（纺织材料与纺织品设计专业论文）织物液态水传递过程性能研究.pdf

摘要 服装( 或织物) 的热湿舒适性能研究有几十年的历史，在这几十年中，国内外许 多专家学者就服装( 或织物) 热湿舒适性的内在机理的探讨、测试仪器的研制、实验 方法等方面都做了大量深入而细微的工作。其中，织物内部液态水传递性是舒适性 研究的一个重要方面。关于这方面的理论研究，仍然是基于流体力学的毛细芯吸理 论，说明了毛细管内部液态水的运动的最终高度与时间的关系，但并没有说明在液 态水具体运动过程中的动力学特性和传递机制；关于液态水传递性能的测试和评价 主要还是芯吸法，不能说明液态水运动过程的速度和运动机理，这些都已不能满足 当前夏季服装导湿快干织物研发和测定的实际需要。 本课题根据织物含水量与电压的相关关系原理，织物润湿后，电阻大幅下降， 在织物上按一定规律布置一些金属探针，测定各探针之间的电阻值的变化，以得到 液态水在织物上的传递规律。测试仪器将织物电阻值参量转换成电压信号输出，并 将模拟电压信号转换成数字信号直接输入计算机，利用计算机强大的数据采集和处 理功能，实现快速测量织物液态水传递性能的实验系统。 以流体力学理论、毛细管芯吸理论和经典力学理论这三大理论作为基础，讨论 了纱线内部毛细芯吸高度与时间的关系；作为织物整体，分析织物中液态水的传递 规律，讨论了织物截面填充系数、织物厚度、液体情况等对织物内部液态水的传递 的影响。作为多孔介质的织物，在小空问短时范围液态水的传递具有冲击效应，分 析了液态水在织物中传递的机理，推导了织物中液态水传递非f i c k 效应的方程，分 析织物本身及外界条件对非f i c k 效应的影响。 结合纤维品种和截面形态、纱线捻度、织物密度及外加液体浓度、织物放置方 式等各种因素的影响，测量了织物中液态水的实际传递情况，研究它们与织物中液 态水传递的关系。对实验结果进行分析和处理，得出不同于经典湿传递规律：在快 速小范围内，织物中液态水的传递规律规律表现出了非f i c k 现象，表现为液态水在 织物空间点上的浓度有一个突然的升高，随着水的传递的向较大空间范围扩展，又 表现了典型的f i c k 传递规律，传播速度逐渐变小。同时，通过对比试验研究，认为 芯吸过程可以分为两个阶段，第一个阶段为高速芯吸阶段，这段时间内织物芯吸速 度较快，第二个阶段为芯吸趋于平衡的阶段，这一阶段内芯吸速率减慢，芯吸高度 逐渐趋于稳定。 关键词：织物液态水芯吸测试非f i c k 效应 a s t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo fl i q u i dw a t e rt r a n s f e r p r o c e s sw i t h i nf a b r i c a b s t r a c t t h es t u d yo nt h e r m a la n dm o i s t u r ec o m f o r tp r o p e r t i e so ft h ec l o t h i n g ( f a b r i c ) h a sa h i s t o r yo fd o z e n so fy e a r s d u r i n gt h e s ed e c a d e s ，al a r g ea m o u n to fd e e pa n dc a r e m l w o r ko l lt h ei n h e r e n tm e c h a n i s mo ft h et h e r m a la n dm o i s t u r ec o m f o r t a b l e n c s s ， d e v e l o p m e n to fn e wh l s t r a n a e n ta n dt h en e ws e t t l e m e n to fe x p e r i m e n tm e t h o do ft h e c l o t h i n go rf a b r i c ，h a v eb e e nt a k e nu pb ym a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r si nc h i n aa n da b r o a d a n d ，l i q u i dw a t e rt r a n s p o r t a t i o nt h r o u g hf a b r i c si sav e r yi m p o r t a n ta s p e c to fc o m f o r t r 鼯e a r c h t h et h e o r e t i c a lm s e a r e hi ss t i l lb a s eo nh y & o m e c h a n i c a lc a p i l l a r yw i c k i n g t h e o r y , i te x p l a i n st h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nt h et i m ea n dt h eu