紡織材料芯吸性能建模預測研究進展

紀 峰， 李 娜， 宋冉風云， 張瑞云， 劉若華， 邱夷平

(東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

紡織材料芯吸性能建模預測研究進展

紀 峰， 李 娜， 宋冉風云， 張瑞云， 劉若華， 邱夷平

(東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

紡織芯吸模型是從毛細管系統到宏觀芯吸行為的橋梁，針對芯吸模型繁雜多樣的現狀，對現有模型進行分類綜述。在闡述紡織品芯吸性能測試方法及影響因素基礎上，根據建模原理將現有芯吸模型分為毛細管力模型、壓力/壓強模型、能量模型3類，分析了各類模型的建模條件、理論基礎和適應范圍，預測了芯吸建模研究的發展方向。研究得出：基于受力平衡的毛細管力模型因其簡化的毛細管模型與實際毛細系統的層次性及復雜性仍有較大距離，推廣受限；壓力/壓強模型基于Washburn方程分析毛細管系統內的壓力、壓強差，結合Laplace方程及Poiseuille定律計算流體在系統中的流量、流速和距離，該模型對紗、織物進行整體考慮，以結構參數的經驗值作為其代表量，因而靈活性高適應面廣；能量模型基于能量守恒對芯吸中的能量轉化進行分析。

紡織材料； 芯吸性能； 建模； 芯吸理論

紡織材料的芯吸性能是指纖維結構體內部的毛細管體系對液體產生的導流作用，也稱為毛細芯吸效應或簡稱毛細效應。芯吸現象在現實生活中隨處可見，實踐中發現纖維原料、組織結構等會對紡織結構體的芯吸性能產生顯著影響，因此，如何針對不同的應用領域設計和制造相應的紡織品是紡織企業關心的問題。該問題解決的關鍵在于對紡織材料芯吸機制的認知。為此，本文從測試方法、影響因素和建模預測等方面對紡織材料芯吸機制的相關研究進行綜述，重點對芯吸行為的建模預測研究進行了分類和總結；在此基礎上分析了芯吸機制研究的發展方向。

1 芯吸性能測試方法

芯吸性能的測試和表征是研究芯吸作用機制的基礎和前提。紡織材料芯吸性能的測試方法一直在不斷發展中[1]，目前較為成熟的測試方法根據基本測試原理及相應表征指標體系可分為條帶芯吸法、液滴擴散法和稱重法3類。

1.1 條帶芯吸法

條帶芯吸法將條帶狀試樣一端浸入液面下，通過測量一定時間內液體沿試樣擴散的長/高度等指標來表征試樣的芯吸性能,也可利用擴散系數[2]或長/高度的動態變化進行表征。該方法相對簡單易行，目前國內外大部分的研究者和實驗人員采用該法測量紡織材料結構體芯吸性能[2]，并利用其探究芯吸性能影響因素[3]；該方法成為測量和表征紗線[4-6]、織物[7-9]、非織造材料[10]芯吸性的主要方法。進入21世紀后，該方法被不斷地發展和完善中，一方面測量指標從單一的條帶軸向表征向軸徑向表征發展，如A. Perwuelz等[2]同時測量了液體沿浸入其中的滌綸紗線軸向和徑向的擴散距離；另一方面，計算機圖像獲取和處理技術[2]的發展也令芯吸長/高度指標的獲取更加快速、準確。Y.K.Kamath等[4]試圖采用電學方法對芯吸高度進行間接測量，以簡化人工測量高度的操作；VR Babu等[11]利用靜電感應法對芯吸高度進行間接測量，但其測量準確性仍需驗證。Liu Tao等[5]在測量蒸餾水沿滌綸紗試樣爬升的高度中，使用了CCD拍攝和計算機圖像處理技術以快速地獲取芯吸高度指標。

