純棉機(jī)織物結(jié)構(gòu)與透氣性的關(guān)系研究

孫浪濤

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純棉機(jī)織物結(jié)構(gòu)與透氣性的關(guān)系研究

孫浪濤

（泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000）

織物透氣性作為服裝舒適性的重要指標(biāo)之一，受到廣泛關(guān)注。利用Hagen-Poiseuille定律推導(dǎo)了機(jī)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與透氣率的關(guān)系式，通過(guò)對(duì)30種純棉機(jī)織物結(jié)構(gòu)及透氣率的測(cè)試，分析織物理論透氣率、緊度及厚度與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性，并得到織物實(shí)測(cè)透氣率與理論透氣率及緊度間的回歸方程。結(jié)果表明：織物的透氣性與織物密度、紗線(xiàn)直徑及厚度有關(guān)；在織物兩側(cè)壓差較小的情況下，氣體流經(jīng)織物主要以層流運(yùn)動(dòng)為主；通過(guò)織物理論透氣率及緊度得到的織物透氣率回歸方程，其計(jì)算值與織物實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性顯著。

透氣性；多孔介質(zhì)；純棉織物；機(jī)織物

隨著人們生活水平的提高，對(duì)服用織物舒適性要求也越來(lái)越高，而透氣性作為服裝舒適性的重要指標(biāo)之一，也備受人們的關(guān)注?？椢锿笟庑允侵缚椢飪蓚?cè)存在壓差時(shí)，空氣透過(guò)織物的能力，通常采用透氣率來(lái)表示?？諝馔高^(guò)織物的主要途徑有織物內(nèi)紗線(xiàn)間孔隙、紗線(xiàn)內(nèi)纖維間孔隙及纖維內(nèi)部孔隙三種，一般以前者為主[1]。本文以純棉織物為例，采用流體力學(xué)理論中的Hagen-Poiseuille定律結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，探討純棉機(jī)織物結(jié)構(gòu)與透氣性關(guān)系，為服用織物設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供參考。

1 理論分析

織物內(nèi)紗線(xiàn)間的孔隙大多是相互貫通的，當(dāng)織物兩側(cè)壓差較小，且氣體流經(jīng)織物速度較低時(shí)，在織物紗線(xiàn)孔隙表面形成附面層，孔隙中心流速最大，形成層流運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際上孔隙從織物一側(cè)到另一側(cè)，孔徑先減小后增大，呈現(xiàn)類(lèi)似于方形截面但有瘦尖角、帶螺旋的頭對(duì)頭的喇叭形狀，使得氣體流經(jīng)織物常產(chǎn)生渦流，形成紊流運(yùn)動(dòng)[2]。另外，由于紗線(xiàn)變形及相互擠壓，纖維間孔隙和紗線(xiàn)間孔徑的大小和形狀不規(guī)則，以及織物組織、幾何結(jié)構(gòu)相、浮長(zhǎng)線(xiàn)、紗線(xiàn)毛羽、線(xiàn)圈及織物后整理等因素的影響，使得織物透氣性研究變得復(fù)雜。

若假定織物結(jié)構(gòu)緊密均勻，織物透氣僅由紗線(xiàn)間的空隙產(chǎn)生，且紗線(xiàn)間的空隙為規(guī)則矩形。當(dāng)織物兩側(cè)存在壓差時(shí)，空氣透過(guò)織物類(lèi)似于流體流經(jīng)多孔介質(zhì)，因此可將織物內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平行毛細(xì)管束模型[3~5]。假定氣體流經(jīng)織物時(shí)為層流運(yùn)動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)理論，空氣流經(jīng)單一圓管時(shí)，可采用Hagen-Poiseuille定律來(lái)計(jì)算透氣量q(m3/s)[6]。

式中：△p為管兩端的壓差（Pa）；L為圓管的長(zhǎng)度（m）；d為圓管的直徑（m）；μ為空氣的動(dòng)力粘度（Pa·s）。

根據(jù)流體力學(xué)中矩形風(fēng)管流速當(dāng)量直徑換算方法，將矩形截面換算成圓形截面[6]。若設(shè)pj、pw表示經(jīng)、緯密度（根/10cm），dj、dw表示經(jīng)、緯紗表觀(guān)直徑（mm），即當(dāng)量直徑dh（mm）。

