起到很好的吸音效果 【l o 】 o 1 5 3 植绒表面的等离子处理 等离子处理有真空等离子处理和低压等离子处理。通过等离子处 理在金属上植绒，目前等离子处理在植绒中应用较多的是医疗器械和 汽车工业。等离子处理的改进是硅化处理，表面硅酸盐涂层的硅化处 理可以防止金属的氧化和微生物的腐蚀，所以植绒织物可以作为防污 材料。比如船底植绒，为了防止微生物大量附着从而增加船体的重量， 无论从功效和成本而言，利用船底植绒来达到防污的目的无疑是最经 济和最环保的做法。植绒织物作为防污材料还可应用于钢、铝、混凝 土、玻璃纤维等 1 卜1 列。 1 6 静电植绒的研究现状 静电植绒的原理为绒毛以不同的角度被引入植绒区域，然后绒毛 本身在电场的作用下，绒毛发生极化，形成电极性，从而产生运动， 把绒毛植入涂有粘合剂的基材上。绒毛在植绒织物表面分布的密度、 均匀度和插入粘合剂中的深度决定植绒织物外观和服用性能，即植绒 织物的质量。植绒密度( 单位面积上的绒毛根数) 强烈影响植绒织物 的质量，而绒毛运动是形成植绒织物质量的基础。所以本文分别从绒 6 东华大学硕士学位论文第一章绪论 毛力学行为和植绒密度两方面来研究。 1 6 1 绒毛力学行为的研究现状 关于绒毛在电场中的运动规律方面的研究，l9 8 7 年张渠和徐盈 【1 3 、1 4 1 从纤维的平动和转动方面分别讨论了绒毛的受力方程，他们提出 了纤维带电的来源主要是感应带电，通过假定纤维在电场空间的状态 模型作为一两端带电的细长椭球体，算出短纤维感应带电产生的带电 量，同时提出了带电纤维在电场中的受力，这包括：库仑力及转矩， 镜像电荷对纤维的作用力和转矩，气流的作用力和转矩。然后综合分 析静电纺纱过程中的纤维在电场与流场共同作用下的运动方程组，通 过计算机模拟出纤维的运动轨迹，采用频闪摄影拍摄出纤维连续运动 的轨迹，得出了不同纤维品种、长度、形态和不同工艺条件下纤维的 受力和运动速度的大小和方向。蒋长贵和张渠1 15 】通过边界元法分析了 静电纺纱电极系统的三维电场。 19 9 8 年崔宝欣【1 6 1 第一次从静电植绒的角度分析了短纤维在静电 场中的力学行为，他把纤维当作一介质球体，通过拉普拉斯方程和边 界条件算出半根纤维上的饱和电荷，然后分析纤维在电场中的受力和 力矩( 忽略了纤维所受的空气阻力) ，理论上得出纤维在静电场的运动 是周期性的振动。 2 0 0 3 年胡盘新和杨纪松【1 】从理论上列出了绒毛在静电场中的转动 和平动方程，初步描述了绒毛的运动规律，得出无论绒毛在静电场中 的运动是平动还是转动，其最终形态是绒毛直立在电场中。 国外关于绒毛运动过程的理论分析研究很少。l9 7 5 19 7 7 年 i s m a i ld o g u 17 1 9 1 连续从静电纺纱角度讨论了单根纤维在纺纱过程中 的受力，电场区域纤维运动的分析以及纤维从喂入装置进入加捻装置 过程中纤维的速度的变化。 l9 9 7 年在美国纺织中心年度报告中y o n gkk i m 、a r m a n df l e w i s 和h o uy o u j u n 等【2 0 1 理论的描述了静电植绒过程中绒毛的受力，他们认 为纤维所受的空气阻力遵守s t o k e s 定律，在此基础上，他们从x 轴、 y 轴和z 轴方向定性描述了绒毛的运动方程。 7 东华大学硕士学位论文第一章绪论 a t n a g i z a d e 和p g r o s b e r g 2 1 】讨论了纤维在电场中的充电规律。 1 6 2 植绒密度的研究现状 国内外对静电植绒密度的评价方法、理论最大密度、实际植绒密 度的增加、影响植绒密度的加工变量等作了大量的研究。i n g h a b i l 和 e n b e r s h e v 2 2 1 不仅讨论了密度的测量方法和植绒密度对植绒织物质 量的影响，例如植绒织物的耐磨性和植绒牢度，而且还建立了形成最 大植绒密度的理论模型；后来e b e r s h e v 、n b e r s h e v 和l l o b o v a 等【2 3 】 分析植绒设备工艺参数和植绒密度之间的关系，讨论在使产品获得最 大植绒密度和均匀的绒毛质量下，得到最优工艺参数。