纺织材料芯吸性能建模预测研究进展

纪 峰， 李 娜， 宋冉风云， 张瑞云， 刘若华， 邱夷平

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

纺织材料芯吸性能建模预测研究进展

纪 峰， 李 娜， 宋冉风云， 张瑞云， 刘若华， 邱夷平

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

纺织芯吸模型是从毛细管系统到宏观芯吸行为的桥梁，针对芯吸模型繁杂多样的现状，对现有模型进行分类综述。在阐述纺织品芯吸性能测试方法及影响因素基础上，根据建模原理将现有芯吸模型分为毛细管力模型、压力/压强模型、能量模型3类，分析了各类模型的建模条件、理论基础和适应范围，预测了芯吸建模研究的发展方向。研究得出：基于受力平衡的毛细管力模型因其简化的毛细管模型与实际毛细系统的层次性及复杂性仍有较大距离，推广受限；压力/压强模型基于Washburn方程分析毛细管系统内的压力、压强差，结合Laplace方程及Poiseuille定律计算流体在系统中的流量、流速和距离，该模型对纱、织物进行整体考虑，以结构参数的经验值作为其代表量，因而灵活性高适应面广；能量模型基于能量守恒对芯吸中的能量转化进行分析。

纺织材料； 芯吸性能； 建模； 芯吸理论

纺织材料的芯吸性能是指纤维结构体内部的毛细管体系对液体产生的导流作用，也称为毛细芯吸效应或简称毛细效应。芯吸现象在现实生活中随处可见，实践中发现纤维原料、组织结构等会对纺织结构体的芯吸性能产生显著影响，因此，如何针对不同的应用领域设计和制造相应的纺织品是纺织企业关心的问题。该问题解决的关键在于对纺织材料芯吸机制的认知。为此，本文从测试方法、影响因素和建模预测等方面对纺织材料芯吸机制的相关研究进行综述，重点对芯吸行为的建模预测研究进行了分类和总结；在此基础上分析了芯吸机制研究的发展方向。

1 芯吸性能测试方法

芯吸性能的测试和表征是研究芯吸作用机制的基础和前提。纺织材料芯吸性能的测试方法一直在不断发展中[1]，目前较为成熟的测试方法根据基本测试原理及相应表征指标体系可分为条带芯吸法、液滴扩散法和称重法3类。

1.1 条带芯吸法

条带芯吸法将条带状试样一端浸入液面下，通过测量一定时间内液体沿试样扩散的长/高度等指标来表征试样的芯吸性能,也可利用扩散系数[2]或长/高度的动态变化进行表征。该方法相对简单易行，目前国内外大部分的研究者和实验人员采用该法测量纺织材料结构体芯吸性能[2]，并利用其探究芯吸性能影响因素[3]；该方法成为测量和表征纱线[4-6]、织物[7-9]、非织造材料[10]芯吸性的主要方法。进入21世纪后，该方法被不断地发展和完善中，一方面测量指标从单一的条带轴向表征向轴径向表征发展，如A. Perwuelz等[2]同时测量了液体沿浸入其中的涤纶纱线轴向和径向的扩散距离；另一方面，计算机图像获取和处理技术[2]的发展也令芯吸长/高度指标的获取更加快速、准确。Y.K.Kamath等[4]试图采用电学方法对芯吸高度进行间接测量，以简化人工测量高度的操作；VR Babu等[11]利用静电感应法对芯吸高度进行间接测量，但其测量准确性仍需验证。Liu Tao等[5]在测量蒸馏水沿涤纶纱试样爬升的高度中，使用了CCD拍摄和计算机图像处理技术以快速地获取芯吸高度指标。

1.2 液滴扩散法

液滴扩散法对定量液体在纺织材料表面的扩散过程及形成的润湿痕迹进行观测，以润湿面积、周长及观测时间等指标对纺织材料的芯吸性进行表征。不同于条带芯吸法，该方法能够反映定量液体在织物上的扩散行为。T.Ramachandran等[12]利用该方法测试比较了几类机织、针织面料的芯吸性能，也研究了织物的内部孔洞结构、表面张力和纤维原料等因素对其芯吸性能的影响。孟家光等[13]观察了定量水滴在针织物上的润湿面积及其随时间的变化，认为针织物的厚度、孔隙率、容水量和面密度是影响针织物芯吸性能的主要因素。数字图像的实时获取技术和图像处理技术的快速发展，令液滴扩散法对芯吸的表征向实时、准确方向快速发展。

