氣流沖擊下的緊密織物動態透氣性能分析

韓曉果， 賈明皓， 周紅濤,2， 肖學良*， 錢坤

(1.江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005)

緊密織物是許多保護性裝置的重要組成部分，可以使被保護體在遇到危險時得到良好的緩沖防護，從而避免受到傷害或者減少受傷害的程度。常見的保護型裝置如降落傘、車用安全氣囊，以及航天航空使用的軟著陸緩沖氣囊(可用于保護從空中向災區投放的物資或由外空間降落到其他星球表面的探測車)。此外，目前正處于測試階段的老人穿戴式安全氣囊等也是采用相同原理[1]。

氣囊類保護型織物在工作時，一般受高壓氣體作用影響，需要在極短時間內打開折疊織物，但其工作環境對織物的性能要求極高[2]，織物應具有較好的彈性，才可以保證在受到較大氣流沖擊力后能盡量恢復成初始狀態[3- 4]。理論上可以利用不同的工作載荷，通過控制織物的變形量，從而達到控制織物透氣量大小的目的[5]。除此之外，緊密織物作為多孔材料，其透氣性能取決于材料本身孔隙的幾何結構。在通過織物透氣儀獲取織物透氣速率的條件下，可以利用達西定律得到實驗材料的滲透值。由于紡織材料形成的交織結構比較柔軟，所以在高壓氣流沖擊下，其孔隙的幾何結構勢必會發生改變，從而對滲透性產生極大影響[6]，導致其保護效果的不穩定性增大。因此了解和掌握氣流沖擊作用下織物滲透性能的變化規律，對指導后期防護性織物結構設計具有重要意義[7]。筆者前期已經探討了織物在高氣壓下的面外變形[8]，文中實驗著重對織物滲透性能進行研究。

1 材料及方法

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 彈性織物、安全氣囊織物以及非彈性斜紋織物(安全氣囊織物由英國諾丁漢大學提供，其他織物均為小樣機織造)。其中全彈織物的經緯紗均為錦綸氨綸包纏紗；半彈織物的經紗為錦綸氨綸包纏紗，緯紗為錦綸長絲；C及C0織物紗線原料為C/T混紡紗；安全氣囊織物A的紗線原料為錦綸長絲。具體織物參數規格見表1。光學顯微鏡下，織物實物如圖1所示。

表1 織物規格參數

圖1 織物實物Fig.1 Pictures of fabrics

1.1.2儀器 HR941NC高速攝像機，湖南科天健公司提供；全自動透氣量儀YG461E-Ⅲ，寧波紡織儀器廠制造。

1.2 方法

為了研究動態氣流沖擊下織物的透氣性能，搭建了動態透氣性實驗平臺，具體如圖2所示。圖2中，左側是氣壓控制部分。儲氣罐可用于儲存任何高壓氣體，以確保在測試過程中空氣流動的穩定性；開關閥用于控制氣流的釋放和停止；壓力控制閥用來控制進入右側氣壓測量部分的空氣壓力。在氣壓測量部分，氣體進入管道，沖擊織物，并穿過織物融入到外界空氣中；數字壓力計顯示該管道內氣流迅速變化的一個過程；同時高速攝像機實時記錄數字壓力表數據。具體實驗方案如下：

1)測量不同彈性的兩種織物在0.3 MPa時所承受的壓力變化。

2)測量A織物在不同的初始氣壓(0.2，0.3，0.4 MPa)條件下所承受的壓力變化。

3)測量不同緊度的織物在0.3 MPa條件下所承受的壓力變化。

圖2 滲透性實驗平臺搭建模型Fig.2 Model of permeability experiment platform

1.3 實驗原理

1.3.1氣流沖擊下緊密織物結構變化 當氣壓作用于織物表面時，緊密織物的紗線與紗線之間距離較小，外力使相互交錯的織物緊密貼合在一起，導致織物之間的孔隙越來越小，最終使織物的透氣性越來越差；非緊密織物的紗線與紗線之間距離原本比較大，氣流的沖擊作用使得紗線之間距離越來越大，所以其透氣性也會越來越強。圖3～圖5為3種織物在不同壓力作用下的結構變化。