1.2 液滴擴散法

液滴擴散法對定量液體在紡織材料表面的擴散過程及形成的潤濕痕跡進行觀測，以潤濕面積、周長及觀測時間等指標對紡織材料的芯吸性進行表征。不同于條帶芯吸法，該方法能夠反映定量液體在織物上的擴散行為。T.Ramachandran等[12]利用該方法測試比較了幾類機織、針織面料的芯吸性能，也研究了織物的內部孔洞結構、表面張力和纖維原料等因素對其芯吸性能的影響。孟家光等[13]觀察了定量水滴在針織物上的潤濕面積及其隨時間的變化，認為針織物的厚度、孔隙率、容水量和面密度是影響針織物芯吸性能的主要因素。數字圖像的實時獲取技術和圖像處理技術的快速發展，令液滴擴散法對芯吸的表征向實時、準確方向快速發展。

1.3 稱重法

稱重法通過測量液體的轉移量對試樣的芯吸能力進行表征，從理論上可直接反映試樣的芯吸能力。相對于其他方法，該方法可避免由于視覺測量誤差和液體在試樣結構體中分布不勻等情況對試樣芯吸能力產生的錯誤估計，實施難點在于如何準確有效地獲取轉移的液體量。B. Miller等[14]通過稱量液槽中水的減少量來獲取織物試樣的吸水量，以此表征織物的芯吸性能；范菲[15]采用與B.Miller類似的實驗裝置測量一定時間點下試樣的吸水量，但對芯吸速率的計算方法仍需在實踐中進一步檢驗。Zhu Chunhong等[16]根據織物吸濕過程伴隨有放熱的現象，通過測量溫度的變化對液體在織物中擴散時織物的吸水量進行間接表征，該方法的準確性還需進一步驗證。

較之條帶芯吸和液滴擴散法，稱重法雖在理論上能夠更清晰、直接地反映芯吸能力，但由于目前實踐中尚不能夠準確地測量芯吸液量，限制了該方法的推廣使用。

2 芯吸性能影響因素分析

2.1 紗線的芯吸性能影響因素

A. Perwuelz等[2]測量了液體沿滌綸紗線軸向和徑向的擴散距離,認為紗線內部的毛細管尺寸及其分布對芯吸性產生影響,并且紗線內部短片段不勻及毛細孔徑的異構都會引起液體在紗內部的擴散路徑改變。

近20年來大量的研究集中分析了捻度對紗線芯吸性能的影響。王耀武等[3]和Wang Ni等[17]分別研究了滌綸長絲紗和Coolmax復合紗線的捻度對紗線芯吸性能的影響，都肯定了臨界捻度的存在，認為捻度對芯吸性能的影響是先正相關后負相關的；Liu Tao等[5]認為捻度增大，使得同一紗線內液體擴散的不均勻性增大；M. Taheri等[18]用纖維間空隙的增減情況來解釋捻度對Lyocell紗線芯吸性的影響。

M.Y.Gudiyawar等[19]利用條帶芯吸法和液滴擴散法對幾類化學纖維原絲和空氣變形絲的芯吸性能分別進行了測試和比較，認為空氣變形絲較原絲的芯吸效果好，纖維原料對復絲束的芯吸性能產生影響。

2.2 織物的芯吸性能影響因素

張輝等[20]測試了棉機織物的芯吸高度，建立了芯吸高度與時間、經緯向緊度的經驗曲線，認為織物芯吸速率與緊度、孔隙率呈負相關關系,且孔隙率對芯吸速率的影響相對較大。儲詠梅等[7]也證實纖維原料對織物結構體的芯吸性能有顯著影響，并證實芯吸性的經緯向差異受經緯密等結構參數的影響。

范菲等[15]認為孔徑尺寸和孔徑分布都對織物的芯吸速率起決定性作用，并且認為織物中紗線的線密度越大, 織物的經緯密越小, 織物芯吸速率越快。范菲等[21]還研究了單/雙層針織物的孔徑特性和芯吸速率的關系，認為對于雙層針織物，在外層孔徑小于內層的條件下,內外孔徑差越大,芯吸速率越快，該結論對于利用織物的差動毛細效應[22]設計吸濕組合雙層織物有參考意義；M.Yanilmaz等[23]研究了腈綸針織物的織造緊度、孔隙率、孔徑尺寸等因素對針織物芯吸性能的影響；E.Fragiadaki等[24]研究了多孔玻璃纖維和多孔高聚物纖維材料的孔徑分布和孔徑大小對其芯吸性能的影響；馮營營等[25]也認為中空結構的纖維原料有利于提高針織物的芯吸高度。

