結構參數對紗線及織物芯吸性能影響的研究進展

王麗莉，劉 宇，徐天驕

（上海市質量監督檢驗技術研究院，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，它可以用來維護人體和外部環境間的熱濕平衡，以滿足生存需要。隨著科學技術的快速發展和經濟的提升，人們對物質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，國內外很多科研人員對于紗線、織物中的液態水的傳遞一直都在不斷研究中。在織物中，液態水的運輸是影響服裝舒適性的關鍵因素。織物通過把水從皮膚表面迅速運輸到外界環境，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，充分挖掘纖維的優良性能，使之為人們所使用，已經成為紡織行業的一個重要研究方向。

1 芯吸效應理論分析

液體通過毛細管壓力驅使自發運輸到多孔系統的過程被稱為芯吸。在毛細管系統中，芯吸過程可看成固液界面取代固氣界面的自發過程[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管道運輸到一定高度的性能。在毛細管內，液體的自然流動和伴隨液體擴散進入纖維內部或纖維膜的自然流動是芯吸運動的兩種運動過程[2-3]，而本文的研究對象是第一種芯吸運動。

在紗線內利用纖維間形成的毛細管來傳遞液體以完成紗線的芯吸，固體間產生毛細管效應需要具備兩個條件[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管，水分在此毛細管內表面呈內凹的彎月形曲面，這種內凹的彎月面存在一個附加壓強PS，可用公式（1）表示。

式中：?——水分的表面張力系數，N/m；

R——彎月面的曲率半徑，m。

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

式中：ΔP——毛細管壓力差，Pa；

γLV——液氣界面張力，N/m；

R1、R2——兩個彎曲面軸向的曲率半徑，m。

對于圓形截面毛細管，當毛細管壁完全被液體濕潤時，液氣界面可假設為一個半球形，兩個彎曲面的曲率半徑R1=R2=R，此時毛細管壓力差可用公式（3）表示，即：

當毛細管壁未被液體完全濕潤時，會形成一個接觸角θ（固液接觸角），可用公式（4）表示。

式中：r——是毛細管當量半徑，m。

式（3）就變為：

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

另外，根據Poiseulle方程，液體的毛細流速q（單位時間的流量）為：

單位時間內的線速度v為：

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

式中：l——毛細管吸水長度，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、纖維集合體內的毛細管大小和液體的黏度都對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，就必須要求毛細管有一個合適的半徑值[4]。

2 國內外芯吸性能研究進展及現狀

由于紗線和織物內部導水情況以及其相應的原理極為復雜，即使歷經多年，研究者們對芯吸影響因素和優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展，本文主要從理論模型、試驗研究、數值模擬等3個方面進行介紹和分析。

2.1 芯吸性能理論模型的研究進展

Amico S等[9-10]提出并構建了關于微觀孔隙和宏觀孔隙的雙尺度流體理論模型，預測滲透長度與時間、表觀滲透率、毛細壓力等的函數關系，通過一系列織物芯吸試驗研究雙尺度上的芯吸現象，驗證試驗數據和理論預測的相關性。施楣梧等[11]提出了織物濕傳導的3種通道模型，并指出織物中多層次結構的透濕孔洞因其橫向尺寸的不同而導致孔隙對織物導濕的作用存在差異。王其等[12-15]提出3個層次的導濕結構模型，并對應構建了其中的高導濕紗線模型和導濕織物模型，發現織物里外層纖維的特性、線密度、根數以及織物里外層的厚度均會影響導濕模型的快干功能，從而提出優化紗線和織物結構參數以達到導濕快干效果的結論。Bravo等[16]在兩相流的應用中利用達西定律對Washburn模型進行完善，獲得多孔介質中毛細上升高度與時間之間的關系表達式。Shou等[17-20]構建了不同孔長度、寬度和孔隙率等情況下上下層多孔結構模型，在毛細壓力和滲透率交互作用前提下對液態吸水情況進行研究探索，并通過優化孔隙結構得到最小的吸收時間，這一發現在很多領域中對關于水處理的多孔設計具有重要的指導價值。

以往諸多學者均利用Lucas-Washburn方程法，在假設紗線內部纖維間的孔隙為光滑毛細管的前提下，對紗線的導水機制問題進行研究[21]。但在后來的研究與實際生產應用中，研究人員發現對不均勻毛細管的研究更具有實際應用價值，紗線內的微觀孔隙和織物內的宏觀孔隙的大小以及孔隙連續性影響著紗線和織物芯吸導水的速率，對理論模型不斷優化。

