（纺织材料与纺织品设计专业论文）纤维空间取向对激光散射法测定非织造布面密度影响的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 纤维空间取向对激光散射法测定非织造布面密度影响的研究 摘要 激光散射法测定非织造布面密度具有无损检测、动态响应好、测 定结果稳定和便于采用计算机控制等优点。该方法主要是利用散射光 相对强度的大小来推导非织造布面密度的大小，一般情况下，非织造 布中纤维量越多，测得的散射光相对强度就越强，但是由于非织造布 中纤维不是呈理想平面取向分布的，无论是在非织造布表面还是内部 都存在着部分呈空间取向分布的纤维，它们的存在会影响所测得的散 射光相对强度。本文在应用光散射基本理论的基础上，结合非织造布 结构的有关知识，开展了空间方向上纤维对于散射光强度影响方面的 研究工作，设计制作了一系列呈理想空间取向分布的纤维集合体模型， 并做了模拟和实验验证。本文的主要研究成果和结论如下： 1 、散射光相对强度i 与c o s 9 呈指数规律变化，当o 。e 9 0 。 时，随着空间取向角。的增大，纤维集合体的散射光相对强度i 随之减 小，且面密度较小的纤维集合体受到的空间取向角的影响要大于面密 度较大的纤维集合体；随着内部空间取向角的增大，纤维集合体的散 射光相对强度随之减小，并逐渐趋向于其表层纤维的散射光相对强度。 2 、在对一系列浸渍、纺粘、熔喷、水刺和热轧非织造布的实验室 仪器的静态测试下得出：实际非织造布的散射光相对强度不仅是由纤 维量决定的，而且受到纤维在空间方向上的取向分布、织物表面光洁 摘要 度、纤维的聚集形态等因素的影响，因此在相同面密度不同加工工艺 下，实测非织造布的散射光相对强度差异较大，从大到小依次为：歹熔喷 ，浸浈 ，水刺 j 纺粘 ，热轧。 3 、为了能够排除纤维在空间方向上的取向分布等因素对于所测得 的散射光相对强度的影响，使测得的散射光相对强度真实的反映非织 造布中的纤维量，本文利用理想模型的指数曲线计算得出了一系列不 同加工方法非织造布的散射光相对强度的参数修订系数，为将来提高 在线检测系统的准确性提供了依据。 4 、通过对非织造布在激光散射法在线检测模拟装置上的测试和分 析表明：在非织造布的在线检测中，加方向、c d 方向、以及在 与c d 方向共同作用下所测得的散射光平均强度与非织造布面密度也 是呈指数关系，这种指数关系与非织造布是否是在运动状态下没有直 接联系；为获得理想状态下非织造布的散射光强度，可以根据得出的 参数修订系数对测得的散射光强度进行参数修订。 关键词：非织造布，激光散射，空问取向，面密度，激光散射强度 a b s t r a c t r n v e s t l g a t i o nu fd 汀l u e n c e0 ff i b r es p a t i a l o r i e n t a t i o no nt h eb a s i sw e i g h to fn o n w o v e n f a b r j cu s i n gl a s e rs c a t t e r i n gm e t h o d a b s t r a c t t h e1 a s e r s c a t t e r i n gm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ， f o r i n s t a n c e ， n o n d e s t 九_ l c t i v e t e s t i n g ，d y n 锄i cr e s p o n s e ， a c c u r a t et e s t i n gr e s u l t sa n d c o n v e n i e n tf o rc o m p u t e rc o n t r 0 1 t h i sm e t h o dm a i n l yi n f e r st h eb a s i s w e i g h to fn o n w o v e n sf r o mt h er e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n g i n o r d i n a 叫c i r c u m s t a n c e s ，t h eh e a 们e rb a s i sw e i 是扯i st h es t r - o n g e rt h er e l a t i v e i n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n go b t a i n s ，b u tb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft h e s p a t i a lo r i e n t a t i o n 助e r sb o t hi n t e r i o ra n do u t s i d eo ft h en o n w o v e n s ，t h e i n t e n s i t i e so fl a s e rs c a t t e r i n ga r en