2.3 非織造材料的芯吸性能影響因素

陳霄等[26]測試分析了纖維原料和加工工藝對非織造材料芯吸性能的影響。測試數據表明：非織造材料中纖維越細，材料表現出的芯吸性能越好；混紡試樣的芯吸能力較純紡試樣好。馮昆陽[10]認為纖維鋪放的方向性差異會對水刺非織造條帶在各方向的芯吸性產生影響；R. Umer等[27]的研究結果顯示，由直徑較大的亞麻紗線制成的亞麻纖維氈其芯吸性能弱于由直徑尺寸較小的紗線制成的氈墊。Zhu Chunhong等[28]利用稱重法分別測試了棉纖維和聚酯纖維非織材料的芯吸性能，認為纖維原料的卷曲程度越大，非織造結構體的芯吸性能相對較差。

紡織結構體的芯吸性能是原料和各結構參數等因素的綜合效果。已有文獻大都從既有的紡織材料樣品出發，對單個因素逐一進行考量，得到在一定范圍內的經驗性結論；而產業界和學術界仍期待著更具普遍意義、能對紡織材料芯吸性能進行有效地量化分析的理論預測模型。

3 芯吸性能的建模預測研究

從20世紀30年代起，研究人員致力于對各類紡織材料的芯吸性進行理論分析和建模預測，常用的理論模型根據建模的基礎原理可大致分為毛細管力模型、壓力/壓強模型和能量模型3類。

3.1 毛細管力模型

固液氣三相界面的表面張力和由之產生的系統內毛細管力被普遍認為是推動液體在紡織材料中傳輸的主要動力，研究人員從計算或預測表面張力/毛細管力著手來建立毛細管力模型。

Liu Tao[5]假設纖維紗線各處均勻排列，通過紗線的截面積和捻系數參數計算紗線結構內的毛細管力，基于結構內的微小力平衡建立紗體內液體的芯吸時間T與芯吸高度L的函數關系式：

(1)

式中：T為芯吸時間，s；F為毛細管力，N；L為芯吸高度，mm；ρ1為液體密度，g/cm3；k為摩擦因數；A為液體流過紗線的橫截面積，mm2；λ為捻系數；g為重力加速度，m/s2。該模型由于高度的抽象性其適應性尚需在應用中根據目標紗線的特點進行具體化修正。

由于紡織材料結構內毛細管的微觀性、整體上的復雜性和局部的隨機性，基于微力平衡的毛細管力模型其理想化與紡織品結構的現實差距仍過于顯著，現有文獻更多的是從較宏觀的壓力/壓強模型對芯吸行為進行預測。

3.2 壓力/壓強模型

早在1921年，Washburn等[29]為研究圓柱狀中空材料的液體滲透性，提出了著名的Washburn方程，而后近1個世紀以來，很多學者將其發展到對紡織結構體芯吸性能的預測研究中，在紡織領域展開了較多的模型應用研究，然而都以將毛細管理想化成微型圓柱管的假設為前提[30]。T. Ramachandran等[12,31]根據Washburn方程建立模型預測水平放置織物[32]試樣的芯吸長度l，見式(2)；根據固液氣表面張力和重力的平衡推導出式(3)計算垂直放置的織物試樣上液體芯吸高度：

(2)

(3)

式中：l為在水平試樣上的芯吸長度，mm；l′為在垂直試樣上的芯吸高度，mm；t為芯吸時間，s；γLA為液氣兩相接觸張力，mN/m；θ為靜態接觸角；η為液體黏度，m2/s；r為毛細管半徑，mm；ρ為液體密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2。這些公式在國內外的科研文獻中被較多引用，包括紡織材料表面改性[33]等領域。A. Perwuelz等[34]運用Washburn方程預測了滌綸紗、錦綸紗和玻璃纖維束的芯吸長度；Callegari G等[35-36]將Washburn方程運用于人造纖維網芯吸性能的預測，得到纖維分布越均勻纖網芯吸性能越好的結論；Benjamin J等[37]將Washburn方程進一步應用于預測以親水/親油的多孔纖維材料為填充物的玻璃管道的芯吸性能。B. Miller等[14]研究了液體在織物中的自發流動，基于Laplace方程和Washburne方程建立了模型，預測液體通過織物結構體的流量：