2.2 芯吸性能的試驗研究進展

人們對芯吸性能的試驗測試方法一直在不斷的優化中。目前，依據試驗機制和相應的表征方式可將試驗方法分為3類，即：垂直芯吸法、液滴擴散法和稱重法，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，常用試驗裝置詳見圖1。

圖1 垂直芯吸試驗裝置圖

Reed等[22-25]通過推導垂直芯吸模型的平衡物理公式，對纖維集合體內的液體傳輸機制進行研究，發現對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]分析了芯吸效應的形成機制，通過芯吸試驗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、未充滿系數和織物組織結構等因素對芯吸的影響，從而確認了影響芯吸的相關因素，并通過控制上述諸多因素設計出利于芯吸的舒適面料。李毅等[28-29]對加捻紗進行垂直芯吸試驗，研究了張力大小和紗線捻度對紗線芯吸性能的影響。詹永娟[30]使用LED光源對織物內液態水的垂直傳輸性能進行了處理，并輔以軟件進行擬合芯吸速率，通過灰色關聯分析法對棉機織物內液態水的垂直傳輸性能影響因素進行探討。通過多次試驗研究，發現影響紗線及其織物芯吸效應的因素涉及纖維的形狀、單絲細度、紗線的加捻程度、織物的組織結構、織物緊度等多個方面。對于服裝設計來說，服裝材料的選擇及加工處理對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，設計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重要的作用。

2.3 芯吸性能的數值模擬研究進展

Pillai[31-32]使用軟件構建織物的簡單模型，用軟件進行流體模擬，分析織物的液態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中水分蒸發的關系，為優化多孔材料提供設計依據。張艷等[2]構建纖維束單元模型MFB和纖維束截面隨機排列模擬系統Shape-Generator，通過計算機進行模擬，研究了芯吸效應的影響因素。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部的液態水傳輸過程。王麗莉[34]通過建立紗線和織物內纖維間孔隙的物理模型，用FLUENT軟件模擬紗線織物內液態水在不同孔隙結構情況下的運動趨勢，進而研究不同孔隙結構參數對紗線織物的芯吸影響。齊園園[35]建立了二維、三維藕節管模型，使用FLUENT仿真研究納米纖維包覆長絲紗的芯吸導水過程，進而研究不同孔隙結構參數對紗線的芯吸影響。耿長軍[36]建立了“鑰匙形”分級孔隙結構模型，并通過層流方法進行模擬，驗證了該孔隙結構模型的導水性能和吸水擴散能力。運用CFD仿真模擬方法模擬結構復雜的紡織材料導水性能，可減少數學理論求解紡織品導水性能的復雜性，且模擬結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

研究紗線的導水性能通常使用理論模型和試驗測量的方法，但由于實際紗線和織物導水過程的復雜性，這兩種方法并不能直觀表征液體在織物紗線內部的流動情況。使用CFD數值方法可以形象地表達出液態水在紗線和織物中流動的速度指標，對研究織物服用舒適性具有重要的指導意義。然而，對于液態水在紗線織物中的運動數值模擬研究還有許多問題有待進一步解決，主要涉及的問題為：構建織物的幾何模型太簡單，不能如實反映織物的形態結構以及紗線的屈曲狀態；構建復雜的織物內傳輸液態水的模型，求解起來較困難；用CFD技術從纖維、紗線、織物的結構參數方面入手，系統分析液態水在織物中傳輸的相關研究很少。

3 結論

（1）纖維間的毛細孔隙是決定纖維材料導濕性能的主體，對紡織面料的濕舒適性具有重要的影響。研究人員一直在對紗線和織物的芯吸方法創新研究，通過理論模型研究、試驗設計、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、單絲細度、織物經緯紗交織產生的交互作用以及其他結構參數對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、試驗設計、CFD模擬方法等相結合，可更方便、準確地優化提高紡織品導水性能結構參數，為今后舒適性紡織品的發展提供新的開發方向。

（3）使用CFD數值模擬的方法可形象地表達出液態水在紗線織物中的流動速度指標，優化結構參數，對研究織物服用舒適性具有重要的指導意義。然而，數值模擬還存在不少難題，比如：模型構建簡單、復雜的模型求解難、相關CFD模擬文獻研究少等。要解決這些問題需要強大的系統軟件來支持，更需要研究人員進一步從纖維、紗線、織物的物理性能和結構參數方面入手，加大對液態水在織物中傳輸的相關研究。