1.3 称重法

称重法通过测量液体的转移量对试样的芯吸能力进行表征，从理论上可直接反映试样的芯吸能力。相对于其他方法，该方法可避免由于视觉测量误差和液体在试样结构体中分布不匀等情况对试样芯吸能力产生的错误估计，实施难点在于如何准确有效地获取转移的液体量。B. Miller等[14]通过称量液槽中水的减少量来获取织物试样的吸水量，以此表征织物的芯吸性能；范菲[15]采用与B.Miller类似的实验装置测量一定时间点下试样的吸水量，但对芯吸速率的计算方法仍需在实践中进一步检验。Zhu Chunhong等[16]根据织物吸湿过程伴随有放热的现象，通过测量温度的变化对液体在织物中扩散时织物的吸水量进行间接表征，该方法的准确性还需进一步验证。

较之条带芯吸和液滴扩散法，称重法虽在理论上能够更清晰、直接地反映芯吸能力，但由于目前实践中尚不能够准确地测量芯吸液量，限制了该方法的推广使用。

2 芯吸性能影响因素分析

2.1 纱线的芯吸性能影响因素

A. Perwuelz等[2]测量了液体沿涤纶纱线轴向和径向的扩散距离,认为纱线内部的毛细管尺寸及其分布对芯吸性产生影响,并且纱线内部短片段不匀及毛细孔径的异构都会引起液体在纱内部的扩散路径改变。

近20年来大量的研究集中分析了捻度对纱线芯吸性能的影响。王耀武等[3]和Wang Ni等[17]分别研究了涤纶长丝纱和Coolmax复合纱线的捻度对纱线芯吸性能的影响，都肯定了临界捻度的存在，认为捻度对芯吸性能的影响是先正相关后负相关的；Liu Tao等[5]认为捻度增大，使得同一纱线内液体扩散的不均匀性增大；M. Taheri等[18]用纤维间空隙的增减情况来解释捻度对Lyocell纱线芯吸性的影响。

M.Y.Gudiyawar等[19]利用条带芯吸法和液滴扩散法对几类化学纤维原丝和空气变形丝的芯吸性能分别进行了测试和比较，认为空气变形丝较原丝的芯吸效果好，纤维原料对复丝束的芯吸性能产生影响。

2.2 织物的芯吸性能影响因素

张辉等[20]测试了棉机织物的芯吸高度，建立了芯吸高度与时间、经纬向紧度的经验曲线，认为织物芯吸速率与紧度、孔隙率呈负相关关系,且孔隙率对芯吸速率的影响相对较大。储咏梅等[7]也证实纤维原料对织物结构体的芯吸性能有显著影响，并证实芯吸性的经纬向差异受经纬密等结构参数的影响。

范菲等[15]认为孔径尺寸和孔径分布都对织物的芯吸速率起决定性作用，并且认为织物中纱线的线密度越大, 织物的经纬密越小, 织物芯吸速率越快。范菲等[21]还研究了单/双层针织物的孔径特性和芯吸速率的关系，认为对于双层针织物，在外层孔径小于内层的条件下,内外孔径差越大,芯吸速率越快，该结论对于利用织物的差动毛细效应[22]设计吸湿组合双层织物有参考意义；M.Yanilmaz等[23]研究了腈纶针织物的织造紧度、孔隙率、孔径尺寸等因素对针织物芯吸性能的影响；E.Fragiadaki等[24]研究了多孔玻璃纤维和多孔高聚物纤维材料的孔径分布和孔径大小对其芯吸性能的影响；冯营营等[25]也认为中空结构的纤维原料有利于提高针织物的芯吸高度。

2.3 非织造材料的芯吸性能影响因素

陈霄等[26]测试分析了纤维原料和加工工艺对非织造材料芯吸性能的影响。测试数据表明：非织造材料中纤维越细，材料表现出的芯吸性能越好；混纺试样的芯吸能力较纯纺试样好。冯昆阳[10]认为纤维铺放的方向性差异会对水刺非织造条带在各方向的芯吸性产生影响；R. Umer等[27]的研究结果显示，由直径较大的亚麻纱线制成的亚麻纤维毡其芯吸性能弱于由直径尺寸较小的纱线制成的毡垫。Zhu Chunhong等[28]利用称重法分别测试了棉纤维和聚酯纤维非织材料的芯吸性能，认为纤维原料的卷曲程度越大，非织造结构体的芯吸性能相对较差。

纺织结构体的芯吸性能是原料和各结构参数等因素的综合效果。已有文献大都从既有的纺织材料样品出发，对单个因素逐一进行考量，得到在一定范围内的经验性结论；而产业界和学术界仍期待着更具普遍意义、能对纺织材料芯吸性能进行有效地量化分析的理论预测模型。

