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第2卷第 3 2期 20 0 7年 9月

青岛大学学报 (程技术版 )工 J R LO I D O U V R IY ( OU NA F Q NG A NI E ST E&T )

Vo . 2 NO 3 12 .Se p. 2 0 0 7

文章编号：0 6 7 8 2 0 ) 3—0 2—0 1 0—9 9 (0 7 0 03 5

吸湿排汗纤维湿传递模型的研究王发明，胡锋，周小红，王善元(. 1东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 2 1 2; 0 6 0 2浙江理工大学先进纺织材料与制备教育部重点实验室，浙江杭州 3 0 1 ) . 1 0 8

摘要：文章根据两种典型的吸湿排汗纤维形态结构建立了平行圆柱孔和圆球堆积两种纤

维湿传递模型，并分析了影响纤维芯吸速率的因素。研究结果表明，行圆柱孔模型中，平 纤维的芯吸速率取决于纤维的半径和毛细孔的长度；圆球堆积模型中，响纤维的芯吸速影率的因素为纤维的当量半径和接触角。 关键词：传递；毛细差动效应；平行圆柱孔模型；圆球堆积模型；吸湿排汗湿中图分类号： 1 1 TS 5文献标识码：A

纤维的液态水传导能力是决定织物湿传递的关键因素之一，也是国内外服装舒适性研究学者重点的研

究对象之一。王其通过对建立织物的差动毛细效应模型，理论上描述影响模型功能的因素并分析了各从个因素的变化对模型的影响程度；家光l等人则建立了针织物液态水传导理论，出了针织物导湿能力的孟 2 提物理指标和相应的计算公式。目前，吸湿排汗纤维主要有异形纤维和微多孔纤维两大类。由于这两种纤维在形态结构上差别较大，湿传递方式也有较大的差异，故因此很有必要建立两种不同的湿传递模型来分别表征各自的湿传递过程。本文通过建立平行圆柱孔导湿模型和圆球堆积透湿模型两类吸湿排汗纤维导湿数学模型，理论上描述了两类纤维的湿传递过程并分析了影响这两类纤维导湿的各个因素。从

1平行圆柱孔导湿模型的建立 当织物中纤维形成的毛细管处于水平位置时，然没有外力场的势能差，由于毛细管曲面附加压力的虽但作用，自动引导液体流动

,之为芯吸。芯吸是一种维持毛细管内流体迁移的性能，能称是使水分子沿纤维表面形成的毛细管上升、并从另一端析出水珠的性能。当人体出汗时，汗液以液态水的形态分布在皮肤表面，

通过纱线和织物的芯吸作用，液态汗水从织物的一面传递到另一面，散发到空气中，将并以促进热量的散失， 对织物的穿着舒适性起着十分重要的作用。织物中毛细管内液态水的运输，在没有外力场条件下完成。可 这是因为毛细管中液面的弯曲有一定的附加压力，些附加压力则是由液固界面张力引起。这种由于毛细这管压力自动引导液态流动的现象称为芯吸现象。毛细管压力可根据 L pa e式计算 a lc公… () 1

式中，为毛细管压力；c水的表面张力为毛细管半径；为接触角。 y为 当吸湿排汗类织物中使用的纤维为带有沟槽结构的异形纤维时 (+”形、角形等 )采用平行圆柱如“字三，孔模型来描述其形态结构特征，图 1示。如所

收稿日期： 0 7—0—2 20 6 8

基金项目：江理工大学科研启动基金资助项目(6 16浙 0 0 0 5一Y)“江学者和创新团队发展计划”新团队基金资助项目 (RT 6 4;;长刨 I 0 5 )国家自然科学基金资助项目 (0 4 0 4 5631 )作者简介：发明 (9 1一，,族，士研究生，要研究纺织材料与纺织品设计。王 18 )男汉硕主

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第 2卷 2

假设这些孔的直径都相同，液态水渗透通过垂直或倾斜于纤维表面的、行的圆柱孔，这些平行圆柱平设孔垂直插入水中，图 2所示。见

羹墓罄墨塑羹圈 1带有沟槽结构的“字形纤维与平行圆柱孔模型 +”图 2平行圆柱孔模型

设表面张力 y与平行圆柱孔壁成 0角， 0角即为液面与孔壁的接触角，内外液面差为^孔半径为此如，r孔中液面上下表面处的压力分别为 P及 P, o大气压力。此上下压力差所引起的向下力被沿孔壁作， o AP为用的表面张力 y所引起的总的向上的合理 F平衡，即(— PA兀 2 r' s Po ) r=￣ )o O c () 2

