梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布透氣性能數(shù)值模擬

趙寶寶，錢曉明，朵永超，王 震，錢 幺

（1. 安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3. 五邑大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

超細(xì)纖維非織造材料屬于先進(jìn)產(chǎn)業(yè)用紡織材料，具有高比表面積和超柔軟的特點(diǎn)，是國家戰(zhàn)略性新興材料的重要組成部分[1,2]。雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布作為一種重要的超細(xì)纖維非織造材料，由于制備過程無污染和產(chǎn)品高物性，在服裝服飾、衛(wèi)生健康、安全防護(hù)、土工環(huán)境和能源軍工等領(lǐng)域有迫切的市場(chǎng)需求，已成為全球產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)之一[3～5]。目前，雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的梯度功能材料的開發(fā)是其研究熱點(diǎn)[6]。

透氣性是指空氣透過纖維集合體的能力，其大小是評(píng)價(jià)非織造材料性能的重要指標(biāo)，因此，研究非織造布透氣性具有重要意義。目前，很多學(xué)者研究報(bào)道了影響纖維集合體透氣性的因素，并簡(jiǎn)化纖維集合體的透氣過程，建立了很多纖維集合體的透氣性預(yù)測(cè)模型，如Kozeny-Carman[7]，Lord[8]，Davies[9]，Mohammadi[10]，Jackson[11]，Drummond[12]，Koponen[13]和Mao[14]，但因?yàn)橛绊懸蛩睾屠w維集合體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致理論預(yù)測(cè)工作未能形成成熟的體系。其中，關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的氣傳遞性質(zhì)這一方面的理論報(bào)道很少，有待進(jìn)一步的研究。

Geodict 軟件是德國Math2Market 公司研發(fā)出的專門針對(duì)多孔材料和復(fù)合材料的一款計(jì)算模擬軟件（計(jì)算機(jī)硬件要求：內(nèi)存64 G 以上；硬盤1 T 以上；獨(dú)立顯卡，顯存1 GB 以上；CUP 要求8 核以上。操作系統(tǒng)：64 位系統(tǒng)；Microsoft?Windows 7, 8 or 10，2012R2；Linux（RHEL 6 or 7, SuSE 12, Ubuntu 12））。該軟件可以為用戶提供虛擬材料設(shè)計(jì)所需的幾何模型，并由模型得到可靠的材料性能分析。Geodict 軟件的工作流程首先是模型結(jié)構(gòu)的建立，然后對(duì)其所建模型的微觀結(jié)構(gòu)模擬并輸入材料的宏觀參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，最后可以通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整來研究材料的特性。利用Geodict 軟件進(jìn)行材料計(jì)算模擬，可以幫助理解材料結(jié)構(gòu)如何影響材料性能，經(jīng)濟(jì)有效地提高材料性能和降低成本，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化過程，減少昂貴且費(fèi)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。目前，全球范圍內(nèi)Geodict 已經(jīng)擁有超過70 個(gè)工業(yè)和研究機(jī)構(gòu)用戶，其應(yīng)用領(lǐng)域包括燃料電池[15,16]、石油和天然氣[17,18]、過濾與分離[19,20]、造紙[21]等，在虛擬材料研究領(lǐng)域作用越發(fā)顯著。

本文基于中空桔瓣型雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造技術(shù)，制備梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布，并得出材料的基本參數(shù)，利用Geodict 軟件對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并分析求解不同結(jié)構(gòu)下材料的透氣系數(shù)；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚酯切片( PET)：FC510，工業(yè)級(jí)，中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司；聚酰胺6( PA6)：1013B，工業(yè)級(jí)，日本宇布公司。

雙組份紡粘水刺非織造材料生產(chǎn)線：天津工業(yè)大學(xué)；全自動(dòng)透氣率儀：YG461H 型，寧波紡織儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先參考前期研究工作紡制PET/PA6 雙組份復(fù)合長(zhǎng)絲纖維[6]。桔瓣型雙組份超細(xì)纖維是由2 種組份經(jīng)共軛紡絲、剝離開纖后制取的，從可紡性來看，要求2 種組份的表觀黏度越接近越好，從剝離性來看，要求2 種組份的界面黏合性和相容性較差。紡絲時(shí)控制PET 與PA6 的黏度比在0.8～1.25 之間。其次可鋪網(wǎng)形成面密度為80 g/m2的纖維網(wǎng)，進(jìn)而在200 MPa 的水針壓力（20 次，10 MPa/次）下開纖和固網(wǎng)。然后在固結(jié)的纖網(wǎng)的表面鋪第2 層纖網(wǎng)，經(jīng)一定的水針壓力再次開纖和固結(jié)。最后在固結(jié)的第2層纖網(wǎng)的表面鋪第3 層纖網(wǎng)，經(jīng)一定的水針壓力后最終得到梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布。通過調(diào)節(jié)第2 層和第3 層的水針壓力，使非織造布的斷面達(dá)到梯度開纖的效果。三步法制備工藝流程和方案見Fig.1。