y o n gkk i m 、 a r m a n df l e w i s 和h o uy u e j u n 等1 2 】通过高速数码照相机和一个图像分 析软件包分析绒毛的速度分布。n v e r s e t 2 4 】定性的讨论了植绒过程对植 绒密度的影响。v a s e m e n o v 、s p h e r s h 和b s g u p t a 2 5 2 6 1 从理论和实 际两个方面讨论了植绒织物可达到的最大植绒密度。r o d n e y l c o l d w e l l 、s o l o m o np h e r s h 2 7 1 和i n g j o a c h i mm u l l e r t 2 8 1 讨论了绒毛的 喂入量、机械变量和其它变量与植绒密度的关系。 1 7 本课题的研究意义和内容 1 7 1 本课题的研究意义 从l9 4 1 年欧洲的静电植绒业发展开始，国内和国外对于绒毛在静 电场中的受力运动研究很少，而且其分析大都是从静电纺纱的角度讨 论纤维在电场中的受力运动。事实上静电纺纱中纤维有规律的被引入 和引出电场区域；而静电植绒中绒毛是杂乱无章的进入电场区域，最 终根据绒毛本身的充电状况各自以不同的角度插入基布。有些研究虽 从静电植绒本身的角度讨论了绒毛的运动，但是这些理论模型基本都 是定性的讨论。所以，全面定量的讨论绒毛在静电场中的运动规律( 绒 毛的带电、绒毛在静电场中的受力、绒毛的平动、绒毛在电场中所受 的力矩、绒毛的转动) ，有助于从绒毛的种类、绒毛的长度和细度、绒 毛所处的电场强度以及植绒时间等角度了解各因素对植绒质量的影 响，提高植绒产品质量并优化工艺参数具有重要的指导意义。 植绒密度的研究前人主要集中在讨论最大理论植绒密度和植绒设 8 东华大学硕士学位论文第一章绪论 备工艺参数的关系，以得到设备最优工艺参数；实验讨论植绒原料与 工艺参数对植绒密度的影响，表明绒毛所带的静电荷、相对湿度和施 加的电场强度影响植绒密度：讨论了关于增加植绒密度的方法( 比如 引入导向电极) 。但是对于原料与工艺参数在实际过程中具体影响植绒 密度的研究甚少，因而建立植绒密度与其具体的数学关系显得越发重 要。这不仅可填补这一理论的空白，并丰富了植绒密度模型，有助于 人们深刻理解影响植绒密度的一些重要因素( 如纤维的种类、纤维的 长度和细度，静电场的极板电压、极板距离的选取以及植绒时间) ，以 及这些因素对植绒织物密度的具体影响，从而更进一步的指导生产实 践。 1 7 2 本课题的研究内容 本文的前半部分分析了植绒过程中绒毛运动模型，并分析了原料 自身参数和工艺参数对绒毛运动的影响；后半部分在实验基础上讨论 原料与工艺参数对植绒密度的影响，建立了不同原料下植绒密度与其 相关设备参数具体的数学模型。 i ：绒毛运动过程的分析 在假设绒毛为理想的椭球体的基础上，从绒毛在静电场中的充电 规律出发，根据纤维在与电极接触的情况下纤维获得的剩余电荷量， 分别建立了植绒过程中在外加电场作用下绒毛的平动和转动的理论模 型。以尼龙绒毛( 1 8 dx1 1m m ) 为例，就绒毛插入基布时的理论值讨 论了植绒时间、电场强度、绒毛的带电量( 与绒毛的长度、细度和绒 毛的密度、绒毛的电导率和介电常数等有关) 、空气阻力系数对绒毛运 动的影响。 i i ：植绒密度的实验研究 从分析原料的各种性能对植绒密度的影响开始，讨论了纤维的长 度和细度，静电场的极板电压、极板距离以及植绒时间单因子影响植 绒密度的过程，具体描述了极板电压、极板距离和植绒时间影响植绒 密度的关系曲线：同时实验研究分析了原料和工艺参数影响植绒密度 的联合效应。以粘胶和尼龙绒毛为原料，实验采用正交设计，利用方 9 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 差分析法，对前面讨论的各单因子影响因素进行了显著性检验。