（纺织材料与纺织品设计专业论文）变密度纤维集合体的压缩、透气与隔声行为的组合表征[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

变密度纤维集合体的压缩、透气与隔声行为的组合表征 摘要 纤维集合体密度变化时对其透通性的影响，是目前实际测量与理论解释中的 难点与空白，其原因在于目前尚无实现这一动态组合要求的原位测量方法与装 置。本文所研制的“变密度纤维集合体力学行为和传导性的原位综合测量系统 ( f a c b e s 0 1 ) ”正是解决了同一纤维集合体试样体积密度变化时的多种性能的 同时测量问题，文中针对实用中最主要的力、气、声传递性进行了研究。 首先，本文研究了羊毛、山羊绒、腈纶、鹅绒、木棉五种常用纤维集合体的 压缩性能。发现除腈纶纤维外，其他纤维在同一时刻主力与受力曲线几乎完全重 合，二力的滞后差异未能体现，并且求得的二力差值在很小的波动范围内，而腈 纶集合体所出现的力值差增大现象，主要由腈纶纤维粘、糙的表面特性所决定。 压缩过程也可分为三个区：近似线性区、转变区( 或滑移变形区) 、模量线 性增加区，其中转变区较复杂，有时会发生纤维间的移动错位引起的屈服特征。 所选五种纤维集合体的压缩曲线、压缩模量曲线及压缩回复圈大小及形状存在差 异，是识别特征。而同一种集合体压缩曲线中的各阶段并不一定都表现充分。 研究还发现，纤维排列形式对集合体压缩及回复性能产生很大影响。随机排 列集合体可以看成是一种各向同性的均匀结构，而纤维团随机放置的集合体属于 多界面结构，纤维团对于随机纤维而言，是一种略微刚性的结构，而随机排列属 柔性结构。刚性结构间的压缩力增长速度要快得多。但集合体压缩变形回复的能 力几乎不受纤维排列方式的影响，主要由纤维自身的回弹能力决定。 对有无筒壁约束条件下的压力对比表明：有筒壁约束条件下的压力远远大于 无筒壁约束下的压力。压缩进行中纤维集合体发生侧向膨胀变形，因筒壁的存在， 集合体与筒壁间发生强烈地挤压与摩擦，上压力迅速下传，压力及压缩模量增加 迅速。而无约束时集合体有较大的自由空间发生膨胀与变形，体积密度增加缓慢。 其二，本文首次拍摄到异种纤维集合体压缩过程中的纤维形态各不相同，压 缩明显改变了纤维间的相对位置，纤维的弯曲变形并不像预想中那样占据变形的 主导地位，这与纤维长短有关。纤维位于集合体中的高度与压缩过程中集合体高 度的变化量( 压缩位移) 线性相关，同一根纤维对于整体纤维塞的相对位置不随 压缩的进行发生明显变化。纤维塞上层( 主施力端) 体积密度较中层及下层的体 积密度增加快，其次是中层，最后是下层，故纤维塞压缩为非等比例非均匀压缩。 对不同种类和排列的纤维集合体透气性与体积密度及纤维体积分数间变化 规律的研究表明：可将k o z e n y 公式近似为集合体两端气压差与集合体体积密度 间的二次多项式的表达形式，以此直观和简便地反映出材料的透气性能。 在体积密度较小的情况下，不同种类随机排列集合体的透气性能相对比较接 近；随着体积密度增大，纤维塞间透气性出现明显差异。同时，相同体积密度的 集合体两端气压差比较，所得透气性从优到劣的排序为：羊毛山羊绒腈纶 羽绒木棉，这主要由纤维的形态与结构所决定；而在相同纤维体积分数下的 气压差值比较，透气性的从优到劣排序为：羊毛腈纶山羊绒木棉羽绒。 两种排序的不同，说明气流流过集合体时不仅与纤维体积分数的大小，也即孔隙 的多少有关，而且要考虑孔隙的形状、曲折程度、排列和孔径的分布。 对三种排列方式羊毛集合体的测量分析表明，在体积密度较小阶段及在体积 密度增大阶段的透气性的优劣排序是不同的。这也验证了纤维集合体孔隙多少、 排列及分布的影响。三种排列方式的k 值变化范围各不相同，随着纤维体积分 数增加，k 值均呈下降趋势。不同粗细纤维间的透气特征也存在一定差异。 其三，本文对纤维集合体透声实验表明，腔体对声音传播的影响较大，并且 声波的衰减与腔体中的接收距离有关，并受发声频率的影响。， 不同频率段下的声音，随机排列的纤维集合体，随其体积密度的增加声的衰 减程度及趋势存在差异，但本文五种纤维集合体的这种变化规律基本相同。透射 声强比的下降随声音频率的升高而逐渐趋于平缓。这说明高频声音受材料的结构 变化影响不大。低频声音透过纤维集合体的能力较高频声音强，高频的声强在纤 维集合体中衰减强烈，即纤维集合体对不同频段声音的吸收衰减能力不同。本文 提出将材料体积密度作为制造吸声隔音材料时实现节省原料、最优化材料的结构 参数，可以选择最有效的体积密度来实现所要求达到的声音衰减能力。 三种排列方式中，与随机排列相比，成团随机排列和竖直平行排列集合体的 体积密度变化对声音的衰减影响很小，这主要与纤维的排列状态、孔隙的数量及 分布密切相关，故孔隙率和结构因子是造成纤维集合体声音衰减的主要特性。 关键词：纤维集合体原位测量变密度压缩透气性吸声隔声孔隙率 2 c h a r a c t e r i z a t i o nf o rt h e c o m p r e s s i n g ，a i rp e r m e a t i n ga n d a c o u s t i ci n s u l a t i n gb e h a v i o r so ff i b e ra s s e m b l i e sw i t h d e n s i t yv a r i a t i o ni ns i t u a b s t r a c t w i t hf i b e ra s s e m b l yb u l kd e n s i t yv a r i a t i o n ，t h ep e r m e a b i l i t yo ff i b e ra s s e m b l y h a sn o tb e e ns t u d i e db e c a u s et h e r es t i l lh a sb e e nn os u c hm e t h o da n d a p p a r a t u sf o r m e a s u r i