若設(shè)織物厚度為L(zhǎng)（mm），則織物的透氣率Q(mm/s)為

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器設(shè)備

材料：純棉織物30種，其織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

儀器設(shè)備：YG461E型數(shù)字式織物透氣量?jī)x（泉州市美邦儀器有限公司），YG002型纖維細(xì)度綜合分析儀（泉州市美邦儀器有限公司），YG141D型數(shù)字式織物厚度儀（泉州市美邦儀器有限公司），Y511B型織物密度鏡。

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 織物透氣率測(cè)試

按照GB/T5453-1997《紡織品織物透氣性的測(cè)試》，采用YG461E型數(shù)字式織物透氣量?jī)x測(cè)試織物透氣率，試樣面積為20cm2，壓降100Pa，同一樣品測(cè)試10次，取平均值。

表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.2 織物厚度測(cè)試

按照GB/T3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》，采用YG141D型數(shù)字式織物厚度儀測(cè)量織物厚度，壓腳面積2000mm2，加壓時(shí)間30s，同一樣品測(cè)試5次，取平均值。

2.2.3 紗線(xiàn)表觀(guān)直徑測(cè)試

采用YG002型纖維細(xì)度綜合分析儀拍攝織物表面結(jié)構(gòu)圖片，測(cè)量織物中紗線(xiàn)的表觀(guān)直徑，同一樣品測(cè)試20次，取平均值。

2.2.4 織物密度測(cè)試

采用Y511B型織物密度鏡測(cè)量織物經(jīng)緯密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣體流動(dòng)分析

由于氣體存在一定的粘滯性，其流動(dòng)時(shí)存在層流、過(guò)渡流和紊流三種流態(tài)，通常采用雷諾數(shù)進(jìn)行判定[6]?？椢锿笟庑詼y(cè)試結(jié)果如表1所示，在30組試樣中，織物孔隙的最大當(dāng)量直徑為0.242mm，實(shí)測(cè)透氣率最大為2602.39mm/s，在壓強(qiáng)為101.325Kpa，溫度為20℃條件下，空氣的運(yùn)動(dòng)粘度v為14.9×10-6m2/s，則雷諾數(shù)Re=udh/v=42.27<2300。由流體力學(xué)理論，雷諾數(shù)小于2300，證明管中的流動(dòng)為層流，因此，在氣體透過(guò)織物時(shí)，主要以層流的形式通過(guò)，可以采用公式3來(lái)進(jìn)行織物透氣性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3.2 理論透氣率與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性分析

織物的理論透氣率與實(shí)測(cè)透氣率關(guān)系如圖1所示。

由圖1可看出，織物透氣率的理論值與實(shí)測(cè)值呈正相關(guān)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.772，表明理論透氣率與實(shí)測(cè)透氣率之間強(qiáng)相關(guān)。透氣率理論值與實(shí)測(cè)值之間存在一定偏差，分析原因有織物中紗線(xiàn)孔隙并非分布均勻，且截面并不是矩形結(jié)構(gòu)，除此之外，織物組織、纖維間孔隙、纖維內(nèi)部孔隙、紗線(xiàn)條干均勻度及表面毛羽等因素也會(huì)對(duì)織物透氣性產(chǎn)生影響。

圖1 理論透氣率與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性

圖2 緊度與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性

圖3 厚度與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性

3.3 織物緊度與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性分析

織物緊度反映了織物的緊密程度，與織物密度及紗線(xiàn)直徑的有關(guān)，緊度越大，織物越緊密。在30組試樣中選取厚度為（0.3555±10%）mm，即為0.32mm~0.39mm內(nèi)的試樣，進(jìn)行緊度與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，織物緊度與實(shí)測(cè)透氣率呈負(fù)相關(guān)，分析原因是隨著織物緊度的提高，紗線(xiàn)間的孔隙面積下降，導(dǎo)致透氣率下降。其復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.886，表明織物緊度與實(shí)測(cè)透氣率之間極強(qiáng)相關(guān)。