(4)

式中：V為液體體積，cm3；t為時間，s；θ為接觸角；r為系統的毛細管等效半徑，mm；γ為液體表面張力，mN/m；η為液體黏度，m2/s；x為液體與孔洞距離，cm；P為加在試樣上的反向壓力，cN。K.K.Wong等[36]運用Laplace方程對經過低溫等離子體處理的麻織物的芯吸效果進行預測。DaxiangDenga等[38]和R.S.Halea等[39]運用Laplace方程和Washburne方程對表面有凹槽的織物結構體的芯吸性能進行預測，并由實驗得到新的經驗型模型，用以預測凹槽底部的芯吸能力；前者在研究中將凹槽抽象為由V形幾何單元構成，后者則將凹槽等效成由矩形幾何單元構成。

姚穆等[40]是國內較早地對毛細管系統進行力學分析和物理建模的研究者，他們根據Laplace方程推導出計算液體在毛細管中附加壓力的公式(5)，并結合Poiseuille定律推導出液體在圓柱形毛細管中的流量和流速的計算公式(6)、(7)：

(5)

(6)

(7)

式中：p為附加壓力，Pa；aLA為液氣界面張力，N/m；ρ1、ρ2分別為彎曲面軸向的曲率半徑，m；r為毛細管當量半徑，mm；θ為固液接觸角；q′為流量，m3/s，γ為黏滯系數，Pa·s；L為毛細管長度，m；μ為液體流在毛細管中的線速度，m/s。之后，國內的研究者大都采用此模型來預測紡織材料的芯吸性能[3]。

E.Kissa[41，32]將流體力學的基礎原理應用于液體在纖維集合體的傳輸中，提出了液滴在拒水性非織材料表面擴散行為的預測理論公式：

(8)

式中：A為液滴擴散面積，m2；K為毛細擴散系數，m2/s；γ為材料表面張力，cN；η為液體黏度系數，m2/s；V為液體體積，m3；t為擴散時間，s；μ、m、n為經驗參數，E.Kissa提出的參考值分別為0.33、0.37、0.33。T.Kawase等[42]將E.Kissa的模型擴展到具有吸液性能的紡織材料中，并對3個經驗參數值進行修正。D.Danino等[43]運用E.Kissa的模型分別對有限量液滴和無限量液體在過濾紙上的芯吸行為進行描述，認為有限量液滴在過濾紙上的擴散半徑與系統內的毛細管半徑相關，而無限量液體在條形過濾紙上的擴散行為與有限量液滴完全滲入材料內部后的繼續擴散行為相類似。

LiMin等[44]根據玻璃纖維束內部毛細管系統中壓強平衡的關系，建立模型對液體沿玻璃纖維束爬升的高度進行預測。

(9)

式中：h為液體上升的高度，m；t為芯吸時間，s；Papp為附加壓力，N；Pc為毛細管內部壓力，N；η為液體黏度，m2/s；K為滲透率系數，m/s；V為纖維體積函數。

上述物理力學模型大都建立在動力學或流體力學的理論基礎上，用一個相對平衡的力學過程來描述紡織材料對液體的芯吸行為。由于紡織材料結構的復雜性，在模型中對紗線和織物材料進行了各種程度的抽象，研究人員應結合目標對象的特點對已有模型進行選用，或對現有模型做進一步的具體化改進，以使其適用于具體目標材料。

3.3 能量模型

伴隨液體對纖維結構體的浸潤，同時發生能量的轉移和轉化,Erik Kiss[32]將該部分能量稱為滲透能，其量值也被認為是芯吸程度的重要參考量，因此有學者建立了基于能量分析的物理模型，用以對紡織材料的芯吸性能進行計算表征。