o ts o l e l yd e c i d e db yt h eq u a n t i t yo ft h e n b e r s as e r i e so f6 b e ra s s e m b i ym o d e l sw i t hi d e a lo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n a r em a d e ，a n dt h es i m u l a t i o na n de x p e j i m e n ta r ea l s om a d eo nt h eb a s i so f t h ee l e m e n t a ut h e o 巧o ft h e l i g h ts c a t t e r i n g a sw e l la st h er e l a t e d k n o w l e d g eo fn o n w o v e n s s t m c t u r e e f l e c t so fs p a t i a lo r i e n t a t i o no nt h e i n t e n s j t yo fl a s e rs c a t t e r i n ga r es t u d i e d f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e n a b s t r a c t o b t a i n e db a s e do ne x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s ： 1 a 1 0 n gw i t ht h ee n l a 唱e m e n 专o ft h es p a t i a ld i r e c t i o no r 主e n t a la n g l e ( 9 ) ， t h er e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n g a r ) i sr e d u c e d ，a n dja n dc o s 0a r e f o l l o w i n gt h ee x p o n e n t i a lr u l e ；t h el i g h t e rt h eb a s i sw e i g h ti s t h em o r e i n f l u e n c et h ef i b e ra s s e m b i yg e t s 疔o mt h es p a t 主a lo r i e n t a t i o n 蠡b e r w i t ht h e e n l a 娼e m e n to ft h es p a t i a l d i r e c t i o no r i e n t a l a n g l e i nn o n w o v e n s ，t h e r e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n gi sa l s or e d u c e da n dt e n d sg r a d u a l l yt o i t ss u r f l a c el a y e r sr e j a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n g 2 t h es t a t i ct e s t i n go fas e r i e si m p r e g n a t e d ，s p u n b o n d ，m e l tb l o 、v n ， s p u n l a c e d ，a n dt h e n n a l - b o n d e dn o n w o v e n su s m g1 a b o r a t o 巧i n s 饥l l n e n t o b t a i n e d ：n o to n l yt h eq u a n t i t yo ft h e 蠡b e r sd e t e r m i n em er e l a t i v es t r l e n g t h o ft h ed i f f u s e d l i g h t ，b u ts p a t i a l o r i e n t a t i o nf i b e r s ，s m o o t h e s so ft h e s u r f a c eo fn o n w o v e n s ，s h 印eo ft h en b e ra c c u m u l a t i o na n ds oo na r ea l s o i n f l u e n t ia 1 t h e r e f o r e ， u n d e r 也es a m eb a s i sw e i 曲t ，n o n 、o v e n sw i t h d i f r e r e n tp r o c e s s i n gh a v ed i f r e r e n tr e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n g t h e i rr e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n ga r ed e c r e a s e di nt u m ：凡e i tb 1 0 啪 ，l m p r e g n a t e d - s p l i n l a c e d ，毫p u n b o n d ，- r t h e 肿a 1 b 。