3.4 織物厚度與實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性分析

織物厚度主要與紗線(xiàn)細(xì)度、織物組織和織物中紗線(xiàn)彎曲程度有關(guān)，其影響織物的保暖性、透氣性、防風(fēng)性等。在30組試樣中選取緊度為（87.26±5%）%，即為83%~91%內(nèi)的試樣，進(jìn)行織物厚度與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，織物厚度與實(shí)測(cè)透氣率呈負(fù)相關(guān)，但其復(fù)相關(guān)系數(shù)R為-0.134，表明織物厚度與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性較弱。

3.5 織物透氣性回歸分析

通過(guò)對(duì)理論透氣率、織物緊度、厚度與織物實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性分析，選取理論透氣率及織物緊度為自變量，以實(shí)測(cè)透氣率作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程：

Y=5013.7973+0.1437x1-52.0242x2（4）

式中：Y為透氣率回歸計(jì)算值（mm/s）；x1為透氣率理論值（mm/s）；x2為織物的總緊度（%）。

按公式4對(duì)30組試樣進(jìn)行透氣率計(jì)算，并分析其與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)性，得出：織物透氣率回歸計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.840，P=6.83453×e-13<0.05，因此，可以認(rèn)為該透氣率回歸方程在0.05水平下相關(guān)性顯著。

4 結(jié)論

（1）利用流體力學(xué)中的Hagen-Poiseuille定律，結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明織物的透氣性與織物密度、紗線(xiàn)直徑及厚度有關(guān)；

（2）在織物兩側(cè)壓差較小的情況下，氣體流經(jīng)織物主要以層流運(yùn)動(dòng)為主，緊度對(duì)織物透氣率影響顯著；

（3）在不考慮織物組織、浮長(zhǎng)、紗線(xiàn)毛羽等因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)織物的理論透氣率與織物緊度，得到織物透氣率回歸方程為Y=5013.7973+0.1437x1-52.0242x2，其計(jì)算值與織物實(shí)測(cè)透氣率相關(guān)性顯著。

[1] 許應(yīng)春. 機(jī)織物結(jié)構(gòu)及服用因素與透氣性關(guān)系的研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

[2] 劉茜. 變密度纖維集合體的壓縮、透氣與隔聲行為的組合表征[D]. 上海：東華大學(xué)，2006.

[3] 邱茂偉，王府梅. 機(jī)織物透氣性能的預(yù)測(cè)研究[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2005, 26（4）：73-75.

[4] 武海峰. 纖維素酶對(duì)漢麻織物手感的影響[D]. 上海：東華大學(xué)，2010.

[5] 張明光，梁紅艷. 平紋機(jī)織過(guò)濾布鼓泡孔徑的預(yù)測(cè)研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008, 26(2): 37-40.

[6] 張兆順，崔桂香. 流體力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.

Study on the Relationship between Structure and Air Permeability of Cotton Woven Fabric

SUN Lang-tao

(College of Textiles and Apparel, Quanzhou Normal University, Quanzhou Fujian 362000, China)

As one of the important indexes of clothing comfort, fabric air permeability is widely concerned. The relationship between the structural parameters and air permeability of the woven fabric is derived using the Hagen-Poiseuille law, The fabric structure and permeability of 30 kinds of cotton machine were tested. Analyzing the correlation between the theoretical air permeability, the intensity and the thickness of fabric and the measured permeability, The regression equation between the measured permeability and theoretical permeability of the fabric is obtained. The results showed that fabric's air permeability is connected to fabric density, yarn diameter and thickness. The pressure difference on both sides of the fabric is small, air flows through the fabric mainly in laminar motion. The return equation of air permeability is obtained through the theoretical air permeability and intensity of the fabric. The calculation value of the return equation of fabric air permeability is significantly correlated with the measured air permeability of the fabric.

air permeability; porous medium; cotton fabric; woven fabric

孫浪濤（1986-），男，助教，研究方向：功能性紡織產(chǎn)品.

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目資助（JAT170497）.

TS116

A

2095－414X(2018)06－0011－04