Cassie等[45]建立了Cassie-Baxter模型，將纖維看作表面光滑的圓柱體，計算液體對織物結構體系統內部纖維浸潤所需能量：

(10)

式中：E為液體毛細流對纖維的浸潤能，J；γLS為固液表面能量密度，J/m3；γLA為液氣表面能量密度，J/m3；γSA為固氣表面能量密度，J/m3；f1、f2分別為固液、氣液接觸面積，m2，量值取決于織物中纖維的尺寸。

Singha等[46]研究液滴在均質粗糙表面的浸潤性，得到計算公式：

(11)

式中：E為液滴下落的自由能，J；E1、E2、E3分別為液體表面自由能、固液接觸能、液氣接觸能，J；E4、E5分別為固液氣三相接觸線內和線外的能量，J；α為液滴底部直徑，m。根據上述模型，Singh預測認為非牛頓力學液滴在均質粗糙表面上的擴散速度比光滑表面上的擴散速度快；剪切剛度大的液體在粗糙表面上的擴散速度大于剪切剛度小的液體。該模型只考慮了液體在物質表面的擴散，未考慮液體向結構體內部滲透的情況。

現有的紡織材料芯吸行為理論預測模型大都基于物理、力學的基礎原理，各自對紗線或織物的芯吸行為進行了計算預測，并在一定范圍內與實驗結果取得一致；由于紡織結構的多樣性和復雜性，在一定理想條件下成立的理論模型與實際情形存在偏差。紡織結構模型將來一方面可朝具體化和精細化的方向發展，另一方面，層次化、模塊化的建模方式也是有效降低預測偏差并使模型更具普適性的發展方向之一。

4 結 語

本文從測試方法、影響因素和預測模型3方面對紡織材料芯吸性的理論研究工作進行了綜述。重點綜述了紡織材料芯吸性預測模型的相關研究，根據建模的理論基礎，現有理論模型分為毛細管力模型、壓力/壓強模型和能量模型3類；由于紡織材料本身結構的多層次性和復雜性，研究人員需從目標材料自身特點出發選用合適的模型；紡織材料模型可以考慮分別從精細化和模塊化2個方向進行發展，以提高理論預測的準確性。

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Review of studies on textile wicking modeling

JI Feng, LI Na, SONG Ranfengyun, ZHANG Ruiyun, LIU Ruohua, QIU Yiping

(KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Textile wicking models perform the bridge connecting the capillary system with the macroscopic textile wicking behavior. Presently, quite a lot of textile wicking models exist, and their theoretical basis and application range are varied and puzzling to most people. Thus, existing models were classified and reviewed. The testing methods and influencing factors of textile wicking properties were primarily summarized, and then textile wicking models were classified into three groups according to their basic principles. For each group, the assumed condition, theoretical principle, and applied range were discussed. Firstly, the capillary-force based models were built up based on the opinion of macroscopic force balance, whereas the idealized capillary model performed far away from the realistic capillary system that are commonly hierarchical and complex, thus application of capillary-force based models was limited so far. Secondly, the pressure based models were built based on the Washburn equation and generally to analyze the pressure and pressure difference combined with the Laplace equation and Poiseuille law. The pressure based models were usually used to predict the flow, velocity of flow, and distance of the fluid through textile structures. Yarn and fabric were usually considered as one unit in the pressure based models, and empirical data of the structural parameters were adopted as representatives of corresponding structures. Hence the pressure based models could be modified to be suitable for more kinds of textiles. Thirdly, the energy based models were built based on the principle of conservation of energy and were usually used to analyze the degree of energy conversion during a wicking process. Finally, the development directions of studies on textile wicking modeling were predicted.

textile material; wicking property; modeling; wicking theory

10.13475/j.fzxb.20150703007

2015-07-13

2016-05-13

國家自然科學基金項目(60904056)；上海市自然科學基金項目(14ZR1401000)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(EG2016004,2232013D3-04)

紀峰(1976—)，女，副教授，博士。主要研究方向為紡織材料與紡織品設計。E-mail: jifeng@dhu.edu.cn。

TS 101.2； TS 101.8

A