防寒服填料吸濕性能影響因素模擬

叢 杉, 朱曉彧，王嫣雯

(上海工程技術大學，上海 201600)

防寒服填料吸濕性能影響因素模擬

叢 杉, 朱曉彧，王嫣雯

(上海工程技術大學，上海 201600)

文章根據Fick定律，建立纖維吸濕模型，采用有限差分法進行離散分析和Matlab編程語言進行了數值求解，針對纖維自身的物理屬性以及外界相對濕度對纖維吸濕性能的影響進行模擬探究，通過對比分析證明模型的合理性。

羊絨；吸濕性能；影響因素；吸濕模型

1 前言

纖維的吸濕性能對紡織材料的各方面性能產生影響，如重量、長度、橫斷面、密度、機械性能、熱學性質甚至光學性質等[1]。纖維對氣相水分吸收的性質，主要取決于纖維中的大分子結構以及結晶狀態，所以纖維吸濕作用就會受其微觀結構的影響，纖維吸濕的微觀機理如圖1所示。除此之外，纖維的吸濕率還與環境溫濕度有關，尤其是環境的相對濕度對纖維的吸濕性能影響較大，如圖2所示。多層織物內部填充物的選用，會對防寒透濕性能產生影響。目前針對纖維水分測試的方法主要有兩種：直接測試和間接測試[2]，應用最廣泛的是烘箱法對纖維水分的測試法。但在實際的操作過程中存在一些弊端：干重與實際的纖維重量不符；在對材料進行反復測量時，外界條件的變化與影響會增加測量的誤差；另外，測試的時間要維持在3 h左右，容易造成能源的浪費[3]。

從數值模擬角度，對紡織材料的影響進行研究是當前的應用熱點。與傳統的測試方法相比，吸濕模型能夠提高研發效率，節約開發成本。吸濕模型主要借助分型理論，從微觀形態建立纖維的吸濕模型。早前，陳天文等[4]在實驗測試的基礎上，建立織物放濕過程中表面溫度與時間、過剩相對濕度的關系及過剩相對濕度與時間的關系模型。劉凌杰等[5]借助BET模型思想，建立了織物干基含水率模型，該模型與實驗數據相吻合。李進等[6]采用歸納分析法，建立了非線性偏微分方程形式的織物動態吸濕模型，并在此基礎上，提出了結構因子。但是以上模型，針對外界的影響因素考慮欠缺，仍然需要進一步改進。

圖1 聚合物分子對水分的直接和間接吸著

圖2 纖維的吸濕率與相對濕度的關系

羊絨填料作為一種傳統型的天然紡織材料，因為其自身細而且柔軟，具有細、輕、柔、滑、糯、光、暖等優良性能[7]。羊絨、羊毛類填料以超強的保暖性和純天然的質感，在各種防寒功能性紡織產品中，有著突出優勢，能夠滿足人們對產品舒適性以及審美的需求。與羽絨填充物相比，羊絨的可塑性更強，在制作過程中，款式的變化更多，受到了不同年齡階段消費者的歡迎。本文以羊毛、羊絨絮填料為研究對象，在Fick定律的基礎上，建立纖維的吸濕模型，模擬纖維內部的水蒸氣含量的變化情況，分析織物性能與外界環境對其所造成的影響。并在此基礎上，提出相關的模擬軟件開發。

2 纖維吸濕模型

(1)

(2)

(3)

圖3 實驗測量粘膠纖維最大含水率[8]

在對纖維內水蒸汽體積濃度進行模擬時，同樣需要對半徑以及時間的偏微分方程進行邊界條件與初始值的設定，如式(4)所示：

(4)

3 模型離散分析

本節采用利用有限差分法中的Crank-Nicolson模式進行方程離散，我們仍以一維的熱傳導方程為例，如式(5)所示：

(5)

采用Crank-Nicolson式進行離散時，前期的網格劃分與顯格式相同這里就不加以介紹，Crank-Nicolson格式如式(6)所示。

(6)

(7)

采用第n時間層的值計算第n+1的值時，我們需要轉化為對角方程組進行求解，如式(8)所示。

(8)

可轉化為

(9)

其中i=2,…,N-1。

(10)

推出式(11)

(11)

然后將式轉化為矩陣形式得：

(12)

(13)

按照上述矩陣關系式，進行等量代換，可得到式(14)：

(14)

同理可以獲得i=N-1時等式，如式(15)：

(15)

通過對等式的整理，可得式(16)。

(16)

4 模擬結果

4.1 外界相對濕度對吸濕性能的模擬

結合上述的離散方程，采用Matlab編程語言進行數值求解。針對纖維內部水蒸氣濃度的變化情況，如圖4所示。首先根據圖4所顯示的模擬結果，在同一時刻，沿纖維半徑方向，內部的水蒸氣的體積濃度在不斷增加。位置相同時，纖維內部的變化不大，外側隨著時間延長，纖維內部的水蒸氣濃度增大，增大趨勢隨纖維半徑的移動逐漸明顯，但纖維內部整體的增加趨勢是一個很緩慢的過程。

