基于網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)非織造布的彈性回復(fù)性能

張寅江，徐小萍，靳向煜，張志奮

(東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

高壓水針射流對纖網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)噴射，經(jīng)多重反復(fù)沖擊和反射水流作用，纖維間、纖維束間相互穿插纏結(jié)，在抽吸力的共同作用下，纖維與纖維的交接處逐漸纏繞收緊成結(jié)，結(jié)中的纖維構(gòu)成類似三維包覆網(wǎng)結(jié)構(gòu)［1-3］。

通過改變纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)改善非織造布彈性的方法可生產(chǎn)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)彈性非織造布。水刺非織造布以纖維作為基本集合體，通過水針機(jī)械作用使網(wǎng)孔周圍的纖維發(fā)生位移、穿插、相互纏結(jié)和抱合形成具有一定彈性的穩(wěn)定纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于纖維與纖維的水刺纏結(jié)加固是在非積極握持狀態(tài)下進(jìn)行的，纖網(wǎng)內(nèi)的纖維易滑動位移，具有良好的轉(zhuǎn)動自由度，受力拉伸時纏結(jié)區(qū)中纖維具有良好的伸長和壓縮變形能力，故可通過網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水刺布的彈性回復(fù)性能。

本文通過分析非織造布纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為改善非織布的彈性回復(fù)性能提供理論參考。

1 受力狀態(tài)下纖維與纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)

由于高壓水針連續(xù)沖擊加上反射無規(guī)律水流作用，水針穿過纖網(wǎng)形成孔洞，其周圍纖維形成穿插、位移、纏結(jié)抱合的機(jī)械纏結(jié)，纖網(wǎng)得到機(jī)械加固。水刺非織造布在受到外力作用時，纖網(wǎng)內(nèi)纖維易伸直，但纖維形變趨勢又受到周圍纖維阻礙形成徑向壓力，若纖維集合體能產(chǎn)生足夠的力來握持這根纖維，則這根纖維由于運(yùn)動易產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，所受外力越大握持力也就越大［4-5］。由于討論的纖網(wǎng)中纖維長度為38 mm，故本文以該長度為基礎(chǔ)，建立拉伸過程中水刺非織造布纖網(wǎng)中纖維受力時的幾種典型纏結(jié)結(jié)構(gòu)形態(tài)，圖1示出纖維間6種纏結(jié)結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖1 纖維間6種纏結(jié)結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.1 Six ways of entanglement structure morphologies between fibers.(a)U shaped entanglement of fibers;(b)Entanglement between multiple fibers;(c)Consolidation points exist in fibers entanglement;(d)Consolidation points and simple mesh;(e)Spunlaced mesh unitunderidealcondition;(f)Spunlaced mesh under ideal condition

圖1 (a)示出纖維間普遍的U形纏結(jié)，在拉伸力的作用下，纖維克服纖維間摩擦阻力，從該纏結(jié)中抽出;圖1(b)示出多根纖維與纖維簡單的纏結(jié)［6］，在受力拉伸作用下發(fā)生纖維的伸直，然后滑移;圖1(c)中纖維間存在少量固結(jié)點(diǎn)，作用力在纖維本身彈性范圍內(nèi)可回復(fù)，當(dāng)拉伸作用超過固結(jié)點(diǎn)所能承受的范圍，該結(jié)構(gòu)易破壞，在固結(jié)點(diǎn)大部分纖維發(fā)生不可回復(fù)的滑移;圖1(d)中有纖網(wǎng)在水針作用下形成的固結(jié)點(diǎn)和簡單的網(wǎng)孔，在適當(dāng)拉伸力作用下，網(wǎng)孔發(fā)生形變，卸去力的作用后，隨著網(wǎng)孔纖維形變回復(fù)，纖網(wǎng)表現(xiàn)出彈性;圖1(e)、(f)示出理想狀況下水刺網(wǎng)孔的結(jié)構(gòu)形態(tài)，固結(jié)點(diǎn)間由許多U形纏結(jié)纖維形成。水刺非織造布中每層纖網(wǎng)都存在著上述類似的結(jié)構(gòu)，層與層之間同樣由這些結(jié)構(gòu)纏結(jié)構(gòu)成。未受水刺沖擊的纖網(wǎng)，受拉伸時幾乎無回復(fù)性能，而經(jīng)水針直接沖擊和反射水流作用后，大量纖維與纖維U形纏結(jié)形成孔狀結(jié)構(gòu)，理想狀態(tài)下形成有規(guī)律的以4個頂點(diǎn)為固結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)孔類似結(jié)構(gòu)形態(tài)。在受力拉伸狀態(tài)下，網(wǎng)孔可以發(fā)生形變與其周圍纖維纏結(jié)形成內(nèi)抱合來抵抗纖網(wǎng)受力，同時纖維自身的彈性也可承擔(dān)一定的拉伸，卸去外力后，通過網(wǎng)孔形變的回復(fù)和纖維自身的彈性實現(xiàn)纖網(wǎng)回復(fù)，故可通過水刺網(wǎng)孔形變和纖維本身彈性來影響水刺非織造布的彈性回復(fù)性能。