n gt h ef i b e ra s s e m b l yp e r m e a b i l i t yw i t hb u l kd e n s i t yv a r i a t i o ni ns i t u t h i s s t u d yj u s tp r e s e n t e dan e wa p p a r a t u s ，af a c b e s 一01 ( f i b e ra s s e m b l yc o m p l e x b e h a v i o re v a l u a t i o ns y s t e m ) d e v e l o p e db ya u t h o r s ，f o rm e a s u r i n gt h ep e r m e a b i l i t yo f f i b e ra s s e m b l i e sw i t hd i f f e r e n tb u l k d e n s i t y t h i sa p p a r a t u sp r o v i d e sak i n d o f m u l t i - f u n c t i o n a lm e a s u r e m e n ts ot h a tt h ec o m p r e s s i o np r o p e r t y , t h ea i rp e r m e a b i l i t y a n da c o u s t i ci n s u l a t i o no fa f i b e r - p l u gc o u l db ec h a r a c t e r i z e ds i m u l t a n e o u s l yw i t ht h e d e n s i t yv a r i a t i o nf o rf i b e ra s s e m b l i e s i t se x c e l l e n c e sa r ep r e c i s i o n ，m u l t i f u n c t i o na n d a u t o m a t i z a t i o n i tf i tt ot h em e a s u r e m e n tf o rv a r i o u sf i b e ra s s e m b l i e s f i r s t l y , t h ec o m p r e s s i o n a lb e h a v i o ro ff i v ef i b e rh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i s p r e s e n tt h e s i s ，i e w o o l ，c a s h m e r e ，a c r y l i c ，g o o s ed o w na n dk a p o k e x c e p ta c r y l i c a s s e m b l i e s ，t h et o pf o r c ea n db o t t o mf o r c ep u to nt h ea s s e m b l i e sf o rt h eo t h e rf o u r f i b e r sw e r ea l m o s ts a m e t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w of o r c e sw a sl i t t l e ，a n dt h e l o s sw o r kw a sa l s os m a l l t h a ti st os a yt h e t o pf o r c em a yg e tb a l a n c ew i t ht h eb o t t o m f o r c ei n s t a n t l y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w of o r c e sa c t e do n a a c r y l i ca s s e m b l yw a s e n h a n c e di nc o m p r e s s i n gd u et ot h es l a b b ya n d r o u g hs u r f a c eo fa c r y l i cf i b e r t h e c o m p r e s s i o np r o c e s sc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e ea r e a s ：l i n e a ra r e a ，t r a n s i t i o n a r e a ( o rs l i p p i n ga r e a ) a n dl i n e a rs t r e n g t h e na r e af o rm o d u l u s a n dt h et r a n s i t i o na r e a w a sm o r ec o m p l i c a t e db e c a u s eo ft h ef i b e r ss l i p p i n g f o ro ，n ek i n do ff i b e ra s s e m b l y , t h e s e t h r e e p h a s e sm a y b e c o u l d n t a p p e a rs i m u l t a n e o u s l y f o rv a r i o u sf i b e r a s s e m b l i e s ，t h ef o r mo ft h e i rc o m p r e s s i v ec u r v e sa n dr e c o v e r yc