n d e d 3 1 no r d e rt or e m o v et h ei n n u e n c e so fs p a t i a lo r i e n t a t i o nf i b e r sa n ds o o n ，a n dt om a k et h er e l a t i v ei n t e n s i t yo fl a s e rs c a t t e r i n ga c t u a l l yr e n e c tt h e q u a n t i t yo f6 b e r si nn o n w o v e n s ，t h i sa r r t i c l ec o m p u t e das e r i e so fp a r a m e t e r r e v i s i o nc o e 硒c i e n t sa c c o r d i n gt ot h ee x p o n e n t i a lc u r v eo ft h ei d e a lm o d e l t h e s ec o e 衢c i e n t sw i l le n h a n c et h e a c c u r a c y o ft h ef u t u r eo n l i n e a b s t r a c t e x a m l n a t l o ns y s t e m 4 t h r o u g ht h et e s ta n da n a l y s i so fn o n w o v e n su s i n gs i m u l a t e do n l i n e m e a s u r e m e n te q u i p m e n t ，t h eb a s i s w e i g h ta n d t h e i n t e n s i 哆 o f1 a s e r s c a t t e r i n gf r o mm dd i r e c t i o n ，c dd i r e c t i o n ，a sw e l la s 舶m b o t ho ft h e s e d i r e c t i o n sa r ef o l l o w i n gt h ee x p o n e n t i a lr u l e ，a n dt h e s ee x p o n e n t i a lr u l ea r e n o ti n n u e n c e db yt 1 1 em o t i o no fn o n w o v e n s i no r d e rt oo b t a i n 也ei n t e n s i t y o fl a s e rs c a t t e r i n gu n d e ri d e a lc o n d i t i o n ，p a r a m e t e rr e v i s i o nc o e 衔c i e n t sc a n b eu s e dt or e v i s et h ei n t e n s 时o f1 a s e rs c 甜e r i n gw h i c ho b t a i n e d 矗mt h e t e s t 夏晶( 纺织材料与纺织品设计) s u p e r v i s e db y ：周胜，于伟东 k e yw o r d s ：n o n w o v e n s ，1 a s e rs c a t t e r i n g ，s p a t i a lo r i e m a t i o n ，b a s i s w e i g h t ，la s e rs c a t t e r i n gi n t e n s i t ) ， 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：雾品 日期：2 幻g 年，2 月弓日 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 手段保存和汇编采学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密功。 ， 学位论文作者签名：复晶 日期： 劢多年侈月； 目 指导教师签名： 目期：汹占年，胡刁目 11 概述 第一章绪论 111 国内外非织造行业发展现状 非纵造布主要是指定向或随机排列的纤维通过摩擦、抱合或粘合这些方法的 组合而相互结合制成的片状物、纤网或絮垫( 不包括纸、机织物、针织物、簇绒 织物、带有缝编纱线的缝编织物以及湿法缩绒的毡制品) ，其纤维可以是天然纤维 或化学纤维；可以是短纤维、长丝或当场形成的纤维状物i l l 。