l t i m a t ew a t e r - t r a n s f e r h e i g h ti nt h ec a p i l l a r yp i p e t h et e s ta n da p p r a i s e a lo fw a t e rt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r e a l s oa c c o r d i n gt ow i c k i n gm e t h o dm a i n l y ，w h i c hc a nn o te x p l a i nm o v e m e n tv e l o c i t ya n d m o v e m e n tm e c h a n i s mo ft h el i q u i dw a t e r a l lo ft h e s ec a nn o tm e e tt h ec u r r e n ta c t u a l n e e d so f r e s e a r c ha n dt e s to f m o i s t u r e t r a n s f e ra n df a s td r y i n gc l o t h i n gi nt h es u m l n e r a c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i v i t yb e 铆e e nt h em o i s t u r ec o n t e n ti nt h ef a b r i ca n dt h e v o l t a g et e s t e do ni t ，a f t e rf a b r i cb e i n gm o i s t e n e d , t h ee l e c t r i e r e s i s t a n c eo ni t d e c l i n e r a p i d l y s o m em e t a lp r o b e sw e r ep l u g g e di n t ot h ef a b r i ca c c o r d i n gt or e g u l a rp a t t e r n , t o d e t e r m i n et h ec h a n g eo f r e s i s t a n c ev a l u eb e t 、v e e ne v e r yp r o b e ，s t ) t h a tt h et r a n s f e rp a t t e r n o ft h el i q u i dw a t e rt r a n s f e ri nt h ef a b r i cw a sg o t t h et e s t e rc h a n g e st h ep a r a m e t e ro f v a l u eo fr e s i s t a n c ei nt h ef a b r i ci n t oav o l t a g es i g n a la n dp u s h e so u t a tt h es a n l et i m e ， t h es i m u l a t i v ev o l t a g es i g n a l sw e r ec h a n g e di n t od i g i t a ls i g n a l sa n dd i r e c t l yi n p u t t e di n t o c o m p u t e r u t i l i z i n gt h es t r o n gf u n c t i o no ft h ec o m p u t e rt og a t h e ra n dd e a lw i t hd a t a ，t h e p u r p o s eo ft e s t i n gl i q u i dw a t e rt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei nt h ef a b r i ca u t o m a t i c a l l y ，w a s a c h i e v e d b a s e do nt h et h r e et h e o r i e so fh y d r o d y n a m i c s ，c a p i l l a r yw i c k i n ga n dc l a s s i c a l m e c h a n i c s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t 、】l r e e nt h et i m ea n dt h ec a p i l l a r yw i c k i n gh e i g h ti n s i d et h e y a mw a sd i s c u s s e d ；c o n s i d e r i n gf a b r i ca saw h o l e ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h el i q u i dw a t e r t r a n s f e rp a r e mi n s i d et h ef a b r i c ，d i s c u s s e dt h ee f f e c t so ff a b r i c sc r o s ss e c t i o nt i l l i n g f a c t o r ，f a b r i ct h i c k n e s s ，l i q u i d sf a c t o ro nf a b r i c sl i q u i dw a t e rt r a n s f e r f a b r i ca sak i n d s o f p o r o u sm e d i a , i nw h i c hl i q u i dw a t e r ，f o re x i s t i n gi ns m a l ls p a c ea n ds h o r tt i m er a n g e ， t r a n s f e r ss h o w i n gi m p a c te f f e c t t h el i q u i dw a t e rt r a n s f e rm e c h a n i s mi nt h ef a b r i cw a s a n a l y z e d t h ee q u a t i o no fn o n t i c ke f f e c tw a sd e r i v e dw h e nw a t e rt r a n s f e r si nf a b r i c a n d t h ei n f l u e n c eo f f a b r i ci t s e l f a n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o no nn o n t i c ke f f e c tw a sa n a l y z e d w i t ht h ei n f l u e n c eo f a l lf a c t o r ss u c ha sf i b e rv a r i e t y , c r o s ss e c t i o ns h a p e ，y a mt w i s t ， f a b r i cc o n s i s t e n c y , i m p o u r e dl i q u i d sc o n s i s t e n c y ，a n df a b r i cp l a c e m e n tm a n n e re r e ，t h e f a c t u a lt r a n s f e rc i r c si nt h ef a b r i cw e r em e a s u r e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ef a c t o r s a n dw a t e rt r a n s f e ri nf a b r i cw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l tw a sa n a l y z e da n d d i s c u s s e d ，a n dac o n c l u s i o nd i f f e r e n tf r o mc l a s s i c a lw a t e rt r a n s f e rr u l ew a se d u c e d ：i nt h e s p e e d i n e s sa n ds m a l ls p a c er a n g e ，w a t e rt r a n s f e rp a t t e r nm a n i f e s t san o n - t i c kp h e n o m e n a , s h o w i n gu st h a tt h eq u a n t i t yo fl i q u i dw a t e ra l o n gt r a n s f e rp a t hh a sas u d d e ni n c r e a s e , a l o n gw i t hw a t e rs p r e a d sf n t h e r ，w h i c hs h o w sc l a s s i c a lt i c kp h e n o m e n a , a n dt h et r a n s f e r s p e e dd e c r e a s e sg r a d u a l l y a tt h es a m et i m ec o n t r a s te x p e r i m e n ta c c o u n tf o rit w os t a g e t r a n s f e rm o d e ：t h ef i r s tf a s tw i c k i n gs t a g ew h i c