在此 基础上分别就粘胶绒毛和尼龙绒毛建立植绒密度与纤维长度、纤维细 度、植绒时间、电场强度的一般多元线性回归方程，并对回归模型中 的参数进行了验证。 l o 东华大学硕士学位论文第二章绒毛运动的力学模型 第二章绒毛运动的力学模型 2 1 引言 绒毛在植绒织物表面分布的密度、均匀度和插入粘合剂中的深度 决定植绒织物外观和服用性能，即植绒织物的质量。绒毛带电的来源 主要是感应带电。经过电性处理的绒毛进入静电场发生感应带电和电 偶极化带电，在绒毛两端带上异性电荷q 。当绒毛运动达到与电极接 触时，其近端上的电荷对极板放电而中和，远端上的电荷继续充电， 最终绒毛带上剩余电荷，从而产生运动。绒毛的运动是由两个运动复 合而成的。 事实上，就纤维而言，既不是完全的导体，也不是完全的电介质 粒子。纤维本身不导电，但纤维上的水、杂质及油剂等使它具有定 的离子导电性。如果说纤维的导电性是指在电场作用下自由电子或离 子产生的定向运动，那么，纤维的介电性质是指在电场作用下束缚电 荷运动的宏观表现，其特征是外加电场作用下电介质的偶极化【29 1 。 因此，纤维在电场中的运动存在两种不同类型的电荷：一种是自 由电荷，这是导电物质所固有的；另一种是束缚电荷，是电介质所固 有的。而纤维充电引起的作用力，比作用在“未充电的”电介质纤维 上的力，以及引起电场与极化( 束缚) 电荷间的相互作用力，大3 4 个数量级【30 1 。 本章从纤维的充电规律出发，根据纤维在与电极接触的情况下纤 维获得的剩余电荷量，讨论了静电植绒过程中绒毛在静电场中脱离体 电荷的自由电荷的作用( 绒毛的平动和绒毛的转动) 。 2 2 纤维的充电规律 在分析电场内长形粒子( 例如纤维) 间的相互作用时，不仅需要 考虑粒子材料的介电性质，而且也应考虑粒子材料的电导率。 粒子的充电效果决定于带电粒子的电荷量的大小( 集中在粒子两 端上的电性符号不同的电荷量或粒子上一端形成同一符号电性的电荷 东华大学硕士学位论文第二章绒毛运动的力学模型 量) ，以及实现充电过程的时间长短。 电场内，粒子充电的动力学过程决定于指数方程式f 3 0 】： q = q 【1 一e x p ( t r ) ( 2 1 ) 式中：g 一电荷量： q 一饱和电荷量； r 一充电时间； r 一充电过程中的时间常数 充电时间常数是影响绒毛在电场内充电过程及其充电强度的重要 参数之。时间常数的大小与绒毛的几何尺寸及导电物理性能( 电导 率，介电常数) 有关，同时在某种程度上也与外部介质的状态有关【30 1 。 2 2 1 纤维在静电场中的两极充电 纤维在电场内获得剩余电荷有两种方法【3 0 l ：其一是电极充电，此 时纤维与静电场的一个电极接触而充电；其二是在电晕放电电场内充 电，包括处于体电荷范围内，沉积在纤维上的离子的充电过程。 具有离子导电性的纤维，当今入静电场经过一定时间后，由于静 电感应而充电，即不同符号的自由电荷集中在纤维相对的顶端上。充 电的这种形式称为纤维的“两极充电”。结果，使作用在两极充电纤维 上的电场力比具有极化( 束缚) 电荷的电场作用力大若干数量级。 b rq 。鱼m 西q0 ： 围2 1 龟强充电机理 如图2 一l 所示，位于电极上，且部分按电场方向定向的纤维上的 自由电荷发生分离。与电极极性相同的电荷g l 集中到远离电极的一端 上，而相反符合的电荷9 2 集中在靠近电极的纤维端上( 图2 1 中a ) 。 纤维和电极间接触的存在，导致电荷口2 部分中和而达到q 2 值( 图2 1 1 2 东华大学硕士学位论文 第二章绒毛运动的力学模型 中b ) 。电场力f = q e o 作用于这时形成的纤维剩余电荷口= l q l l - i q 2 l 上。 电荷窜2 诱发力忍( 镜象力) ，此力指向电极一侧，且与重力g 一起使纤 维保持在电极上。 毋+ g = f 当q 2 由于贴近电极的纤维端上部分电荷的中和，进一步减少时，弓 减少，而f 增大，力的平衡被破坏，因此纤维脱离电极。 