結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紗線及織物芯吸性能影響的研究進(jìn)展

王麗莉，劉 宇，徐天驕

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040）

0 引言

紡織品在人們的日常生活中十分常見，尤其服用紡織品，它可以用來維護(hù)人體和外部環(huán)境間的熱濕平衡，以滿足生存需要。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的提升，人們對(duì)物質(zhì)文化的需求不斷提高，更加注重服裝的服用舒適性。基于這一點(diǎn)，國內(nèi)外很多科研人員對(duì)于紗線、織物中的液態(tài)水的傳遞一直都在不斷研究中。在織物中，液態(tài)水的運(yùn)輸是影響服裝舒適性的關(guān)鍵因素?？椢锿ㄟ^把水從皮膚表面迅速運(yùn)輸?shù)酵饨绛h(huán)境，使皮膚表面保持干燥，讓著裝者感覺更加舒適。因此，改善纖維及其面料的服用舒適性與功能性，充分挖掘纖維的優(yōu)良性能，使之為人們所使用，已經(jīng)成為紡織行業(yè)的一個(gè)重要研究方向。

1 芯吸效應(yīng)理論分析

液體通過毛細(xì)管壓力驅(qū)使自發(fā)運(yùn)輸?shù)蕉嗫紫到y(tǒng)的過程被稱為芯吸。在毛細(xì)管系統(tǒng)中，芯吸過程可看成固液界面取代固氣界面的自發(fā)過程[1]。紡織織物或纖維的芯吸是指水分子沿著纖維表面間所形成的毛細(xì)管道運(yùn)輸?shù)揭欢ǜ叨鹊男阅?。在毛?xì)管內(nèi)，液體的自然流動(dòng)和伴隨液體擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部或纖維膜的自然流動(dòng)是芯吸運(yùn)動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)過程[2-3]，而本文的研究對(duì)象是第一種芯吸運(yùn)動(dòng)。

在紗線內(nèi)利用纖維間形成的毛細(xì)管來傳遞液體以完成紗線的芯吸，固體間產(chǎn)生毛細(xì)管效應(yīng)需要具備兩個(gè)條件[4-5]，即：液體能附著在固體表面，或者說是能夠潤濕固體表面；纖維與纖維之間形成足夠小的毛細(xì)管，水分在此毛細(xì)管內(nèi)表面呈內(nèi)凹的彎月形曲面，這種內(nèi)凹的彎月面存在一個(gè)附加壓強(qiáng)PS，可用公式（1）表示。

式中：?——水分的表面張力系數(shù)，N/m；

R——彎月面的曲率半徑，m。

當(dāng)毛細(xì)管壁被毛細(xì)管中的流體濕潤了，管內(nèi)形成了一個(gè)彎月形曲面，液氣界面的張力附加到液柱上，根據(jù)Laplace方程[1]，毛細(xì)管壓力差可用公式（2）表示。

式中：ΔP——毛細(xì)管壓力差，Pa；

γLV——液氣界面張力，N/m；

R1、R2——兩個(gè)彎曲面軸向的曲率半徑，m。

對(duì)于圓形截面毛細(xì)管，當(dāng)毛細(xì)管壁完全被液體濕潤時(shí)，液氣界面可假設(shè)為一個(gè)半球形，兩個(gè)彎曲面的曲率半徑R1=R2=R，此時(shí)毛細(xì)管壓力差可用公式（3）表示，即：

當(dāng)毛細(xì)管壁未被液體完全濕潤時(shí)，會(huì)形成一個(gè)接觸角θ（固液接觸角），可用公式（4）表示。

式中：r——是毛細(xì)管當(dāng)量半徑，m。

式（3）就變?yōu)椋?/p>

由于毛細(xì)管壓力為正，因此接觸角θ在0°～90°。此外，毛細(xì)芯吸的差動(dòng)效應(yīng)引起毛細(xì)管芯吸過程往往具有方向性，會(huì)由大半徑孔隙向小半徑孔隙流動(dòng)[6]。

另外，根據(jù)Poiseulle方程，液體的毛細(xì)流速q（單位時(shí)間的流量）為：

單位時(shí)間內(nèi)的線速度v為：

基于Poiseulle方程，在不考慮重力的情況下，Lucas-Washburn導(dǎo)出毛細(xì)管的流速方程[1，7]為：

式中：l——毛細(xì)管吸水長度，m；

η——液體黏度，Pa·s；

V——液體體積，m3

綜合上述分析可知，液氣界面張力、纖維的吸濕性、纖維集合體內(nèi)的毛細(xì)管大小和液體的黏度都對(duì)液體的芯吸速度有著較大的影響[8]。因此，要使得液體能以較快的速度上升到較高的高度，就必須要求毛細(xì)管有一個(gè)合適的半徑值[4]。