u r v e sw e r e d i s t i n g u i s h i n g a n dt h ec o m p r e s s i o nm o l d i n g sw e r ea l s od i s c r e p a n t t h ec o m p r e s s i o n a lb e h a v i o ro ff i b e ra s s e m b l i e sd e p e n d so nf i b e ra r r a n g e m e n t i n t e n s i v e l y ar a n d o m a r r a n g e df i b e rp l u gc o u l db ec o n s i d e r e da sak i n do fi s o t r o p y a n du n i f o r m i t ys t r u c t u r e ，w h i l ef i b e rb a l l sr a n d o ma r r a n g e m e n tw a sam u l t i - b o u n d a r y c o n f i g u r a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h ef i b e rr a n d o ma r r a n g e m e n tw a ss o f tc o m p a r i n gw i t h ，t h ef i b e rb a l l sr a n d o ma r r a n g e m e n t ，w h i c hw a sar e l a t i v er i g i ds t r u c t u r e w i t hf i b e r c o m p r e s s i n gg o i n go n ，t h ef o r c eo ft h el a t t e ri n c r e a s e dm o r er a p i d l yt h a nt h a to ft h e f o r m e r t h ec o m p r e s s i v er e c o v e r yc a p a b i l i t yo ff i b e ra s s e m b l yw a s n ta f f e c t e db yt h e f i b e ra r r a n g e m e n tw h i c hw a sd e c i d e dm a i n l yb yt h ef i b e re l a s t i cr e c o v e r yc a p a b i l i t y c o m p a r i n gt h ef o r c e sc o m p r e s s i n go nt h ef i b e ra s s e m b l i e si nc y l i n d e r a n d w i t h o u tc y l i n d e r , i tw a sf o u n dt h a tt h ef o r c eo ft h ef o r m e rw a sm u c hl a r g e rt h a nt h a t o ft h el a t t e r b e c a u s et h ef i b e ra s s e m b l ys w e l l e dd u r i n gc o m p r e s s i v ep r o c e s s ，a st h e c y l i n d e rb i n d i n gu pt h ef i b e r s ，s ot h e r ea p p e a r e da c u t ee x t r u s i o na n df r i c t i o nb e t w e e n t h ef i b e r sa n dc y l i n d e r w i t h o u tt h ec y l i n d e r , t h ef i b e r sc o u l ds w e l lf r e e l ya n dt h e f o r c ea n dc o m p r e s s i o nm o l d i n gi n c r e a s e d p l a c i d l y t h r o u g ht a k i n gp h o t o sd u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s s ，w ec o u l dg e td i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r s f o rd i f f e r e n tf i b e r s c o m p r e s s i o nj u s tm a d et h er e l a t i v e p o s i t i o no ff i b e r sc h a n g ea n df i b e rb e n d i n gw a sn o td o m i n a n t t h ef i b e rl o c a t i o n h e i g h ti nt h ea s s e m b l yw a sl i n e a rc o r r e l a t i o nw i t ht h ec o m p r e s s i n gd i s p l a c e m e n t t h a t w a st os a yt h el o c a t i o no faf i b e rr e l a t i v et ot h ew h o l ea s s e m b l yd i d n tc h a n g ed u r i n g t h ec o m p r