因此，面

下表面处 A点的压力 P可表示为液PA= P。—) o O一 2 ' s c—

() 3

又液体底部 B点 (与孔外液面位于同一个水平面)的压力为 P与液柱重量之和，即PB PA+p h= - g - () 4

但因液柱底部与孔外液面位于同一水平面，故也等于大气压力 P。因此上式可改写为，Po PA+p h— - g - () 5

由式 ( ) 3及式 () 5可得到P^ g一 () 6

故平行圆柱孔内外的液面差为h-—)c s - 2 'o O—

() 7

p gr

即芯吸高度^为^一—) o O 2 ' s c—

() 8

』g【 J

由式 ( )以看出，获得导水材料， 8可要应该选择接触角 0比较小，毛细管半径 r的纤维集合体，将会有助于小这纤维材料的导水。可以用液体单位时间内上升的高度值来表征纤维集合体的芯吸上升速率 (m mi), c/ nⅢ即一

() 9

根据 P ie ie律，位时间内的液体流量 (与圆柱孔两端的压力差 ( P或 P)圆柱孔的平均半 os ul定 l单 Q) A及径的四次方 (4成正比，圆柱孔的长度 ( )反比， r)与 L成即Q一志_ 4 n r P ( O 1)

式中，志为常数，与液体的粘滞度刁有关。式 (O又可以写成 1)Q一 ( 1 1)

将式() 1代人式 ( 1,以得到 1 )可

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第 3期

王发明，:吸湿排汗纤维湿传递模型的研究等

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Q一

( 2 1)

由式 ( 2, 1 )可求得芯吸速率

一 一_葫■ 一_

d l一

Q

一

u) (3 1

由式 ( 3可知，于同一种液体， 1)对同一种纤维 (,一定 )纤维集合体的芯吸速率与平行圆柱孔的长度成 7 0都，反比，与平行圆柱孔半径成正比。

同样，根据式 ( )式 ( )可得到纤维集合体芯吸速率 8和 9,

警- 20r - sp· ig n上(,都一定 )影响纤维集合体芯吸速度的主要因素则为纤维半径。 70,

() 1 4

式 ( 4是平行圆柱孔模型纤维集合体的芯吸速率的另一种表达公式。对于同一种液体，一种纤维 1)同

2圆球堆积孔透湿模型的建立 对于实体圆形纤维，采用圆球堆积孔渗透传递模型来描述该类

吸湿排汗纤维间空隙形态结构特征，结其构模型如图 3所示。

首先，别建立单纤维的单元模型与纤维束的单元模型，种模型图分别如图 4和图 5所示。分两

焉一图 3圆球堆积孔模型示慝图 图 4单纤维单元模型

(、厂\ J、\ 、图 5纤维束单元模型

假设纤维束单元模型定义单纤维之间互相平行且不加捻。在图 4中的纤维束轴向上，意取一点 A,任两纤维束截面之间的轴向距离为 L。A和 B之间的纤维束可以被描述为纤维之间互相平行的纤维和空气复合材料，纤维之间所形成的空隙为毛细空隙。模型中将单纤维假定为刚性单体，而保证了纤维束在受力挤而从压时能够保持纤维截面形状不变。纤维截面为圆形，列如图 5所示，排纤维之间形成近似于三角形的空隙截面(毛细管 )纤维半径为 r,。从图 5可以看出，三角形的数量等于周围纤维的根数。每一个这样的三角形的面积为

s 2 r≈o 1r一√ r一 2 . 6。每一个这样的三角形形成的当量半径为r

(5 1)

R_/≈o0 7^ . 5r由于毛细作用发生的条件是毛细管内的附加压力不少于液体的重力，用 L pa e使 a lc方程表达如下2 0 7c os s

(6 1)

]

—p h￣ O g S>

( 7 1)