现代非织造布工业化 生产起源于2 0 世纪5 0 年代，4 0 余年间获得飞速发展。1 9 8 6 年世界非织造布产量 约1 0 0 万吨，1 9 9 5 年超过2 0 0 万吨，1 9 9 7 年则己达到2 4 0 万吨，非织造布卷材价 值8 0 亿美元，复制加工品则价值3 0 0 亿美元。8 0 年代的年平均增长率为8 0 ， 9 0 年代前5 年的年平均增长率仍维持在8 口l 。未来几年世界非织造布的消费量预 测如图卜l 所示引。 我国非织造材料研究和生产始于1 9 5 8 年，发展至2 0 0 1 年，生产企业已超过 1 0 0 0 家。现有纺粘、熔喷、水刺、针刺、热粘合以及化学粘合法等各类非织造布 专业生产线接近2 1 0 0 条，午生产能力超过1 3 0 万吨，2 0 0 2 年非织造材料产量为 6 32 5 万吨，2 0 0 3 年达到8 36 4 万吨n 并呈现迅速发展的势头。 9 9 i2 0 0 02 0 0 52 0 1 0 削卜1 世界非织造却消费预洲 第一章绪论 1 1 2 存在的问题 随着非织造布行业的飞速发展，非织造布的产品种类越来越多，其应用范围 不断扩大。因此，对非织造布的各种性能进行科学的测量是十分必要的1 5 j 。 当前对非织造布一些性能的测试主要靠人工视觉，这样主观性的评定所导致 的误差很大，同时主观评定也没有统一的客观标准来衡量，缺少决策依据的科学 性、正确性和可靠性：而且其测试是在成品后，由于非织造布的生产率大大提高， 出现次品所带来的损失严重影响着企业的利润。随着非织造生产技术和生产速度 的进一步提高，有些生产速度甚至已经达到每分钟几百米l 引，例如：目前最先进的 短纤热轧生产速度可达3 0 0 耐m i n ；射流喷网生产速度可达2 5 0 州m i n 3 0 0 舢，m i n ； 纺粘法纺丝速度可达2 0 0 0 m m i n 6 0 0 0 州m i n ，气流速度则更高【”。这将对产品质 量检测和控制的要求愈来愈高，对在线检测的需要更加迫切。 目前国内厂家在准确、稳定、快速、可靠和品种适应性广的非接触式非织造 布在线检测设备方面与世界先进水平相比还有较大差距。在实时参数监测，以及 先进控制技术的采用方面存在的差距也很大。先进的高精度在线检测仪器主要依 赖进口，国内寥寥可数，且与国外产品的差距在1 0 年以上。整体来说，中国非织 造布在线检测设备还处在起步阶段，发展空间很大。 1 2 非织造布结构测定研究 1 2 1 非织造布的概况【l 3 ，8 】 非织造材料又称非织造布、不织布、非织造物、无纺织物或无纺布。不同的 非织造工艺技术具有各自对应的工艺原理。但从宏观上来说，非织造技术的基本 原理是致的，可用其工艺过程来描述，一般可分为以下四个过程：( 1 ) 纤维准备； ( 2 ) 成网；( 3 ) 加固；( 4 ) 后整理。在非织造布工业中，纤维网经加固就是产品，所以 纤网的质量对最终产品的质量，如强度、均匀度、定量等有直接的影响，尤其是 纤维在纤维网中的状态或排列形式更加重要。基于成网方法可以把非织造布分为 干法成网、湿法成网和聚合物挤压成网三大类；基于加固方法可以把非织造布分 为机械加固、化学粘合和热粘合j 艺三大类。 2 第一章绪论 1 2 2 非织造布的结构 非织造布在结构上与传统的机织物和针织物有很大的区别。机织物或针织物 几何结构的稳定性依靠纤维或纱线之间的抱合力、摩擦力及编结力【9 】，所以机织物 的结构一般都很稳定，但缺少弹性1 0 】。在针织物机构中织物受到外力时组成线圈 的纱线相互间有一定程度的移位，因此针织物具有良好的弹性【1 1 】。非织造布主要 为“纤网型”制品。为了使和状物结构稳定，纤网必须通过施加压力或施加粘合 剂，或通过热粘合作用、纤维与纤维的缠绕、外加纱线几何结构等方法予以固定 或加固1 1 2 】。 非织造布的结构形式决定于原料及加工方式。不同的加工方式产生的结构不 同【1 3 】，比如由于纤网形成方式不同，加固纤网的形式不同，非织造布结构可出现 多种形式。就纤网的形式而言，可分为纤维平行( 纵向) 排列、横向排列、纵横 交叉排列及杂乱排列的纤网。如图1 2 所示，纤维排列顺着机器输出方向( m d 方 向) 的称作纵向排列；顺着垂直于机器输出方向( c d 方向) 排列称之为横向排列； 纤维沿纤维网各个方向排列的称之为杂乱排列。由于纤维在纤网中的排列方向对 非织造布的性能有重大影响，多年来一直是人们研究的对象。 净 纵向杂乱排碉 图1 2 纤网中纤维排列 1 2 3 非织造布的结构测定 非织造句与传统的纺织品在性能检测方面有相同的一面，如机械性能测量、尺 寸稳定性、耐磨性、保暖性、透汽透湿性能等的测定；也有不同的一面，主要表现 在非织造布结构特征的测试上【l4 1 。非织造布的结构主要是指纤维的取向度、面密 度、均匀度、孔隙尺寸和分和和疵点等参数所表征的结构特征。非织造布的性能 与结构之间存在十分密切的关系。例如：非织造布的强度及各向异性等力学性能 第一章绪论 与纤维取向度之间；孔隙率与其过滤性能和吸附性能之间均有着密切关系。因此， 非织造布的结构指标能否客观的表征非织造布结构特征就成为十分重要的课题。 