e s s i v ep r o c e s s c o m p r e s s i n gaf i b e rp l u g ，t h ei n c r e a s i n go ft h eb u l kd e n s i t y i ni t st o pl a y e rw a sf a s t e rt h a nt h a ti nt h em i da n db o t t o ml a y e r ，a n dt h a ti nt h eb o t t o m o n ew a st h es l o w e s t ，t h u st h ew h o l ef i b e ra s s e m b l yw a sn o tc o m p r e s s e de q u a b l y s e c o n d l y , t h ea i rp e r m e a b i l i t yo ff i b e ra s s e m b l i e sf o rv a r i o u sf i b e r sa n dd i f f e r e n t a r r a n g e m e n t sh a v eb e e ns t u d i e d 、t h ek o z e n y se q u a t i o nc o u l db ew r i t t e na st h e p o l y n o m i a lo fo r d e r2f o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i rp r e s s u r ed i f f e r e n c ef o rt h e t o pa n db o t t o mo fa s s e m b l ya n dt h eb u l kd e n s i t yo fa s s e m b l y s os u c he x p e r i m e n t m e t h o dc o u l dr e f l e c tt h ea i rp e r m e a b i l i t yo fv a r i o u sf i b e ra s s e m b l i e se x p e d i e n t l y a tal o wb u l kd e n s i t yo f r a n d o m - a r r a n g e df i b e ra s s e m b l i e s ，t h ea i rp e r m e a b i l i t y f o rt h ef i v es o r t so ff i b e ra s s e m b l i e sw a sl i t t l ed e f e r e n c e w i t ht h ei n c r e a s i n go fb u l k d e n s i t y , t h ed i s c r e p a n c yo fa i rp e r m e a b i l i t yo c c u r r e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m e b u l kd e n s i t y , t h es e q u e n c eo na i rp e r m e a b i l i t yo ft h ef i v ea s s e m b l i e sf r o mb e s tt o w o r s tc o u l db ed e r i v e df r o mt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e ：w o o l ，c a s h m e r e ，a c r y l i c ，g o o s e 2 d o w na n dk a p o kb e c a u s eo ft h ef i b e rm o r p h o l o g y w h i l eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m e f i b e rv o l u m ef r a c t i o n ，w eg o tt h es e q u e n c ef o ra i rp e r m e a b i l i t yf r o mb e s tt ow o r s tw a s ： w o o l ，a c r y l i c ，c a s h m e r e ，k a p o ka n dg o o s ed o w n t h e s et w os e q u e n c e sw e r ed i f f e r e n t a n di ts h o w st h a tt h ea i rp e r m e a b i l i t yr e l i e sn o to n l yo n p o r o s i t yb u ta l s oo nt h ev o i d f o r m ，s i n u o s i t y ，a r r a n g e m e n ta n dd i s t r i b u t i o n t h ev a l u e so fkf o rt h r e ek i n d so ff i b e ra r r a n g e m e n t sw e r ed i f f e r e n t w j mt h e f i b e rv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s i n g ，t h ev a l u e so fk a l lr e d u c e d t h e r ew a sa l s od i f f e r e n t a i rp e r m e a b i l