2 國內(nèi)外芯吸性能研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

由于紗線和織物內(nèi)部導(dǎo)水情況以及其相應(yīng)的原理極為復(fù)雜，即使歷經(jīng)多年，研究者們對(duì)芯吸影響因素和優(yōu)化服裝舒適性的研究也一直未有中斷。為了更好地了解芯吸性能的研究進(jìn)展，本文主要從理論模型、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等3個(gè)方面進(jìn)行介紹和分析。

2.1 芯吸性能理論模型的研究進(jìn)展

Amico S等[9-10]提出并構(gòu)建了關(guān)于微觀孔隙和宏觀孔隙的雙尺度流體理論模型，預(yù)測滲透長度與時(shí)間、表觀滲透率、毛細(xì)壓力等的函數(shù)關(guān)系，通過一系列織物芯吸試驗(yàn)研究雙尺度上的芯吸現(xiàn)象，驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測的相關(guān)性。施楣梧等[11]提出了織物濕傳導(dǎo)的3種通道模型，并指出織物中多層次結(jié)構(gòu)的透濕孔洞因其橫向尺寸的不同而導(dǎo)致孔隙對(duì)織物導(dǎo)濕的作用存在差異。王其等[12-15]提出3個(gè)層次的導(dǎo)濕結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)應(yīng)構(gòu)建了其中的高導(dǎo)濕紗線模型和導(dǎo)濕織物模型，發(fā)現(xiàn)織物里外層纖維的特性、線密度、根數(shù)以及織物里外層的厚度均會(huì)影響導(dǎo)濕模型的快干功能，從而提出優(yōu)化紗線和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到導(dǎo)濕快干效果的結(jié)論。Bravo等[16]在兩相流的應(yīng)用中利用達(dá)西定律對(duì)Washburn模型進(jìn)行完善，獲得多孔介質(zhì)中毛細(xì)上升高度與時(shí)間之間的關(guān)系表達(dá)式。Shou等[17-20]構(gòu)建了不同孔長度、寬度和孔隙率等情況下上下層多孔結(jié)構(gòu)模型，在毛細(xì)壓力和滲透率交互作用前提下對(duì)液態(tài)吸水情況進(jìn)行研究探索，并通過優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)得到最小的吸收時(shí)間，這一發(fā)現(xiàn)在很多領(lǐng)域中對(duì)關(guān)于水處理的多孔設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

以往諸多學(xué)者均利用Lucas-Washburn方程法，在假設(shè)紗線內(nèi)部纖維間的孔隙為光滑毛細(xì)管的前提下，對(duì)紗線的導(dǎo)水機(jī)制問題進(jìn)行研究[21]。但在后來的研究與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)不均勻毛細(xì)管的研究更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，紗線內(nèi)的微觀孔隙和織物內(nèi)的宏觀孔隙的大小以及孔隙連續(xù)性影響著紗線和織物芯吸導(dǎo)水的速率，對(duì)理論模型不斷優(yōu)化。

2.2 芯吸性能的試驗(yàn)研究進(jìn)展

人們對(duì)芯吸性能的試驗(yàn)測試方法一直在不斷的優(yōu)化中。目前，依據(jù)試驗(yàn)機(jī)制和相應(yīng)的表征方式可將試驗(yàn)方法分為3類，即：垂直芯吸法、液滴擴(kuò)散法和稱重法，其中垂直芯吸法是紗線和織物芯吸性測試中最常用的方法，常用試驗(yàn)裝置詳見圖1。

圖1 垂直芯吸試驗(yàn)裝置圖

Reed等[22-25]通過推導(dǎo)垂直芯吸模型的平衡物理公式，對(duì)纖維集合體內(nèi)的液體傳輸機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)液體芯吸行為影響較大的因素包括纖維材料自身吸濕性能、纖維直徑、紗線的形狀及加捻程度等。查安霞等[3-4,26-27]分析了芯吸效應(yīng)的形成機(jī)制，通過芯吸試驗(yàn)初步探討了不同截面、紗線加捻程度、單絲纖度、針織物稀密程度、未充滿系數(shù)和織物組織結(jié)構(gòu)等因素對(duì)芯吸的影響，從而確認(rèn)了影響芯吸的相關(guān)因素，并通過控制上述諸多因素設(shè)計(jì)出利于芯吸的舒適面料。李毅等[28-29]對(duì)加捻紗進(jìn)行垂直芯吸試驗(yàn)，研究了張力大小和紗線捻度對(duì)紗線芯吸性能的影響。詹永娟[30]使用LED光源對(duì)織物內(nèi)液態(tài)水的垂直傳輸性能進(jìn)行了處理，并輔以軟件進(jìn)行擬合芯吸速率，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)棉機(jī)織物內(nèi)液態(tài)水的垂直傳輸性能影響因素進(jìn)行探討。通過多次試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響紗線及其織物芯吸效應(yīng)的因素涉及纖維的形狀、單絲細(xì)度、紗線的加捻程度、織物的組織結(jié)構(gòu)、織物緊度等多個(gè)方面。對(duì)于服裝設(shè)計(jì)來說，服裝材料的選擇及加工處理對(duì)服裝服用舒適性有著直接性的影響。通過綜合考慮上述多因素的影響，設(shè)計(jì)出有利于提高芯吸性能的面料，為改善服裝服用舒適性起到至關(guān)重要的作用。