hs h o w sh i g hw i c k i n gs p e e d ，a n dt h e f o l l o w e dw i c k i n gb a l a n c e a b l es t a g ei nw h i c hw i c k i n gs p e e dd e c r e a s e sa n dt h ew i c k i n g h e i g h tt e n d st os t a b l e w r i t e db yw a n gb e ( t e x t i l em a t e r i a l t e x t i l ef a b r i cd e s i g n ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl a ik a n & s u nr u n - j u n k e yw o r d s ：f a b r i cl i q u i dw a t e rw i c k i n g t e s tn o n - t i c ke f f e c t 符号总表 符号含义单位符号含义 单位 毛细管截面积 m 2p 口 织物质量比电阻 q g ，a a纱线两根纤维中心距 i n q液体注入速度 m 3 s b纤维半径m 玑液体体积流量 m 3 ，s d b 质量扩散系数m 2 s r 织物电阻q d织物条宽度m r o 定值电阻q d s 微元控制体截面面积m 2 ， 毛细管当量半径 m f 毛细管阻力压降 n 毛细管水力当量半径 m ， 表面张力n f 时间 s g 重力加速度 m s 2u 电压 v h 织物厚度 m v 输出电压 v 虬毛细管压力损失系数 m v液体平均速度 m s j 薹全彗制单元的质量扩k g ( m s 2 ) 谚 织物芯吸系数 m s ” 。 散通量 7 j a + “妻蚕誓制单元的质量扩k g ( m s 2 ) x 扩散位移 m 。“+ “ 散通量 k 路径长度系数孝纱线和织物体积填充系数 l 液体扩散位移 m玎液体动力粘度p a - s l 不同方向扩散位移 日 接触角 r a d m回潮率 m 石 圆周率 m i n 进入控制体的质量 k g p密度 k g m 3 m 。 离开控制体的质量 k gp 0 液体浓度 k g m 3 i t i 质量 k g 盯 液气界面张力 n m p毛细管润周 m c a b 质量松弛时间 s 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论 文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院 有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅：学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名j形。翟 指导老师签名：瓤而1 扣澎擎 日 期：。7 夺i 厅招目 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 括本人己申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 一， 矾 班7 绎，讨枷 1 绪论 1 绪论 1 1 服装( 织物) 热湿舒适性研究现状 关于服装舒适性的研究己有很长的历史，而且随着社会进步和科技的发展，服 装舒适性能的研究已经成为现代纺织服装科技领域的前沿课题，日益受到各国纺织 服装领域学者的重视m 。许多科技工作者相继开展了纺织品热湿传递机理研究。1 、 热湿传递模研究0 1 、评价方法“1 、评价仪器”3 等方面的工作，以研究在不同状态状 态下，服装面料热湿传递的机理和途径。 早在1 9 世纪末，r u b n e r 就提出了以k r i g e r 圆筒作为人体局部简化模型来研究 织物的含水量与环境相对湿度对其保暖性能的影响。1 9 4 1 年g a g g e “1 等对服装的热 传递、隔热值( 热阻) 进行了研究，提出了服装隔热保温综合指标c l o 值。 w o o d c o c k m 、施楣梧、j o k i m “、y sc h e n 1 、李毅“7 1 从热湿传递过程中热 传递与湿传递的相互影响方面做过大量研究。王其“”3 通过对形成差动毛细效应的 条件的研究，得到织物差动毛细效应模型，并对模型进行了优化。陈运能。”从织物 孔隙率、接触角、织物厚度和表面凹坑的形态等方面分析了织物的润湿吸湿性能及 液态水蒸发的能力。近年来，不断有学者设计了各种类型的测试装置。先后有： f a m w o r t h 织物透湿率测量装置”删、原田织物微气候仪”1 、姚穆一y a s u d a 多功能织 物微气候仪睁”、w e h n e r - g i b s o n 织物微气候仪。1 、崔慧杰动态织物微气候仪乜9 1 等。1 9 6 2 年，w o o d c o c k 1 利用热平板仪提出了衡量织物透湿传递的性能的“透湿 指数”指标。姚穆”1 、龚文忠。