i t yf o rd i f f e r e n tf i n e n e s sf i b e r s t h i r d l y , t h ea c o u s t i ci n s u l a t i o no ff i b e ra s s e m b l yw a sa n a l y z e d t h ee y l i n d e r p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h es o u n dt r a n s m i t t i n g t h ec y l i n d e rw a l lc o u l dm a k e t h es o u n de c h o i n g ，r e f r a c t i n g ，a n di n t e r f e r i n g t h a tw a sw h yt h es o u n dc o u l dt r a n s m i t t ot h eb o t t o mo fc y l i n d e ra n dt h er e c e i v i n gd i s t a n c ea f f e c t e dt h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o n f o rd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，t h e d e g r e ea n dt r e n do fa c o u s t i ca t t e n u a t i o ni n a s s e m b l yw e r ed i s t i n c t b u tf o rt h ef i v ef i b e ra s s e m b l i e s ，t h i sr u l ew a ss i m i l a r t h e t r e n do fa c o u s t i ci n t e n s i t yr a t i od e c r e a s i n gb e c o m e sb a l a n c e dw i t ht h ef r e q u e n c i e s i n c r e a s i n g t h a tw a st os a yf o rh i g hf r e q u e n c ys o u n d ，i t sa c o u s t i ca t t e n u a t i o na l m o s t w a s n ta f f e c t e db ya s s e m b l ys t r u c t u r e t h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o nf o rf i b e ra s s e m b l yt o d i f f e r e n tf r e q u e n c i e sw a sa l s oc o n t r a s t t h i sp a p e ra d v a n c e dt h eb u l kd e n s i t ya sa s t r u c t u r ep a r a m e t e rt od e s i g na n do p t i m i z et h ea c o u s t i ci n s u l a t i n gm a t e r i a l t h e r ew a s a no p t i m u mb u l kd e n s i t yt ob e s ta c o u s t i ca t t e n u a t i o nf o rf i b e ra s s e m b l y f o rt h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o no ft h r e ek i n d so ff i b e ra r r a n g e m e n t s ，t h eb u l k d e n s i t i e sa f f e c t e dt h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o nf a i n t l yf o rt h ef i b e rb a l la r r a n g e m e n ta n d p a r a l l e la r r a n g e m e n t i ts h o w e dt h a ta c o u s t i ca t t e n u a t i o nh a ds o m e t h i n gt od ow i t ht h e p o r o s i t y , v o i dd i s t r i b u t i o na n df i b e ra r r a n g e m e n t t h e r e f o r e ，p o r o s i t ya n ds t r u c t u r e f a c t o rw e r et w om a i nc h a r a c t e r sf o ra c o u s t i ca t t e n u a t i o ni nf i b e ra s s e m b l y k e y w o r d s ：f i b e ra s s e m b l y , m e a s u r ei ns i r e ，d e n s i t yv a r i a t i o n ，c o m p r e s s i o n ，a i r p e r m e a b i l i t y , a c o u s t i ci n s u l a t i o n ，p o r o s i t y 常用符号表 涵义 纤维集合体体积 