圖4 纖維內部水蒸氣濃度分布

除了纖維自身屬性外，織物所處的外界環境也會對內部的水蒸氣濃度產生影響，為探究環境的相對濕度對纖維吸濕性能的影響，本文假設外界環境的相對濕度分別為65%、75%、85%、90%時，分別對羊毛纖維內部水蒸氣濃度以及體積濃度進行模擬。從圖5，圖6，圖7和圖8所顯示的纖維內水蒸氣的體積濃度隨時間的變化曲線，同樣可以看出：相對濕度越大，絮填料的吸濕速率會加快，在同一時刻，纖維內部的水蒸氣濃度增大。并在最終測試點處達到峰值，峰值相應地的也隨之增大。所以，外界相對濕度的增加，有利于提高纖維的吸濕性能。

圖5 RH=65%羊毛纖維內水蒸氣濃度

圖6 RH=75%羊毛纖維內水蒸氣濃度

圖7 RH=85%羊毛纖維內水蒸氣濃度

圖8 RH=90%羊毛纖維內水蒸氣濃度

4.2 填料纖維的物理屬性對水蒸氣濃度的影響

本節選取羊毛、羊絨二種絮填料，在外部環境相同的情況下，對兩種纖維內部的水蒸氣濃度進行數值模擬。圖9，圖10表示的是羊毛、羊絨兩種纖維在時間t=24h時，在纖維直徑方向水蒸氣的體積濃度變化。圖11，圖12是對應的該兩種纖維內部水蒸氣濃度變化。通過這兩組數值模擬的對比分析，相同的時間內，羊絨纖維內部的水蒸氣濃度高于羊毛，羊絨的吸濕性能更好，并且在吸濕速度上也優于羊毛。所以在選取絮填料種類時，羊絨性能優于羊毛。針對本章的模擬，本文所采用的數據與文獻[9]相同，通過與圖11與圖13的對比分析，結果吻合，纖維內部的水蒸氣濃度的變化情況相符。所以該模型具有科學性。

圖9 羊絨纖維內水蒸氣體積濃度

圖10 羊毛纖維內水蒸氣體積濃度

圖11 羊絨纖維內水蒸氣濃度

圖12 羊毛纖維內水蒸氣濃度

圖13 羊絨纖維內水蒸氣濃度[9]

5 結論

結合上述的模擬結果，針對填料吸濕性能的模型與實際結果相符，能夠應用于實際的科研生產中去。同時通過模擬證明，同等條件下，羊絨纖維的吸濕性能優于羊毛纖維。另外，在保證其他參數相同的情況下，相對濕度越大，纖維的吸附性能越好，吸濕速率越快。

[1] 郭海燕.淺析吸濕性對紡織材料性能的影響[J].黑龍江紡織,2004,(2):7—8.

[2] 姚穆,周錦芳,黃淑珍，等.紡織材料學(第二版)[M].北京: 紡織工業出版社,1990.

[3] 王建君.紡織纖維水分測試方法研究與應用[D].長沙：湖南大學,2007.

[4] 陳天文,傅吉全,李偉哲，等.織物的吸濕及放濕性研究[J]. 北京服裝學院學報(自然科學版),2005,(4):48—56.

[5] 劉凌杰,杜迎春.織物吸濕多分子層模型的模擬[J].紡織學報,2008,29(7):30—33.

[6] 李進,杜迎春.織物吸濕性能的研究及其動態模型[J].北京服裝學院學報(自然科學版),2007,(3):24—30.

[7] 夏征農.大辭海化工輕工紡織卷[M].上海:上海辭書出版社,2009.

[8] 蔣達婭,肖井華,朱洪波.大學物理實驗教程(第三版)[M].北京:北京郵電大學出版社,2011.

[9] Ye C, Huang H, Fan J, et al. Numerical study of heat and moisture transfer in textile materials by a finite volume method[J].Communications in Computational Physics, 2008, 4(4):929—948.

Simulation of Influencing Factor of Moisture Absorption for Winter Coat

CongShan,ZhuXiaoyu,WangYanwen

(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China)

According to the Fick law,an absorption model was established to explore influence of physical properties of fiber and the outside relative humidity on the absorption property, the finite difference method was used to discrete and the Matlab programming language was used to solve the numerical solution.

cashmere;absorption property;influencing factor; the model of absorption

2014-12-17

上海工程技術大學大學生創新項目(E1-0800-14-02353)

叢 杉(1973—)，女，吉林吉林人，副教授。

TS941.1

A

1009-3028(2015)03-0001-05