圖3 A織物Fig.3 Fabric A

圖4 全彈織物Fig.4 Elastic fabric

圖5 U織物Fig.5 Fabric U

圖3為安全氣囊織物(A織物)，結構最為緊密。通過觀察可以發現，A織物在氣流的沖擊作用下，紗線與紗線之間交疊得更加緊密。在如此緊密的條件下，即使壓力達到較高的0.2 MPa，織物中紗線之間依然沒有滑移，織物緊密程度更高。圖4為全彈織物，其緊度低于A織物。由圖4可以看出，在0.1 MPa壓力作用下，織物中相鄰兩根紗線相比初始狀態更加緊密；在0.2 MPa壓力作用下，氣流沖擊使織物的孔隙逐漸變大。為進行對比實驗，文中又選取了一種U織物，其屬于疏松織物，緊度為75.3%，具體如圖5所示。對比發現，這種非緊密織物由于相鄰兩根紗線沒有重疊或者緊緊靠近，所以在0.1 MPa壓力條件下，織物發生面外變形更多的是由于紗線之間距離變大，導致織物孔隙變大，從而使織物的透氣性增強。

1.3.2恒壓條件下緊密織物的透氣性測試 為了對比織物在準靜態氣壓下的透氣性，通過全自動透氣量儀進行透氣性測試。實驗條件為：壓差300 Pa，實驗面積20 cm2。

在一定壓差下，多孔介質允許流體通過的能力稱為滲透率[9]。透氣速率為氣體通過織物單位面積的氣流速度。根據達西定律式可以得到織物的滲透率，其關系式為

(1)

式中：ΔP為壓差；μ為空氣黏度；l為織物厚度；v為透氣速率。

織物的透氣速率及滲透率見表2。

表2 織物透氣速率及滲透率

由表2可以看出，實驗樣品中A織物的滲透率最低，全彈織物的滲透率大于半彈織物。全彈織物由于經緯紗線均是彈性紗，紗線屈曲較多，所以織物中的孔隙相比半彈織物更多。因此，紗線的形態間接影響織物的滲透率。對比C0與C織物可知，兩種織物緊度不同，C織物的緊度較大，滲透率小，因此織物緊度是影響織物透氣性的關鍵因素。

1.3.3氣流沖擊下織物動態透氣性實驗 對容器內空氣采用的理想氣體方程為

PV=mR′T

(2)

式中：P為容器內絕對壓力；V為容器體積；m為容器內所含空氣的質量；R′為通用氣體常數除以氣體摩爾質量；T為容器內氣體的絕對溫度。當空氣通過織物排出時，罐內的空氣質量以及壓力逐漸減少。根據儲氣罐的熱容和標準實驗環境，T可認為是恒定不變的常數。式(2)對時間t的微分方程為

(3)

將式(3)應用于常壓下的罐內逃逸空氣，其方程式為

(4)

式中：V′為空氣相對于質量流量的自由體積流量；Patm為絕對壓力；Tatm為常壓下氣體溫度，可默認為T。

根據式(3)和式(4)可以得到

(5)

氣流通過織物(單位面積流量)的表層速率為

(6)

式中：v為表層速率；A為測試面積。因此氣體速率與壓力梯度的關系變為

(7)

氣壓與滲透性的關系可以用弗赫海默方程表達[10]，方程式為

(8)

式中：μ為流體黏度；K為織物的滲透率；ρ為流體密度；β為多孔介質參數(非達西流動系數)。XIAO X L[9]提到K和β是多孔介質關于孔隙率和孔徑的函數，因此是多孔介質的固有特性。