纤维集合体质量 纤维集合体体积 纤维体积分数 孔隙率 压力 纤维集合体起始 纤维塞筒截面积 纤维集合体高度 压缩位移 纤维拉伸杨氏模 纤维密度 集合体压缩应变 集合体洎松比 流体粘滞系数 气体流量 纤维比表面积 集合体两端气压 吸声系数 被吸收的声能 入射总声能 反射声能 声阻抗率 介质的特性阻抗 流阻常数 结构常数 度 积 驻波比 施力端力值 受力端力值 集合体自然高度 纤维自然填充体积分数 初始压缩模量 定压强p o 或 定应变国时模量 压缩功 压缩回复功 压缩功回复率 压缩比功 f i b e ra s s e m b l yb u l kd e n s i t y f i b e ra s s e m b l ym a s s f i b e ra s s e m b l yv o l u m e f i b e rv o l u m ef r a c t i o n p o r o s i t y p r e s s u r e f i b e ra s s e m b l yi n i t i a lv o l u m e f i b e r - p l u gc y l i n d e rs e c t i o n a r e a f i b e ra s s e m b l yh e i g h t c o m p r e s s i n gd i s p l a c e m e n t y o u n g sm o d u l u s f i b e rd e n s i t y c o m p r e s s i v es t r a i n p o i s s o nr a t i o v i s c o s i t y f l o w f i b e rs p e c i f i ca r e a a i rp r e s s u r ed i f f e r e n c e t o e f f i c i e n to fs o u n da b s o r p t i o n a b s o r b e da c o u s t i ce n e r g y i n c i d e n ta c o u s t i ce n e r g y r e f l e c t e da c o u s t i ce n e r g y a c o u s t i c a li m p e d a n c e i n t r i n s i ci m p e d a n c e f l u i dr e s i s t a n c ec o n s t a n t s t r u c t u r a lc o n s t a n t s t a t i o n a r yw a v er a t i o d o m i n a n t ( t o p ) p r e s s u r e r e c e p t i b l e ( b o a o m ) p r e s s u r e f i b e ra s s e m b l yi n i t i a lh e i g h t f i b e ri n i t i a lv o l u m ef r a c t i o n i n i t i a lc o m p r e s s i v em o d u l u s m o d u l u sw i t hf i x e dp 0 ，c o c o m p r e s s i o nw o r k c o m p r e s s i o n - r e c o v e r yw o r k c o m p r e s s i o nw o r kr e c o v e r yr a t e c o m p r e s s i o ns p e c i f i cw o r k 密 体 量 差 鸲 p m y y s p 么三x y y晶魄q岛肚口尻最层z历，z聆靠岛蛳岛钆形矿尺w 符号涵义 纤维质心高度 f i b e rm a s s c e n t r eh e i g h t 纤维的取向角度d e g r e e o ff i b e ro r i e n t a t i o n 各层纤维的相对位置 f i b e rr e l a t i v ep l a c e 纤维集合体高度 一f i b e ra s s e m b l yh e i g h t 平行纤维间的间距 s p a c eb e t w e e np a r a l l e lf i b e r 纤维塞密度增加系数 i n c r e a s i n gc o e f f i c i e n to f b u l kd e n s i t y 密度差异比b u l kd e n s i t yd i f f e r e n c er a t i o 纤维压缩角度偏移系数f i b e ra n g l ed e v i a t i o nc o e f f i c i e n t 纤维直径f i b e rd i a m e t e r k o z e n y 常数k o z e n yc o n s t a n t 声强衰减率( 声强比) s o u n di n t e n s i t yr a t i o 声波振幅s o u n da m p l i t u d e 空腔时的声强 加纤维塞时的声强 c a v i t ys o u n di n t e n s i t y s o u n di n t e n s i t yt h r o u g h f i b e ra s s e m b l y 靠贴玩办万骼触d k ，勘钿 k 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。 学位论文作者签名：童心占 日期：。年g 月 哆日 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。 保密在_ 二弪年解密后适用本版权书。 