3 芯吸性能的建模预测研究

从20世纪30年代起，研究人员致力于对各类纺织材料的芯吸性进行理论分析和建模预测，常用的理论模型根据建模的基础原理可大致分为毛细管力模型、压力/压强模型和能量模型3类。

3.1 毛细管力模型

固液气三相界面的表面张力和由之产生的系统内毛细管力被普遍认为是推动液体在纺织材料中传输的主要动力，研究人员从计算或预测表面张力/毛细管力着手来建立毛细管力模型。

Liu Tao[5]假设纤维纱线各处均匀排列，通过纱线的截面积和捻系数参数计算纱线结构内的毛细管力，基于结构内的微小力平衡建立纱体内液体的芯吸时间T与芯吸高度L的函数关系式：

(1)

式中：T为芯吸时间，s；F为毛细管力，N；L为芯吸高度，mm；ρ1为液体密度，g/cm3；k为摩擦因数；A为液体流过纱线的横截面积，mm2；λ为捻系数；g为重力加速度，m/s2。该模型由于高度的抽象性其适应性尚需在应用中根据目标纱线的特点进行具体化修正。

由于纺织材料结构内毛细管的微观性、整体上的复杂性和局部的随机性，基于微力平衡的毛细管力模型其理想化与纺织品结构的现实差距仍过于显著，现有文献更多的是从较宏观的压力/压强模型对芯吸行为进行预测。

3.2 压力/压强模型

早在1921年，Washburn等[29]为研究圆柱状中空材料的液体渗透性，提出了著名的Washburn方程，而后近1个世纪以来，很多学者将其发展到对纺织结构体芯吸性能的预测研究中，在纺织领域展开了较多的模型应用研究，然而都以将毛细管理想化成微型圆柱管的假设为前提[30]。T. Ramachandran等[12,31]根据Washburn方程建立模型预测水平放置织物[32]试样的芯吸长度l，见式(2)；根据固液气表面张力和重力的平衡推导出式(3)计算垂直放置的织物试样上液体芯吸高度：

(2)

(3)

式中：l为在水平试样上的芯吸长度，mm；l′为在垂直试样上的芯吸高度，mm；t为芯吸时间，s；γLA为液气两相接触张力，mN/m；θ为静态接触角；η为液体黏度，m2/s；r为毛细管半径，mm；ρ为液体密度,g/cm3;g为重力加速度,m/s2。这些公式在国内外的科研文献中被较多引用，包括纺织材料表面改性[33]等领域。A. Perwuelz等[34]运用Washburn方程预测了涤纶纱、锦纶纱和玻璃纤维束的芯吸长度；Callegari G等[35-36]将Washburn方程运用于人造纤维网芯吸性能的预测，得到纤维分布越均匀纤网芯吸性能越好的结论；Benjamin J等[37]将Washburn方程进一步应用于预测以亲水/亲油的多孔纤维材料为填充物的玻璃管道的芯吸性能。B. Miller等[14]研究了液体在织物中的自发流动，基于Laplace方程和Washburne方程建立了模型，预测液体通过织物结构体的流量：

(4)

式中：V为液体体积，cm3；t为时间，s；θ为接触角；r为系统的毛细管等效半径，mm；γ为液体表面张力，mN/m；η为液体黏度，m2/s；x为液体与孔洞距离，cm；P为加在试样上的反向压力，cN。K.K.Wong等[36]运用Laplace方程对经过低温等离子体处理的麻织物的芯吸效果进行预测。DaxiangDenga等[38]和R.S.Halea等[39]运用Laplace方程和Washburne方程对表面有凹槽的织物结构体的芯吸性能进行预测，并由实验得到新的经验型模型，用以预测凹槽底部的芯吸能力；前者在研究中将凹槽抽象为由V形几何单元构成，后者则将凹槽等效成由矩形几何单元构成。

姚穆等[40]是国内较早地对毛细管系统进行力学分析和物理建模的研究者，他们根据Laplace方程推导出计算液体在毛细管中附加压力的公式(5)，并结合Poiseuille定律推导出液体在圆柱形毛细管中的流量和流速的计算公式(6)、(7)：

(5)

(6)

(7)

式中：p为附加压力，Pa；aLA为液气界面张力，N/m；ρ1、ρ2分别为弯曲面轴向的曲率半径，m；r为毛细管当量半径，mm；θ为固液接触角；q′为流量，m3/s，γ为黏滞系数，Pa·s；L为毛细管长度，m；μ为液体流在毛细管中的线速度，m/s。之后，国内的研究者大都采用此模型来预测纺织材料的芯吸性能[3]。