2.3 芯吸性能的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

Pillai[31-32]使用軟件構(gòu)建織物的簡單模型，用軟件進(jìn)行流體模擬，分析織物的液態(tài)水傳遞原理和紗線間距、紗線直徑、孔隙尺寸及分布等方面與多孔介質(zhì)中水分蒸發(fā)的關(guān)系，為優(yōu)化多孔材料提供設(shè)計(jì)依據(jù)。張艷等[2]構(gòu)建纖維束單元模型MFB和纖維束截面隨機(jī)排列模擬系統(tǒng)Shape-Generator，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，研究了芯吸效應(yīng)的影響因素。朱娜[33]建立仿生織物模型，通過FLUENT軟件模擬分析了織物和紗線內(nèi)部的液態(tài)水傳輸過程。王麗莉[34]通過建立紗線和織物內(nèi)纖維間孔隙的物理模型，用FLUENT軟件模擬紗線織物內(nèi)液態(tài)水在不同孔隙結(jié)構(gòu)情況下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)而研究不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紗線織物的芯吸影響。齊園園[35]建立了二維、三維藕節(jié)管模型，使用FLUENT仿真研究納米纖維包覆長絲紗的芯吸導(dǎo)水過程，進(jìn)而研究不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紗線的芯吸影響。耿長軍[36]建立了“鑰匙形”分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)模型，并通過層流方法進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了該孔隙結(jié)構(gòu)模型的導(dǎo)水性能和吸水?dāng)U散能力。運(yùn)用CFD仿真模擬方法模擬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的紡織材料導(dǎo)水性能，可減少數(shù)學(xué)理論求解紡織品導(dǎo)水性能的復(fù)雜性，且模擬結(jié)果具有良好的可靠性和可行性，作為一種有效的研究織物服用舒適性的方法，值得深入研究。

2.4 紗線及織物芯吸性能研究中存在的問題

研究紗線的導(dǎo)水性能通常使用理論模型和試驗(yàn)測量的方法，但由于實(shí)際紗線和織物導(dǎo)水過程的復(fù)雜性，這兩種方法并不能直觀表征液體在織物紗線內(nèi)部的流動(dòng)情況。使用CFD數(shù)值方法可以形象地表達(dá)出液態(tài)水在紗線和織物中流動(dòng)的速度指標(biāo)，對(duì)研究織物服用舒適性具有重要的指導(dǎo)意義。然而，對(duì)于液態(tài)水在紗線織物中的運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬研究還有許多問題有待進(jìn)一步解決，主要涉及的問題為：構(gòu)建織物的幾何模型太簡單，不能如實(shí)反映織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及紗線的屈曲狀態(tài)；構(gòu)建復(fù)雜的織物內(nèi)傳輸液態(tài)水的模型，求解起來較困難；用CFD技術(shù)從纖維、紗線、織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)方面入手，系統(tǒng)分析液態(tài)水在織物中傳輸?shù)南嚓P(guān)研究很少。

3 結(jié)論

（1）纖維間的毛細(xì)孔隙是決定纖維材料導(dǎo)濕性能的主體，對(duì)紡織面料的濕舒適性具有重要的影響。研究人員一直在對(duì)紗線和織物的芯吸方法創(chuàng)新研究，通過理論模型研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、CFD模擬方法等不斷探索中。

（2）影響紗線以及織物芯吸性能的因素較多，其中纖維的形狀、紗線加捻程度、單絲細(xì)度、織物經(jīng)緯紗交織產(chǎn)生的交互作用以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紗線和織物水分傳遞行為特征有著重要的影響。將理論模型研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、CFD模擬方法等相結(jié)合，可更方便、準(zhǔn)確地優(yōu)化提高紡織品導(dǎo)水性能結(jié)構(gòu)參數(shù)，為今后舒適性紡織品的發(fā)展提供新的開發(fā)方向。

（3）使用CFD數(shù)值模擬的方法可形象地表達(dá)出液態(tài)水在紗線織物中的流動(dòng)速度指標(biāo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)研究織物服用舒適性具有重要的指導(dǎo)意義。然而，數(shù)值模擬還存在不少難題，比如：模型構(gòu)建簡單、復(fù)雜的模型求解難、相關(guān)CFD模擬文獻(xiàn)研究少等。要解決這些問題需要強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件來支持，更需要研究人員進(jìn)一步從纖維、紗線、織物的物理性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)方面入手，加大對(duì)液態(tài)水在織物中傳輸?shù)南嚓P(guān)研究。