近十多年来，世界各国科技工作者针对非织造布结构测定原理与方法的研究十分 活跃。其中，在间接测定法，计算机应用和在线检测方面已经取得了长足的进展。 1 ) 非织造布取向结构测试方法 纤维在非织造布中的取向分布直接影响到非织造布力学，光学和过滤性能的 各向异性【”】。因此，取向结构是影响非织造布最重要的结构之一。现有的非织造 布纤维取向测定方法可分为直接测定和间接测定法。直接测定法主要有：显微镜 ( 或投影仪) 直接观察计数法【1 6 】和采用图象处理的直接计算法等【1 7 ，1 8 ，19 1 。间接测定 法有如：力学性能各向异性法，基于快速傅立叶变化( f a s tf o 嘶e rt r a n s f o n n ，f f t ) 和霍夫变化( h o u 曲t r a j l s f o m ，h t ) 的图象处理法【2 0 ，2 1 1 ，流场分析法【2 2 2 ”，液体 扩散流动分析法【2 4 】，透射光散射法【2 5 ，2 6 1 ，偏振光二色性法【2 7 】，微波法【2 8 】和示踪纤 维法( 2 9 】等。 a 显微镜( 或投影仪) 直接观察计数法 非织造布纤维取向的测定方法可采用光学显微镜( 或投影仪) 观察非织造布 中纤维沿机器方向占优势排列的程度。在视野中，目测计算6 0 0 8 0 0 根纤维与机 器方向之间的夹角，计算纤维取向分布函数或取向分布特征值指标。 显微镜( 或投影仪) 直接观察计数法由于直接根据非织造布中纤维的排列计 算取向分布，因此比较直观和可靠，这种方法普遍被科技工作者作为标准用来标 定非织造布取向结构间接测定方法的结果。然而，大多数显微镜测量方法由于透 镜成像原理的限制，采样面积小，当使用3 2 0 倍放大率时，对半径为1 c m 的视场 范围，在非织造布中只相当于半径为o 0 0 3 c m 的范围【1 6 】。对厚型非织造布，通常 象的亮度极小，加之纤维间相互交叠，通常肉眼难以观察测定。此外，显微镜测 量法还由于采样方法的原因，只能应用于实验室的间歇式测量，测试过程需要消 耗较长时问。 b 图象处理直接计算法 图象处理直接计算法运用光学显微镜和c c d 摄像装置，将纤维在显微镜视野 中分布的图像摄录到计算机内，应用专门的计算机程序对图象进行余处理得到与 纤维夹角进行分析计算的，得到纤维取向分布或取向特征值指标。 第一章绪论 由于计算机图象处理的直接计算法采用c c d 摄录图象，对图象进行预处理后 直接跟踪纤维路径计算，这种方法除了具有和显微镜法相似的特点外，还具有快 速的优点。但由于图象预处理的方法、二值化阈值选取和算法的不同，用该方法 测得的结果和采用显微镜法测得的结果尚存在一定的差距。 c 力学性能各向异性法 由于纤维取向分布的各向异性，非织造布的机械性能也表现为各向异性。在 纤维主体取向方向上，由于承载外力的纤维根数较多，非织造布在该方向上的拉 伸强度较高。应用非织造布的强力各向异性可以间接地表征非织造布中纤维的取 向分布各向异性。 在许多情况下，纤维取向测定的主要目的是为了解其力学性能的各向异性。 因此，力学性能各向异性法运用实际测定的非织造布强力各向异性来表征取向分 布特征能够直接得到力学性能的差异。该方法的缺点是拉伸试验为破坏性试验， 不能应用于在线测量。此外，由于影响力学性能的因素很多，由于力学性能各向 异性反演获得纤维取向结构特征可能性很小。 2 ) 非织造布面密度测试方法 面密度( 即：单位面积重量) 是非织造布产品的重要规格之一。非织造布面密 度及其均匀度是非织造产品质量的重要保证。因此对面密度及其不匀率的检测和 控制是非织造布生产中需要解决的重要问题。现有的测定非织造布面密度的方法 主要有间歇式和连续在线检测两类：间歇测量法主要有直接称重法；在线检测法 有放射性同位素测量法、电子秤连续称重法和透射光强度测量法等。 a 称重法【3 0 1 本法分为切断称重和连续称重两种。切断称重是在纤网取样后，按规定长度 切割得到多个子样，经对子样称重求其平均重和不匀率，这是目前质量评价中应 用的方法。该方法具有准确和结果可靠的优点，但试验需要经采样后在实验室即 只能用于离线检测，不能及时反映瞬时变化，也不能在线适时控制。连续称重是 在纤i 刎运动中按一定长度逐段进行称重，求其平均重和不匀率，亦可横向分段逐 段按长度连续称重，求出其横向平均重和不匀率的差异，多在纤维喂人侧进行。 但是其缺点是动态响应特征较差。 b 计算机图象处理法 5 第绪论 计算机削磐处埋法足指采；i j 光学显微镜，c c d 摄像装置和计算机聚集非织进 舟图象，片删定m 密度的基本原婵为汁算和j ，析定m 积范罔内非织造巾目蒙的 甲均灰度，刖扶度值的人小与纤维量之间的关系推测非织造布的可南艘”l 。显m 劫见，影u q 扶度的闻索卜分复杂，有光照彤式，纤维折劓率和逐光率，纤维网f ；j 空埭率，纤维i j ( 向分巾和非织造却的厚度等。幽此，现自的图琢处理法主要应用 丁j 向密度小匀率的测定。 c 放射陛同位素法 同位索法采用放射性同位索作为射线源，测量经非磐 造布历同位素辐射强度 的衰减，以此袁征怍织造布的f i 密度。政山法只有测定结果稳定的优点，对测定 面密度相对不匀率具有较好的效果。但同位表对人体会产生有害的放射性辐射， 需要进行有效的隔离。 