E.Kissa[41，32]将流体力学的基础原理应用于液体在纤维集合体的传输中，提出了液滴在拒水性非织材料表面扩散行为的预测理论公式：

(8)

式中：A为液滴扩散面积，m2；K为毛细扩散系数，m2/s；γ为材料表面张力，cN；η为液体黏度系数，m2/s；V为液体体积，m3；t为扩散时间，s；μ、m、n为经验参数，E.Kissa提出的参考值分别为0.33、0.37、0.33。T.Kawase等[42]将E.Kissa的模型扩展到具有吸液性能的纺织材料中，并对3个经验参数值进行修正。D.Danino等[43]运用E.Kissa的模型分别对有限量液滴和无限量液体在过滤纸上的芯吸行为进行描述，认为有限量液滴在过滤纸上的扩散半径与系统内的毛细管半径相关，而无限量液体在条形过滤纸上的扩散行为与有限量液滴完全渗入材料内部后的继续扩散行为相类似。

LiMin等[44]根据玻璃纤维束内部毛细管系统中压强平衡的关系，建立模型对液体沿玻璃纤维束爬升的高度进行预测。

(9)

式中：h为液体上升的高度，m；t为芯吸时间，s；Papp为附加压力，N；Pc为毛细管内部压力，N；η为液体黏度，m2/s；K为渗透率系数，m/s；V为纤维体积函数。

上述物理力学模型大都建立在动力学或流体力学的理论基础上，用一个相对平衡的力学过程来描述纺织材料对液体的芯吸行为。由于纺织材料结构的复杂性，在模型中对纱线和织物材料进行了各种程度的抽象，研究人员应结合目标对象的特点对已有模型进行选用，或对现有模型做进一步的具体化改进，以使其适用于具体目标材料。

3.3 能量模型

伴随液体对纤维结构体的浸润，同时发生能量的转移和转化,Erik Kiss[32]将该部分能量称为渗透能，其量值也被认为是芯吸程度的重要参考量，因此有学者建立了基于能量分析的物理模型，用以对纺织材料的芯吸性能进行计算表征。

Cassie等[45]建立了Cassie-Baxter模型，将纤维看作表面光滑的圆柱体，计算液体对织物结构体系统内部纤维浸润所需能量：

(10)

式中：E为液体毛细流对纤维的浸润能，J；γLS为固液表面能量密度，J/m3；γLA为液气表面能量密度，J/m3；γSA为固气表面能量密度，J/m3；f1、f2分别为固液、气液接触面积，m2，量值取决于织物中纤维的尺寸。

Singha等[46]研究液滴在均质粗糙表面的浸润性，得到计算公式：

(11)

式中：E为液滴下落的自由能，J；E1、E2、E3分别为液体表面自由能、固液接触能、液气接触能，J；E4、E5分别为固液气三相接触线内和线外的能量，J；α为液滴底部直径，m。根据上述模型，Singh预测认为非牛顿力学液滴在均质粗糙表面上的扩散速度比光滑表面上的扩散速度快；剪切刚度大的液体在粗糙表面上的扩散速度大于剪切刚度小的液体。该模型只考虑了液体在物质表面的扩散，未考虑液体向结构体内部渗透的情况。

现有的纺织材料芯吸行为理论预测模型大都基于物理、力学的基础原理，各自对纱线或织物的芯吸行为进行了计算预测，并在一定范围内与实验结果取得一致；由于纺织结构的多样性和复杂性，在一定理想条件下成立的理论模型与实际情形存在偏差。纺织结构模型将来一方面可朝具体化和精细化的方向发展，另一方面，层次化、模块化的建模方式也是有效降低预测偏差并使模型更具普适性的发展方向之一。

4 结 语

本文从测试方法、影响因素和预测模型3方面对纺织材料芯吸性的理论研究工作进行了综述。重点综述了纺织材料芯吸性预测模型的相关研究，根据建模的理论基础，现有理论模型分为毛细管力模型、压力/压强模型和能量模型3类；由于纺织材料本身结构的多层次性和复杂性，研究人员需从目标材料自身特点出发选用合适的模型；纺织材料模型可以考虑分别从精细化和模块化2个方向进行发展，以提高理论预测的准确性。

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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

国家自然科学基金项目(60904056)；上海市自然科学基金项目(14ZR1401000)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(EG2016004,2232013D3-04)

纪峰(1976—)，女，副教授，博士。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。E-mail: jifeng@dhu.edu.cn。

TS 101.2； TS 101.8

A