Fig.1 Preparation process and scheme of gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials by three-step process

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 形貌表征：采用日本日立公司生產(chǎn)的TM 3030 型臺(tái)式掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試非織造布的形貌，加速電壓15 kV，計(jì)算非織造布的開纖率[6,22～24]。借 助Nano Measurer 軟 件 計(jì) 算 纖 維 層 的 厚 度 及纖維平均直徑，并計(jì)算其孔隙率。

1.3.2 透氣性能測(cè)試：采用寧波紡織儀器有限公司生產(chǎn)的YG461H 全自動(dòng)透氣儀按照GB/T 5453-1997 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試非織造布的透氣性能。測(cè)試壓強(qiáng)為125 Pa、測(cè)試面積為20 cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)纖維非織造布的基本參數(shù)及分析

Fig.2 為采用三步法工藝制備的梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的斷面SEM 圖。從Fig.2a 可以看出，試樣M1 存在非常清晰的3 層結(jié)構(gòu)，底層（第1 層）的開纖率最大、平均纖維直徑最小，中間（第2 層）次之，上層（第3 層）的開纖率最小、平均纖維直徑最大。隨著第2 層和第3 層水針壓力的增加，試樣第2 層和第3 層的開纖率逐漸增大，3 層間的開纖率的差距逐漸減小。當(dāng)?shù)? 層和第3 層的水針壓力都為最大時(shí)（試樣M5，F(xiàn)ig.2e），非織造布的3 層結(jié)構(gòu)變得不明顯，各層間的雙組份纖維都完全裂離，開纖率最大、平均纖維直徑最小。

Fig.2 Cross-section SEM images of gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials

Tab.1 給出了非織造布的3 層的開纖率數(shù)據(jù)。由表可知，所制備的非織造布各層的開纖率都逐漸增大，其中試樣M1 第1 層的開纖率為92.39%、第3層的開纖率為8.61%，開纖率差值為83.78%，梯度結(jié)構(gòu)最明顯；隨著第2 層和第3 層水針壓力的增加，其開纖率也有所增大，試樣3 層間的開纖率差值逐漸減小，從81.14%減小到54.63%；試樣M5 第1 層的開纖率為98.55%、第3 層的開纖率為97.54%，開纖率差值為1.01%，梯度結(jié)構(gòu)最不明顯，可認(rèn)定為非梯度結(jié)構(gòu)。各層間由于開纖率不同導(dǎo)致平均纖維直徑不同；內(nèi)部纖維分布屬于各向異性，即在水平方向上纖維隨機(jī)分布，但具有一定取向（紡粘長(zhǎng)絲工藝），平面內(nèi)纖維僅與周邊的纖維存在一定的連接；垂直方向上纖維在水刺作用下發(fā)生移位，呈網(wǎng)狀分布，相鄰層片間依靠纖維之間的纏結(jié)逐層堆積。測(cè)量計(jì)算各層的厚度、平均直徑和孔隙率等參數(shù)，結(jié)果見Tab.2。

Tab. 1 Degree of splitting of cross-section for gradient bicomponent spunbond hydro-entangled icrofiber nonwoven materials

Tab. 2 Characteristic parameters for gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials

2.2 梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)纖維非織造布的透氣模型建立與分析

根據(jù)Tab.2 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，利用Geodict 軟件的FiberGeo 模塊建立梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的3D 纖維分布模型。考慮到計(jì)算效率的問題，模型尺寸設(shè)定為200μm×200μm×H（H取實(shí)際厚度的1/10）、Voxel 長(zhǎng)度為1μm，刪除纖維重疊、Overlap SVP 為0.1%。非織造中實(shí)際存在3 種以上形狀的長(zhǎng)絲纖維，這里忽略復(fù)合纖維部分分離和全分離的區(qū)別，引入平均直徑，纖維選取為長(zhǎng)絲圓桿，含量為100%，各向異性。 通過輸入相應(yīng)參數(shù)后，得到各層的3D 纖維分布立體結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，在Model 選項(xiàng)中，選擇LayGeo，將各層進(jìn)行相應(yīng)地組合，建立了3 層梯度結(jié)構(gòu)的雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的纖維分布3D 模型，如Fig.3 所示。由圖可知，每個(gè)纖維模型水平方向上和垂直方向上的纖維隨機(jī)分布，上層纖維的數(shù)量最少、直徑最大、孔隙尺寸大，下層纖維的數(shù)量最多、直徑最小、孔隙尺寸小，整體為明顯的梯度結(jié)構(gòu)；5 個(gè)模型下層的纖維數(shù)量和直徑較一致，但中間層和上層的纖維數(shù)量和直徑變化的程度不一樣。

Fig.3 3D structure modules of microfiber nonwoven materials with gradient structure

在已獲得梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的3D 結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，利用FlowDict 模塊對(duì)模型透氣過程的氣流流場(chǎng)、流線和壓力分布進(jìn)行分析，并計(jì)算其透氣系數(shù)。