2 非織造布中纖維“U”形纏結(jié)分析

Mao等［7-8］用電鏡觀察2種水刺聚酯非織造布，發(fā)現(xiàn)面密度為75g/m2的薄型非織造布在射流作用下纖維都彎曲成 U形。有人利用 X-ray tomography對水刺非織造布中纖維進(jìn)行三維重構(gòu)，對示蹤纖維運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，纖維彎曲纏結(jié)類似 U形，可以認(rèn)為纖維相互間纏結(jié)類似U 形［9-10］。

水刺非織造布中纖維與纖維主要以纏結(jié)的方式結(jié)合在一起［6］形成穩(wěn)定的纖網(wǎng)層，在受到外力拉伸時的失效方式主要是纖維間機(jī)械纏結(jié)的脫開，符合歐拉公式［11］T1=T0eμθ。假設(shè)受拉伸時纖維Ⅰ從纖維Ⅱ上滑脫，纖維間纏結(jié)模型見圖2。非織造布受拉伸時，受拉伸力模型見圖3。

圖3 中，在纖維Ⅱ上纖維I包覆弧長為AD，θ為∠AOD，T1為切點(diǎn)A處纖維所受的力;T0為纖維I開始滑動時的外在拉力，弧AD上任意一點(diǎn)為B，微元弧BC所對應(yīng)的圓心角為dθ。BC開始移動的瞬間，所受外力包括外在拉伸Td，B點(diǎn)處纖維受力T，BC段受到的摩擦力為dT。當(dāng)微元弧BC在剛開始運(yùn)動的瞬間，達(dá)到受力平衡，纖維Ⅰ與纏結(jié)的纖維Ⅱ滑動的瞬間摩擦力為F，纖維之間的靜摩擦因數(shù)設(shè)為μ，即有：

圖2 水刺非織造布中纖維纏結(jié)模型Fig.2 Entanglement model of spunlace nonwoven

圖3 受到外力作用纖維之間的力學(xué)模型Fig.3 Fiber mechanical model by external force

由式(1)、(2)解得：

又因為F=μN(yùn)，代入式(3)得dT/T=μdθ對其積分可解得

式中：T1為纖維I開始滑動時所需外在拉力;T0為纖維I的原受力;θ為纖維纏結(jié)時包覆角度(弧度);e為常數(shù)。

從式(2)～(4)中可看出，拉伸使纖維與纖維滑移機(jī)械纏結(jié)失效與機(jī)件兩側(cè)紗線輸入與輸出張力關(guān)系相同，故纖維能從纏結(jié)結(jié)構(gòu)中抽拔的力與μ和θ有關(guān)，二者的值越大，在相同水刺壓力條件下，纖維被拉拔出來的力就越大。龐連順［12］通過對幾種水刺滌綸織物的力學(xué)分析得出類似的結(jié)論：纖維摩擦因數(shù)越大，纏結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度也越大，即纏結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度越高，纖維纏結(jié)越緊密，這種牢固纏結(jié)使網(wǎng)孔周邊纖維易處于纏結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，在非織造布受力拉伸時，只是纏結(jié)纖維的伸直，很少有纖維間滑移現(xiàn)象出現(xiàn)，去掉外力非織造布易回復(fù)到原來狀態(tài)，故可通過提高纖維間的摩擦因數(shù)和包覆角來提高纖網(wǎng)的回彈性。

3 網(wǎng)孔的力學(xué)模型構(gòu)建和分析

3.1 網(wǎng)孔中的纖維

在水刺非織造生產(chǎn)過程中，梳理后的纖維各向異性明顯，后多以交叉鋪網(wǎng)的方式進(jìn)行鋪網(wǎng)，故本文以此形式進(jìn)行分析。交叉鋪網(wǎng)的橫向排列纖維量多，橫向纏結(jié)纖維數(shù)高，從而在拉伸時，其橫向的有效纖維量更大，水刺加固后纖維纏結(jié)會更多［1，13］。為減少其縱橫向的差異，在其后進(jìn)行雜亂牽伸，使纖網(wǎng)中原來呈橫向排列的部分纖維向縱向移動，增加纖網(wǎng)的各向同性。圖4(a)為甲殼素/粘膠水刺布網(wǎng)孔的SEM照片。可以看到明顯的水刺孔，以模擬理想的菱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，可以分析非織造布縱橫向的彈性回復(fù)性能。圖4(b)為網(wǎng)孔周圍纖維因水針作用導(dǎo)致明顯纏結(jié)的SEM照片。

圖4 經(jīng)雜亂牽伸網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和其周邊纏結(jié)纖維SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of mesh structure(a)and entanglement fiber around mesh(b)after random drafting