“”1 、u m b a c hm 、蒋培清”等先后研制了不 同的微气候仪，可以获得织物微气候区内外空气层的温度场和湿度场、热阻、湿阻 等指标。2 0 0 2 年f a n j o ”、李俊1 等人改进了出汗暖体假人，可模拟真人的各种 姿势，实现了出汗的稳定性、连续性、出汗量和流速的微量控制。 在织物热湿舒适性的研究方面，湿汽透过织物的汽态湿传递和显汗条件下液态 水在织物中的传递及其导湿性能的测试是主要研究内容。 1 1 1 织物的湿传递研究 关于湿汽透过织物的湿传递研究，主要有传统的透湿杯法和较现代的干燥器 法。在透湿杯法方面，a s t m 3 法即美国国家标准，简便易行，便于测试大量的试 样，并能在静态条件下定量比较织物的透湿率；f o u r t l ”1 等人提出了多层法 ( m u l t il a y e r sm e t h o d ) ，可以非常方便地用等效静止空气层的厚度来表示结果。 w h e l a n “”等人设计了适用于中等或低阻抗的对照杯法，后来成为国际上测试织物 1 绪论 透湿性的一种主要方法。 为了克服透湿杯法测试时间长，实验精度较低的缺点，国际上采用r 管法“”、 d n d 法“”、c t r l 法m 1 和d s c 法“7 1 等非透湿杯法。加拿大g u e l p h 大学的s l a t e r k 等人 提出了r 管法，根据菲克( f i c k ) 定律确定织物的阻抗，采用相对湿度传感器测得织 物两边的相对湿度梯度。加拿大国防研究机构的f a m w o r t h b 等人提出了d n d 法， 通过温度确定水表面蒸汽压，但测试精度受水温偏差、试样厚度、水蒸汽传输率等 因素影响。印度棉技术研究实验室提出了c t r l 法，测试原理及仪器结构都相当简 单，测试方便，但实验需要采用高灵敏度的温度传感元件。后来加拿大国家研究委 员会的d a y m 等人还提出- j d s c 法，测试程序比较简便，测试精度较高，主要用来 评价消防服装的相对蒸发冷却效能。 1 1 2 液态水传递规律研究 在实际穿着过程中，服装中的含水量对织物的舒适感有重大影响。这一点对运 动服装来讲尤为重要，随着激烈运动的进行，人体大量出汗来维持正常体温，此时 显性蒸发占主导地位，这就需要运动服能迅速的进行湿热传递。为此，国内外对织 物的显性的透湿性做了大量研究工作。显汗不仅影响热平衡，还会影响皮肤触觉系 统，严重影响到穿着的舒适性，关于液态水的传递性能的研究也成为很重要的热 点。 沃什伯思“”( w 罄h b 哪) 对多孔结构和毛细管流动关系进行了研究，并在芯吸理 论的基础上，提出了被广泛认为是液体芯吸的动力学描述的w a s h b u r n 方程。迈纳 ( m i n o r ) “”等人研究了各种液体在纤维束中的移动，并且用纤维组合系统的润湿理 论来解释液滴在织物中穿透的现象。施e 纳( s c h w a r t z ) 咖3 从力学观点解释了这一性 能。熊杰。”等利用铺展因子和散失速率两个模拟量，得出机织物结构特征与液态水 传递性能的关系。邱冠雄“2 1 等根据液滴在织物上的毛细效应作用下沿织物间纤维向 内渗透，但不同织物渗透的时间不同的原理，通过分析水滴在织物上的形态变化， 并以水滴滴到织物到水滴完全消失所用的时间为标准，探讨了织物对水的导湿机 理。姚穆。”等应用润湿理论和毛细管理论研究了液态水在织物中传导的机理。邢孟 秋1 等通过试验定性的研究了纱线的捻度、单丝纤度、单丝横截面形状以及助剂对 芯吸性能的影响。王其“”1 等研究了差动毛细效应在织物液态水传递中的应用及形 成差动毛细效应的条件，假设纤维在纱线和织物中完全整齐排列的条件下建立了导 湿模型，计算了针织物的毛细输水量。庄勤亮”等研究了外加压力对针织物传湿的 影响，分析其传湿机理。 在这些理论的指导下，开发出了一大批导湿性能很好的织物。国际上著名体育 用品公司，如a d i d a s ，n i k e ，p u m a 等部专门设有运动服装研究机构。一些纤维生 1 绪论 产公司如美国杜邦、德国拜尔、日本帝人、钟纺、东丽公司等也积极开发导湿纤 维。目前导湿织物的研究开发可分为三大部分：导湿纤维开发研究、新型纱线和织 物组织结构的设计以及后整理的研究。 在纤维开发方面呻1 ：国际上，导湿纤维的开发多是以聚酯、聚酰胺、聚丙烯等 化纤的物理改性和化学改性进行的。国际上许多大型纤维公司都开发了自己的导湿 纤维品种，日本东洋纺公司开发了y 型截面长丝和中空长丝，帝人公司也开发了 中空微多孔纤维，纤维侧面有微多孔与中空部分连通，中空率1 5 2 0 。杜邦公 司也开发了4 沟槽的c o o l m a x 涤纶纤维。国内方面，总后军需装备研究所开发了 五叶五沟槽涤纶长丝，仪征开发了“工”字形截面的c o o l b s t 长丝和短纤。福建海天 也开发了五沟槽的c o o l d r y 涤纶纤维。 在导湿快干织物的开发主要集中在针织物方面，有单层结构。”、双层结构一1 及多层结构”1 。单层结构主要利用特种纤维的毛细管效应，韩光亭“”等就利用亲水 纤维和疏水导湿纤维的各自导湿性能不同设计了h 型结构。双面结构则利用疏水 型合纤作为织物里层，吸湿性天然纤维作为外层，设计的织物具有透热、透湿、吸 汗、快干的功能，其代表结构是t 型结构。