电极充电过程中产生g l 和9 2 的现象，使电极上纤维具有很大的伸 直度并按电力线的方向定向，同时使纤维以很大的速度脱离电极 3 0 1 。 绒毛粒子两极充电的动力学由下式计算【3 0 】： q = q 【l e x p ( t r ) ( 2 2 ) 式中：q 一半个粒子上电荷的大小( q l 或9 2 ) ； q 一极限电荷或假定的极限电荷。 将纤维近似地看作拉长了的椭球体，并假设纤维的长度为z ，直径 为d ，椭球体的三个轴长分别为口，b 和c ，并认为其顶端的曲率半径 认为等于纤维的横截面半径【13 1 。即 图2 - 2 纤维梗型 口= l z b ：c ：瓜 纤维与空气的介电系数和导电系数 分别为占，7 与，c 。外加电场的强度 为e o ，而在椭球表面内外的场强分别为 e 1 和e 2 ( 图2 2 ) 。 根据文献f 1 3 】【30 1 ，在半根纤维的饱和电荷q 为 q = 而2 e o c o s o 丛# , + 趔r o0 - k ) ( 2 3 ) 式中：s o 一介电常数= 8 8 5 1 0 - 1 2 ( f m ) y 、占、，c 、s c 一纤维和空气的电导率和介电常数： e o 一外电场强度： k 一纤维在长半轴口方向的去极化系数； p 一纤维长半轴a 方向与外电场方向的夹角。 1 3 东华大学硕士学位论文 第二章绒毛运动的力学模型 去极化系数反映了电场通过椭球时，使外电场产生畸变的程度l j o l ： 尼= 每( 2 - - 4 ， 式中：e 疗一厂= 时，椭球顶端a 的电场强度法向分量( 图2 - 2 ) 。 对于拉长的旋转椭球体时( 口 b = c ) ，在半轴a 的方向上去极化系 数i f3 1 【3 0 】： 七= 等( n 等砌) c 2 叫 式中：e ：打丽一椭球的偏心距。 充电过程的时间常数f 和纤维的最大电荷q f 【3 0 1 f = 万日k + 7 e 翮o - k ) ( 2 6 ) 弘两厕 卜6 j 9 ，一z 卜b 2 尼一, e k ) e ，一战c 。s 侈】( 2 7 ) 如果考虑到外部介质( 空气) 的电导率= 0 和介电常数占c = 1 ， 则方程式( 2 3 ) ，( 2 6 ) 和( 2 7 ) 变成下式： a = x b2 氏e ocosok(2-8) f ：掣( 2 - 9 ) f = g o 一 y j 批 铲鲁【( 1 + 尼g 一1 肛，一正o c o s o ( 2 - - 10 ) 2 2 2 电晕放电电场中纤维的充电 纤维在电晕放电电场中的剩余电荷符号，与纤维在电晕电场内充 电时的符号相同。纤维在电晕放电电场内的运动特性，取决于介质的 湿度。当湿度为3 2 时，大量的纤维保持接通高电压瞬时的定向，而 某些纤维则转向，在垂直于电力线的方向定向；当湿度为58 时，所 有纤维的定向都与电力线方向一致；当湿度r 6 5 ，纤维完成定向的 时间更短，小于0 01 秒，纤维的方向即电场电力线的方6 - 1 3 0 1 。 1 4 东华大学硕士学位论文 第二章绒毛运动的力学模型 + b 一 图2 3 在低湿度条件下纤维在电晕放电 电场内的充电和定向过程 7 7 77 7 ：仃玎7 7 7 r 7 刀7 7 丌7 7 7 7 + 图2 - 4 在5 0 r 5 8 时，静电使纤维上自由电荷分离而产生力矩m c ，使长形粒子的 定向与矢量e 共线( 图2 4 a ) 。在这种情况下，负离子中和掉了纤维 一端上的自由正电荷，而纤维的这一端是转向电晕放电电极的( 图2 4 b ) 。 所以，由电晕放电电场中纤维的充电规律知道( 图2 3 和图2 4 ) ，在提高纤维电导率的情况下，分离自由电荷的强度加大，因而相 应地增加了中和离子流的电荷数量( 图2 4 b ) 。将纤维模拟为椭球体， 此时半只粒子表面上的剩余电荷量可参照方程式( 2 8 ) 式，另半只 粒子的表面电荷量已被离子流中和，而分散开的纤维上的