3.2 纖網(wǎng)中網(wǎng)孔模型的彈性性能

根據(jù)纖維在交叉鋪網(wǎng)方式下的排列結(jié)構(gòu)形態(tài)，建立非織造布水刺孔的理想結(jié)構(gòu)模型［4］。設(shè)網(wǎng)孔模型為一種菱形結(jié)構(gòu)，纏結(jié)纖維集合體b和纏結(jié)纖維集合體d之間的夾角為θ，菱形的4個頂點(diǎn)為固結(jié)點(diǎn)，a=b=c=d，a平行 d，c平行 b。圖5(a)示出網(wǎng)孔松弛狀態(tài)及經(jīng)縱向拉伸的模型。纖網(wǎng)縱向拉伸達(dá)到結(jié)構(gòu)發(fā)生形變(圖5(a)中b和d之間夾角θ'為180°)，網(wǎng)孔在縱向上形變量為

圖5 縱橫向拉伸模型Fig.5 Longitudinal tensile model(a)and transverse tensile model(b)

圖5 (b)示出網(wǎng)孔松弛狀態(tài)及經(jīng)橫向拉伸的模型。纖網(wǎng)橫向拉伸達(dá)到結(jié)構(gòu)發(fā)生形變(圖5(b)中b和d成一直線夾角θ'為0°)，此時網(wǎng)孔在橫向上形變量為

θ∈(0，π/2)時，在橫向上有較多的纖維排列，在此范圍內(nèi) cos(θ/2)-sin(θ/2) ＞0，則△L＞ △L'，這種菱形結(jié)構(gòu)的纖網(wǎng)孔被拉伸到結(jié)構(gòu)變形的極限位置時，假設(shè)形變可回復(fù)，縱向的形變量大于橫向的形變量，纖網(wǎng)在縱向有較好的拉伸回彈性;同理 θ∈(π/2，π)時，則△L＜△L'，網(wǎng)孔在橫向有較好的拉伸回彈性。采用交叉鋪網(wǎng)機(jī)鋪疊的纖網(wǎng)，纖維在纖網(wǎng)中呈橫向排列，θ為鋪網(wǎng)角位于(0，π/2)，但經(jīng)雜亂牽伸后橫向排列的部分纖維朝縱向移動，θ角明顯變大。經(jīng)水刺纏結(jié)加固更為復(fù)雜，大多數(shù)情況下纖維縱向排列數(shù)量多于橫向。

故當(dāng)纖維縱向排列數(shù)量多于橫向情況時類似［θ∈(π/2，π)］，纖網(wǎng)橫向拉伸時纖維開始從纏結(jié)點(diǎn)發(fā)生回復(fù)性滑移，當(dāng)拉伸在一定范圍內(nèi)，纖網(wǎng)中的纖維結(jié)構(gòu)和纖維自身影響纖網(wǎng)拉伸回彈性，但前者趨于主導(dǎo)作用;一旦拉伸超過纖維結(jié)構(gòu)形變極限，纖維就會在固結(jié)點(diǎn)發(fā)生不可回復(fù)的移動以及少量纖維斷裂。而在縱向上，拉伸開始時由少量的纖維纏結(jié)點(diǎn)伸直滑移，之后大部分拉伸負(fù)荷由纖維與纖維大面積摩擦所承擔(dān)，纖維本身性能影響纖網(wǎng)的拉伸回彈性;且纖網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)由纖維的機(jī)械纏結(jié)所形成，其變形引起纖網(wǎng)回彈性往往優(yōu)于纏結(jié)的纖維本身。在纖維縱向排列數(shù)量多于橫向情況下，從實際分析也同樣證明了纖網(wǎng)橫向彈性回復(fù)性優(yōu)于縱向，故可從纖維排列結(jié)構(gòu)來改善非織造布的回復(fù)性。

4 結(jié)語

1)經(jīng)過高壓水射流連續(xù)噴射和反射水流作用，纖網(wǎng)易形成水刺孔洞，孔周圍纖維發(fā)生纏結(jié)固結(jié)，嚴(yán)重的產(chǎn)生鎖結(jié)構(gòu)。對水刺非織造布纖維與纖維6種纏結(jié)形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔可發(fā)生形變和其周圍纖維纏結(jié)形成內(nèi)抱合來抵抗纖網(wǎng)受力，可通過水刺孔形變和纖維本身彈性來實現(xiàn)水刺布的彈性回復(fù)性能。

2)采用力學(xué)模型對纖維間最常見的U形纏結(jié)方式進(jìn)行理論分析得出，在受到外力拉伸時的失效方式主要是纖維間機(jī)械纏結(jié)的脫開，符合歐拉公式。

3)通過對水刺網(wǎng)孔進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，認(rèn)為可從纖維排列來改善非織造布縱橫向的彈性性能。

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