双面结构则主要根据差动毛细效应设 计，利用疏水性纤维编制双层结构，里外层纤维细度不同，便产生了毛细效应，将 水从里层导向外层，且不会倒流。多层结构则是单层结构和多层结构的复合，外层 为粗特长丝，中层为吸湿性较好的棉或者涤棉纱，内层为疏水性的细特长丝，使汗 液通过毛细效应传递到中层，再传递到表层，表层则是耐磨性良好的涤纶变形丝。 在后整理的研究方面”“：这方面的研究多集中在对合纤的亲水性整理以及采用 低温等离子体处理或者射线法使纤维改性，使纤维达到最佳的导湿状态。对合成纤 维进行亲水处理，或对天然纤维进行疏水整理。对合成纤维进行亲水处理不仅能消 除或减小静电，而且能提高纤维的导湿能力。对天然纤维进行疏水整理，使液态水 疏导毛细效应良好，并减少水分子与纤维的结合，有利于快干。杜邦、海天等各大 公司相继推出与之产品相关的亲水剂和疏水剂，使导湿纤维达到最佳的导湿状态。 此外用低温等离子体处理或射线法使纤维改性，也是开发导湿织物的一种新颖的后 整理方法，该方法是将织物的一面用等离子体照射或射线照射，然后通过接枝聚合 而得到同时具有亲水性和疏水性性能的合成纤维织物。 1 1 3 织物湿传递的测试研究”1 纺织纤维放在空气中，会不断地和空气进行水汽的交换，即纺织纤维不断地吸 收空气中的水汽，同时也不断地向空气中放出水汽。纺织纤维吸收或放出水汽的性 能称为纤维的吸湿性。 吸湿性的测试方法很多，可以分为直接测试法和间接测试法。纺织品的许多特 1 绪论 性可以被用于间接测量，就测试纺织材料吸湿性方面为例，直接法是直接得到所需 要的指标，即含水率或回潮率的测量方法。而间接法从与所需指标相关的特性出 发，通过其他方法检测材料中的含水率。间接测试法一般具有快速的特点，甚至可 以不接触试样在生产上用作连续测定，便于回潮率自动监控，有很大的优越性。但 是，间接法所用的仪器影响因素较多，在稳定性、准确性上还存在一定的问题。 传统的直接法测试方法是透湿杯法，该方法虽然简单易行，并能在静态条件下 定量比较织物的透湿性，但是测试时间长，实验精度低。许多学者力图寻求一种快 速、简便、精确的测试方法。目前国际上采用r 管法、d n d 管法、c t r l 管法和 d s c 管等几种方法，但这些方法都是针对汽态的透湿性测试。国内针对液态水导 湿性能的测试主要是扩散性能和吸湿速度的测试，指标主要有扩散时间，润湿面积 和芯吸高度等。 间接法是利用某些物理量，如电阻、介电系数、外来辐射的吸收等和材料回潮 率间的关系间接测得回潮率。主要有电容法、直流电阻法、高频阻抗法等。以电阻 式测湿仪为例，利用纤维的电阻与回潮率的关系，测知纤维的电阻间接测知纤维的 回潮率，事先应对一定种类的纤维的回潮率和电阻值作好标定，其数值可直接从纤 维回潮率的形式表示出来。 关于织物导湿性测试方法的研究，主要有芯吸法、垂直吸水法、滴液法等。目 测织物的芯吸高度是测量织物芯吸性能的通用方法。试样布条宽度为2 5 e m ，液体 ( 水或者o 5 重铬酸钾溶液) 温度控制在2 7 。c ，分别测试经纬向数据，取平均值计 算，测试指标选用3 0 m i n 内液体芯吸上升高度作为芯吸效应指标。对于白色或浅色 织物，为了便于观察，一般使用可稀释的有色溶液，也可以在试样上用彩色水笔画 上线条。垂直吸水法是将织物一端吊在称重仪器上，另一端浸入水中，测量一定时 间内织物的吸水量。滴液法是将织物平置，用注射器滴入一定量的液滴，观察液滴 从开始扩散至扩散停止时织物的润湿面积或消耗时间。该方法可以模拟人体出汗 时，汗液在织物表面扩散并蒸发到大气中的过程。此外，还可以采用光学方法对芯 吸性能进行研究，在芯吸过程中，随着液面的上升，织物分为芯吸部分和未芯吸部 分，将这两个部分分别定位o 和1 两个状态，以光学传感器对其进行分辨，即可以得 到芯吸高度h 及芯吸速率的指标。 1 2 当前织物中液态水传递研究和测试存在问题 关于织物中液态水传递理论的研究，是基于流体力学的润湿理论和毛细芯吸动 力学理论。沃什伯恩方程在此基础上，忽略重力的影响，通过毛细管流体流动关系 的研究，提出了液体芯吸的动力学描述的w a s h b u m 方程；迈纳( m i n o r ) 研究了 4 l 绪论 纤维组合系统的润湿理论，描述各种液体在纤维束中的移动，解释液滴在织物中穿 透的现象。他们都是通过研究毛细芯吸现象与织物结构参数的关系，获得的液体芯 吸高度或者芯吸高度与时间的关系，没有涉及液态水测量过程中，水分的传递的 微观行为和具体传递过程中的行为机制。 目测法在织物液态水传递的测试方面，也存在着明显的缺陷。测试芯吸高度这 一单一指标，观察上存在困难，受人为因素影响较大，数据的准确性较差：实验只 能测定织物最大导湿能力，而无法得到液体在织物中各不同位置的传导速度：实验 每一次只能测量织物一个方向的毛细效应高度，必须测量两次才能反映织物的液态 水传导能力；测试时间较长( 3 0 m i n 左右) ，受环境蒸发影响较大：测得的指标是最 终芯吸高度，并不能解释织物中液态水传递具体过程中传递机理。垂直吸水法测量 织物液态水传导能力时。要求不同试样宽度方向同时吸水的纱线( 或毛细管) 根数必 须相等，称重仪器必须能连续测量，对试样准备和称重仪器要求较高；获得的指 标是一定时间内织物的吸水量，并不能表达织物在芯吸过程中液态水的传递规 律。