d 透射光强度测定法 透射光强度测定法采用具有定强度的平行激光束年直入射非纵造布表而， 在非织造柿同侧或另侧安装的光强度接收器接收到的透射光强度与1 f 织造柿面 密度有关，据此表征1 f 织造布的而密度指标。v e e r a b a d r a nr 等人刚采用透射光强 度测定非织造布血i 密度的装置如图卜3 所示。粗略的分析可知，当入射光l 入射非 织造巾后，商接反射光2 随非织造布厚度增加而增加：假设反射镜面完全反射， 透射光3 和4 的强度棚等并随非嚣 造布j 早度增加而减少，其2 次透射光5 第一次 透过 织造枷后强度进一步减少，并将多次反射和透射光6 忽略不计，则接收器 接收到的光班等于2 和5 的叠加。显然2 干u5 两求光强随非织造布厚度的变化起 到相旺抵消作用，如此可见，该装置的原理尚有待进步探讨。 八州 自接 透射 透射 削】3v e e m b a d r a nr 等人采用的面密度刹0 量皴置示意图 第一章绪论 由以上情况可见，非织造布纤维取向度和面密度结构的测定方法在过去的3 0 多年! 巳进展较快，主要表现在间接测定纤维取向方面。最近几年里，非织造布纤 维耳义向测定的研究热点主要集中在计算机图象处理和基于各种原理的在线检测方 面。在非织造布面密度间接测定方面，其原理和测试方法尚待探讨研究。 1 3 本论文研究的意义、内容、目标 1 3 1 国内外研究现状 世界各国科技工作者针对非织造布结构测定原理与方法的研究在近3 0 多年来 一直十分活跃。其中，在间接测定法和在线检测方面取得了一些成果。现有测定 非织造布面密度的实验方法主要有称重法；在线测量方法主要有连续称重法和同 位素法【3 2 1 。目前，非织造布纤维取向测定的研究热点主要集中在计算机图像处理【3 3 1 和基于各种原理的在线检测方面。随着生产效率的进一步提高，很多公司致力于 生产在线质量控制计算机系统的开发，如：f r e u d e n b e r g 公司就开发应用了能直接 在生产线上检测、显示和控制与质量相关的测量系统。该测量系统综合运用了 r 射 线反向散射来测量非织造御重量、图像处理器测量瑕疵、电感测厚传感器测量厚 度这几种检测手段，可及时检测和纠正远离设定值的偏差，连续地改善产品质量、 减少次品并缩短调整时间。 近年来，已有国外学者研究光学在线测量非织造布面密度方法的报道【3 4 1 。光 的性质具有极大的优点，它们使得光电系统用于测量更具有吸引力【3 s 1 。当光线经 过聚焦且波长范围如同激光那样狭窄时，测量的分辨率可大大提高。用来自激光 源的高单色性相干光就可识别包括反射、干涉、衍射及多普勒效应等原理在内的 许多技术。采用激光散射法测量非织造布面密度的方法比连续称重法具有更快的 动态响应特性，且可以避免同位素法放射性可能产生的潜在危害。 1 3 2 研究意义 在利用激光后向散射强度测定非织造布面密度及取向度理论上，一直是将非织 造加看做是二维模型，并且通过理论和实验的对比论证取得了较好的结果。但实 7 第一章绪论 际上非织造布是具有一定厚度的纤维集合体，即是一个空间结构体1 3 6 1 。纤维片段 在空间方向上的取向分布必然会对测定结果产生影响1 37 1 ，造成数据的误差。本课 题将从非织造布纤维空间取向分布对激光散射法测量非织造布面密度值的影响这 个全新的角度出发，着手建立其间理论和实验关系，并进行参数标定。具体意义 如下： 非织造布看作空间结构纤维集合体，扩充了激光散射光强与非织造布面密度 的理论和实验关系； 线检测系统的实际应用进行参数标定，增强了非织造布面密度及其均匀度控 制的在线检测系统的准确性和品种适应性。 1 3 3 研究内容 在激光散射光与非织造布面密度及纤维取向度理论关系的基础上，通过对预 设纤维空间取向的非织造布模型和对同一加工方法、不同厚度以及一系列不同加 工方法的非织造布的测试，把非织造布看作空间结构的纤维集合体。分析非织造 布中纤维空间取向特征与面密度之间的关系，进一步验证激光散射光强与非织造 布中纤维取向的理论关系。定量探讨激光散射光与非织造布面密度的关系，并对 激光散射法在线检测非织造布面密度系统进行参数标定，以提高在线检测系统的 准确性和适应性。 1 3 4 研究目标 1 ) 将由激光散射法测试所得的非织造布面密度值与其实际面密度值进行比较， 验证激光散射法测试非织造布面密度的精确度，如果所得值不吻合，分析造成 差异的主要原因； 2 ) 通过对预设纤维空间取向的非织造布模型的激光散射测试，验证纤维片断呈 空问取向统计分布的纤维集合体光散射特征理论； 3 ) 研究非织造布中纤维呈各种空间排列取向特征时激光散射光强与非织造布 面密度值之间的定量关系； 4 ) 对激光散射法测定非织造布面密度和纤维取向度系统应用于不同加工方法 的非织造生产线进行参数标定。 8 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 第二章理想纤维取向模型的光散射强度角分布 的测试和分析 非织造布和复合材料中的纤维是有取向分布的。这将直接影响材料的力学及 物理性能。以往的讨论大多因纤维集合体呈片状材料，而集中于纤维在整个集合 或复合体中的假想平面中的取向，而将纤维在集合体中的空间取向作用忽略。