l 本学位论文属于l 不保密口。 学位论文作者 e l 期：3 形年 签名：刘 彦月匀日 指黝胳锄如 一日期：渊年毋眵e t 第1 章绪论东华大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 经过2 0 世纪的发展，纺织材料在诸多方面都取得了长足的进步，这不仅体 现在构成纺织材料基础的纤维及其加工方法的不断改进，而且表现在纤维制品及 其用途的迅猛扩展。今天，纺织材料的概念绝非仅限于以往的穿衣问题，而是涉 及到各种工程和技术用、装饰和防护用、医用乃至人体器官用材料，以及航空、 航天、运输和动力传递器械与构件等的基本或直接用材。相应地，人们对纤维及 其制品的结构、性质、成形及其间相互关系的认识和研究，也有了诸多进展和突 破，并成为纺织材料工业和技术发展的支柱与基础。 1 1 1 基本概念 纺织材料绝大多数可视为由纤维组成的集合体，如填充絮材、纱线、织物等， 这些都是纤维集合体的常见形态，其 密度= 可m ( 1 - 1 ) 式中，m 为纤维集合体质量，v 为纤维集合体体积： 或 式中，硌为纤维体积； 或 体积分数= 告 孔隙率占= v 矿- v 一, ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 受到纤维的排列、集合体的压缩变形、以及填充密度分布的影响，直接影响着纤 维集合体的力学行为、结构特征和物理性能，并由此决定着最终纤维制品的使用 性能。因此，通过对纤维集合体“变密度过程的结构特性和物理特性的表征及 研究，来直接或间接地反映纺织材料结构变化与其压缩力学行为和物理透通性的 关系以及对材料使用性能的作用机制。 第1 章绪论东华大学博士学位论文 所谓“变密度”是指纤维集合体的整体密度变化和沿纤维集合体长度方向的 密度分布的变化。 1 1 2 三方面的需求 首先，在纤维集合体的诸多机械性能中，压缩性能是其主要性能之一，它包 括蓬松性、压缩变形性、压缩柔软性及压缩回复弹性等。这不仅将会对产品的加 工、使用及储运等性能产生重要的影响，而且直接导致纤维集合体密度p ( 体积 分数叭孔隙率g ) 的变化及其引起的性能变化。前者主要集中于以压力p 与压缩 变形间的关系和力产生的作用机制方面的研究，最有代表性的为v a nw y k t i 】的推 导。后者涉及压缩过程中纤维集合体密度的变化及其密度分布的变化，而在传统 研究中似乎都是根据均匀结构与排列的体积缩小、密度增大的线性表达进行的， 因为 v = ( 1 一叫l ) = 彳( 1 一m t l ) ( 1 - 4 ) 式中，v o ( v o = 么) 为纤维塞起始体积：么为截面积：为纤维塞高度；x 为压 缩位移；m 为移动速度；r 为作用时间。而且大多数的压缩表达，都认为纤维塞 的密度分布是均匀的，或至少假设存在随机不匀而忽略【2 1 。并且压缩体在其他物 理性能表达上，都假设密度不变，位移静止进行测量。 其二，纺织材料可以认为是一种特殊的天然多孔材料，内部存在着众多互相 连通或不连通的孔隙。大量孔隙的存在必然导致纺织材料及纺织品具有多孔材料 的流体流通性。因此，透通性也是纺织材料重要的物理性能之一，比如透气，透 声、透光、颗粒透过、液体透过等等，而其中比较重要的就是透气性和透声性( 吸 声隔音性) 。以上这些性能会直接影响到纺织制品的保暖性、舒适性、过滤性、 吸声隔音性等，而这些正是制造过滤材料、防护阻挡材料、保暖材料、吸声隔音 材料时所必须考虑的特性。其不仅受纤维及其集合体结构和性质的影响，还受作 用于纤维集合体的力、热、气流和声振动的影响。因此，为了能对最终纺织材料 及其制品使用性能进行有效评价和预测，了解纤维集合体的结构与其压缩性、透 气性和吸声隔音性间的相互关系是必不可少的。 其三，在纤维集合体机械和物理性能的测量中，纤维集合体的压缩性能与纤 维集合体的透通性能是分立表达的。压缩是通过对纤维塞的力作用及位移测量完 2 第l 章绪论东华大学博士学位论文 成：透通性是通过纤维塞或薄片状物质的透气、隔声测量完成。几乎不发生任何 组合的测量，甚至透通性中的气、汽、光、声都是分离单独地进行。这产生两个 问题：一是各测量非同一试样而却用同一试样或制样方式；二是不同密度同一试 样的获得极为麻烦，甚至试样厚度的变化都很困难。因此，现有实用测量是一个 不定对象的测量，针对性、精确性及规律性受到质疑。故极有必要产生新的组合 原位表达方法。 1 2 纤维集合体压缩性能理论研究及现状 纤维集合体在施加压力、释放压力作用下的力学行为是五十多年来学者们一 直探讨的问题，而且科学家们已经建立了经典的理论及数学、计算机模拟的方法 来实现对纤维集合体压缩性能定性或定量的研究。 1 2 1v a nw y k 模型及一维形变方程 ( 1 ) v a n w y k 模型的建立 近年来对随机排列纤维集合体的力学研究都是建立在c m v a nw y k t l 】所作 工作基础之上的。v a nw y k 假设纤维弯曲是唯一重要的纤维运动形式，忽略了纤 维扭转、滑移及拉伸，同时忽略纤维的卷曲因素，将纤维看成直的竿状物，还假 设纤维是随机排列、均匀堆砌的，纤维间不存在摩擦力。他的竿状弯曲模型如图 1 1 所示，假设这根竿沿长度方向是等增量的，支撑点间的距离为2 6 ，在相邻支 撑点的中间施加向下的力f ，在支撑点处反应出来的力可模拟纤维间的相互接 触。v a nw y k 在此模型基础上将单根纤维的机械特性与纤维集合体的整体体积特 性联系起来，推导出随机排列纤维集合体在“加压一释压 循环过程中的压积关 系式，如式( 1 5 ) 所示。 fff 图1 - 1v a n w y k 模型 第l 章绪论 东华大学博士学位论文 v 趾呲压积关系规p = 等( 古一a m 5 ， 式中，p 为压力；为压缩前纤维集合体体积；v 为压缩后纤维集合体体积；k 为常数( 由纤维集合体的结构决定，如空间分布与取向) ；y 为纤维拉伸杨氏模 量；m 为纤维集合体质量；伪纤维密度。 ( 2 ) 几个改进 近代学者在采纳v a nw y k