采用光学传感器测量织物芯吸的方法，对有色织物特别是印花织物受到织物 颜色影响，使图像采集受到较大干扰，影响测试效果，仪器造价较高，普及应用还 有一定困难。 1 3 研究目的和意义 织物的液态水传递性能是舒适性研究的一个重要方面，关于织物液态水传递仍 然是表面张力和毛细芯吸理论，随着科学技术逐步由宏观向微观和短时领域发展， 传统的理论已不能解释织物发生液态水传递的一些现象。传质学中多孔介质传质理 论也在进一步向微观和短时发展，发现了一些新的规律。加上液态水在多孔状织物 中的传递过程的微观机制极为复杂，有分子扩散( 包括本体、努森及表面扩散) ，热 扩散，有体积力的影响，同时也存在着毛细管流。实际中，这些形式的传质现象很 少单独作用，往往同时存在。在各种类型的传质都不能忽略的情况下，必须统筹加 以考虑。因此，利用实验测试手段进行研究，对于从理论上解决液态水在织物中的 传递问题将提供坚实的物理基础，具有重要的实际意义。 对织物中液态水传递规律的进步研究不仅可以丰富织物中液态水传理理论内 容，可更好地服务于导湿快干织物开发的实际，有助于人们进一步认识织物中液态 水传递过程中具体的行为机制。 织物中液态水传递实验受到测试手段和测试仪器的限制，需要研究织物中液态 水快速测量装置。随着传感器技术和计算机技术的迅猛发展，快速测试技术得到迅 速发展，使实验研究织物中瞬态扩散传质规律成为可能。 1 绪论 本文在分析以前传统传湿理论的基础上，设计快速试验系统，结合多孔介质的 传质理论分析织物中液态水的传递规律。以验证织物中的瞬态传湿是否满足非f i c k 效应，正确地描述快速瞬态分子扩散传质过程的动态特性。 1 4 主要研究内容 基于以上关于织物中液态水传递的测试和理论的分析，本课题主要研究以下几 个方面的内容： 分析织物结构特征和水分在沿织物孔洞中的传递路径，研究织物的传湿机理及 传湿规律，从不同角度研究织物中液态水传递规律，探讨织物中非f i c k 效应传递 理论规律及解析方法。 设计织物液态水传递规律快速测试装置，研究织物液态水传递过程中液态水含 量变化规律。 比较研究快速测量装置测试结果与传统方法测试结果，分析织物中液态水传递 过程的性能。 测试织物材料、纤维截面形状、纱线捻度、织物密度等纺织材料本身物性参 数：不同间隔条件下、外加浓度、织物纺织放置方式、外界条件等条件下织物中液 态水的传递规律，研究织物液态水传递机理及其影响因素，对导湿快干织物设计做 出理论指导。 6 2 织物液态水传递规律理论分析 2 织物液态水传递规律理论分析 2 1 织物结构特征 织物组织结构和孔洞结构特征参数，是研究液态水在织物中传递性能规律的首 要条件，因此有必要分析织物的基本结构特征 织物中孔洞的具体形态包含了三个层次：织物中纱线间孔洞、纱线中纤维间的 孔洞和纤维中孔洞。 织物的基本组织结构形成了织物中纱线间的孔洞，一般织物的孔隙是贯通性 的，挤紧织物的孔洞是非贯通性的，取向垂直于织物平面，截面形状有一定的规律 性。例如平纹机织物中纱线问的孔洞可以描述为图2 1 所示的一对外口大、内口 小、小口对小口连接、截面为瘦角方形的喇叭，且方口喇叭有一定方向的旋转。 兰，_ 斜纹织物中纱线间的i l 洞为两端口大、中央口小的背对背的一对喇叭，截面形 2 状呈不规则的哑铃形，平剖图如图2 2 所示。孔洞分布特征是各层次的孔洞是有序 且各向异性的。织物中纱线间的缝隙孔洞横向尺寸一般在2 0 2 0 0 0 u m 。 笏兹 物缆 图2 - 1 平纹织物纱线间孔洞的剖面示意图图2 - 2 斜纹织物纱线间孔洞的平剖图 纱线内纤维问的缝隙孔洞主要是由于纺纱方式、捻度、纤维之间的抱合等的差 异形成的，基本上都是贯通性的，沿织物平面的法线取向的，横向尺寸一般在 o 2 2 0 0 u m 间，大部分在l 6 0 u m 之间。 纤维内的孔洞主要是纤维内的孑l 腔( 如棉、麻的中腔、粗毛纤维的毛髓、中空 纤维的中腔等) 及各类原纤( 基原纤、微原纤、原纤、巨原纤) 之间的孔洞缝隙。前者 尺寸较大( 横向尺寸o 0 5 o 5 u r n ) ，相当一部分是非贯通性的：后者横向尺寸较小 ( 1 1 0 0 u r n ) ，基本上是贯通性的。纤维间的孔洞基本上是沿纱线轴心的空间的曲线 取向的。 织物在某些特种整理加工后，各种层次的孔洞都可能变成非贯通性的，有的加 2 织物液态水传递规律理论分析 工封闭小孔洞而不封闭大孔洞，也有的封闭大中孔洞，只保留了很小尺寸的孔洞。 有些织物后两种层次无法区分，基本上只有纤维内孔洞和纤维间两个层次的孔洞。 综上可以看出，织物中孔洞形态、尺寸差异。但仍有其共性：各层次孔洞基本 是贯通的，且数量比例差异很大，横向尺寸分布范围很广，但各层次孔洞的数量则 有一定分布，从而使各类横向尺寸孔洞的数量总体上呈现一种多峰的特征分布。 关于织物上述三个层次的孔洞的液态水传递通道的孔径的描述，在流体力学管 道流动模型中主要体现为孔洞的当量半径。其定义为截面面积a 与润周s 之比， 即： d 2 ( 2 - 1 ) 姚穆。1 提出了利用多孔材料的孔隙率6 与与比表面积a 的比来表示： d 2 玖 ( 2 _ 2 ) 统一了各种不同堆积模型的当量半径指标，解决了孔径沿长度方向截面大小和 形状不确定的各种孔径变化条件的当量直径，而且孔隙率和比表面积更易于测量和 计算。 