事 实上，在纤维集合体中除了集合体表面可能有较多的沿表面取向的纤维，而在本 体中具有明显的三维空问取向的特征。 纤维集合体中的纤维排列取向是纤维集合体的重要结构特征，直接影响或决 定集合体的性质。同时，纤维在空间中的取向排列会影响纤维集合体的光学性质 和以光学方法测量的结果。因此，有必要对纤维集合体中纤维取向特征及其光学 散射行为进行表征。 本章应用激光散射法非织造布取向分布和面密度的实验室测试系统，对理想 取向分布的纤维集合体模型进行静态测试，将对纤维的空间取向角及实测的散射 光相对强度之间的关系加以探讨和实验验证，以期明晰纤维空间取向排列对测量 的影响及作用特征，从而为激光散射法测定非织造布面密度提供参数标定的依据。 2 1 激光散射强度角分布测量系统 2 1 1 测定理论 1 ) 纤维元的方向作用表达 光的本质是一种电磁波，具有波动性和粒子性两方面特征。物体对光的作用 与光的性质、组成物质的原子和分子结构、物体的相态和密度、物体表面形态和 物质的聚集状态等多项因素有关。在光电测量装置所采用的辐射源中，激光器占 有特别重要的地位。激光的发光机理完全不同于任何一种普通光源，它从根本上 突破了普通光源的种种局限，具有一系列优异特性。这些优异特性主要有：高方 向性、高单色性、高亮度及高相干性。人们可以将高度集中的“纯”能量，按所 9 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 需的位置和时间，以预定的量值准确地投射到几乎是任何材料1 3 引。 当平行激光束投射到非织造布上时，散射光在空间呈现出一定的分布，其强 度分布与平行激光束的入射条件和非织造布的结构特征有关。经非织造布散射的 光可分为两部分，一部分是“寻常”散射光，这部分散射光的激光散射强度分布函数 可以用圆柱形纤维集合体的散射特征解释。在这种情况下，激光散射强度分布函 数主要取决于非织造布中纤维的取向分布【3 9 1 。在一定的入射条件下，散射光强度 与非织造布中的纤维量有关。当非织造布面密度较高时，散射光强度也较大。据 此，激光散射法可被用来分别测量非织造布的纤维取向分布和面密度。 假设非织造布由许多各向同性的圆柱形纤维构成，每根纤维又可看成为由许 多长度为d l 的纤维散射元组成，那么入射激光束从该纤维散射元上产生的散射光 呈一个圆锥形散射面，散射圆锥的轴线方向和顶角大小与入射激光相对纤维线元 的位置有关0 1 。散射圆锥与入射激光束相对位置的关系如图2 1 所示。 ( a ) 纤维元位于入射面内；( b ) 纤维元位于x 0 y 平面内与入射丽任意相交；( c ) 纤维元与入射面垂直 图2 1 散射圆锥形状随在x o y 平面内纤维元方向不同的变化 当激光束投射到纤维散射元上时，散射圆锥的中心轴与纤维元的几何轴相重 合，散射圆锥的半顶角等于( 9 0 0 ；) ，e 。为入射角，如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。特殊 情况是当纤维元的轴线与激光入射面相垂直时，散射圆锥的顶角为9 0 。，即：散射 圆锥扩展为一个平面，所有散射光均处于该平面内，如图2 1 ( c ) 所示，此时接收 器收到的散射光强度与在该方向上排列的纤维片段的数量有关。 在研究纤维集合体光散射强度与纤维取向分布的关系时，需要将纤维自身坐 标系转换为固定参照系的坐标进行讨论。l e es c 1 4 l j 给出的一根任意取向纤维片段 的圆柱自身坐标与固定球坐标系坐标参数之间转换关系，图2 2 绘出了纤维片段坐 l o 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 标转换的几何关系示意图。图中，吼、9 。分别称为纤维、入射光、散射光的天 顶f f j ；【o f 、( o j 、( o 。分别称为纤维、入射光、散射光的水平方位角。 x 图2 2 纤维片段在空间任意取向的几何关系和坐标系的对应关系 2 ) 层次与厚度作用表达 在光散射研究方面，常常根据散射光的出射方向划分为前向散射和后向散射 ( 如通常所说的反射) 【4 2 1 。前向散射光强度实际上是前向多次散射强度和原入射 光透过非织造布的一部分强度的叠加，而后向散射光则主要是非织造布表层纤维 的后向散射。如图2 3 所示，纤维集合体的入射光一侧为后向散射区，另一侧为前 向散射区。 幽2 3 纤维集合体前向和后向散射比较示意图 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 由于内层纤维对后向散射光的干扰较小，因此后向散射光与纤维排列分布的 关系相对比较密切，可以较好地反映纤维集合体中纤维的取向分布。然而在实际 工作中由于后向散射区域内的总光通量测定比较麻烦，相对比较容易实现的是接 收某一特定观察方向上的散射光强度( 例如：在特定方向上设置光强度接收器探 测散射光强度) 【43 。因此，分析计算处于某一特定方向( 例如z 轴) 上的接收器 接收到的散射光强度更具有实际意义。 纤维层对入射光的散射作用与层内纤维片段的数量有关。设纤维层内各纤维片 段的直径均相等，纤维片段在纤维层内的取向分布函数为贝c c i ，) ，则纤维层对入 射光的散射强度等于各单一纤维片段所产生的散射光强度之和。