式中，^为毛细效应的芯吸高度； g为重量加速度；为液体密度；为毛细空隙当量半径；液体界面接触 p R 0为角； 7为液气界面张力。

由式 ( 7可知， 1)毛细空隙的当量半径 R越小，维束中液体的芯吸高度就会越高，此只有当量半径分纤因

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布在较小区域时才有助于液体芯吸高度的上升。由式 ( 7可以得到纤维束中液体的芯吸高度值 h即 1),^一 (8 1)

忽略曲面效应的影响，则每一个近似三角形区域面积上的液体体积为q S·h— ( 9 1)

将式 ( 5、 ( 6和式 ( 8代入式 ( 9,以得到液体的体积 q为 1 )式 1 ) 1) 1)可口一 5 61 7 o 0 . cs』g D

r

( 0 2)

因此，个纤维束单元的液体体积 q一总为

q E 6= 3 6

q 3· 6在 L长度上，位时间内通过的液体流量 Q为单Q= q L总

() 2 1( 2 2)

则液体的芯吸速度"为 o h一

嚣 36一. 5。

由式 ( 3可以看出， 2)在一定长度上，维的接触角越小，吸速度越大；同样的条件下 (纤芯在同种纤维、同种液体、度一定时 )纤维的半径越小，吸速度也越大。长，芯

3结论 本文建立了平行圆柱孔和圆球堆积模型两种典型的吸湿排汗纤维湿传递的模型，分别讨论了影响芯并吸速率的因素，到的主要结论如下：得

1平行圆柱孔模型中，于同种液体， )对同种纤维 (, y 0一定时 )纤维集合体的芯吸速率与平行圆柱孔，的长度成反比，与平行圆柱孔半径成正比。

2圆球堆积模型中， )对于同种纤维、同种液体 (, y一定时 )在一定纤维长度上，维集合体的芯吸速，纤度与纤维的接触角及半径成反比。参考文献：[]王其 .导湿快干运动衣面料研讨 I] 1 - .上海：中国纺织大学，19 . D 95 E]孟家光，潘建君 .针织物液态水传导理论与测试方法的研究口] 2 .纺织科学研究， 0 5 3:1—2 . 2 0 () 8 1 []周小红 .低温环境下多孔膜防水透湿织物热湿传递特性的实验与理论研究 I .上海：华大学， 0 5 3 - D]东 20.

[]于伟东，储才元.纺织物理 I .上海：华大学出版社， 0 2 7—2 2 4 - M]东 2 0:2 0 7.[]王其 .大豆纤维性能与导湿快干功能针织物研究 I] 5 - .上海：东华大学， 0 2 D 20. [1朱方亮，张艳，庄毅， .异形聚酯纤维束芯吸效应的分析[] - 6等 J .合成纤维工业，2 0, 9 3:—9 0 6 2 () 7 .

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M o s u e Tr n m is o o e s o o s u e Ab o pto i t r a s s i n M d l fM i t r s r i n a d S a s h r e Fi e s n we t Dic a g b rW A NG— i g Fa m n, H U ng Fe,ZH OU a— o,W A N G Xi o h

ng Sha— a n yu n( . Ke b o x i sS in e 8 c n l g 1 y La fTe tl ce c LTe h oo y,Do g u ie st e n h a Un v riy,S a g a 0 6 0 h n h i2 1 2,Chn; ia

2 .Ke b o v n e x i ae il8 a u a t rn c n l g y La fAd a c d Te t eM t ra LM n fcu ig Te h o o y,Zh ja g l einS i c i e st c— Te h Un v r i y,Ha g h u 3 0 1 n z o 1 0 8,Ch n ) ia

n s ur bs r to nd s a ic r e Ab t a t n t s p p r,t de s O o s ur r ns ison o s r c .I hi a e wo mo l m it e t a m s i f moit e a o p i n a we t d s ha g h c n o i e s we e d v l e c or i o t y c lfbe t uc ur s I he t y c lmo el ffb r r e e op d a c d ng t wo t pia i r s r t e . n t wo t pia d s,t e wiki g s e f fbe sde i e y t er du e uv ln a i s n h e g ho h a i a yt b f e se pe d o i r i cd d b h a is( q iae tr du )a dt eln t f ec pl r u e( i ra s m t l b

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