2 2 织物材料的润湿 依据液态水在织物中传输过程，织物润湿是织物芯吸和毛细现象发生的前提条 件，要考察织物导湿问题必须首先分析织物润湿理论基础。 2 2 i 润湿条件 润湿和芯吸扩散之间存在着不可分割的关系。润湿是芯吸扩散发生的前提，不 可润湿的固体就不可能产生毛细芯吸现象”1 。根据纺织材料表面物理化学理论，润 湿是液体在固体表面扩散，以液一固界面取代气一固界面的过程：芯吸是指织物中 纤维形成的毛细管处于水平位置时，毛细管中的液态水在外力场的势能差时，由于 毛细管中气固界面张力自动引导液体流动的现象。对润湿最直观的方法是用接触角 来表示，如图2 2 所示。 远q 囊 ( a ) 润湿( b ) 不润湿 图2 - 2 液滴状态图 8 2 织物液态水传递规律理论分析 口为三相点上液气界面张力( 简单理解为液体表面张力) 与固液界面张力方向 的夹角，称为接触角，或润湿角。当液体在固体表面上平衡时，在三相点受到的 三个力平衡，其润湿平衡符合y o u n g 氏方程： 盯研= 口耻+ 盯gc o s o ( 2 - 3 ) c o s 口：垒二垒 盯 当日为0 。时，液体完全润湿固体； 9 0 0 时，液体不润湿固体 ( 2 4 ) 口小于9 0 0 时，液体部分润湿固体；p 大于 作为由纤维、纱线构成的三重多孔的织物，织物的湿传递包括纤维的润湿、纱 线毛细效应等基本方面。 2 2 2 润湿方式 单纤维具有浸润性，其过程包括两类现象：一是纤维与液体的平衡浸润，即当 液体与纤维表面接触后，其状态基本上不发生变化而保持稳态的浸润，称为静态浸 润：二是纤维的非平衡浸润，即液体与纤维接触后，整个浸润过程中的液固界面在 不断的扩展，固、液、气交汇点在不断移动，称为铺展浸润或动态浸润。对于纤维 集合体，即使是原平衡态的浸润也会表现为非平衡态特征，即气、液、固交汇点会 在空隙的表面上发生长时间的移动，称为芯吸( w i c k i n g ) 。 织物表面纤维在与水滴接触及润湿有多种情况，最常见的有如图2 3 中的几种 方式： ( a ) 单纤维一端刺入水滴被润湿； ( b ) 单纤维曲弧面与水滴接触并被润湿； ( c ) 平行纤维束刺入水滴并被润湿； ( d ) 平行纤维束曲弧面与水滴接触并被润湿； ( e ) 水滴在织物纤维束间传输： ( f ) 水滴夹持在织物纤维束间。 9 2 织物液态水传递规律理论分析 捌怒糕热 糕趣 2 3 织物内液态水传递规律 2 3 1 织物中液态水传递过程特征 ( ) 图2 - 3 纤维润湿方式 织物的液态水传递性能，是决定服装舒适性的一项重要物理参数。当外界湿度 等于或超过体表湿度或者人体进行激烈活动时，人体会大量出汗，当出汗量超过织 物透湿量时，会发生液态水的传递。这时需要考虑织物结构与纤维毛细传递性能对 织物湿传递性能的影响。 织物从整体特征看来，是由纤维结构、纱线结构和织物结构构成。第一层的纺 织纤维在空气中会吸湿以降低其表面能。第二层多孔介质是组成织物的纱线，其间 含有大量的空气和间隙，并且倾向于取向排列，湿的传递沿径向较大，轴向略小。 霍利斯的研究说明：液态水在织物中的传递主要依赖于毛细效应，织物中的液态水 的传递速率与组成织物的纱线的液态水的传递规律基本一致，即织物中液态水的传 递规律主要是由于纱线内部所形成的毛细效应决定的。液态水在毛细管中的传递速 度是由纱线内纤维的分布决定的，而不是纤维材料本身决定的。第三层多孔介质则 是织物的基本结构。在织物内部，热湿流由纱线表面传入纱线内部后，主要沿纤 维、纱线的轴向传递。 2 3 2 纱线芯吸模型 虽然纺织品基质材料具有复杂的结构，但研究液体在这种材料中的运动通常采 用简单的毛细管流体模型，这种方法可定性地描述液体的运动过程。由于织物中孔 洞缝隙的复杂性和多样性，有必要对织物中孔洞的基本特征进行分析，然后简化模 型，进而利用流体力学原理求解纱线导湿性能。 纱线中纤维排列的结构存在多种形式，仅以常见的六方堆积和四方堆积纱线结 构模型( 如图2 - 4 和2 5 示，假设纤维截面是圆形，且纤维在纱线中均匀分布) 为例 1 0 2 织物液态水传递规律理论分析 分析纱线内部芯吸高度与时间的关系。 oo 图2 - 4 纱线六方堆积模型 图2 - 5 纱线四方堆积模型 a 六方堆积截面纱线毛细扩散模型如图2 - 4 示，假设纱线的体积填充率为手， 纤维半径为b ，相邻两根纤维中心距离为a ，a o 。o ：o ，为等边三角形，边长为a ，纱 线水平放置，则纱线的体积填充率为善可表示为： q 2 豢：等 任s ， 善2 1 磊2 筹 ( 2 - 5 a o ，o ：o ，内包含的毛细管截面面积a 为： j 4 ：昙d zs i l l 罢一昙石b z ( 2 6 ) 232 毛细管润周p 为： p = ，r b ( 2 - 7 ) 毛细管水力当量半径t 为： 2 竖石6 2 ：丝：j l ：毕6 ( 2 - 8 ) 。p石bf 毛细管液体弯液面与毛细管接触周边的表面张力的垂直分量厂为： 厂= p a c o s o = 石b a c o s 0 ( 2 - 9 ) 式中：仃一液气界面张力( n m ) 。 毛细管阻力压降f 为： 尸： ，p ：墨写生! 户g