一般地，当入射 光的入射条件( ( p ，) 一定时，纤维层在空间某一点产生的散射光强度等于： 石2 石 i l 狮r = n i 婶，f f 。f 、) 氡婶f d 9 f d f o o 式中：n 为受照区域内纤维片段的总根数；，( 矽，秒) 为经由球坐标转换后的散射 波强度。 由以上假设可知，纤维层内纤维片段的取向分布特征与光后向散射特征之间 存在密切关系。然而这种计算是基于纤维片段满足一次散射条件和不考虑纤维层 厚度为前提条件的。实际的非织造布是具有一定厚度的纤维集合体。由于非织造 布具有一定的厚度，纤维片段之间就不可避免的存在多次散射现象。因此，当纤 维排列密度增加和考虑纤维层具有一定厚度时，纤维片段之间的多次散射就变得 不能忽略，纤维集合体的散射特征也将因此产生变化。 图2 4 非织造布纤维散射元单次和多次散射示意图 1 2 r m l o o q 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 当一束平面光波投射到非织造布纤维层叠合模型上时，部分入射光经表层纤 维片段产生后向散射，经表层前向散射的光波还将与非织造布内层的纤维片段产 生多次散射。因此，考虑纤维片段对入射光多次散射的纤维层叠合模型，其光散 射情况是十分复杂的。随机分布散射元对入射光的多次散射示意图如图2 。4 所示。 3 ) 特征散射作用表达 运用随机分布散射元中能量的输运理论，将纤维层叠合模型看成一个连续的 整体，考虑纤维集合体内纤维片段之间的多次散射和纤维片段的取向分布，可以 给出非织造布后向散射强度与取向分布函数之间的关系： j 一( z = 去，凡”4 由= ( 堡番生) re x p ( - 2 成z ) 出= 磊等( 1 一e x p ( 一2 成劫 式中：d 为纤维层叠合模型的厚度，为纤维散射元的吸收截面，以为纤维 散射元的数密度。由上式可以看出：纤维散射元之间存在多次散射的纤维层叠合 模型的后向散射强度由旷。船。和l e x p ( 一2 岛d ) 两部分组成。前项与散射元 的后向散射截面和吸收截面有关。在其他条件不变时，其大小主要与入射光的入 i 射方向和纤维层内纤维的取向分布函数有关；在后一项中e 指数幂的数值大小与 譬纤维层叠合模型中在给定入射光条件下取向分布符合散射条件的纤维散射元的数 j 密度p 。大小以及与非织造布的厚度有关。 大量探索性实验表明：当激光入射角度和接收器接收角度一定时，激光后向 散射强度与非织造布的面密度和纤维取向分布之间存在对应关系，如：在相同面 密度下，后向散射强度随纤维半径增加而下降；纤维层越厚，后向散射光强度越 大；当纤维在两维平面内接近于各向同性分布时，入射光天顶角减小将以接近线 性的规律增加后向散射光强度；当纤维呈空间取向分布时，后向散射强度随入射 光天顶角减小而增大。同时，这些测试结果于实际较为吻合。因此，可以应用激 光后向散射强度来测试非织造布面密度和纤维取向分布。 2 1 2 激光散射强度角分布测量系统简介 1 ) 基本构成 如图2 5 所示，非织造布激光散射强度角分布测量系统包括h e n e 气体激光 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 光源，上下光强度接收器，试样台，旋转驱动装置，散射光强度信号采集电路， d 接口和控制电路和软件设计等部分。 图2 5 计算机程序控制非织造布激光散射强度测定系统 2 ) 各种功能及调节 该系统采用一台p c 计算机通过预先编制的数据采集软件包和一块4 0 k b s 数据 传输率的d 接口板控制试样台的转动和数据的采集过程。平行激光束发生器、 接收器和非织造布平面的法线共处于同一垂直平面内。激光器发出的平行激光束 的人射角和接收器的接收角可在垂直面内任意调节。试样可绕法线以角速度1 3 2 r m i n 转动。测角装置可以探测试样实际转动的角度p ，转动角度可由程序控制在 0 。3 6 0 。范围内测定。上接收器采集后向散射光，下接收器采集前向散射光。 接收器检测的散射光为相对光强，相对散射光强度的数值采用标准板进行标定。 由理论分析和前期的大量实验结果表明，激光散射强度角分布系统能够测量 非织造布对入射激光的空间散射强度角分布状况，测试结果稳定。 2 1 3 激光散射强度角分布测量系统的操作 非织造布激光散射强度角分布测量系统采用2 2 0 v 交流电源，测试装置设有专 用稿精度稳压电源，产生6 v 直流电源供信号采集电路使用。在系统使用前，需检 查电源是否符合电压要求。开机顺序为：打开微型计算机电源，启动激光散射 强度测量系统软件进入系统封面：打开测量机柜电源，开始预热系统；打开 激光器电源开始预热；预热2 0 分钟后，按系统软件要求用标准板校准仪器满度 和零度，并输入数据；丌始测量工作：包括放置试样，关闭暗箱；关机( 与 1 4 第二章理想纤维取向模型的光散射强度分布的测试和分析 开机顺序相反) 。 该测量系统用于校准相对强度满度( 1 0 0 ) 的标准板为一块平面镜，在入射 激光束和接收器位置固定的条件下，调节平面镜角度，使接收器处于正反射方向 上，此时接收器接收的光强度记为1 0 0 ；相对强度零度( o ) 为完全无光照条 件下，接收器测定的光强信号(