Fig.4 為兩端氣流壓差為125 Pa 時(shí)，計(jì)算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流速分布云圖。由Fig.4a 可以看出，當(dāng)模型兩端壓力一定時(shí)，最上層纖維的平均直徑和孔隙率較大，當(dāng)氣流通過時(shí)其纖維對(duì)氣流的阻力較小、流速較大、變化較?。浑S著纖維平均直徑和孔隙減小，對(duì)氣流的阻力增大，流速減??；最下層纖維平均直徑和孔隙最小，纖維流速最小。由Fig.4(b～d)可知，由于各層的纖維直徑和孔隙率不同，氣流通過各層的速度也不盡相同，但相比Fig.4a 上述現(xiàn)象變化變得越明顯。由于各層纖維的平均直徑和孔隙率較之前模型相對(duì)最小，且各層間變化較?。‵ig.4e），導(dǎo)致氣流通過時(shí)流速急劇減小。可見，纖維直徑從小到大，對(duì)應(yīng)的流速變化是明顯的；對(duì)于直徑基本相同的結(jié)構(gòu)，流速的變化基本相同。也就是說，纖維直徑的梯度從大變小，和流速的梯度變化是相同的；直徑梯度為0 的話，流速梯度幾乎為0。

Fig.4 Visualization images of the velocity distribution of 3D structure modules

Fig.5 為兩端氣流壓差為125 Pa 時(shí)，計(jì)算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流線（右）分布云圖。流線分布可以直觀反映氣流在纖維模型中的運(yùn)動(dòng)軌跡。從Fig.5 中可以明顯地看出，整個(gè)模型的流線分布也和纖維直徑一樣呈現(xiàn)梯度分布。

Fig.5 Visualization images of the streamlines of 3D structure modules

Fig.6 為兩端氣流壓差為125 Pa 時(shí)，計(jì)算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流場(chǎng)壓力分布云圖。從圖中可以看出，每個(gè)模型的壓力分布大概可分為3 層，壓降主要發(fā)生在最下層，即纖維平均直徑和孔隙率最小處。隨著總體梯度結(jié)構(gòu)越不明顯，對(duì)應(yīng)各層的平均直徑和孔隙率減?。ㄗ兓俾什煌袑雍蜕蠈訉?duì)壓降的作用變得增加。纖維直徑變化大，梯度越明顯，壓降變化的梯度也越大。

Fig.6 Visualization images of the pressure distribution of 3D structure modules

分別針對(duì)以上5 種模型利用Geodict 軟件的FlowDict 模塊計(jì)算其透氣系數(shù)，結(jié)果分別為3544.07 mDarcy，2527.90 mDarcy，2320.68 mDarcy，1860.18 mDarcy 和1770.46 mDarcy，進(jìn)而得到其透氣率，分別為149.59 L/(m2·s)，108.07 L/(m2·s)，99.21 L/(m2·s)，81.08 L/(m2·s)和80.07 L/(m2·s)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證Geodict 軟件數(shù)值模擬方法所獲得的梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的透氣性能的準(zhǔn)確性，通過預(yù)測(cè)的透氣系數(shù)計(jì)算得到的透氣率和實(shí)際測(cè)試，得到超細(xì)纖維非織造布透氣性能Geodict 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線，如Fig.7所示。由Fig.7 可以看出，試樣M1 到試樣M5 的誤差分別為21.62%，2.15%，8.89%，4.71%和4.76%，Geodict 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合；隨著梯度結(jié)構(gòu)的增加，超細(xì)纖維非織造布的透氣性能逐漸增大。其中，試樣M1 出現(xiàn)了一個(gè)波動(dòng)點(diǎn)，判斷是纖維網(wǎng)蓬松所導(dǎo)致基于電鏡照片的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算誤差。由此可以看出，采用Geodict 軟件分析方法通過FiberGeo 模塊輸入必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接建模，能夠較為客觀模擬得到梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的透氣性能，但對(duì)于蓬松的纖網(wǎng)可以進(jìn)一步探究引入“蓬松”因子修正計(jì)算方程或通過ImportModule 模塊導(dǎo)入圖片文件建模。

Fig.7 Comparison of air permeability for microfiber synthetic leather between test and GeoDict simulation results

3 結(jié)論

（1）基于中空桔瓣型雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造技術(shù)，本文采用三步法工藝制備了一系列梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布，采用SEM 表征其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）采用Geodict 軟件分析方法通過FiberGeo 模塊輸入必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以建立梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的3D 纖維分布模型。

（3）采用Geodict 軟件分析方法通過FlowDict 模塊對(duì)材料模型透氣過程的氣流流場(chǎng)、流線和壓力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模型兩端壓力一定時(shí)，非織造材料斷面纖維細(xì)度變化越大，流速、流線和壓力的變化越顯著，非織造材料的透氣系數(shù)越大。