2 實驗結果

2.1 氣壓與時間的關系

根據實驗方案，測得5種織物在承受氣流沖擊時，其沖擊壓力與透氣時間的關系，具體如圖6所示。

圖6 不同織物承受的壓力變化與時間的關系Fig.6 Relation of pressure and time

表3～表5分別為圖3(a)～圖3(c)3種條件下擬合出趨勢線(y=B6x6+B5x5+B4x4+B3x3+B2x2+B1x+C)的系數。

表3 圖3(a)中趨勢線系數

表4 圖3(b)中趨勢線系數

表5 圖3(c)中趨勢線系數

圖6(a)為在0.3 MPa初始壓力條件下，不同彈性織物所承受壓力隨時間的變化。當壓力閥打開后，由于管道、織物透氣量等原因，導致初始氣壓值低于0.3 MPa。在氣流沖擊初期，全彈織物的透氣量明顯高于半彈織物；整個過程中，全彈織物所承受的壓力始終小于半彈織物。圖6(b)為非涂層安全氣囊織物在不同初始氣壓條件下所承受的壓力變化。由于初始氣壓不同，最初織物承受的壓力P0.4 MPa>P0.3 MPa>P0.2 MPa，但隨著時間的變化，初始氣壓越大，織物受力越大，則導致織物變形越大，所以內部氣體迅速逃逸，導致織物受力減小。對比圖6(b)中3條曲線亦可知，織物所受初始氣壓越大，織物承受的壓力則下降越快。透氣時間130 s左右開始，初始氣壓值最小的織物所承受的壓力反而稍大于初始氣壓值最大的織物。圖6(c)為在0.3 MPa的初始壓力條件下，不同緊度的織物所承受壓力的變化曲線。其中，C織物緊度大于C0織物緊度。由圖6(c)可知，當織物緊度較大時，氣體滲透的速率明顯小于緊度較小的織物；當織物緊度較小時，其所受壓力降到0所用的時間要小于緊度大的織物。

2.2 滲透率與時間的關系

根據式(7)與式(8)可以得到滲透率與時間的關系，具體如圖7所示。

圖7 不同織物滲透率變化與時間關系Fig.7 Relation of permeability and time

圖7(a)為不同彈性織物在相同壓力下透氣性的變化。由圖7(a)可知，前期全彈織物的透氣性大于半彈織物，在時間22 s左右，半彈織物的透氣性逐漸超越全彈織物且兩者的差距越來越大。圖7(b)為安全氣囊織物在不同初始壓力下透氣性的變化。由圖7(b)可知，對于安全氣囊織物而言，織物的透氣性較小，則需要較長時間將容器內的氣壓放出直至與外界大氣壓相等；當容器內初始壓力值較大時，則在較短時間內即可達到與外界氣壓的平衡，且透氣性也相對較大。圖7(c)為不同緊度的織物在相同壓力下透氣性變化。由圖7(c)可知，織物緊度較大時，在相同時間點織物的透氣性較小，且容器達到與外界壓力平衡的時間較長。此外，織物的透氣性與織物的緊度密切相關，織物緊度高于某個臨界點后，在高氣壓沖擊下初始透氣性逐漸下降。織物在持續氣流沖擊后，透氣性不斷增大，最終達到最大值。這是因為氣流沖擊會使紗線之間更為緊密，孔隙率更低，隨著高壓氣體的滲透，儲氣罐中的氣壓逐漸降低，織物的變形逐漸回復至初始階段，孔隙率增大，透氣性逐漸提升。

3 結語

文中主要研究5種織物在不同條件下的滲透率變化。實驗證明，織物滲透率與織物的緊度、組織結構、初始壓力等密切相關。織物緊度較大時，在相同的外界條件下，織物的滲透率較小，容器內壓力達到與外界平衡需要更長的時間；當初始壓力較大時，在相同的外界條件下，織物的滲透率較大，容器內達到與外界平衡的時間相對較短。但對于彈性織物而言，織物的滲透率和其他非彈性織物略有不同。全彈織物的滲透率前期大于半彈性織物，后期其滲透率則逐漸小于半彈織物，且與半彈織物的滲透率差距越來越大。文中從機理角度探討纖維紗線材料及其柔性交織結構在外力作用下產生變形后引起的滲透率變化問題，特別是變形機理和交錯結構三維角度的變化機理，可以為新型輕薄防護材料的設計提供理論參考。