張寅江，徐小萍，靳向煜，張志奮

(東華大學產業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

高壓水針射流對纖網(wǎng)進行連續(xù)噴射，經(jīng)多重反復沖擊和反射水流作用，纖維間、纖維束間相互穿插纏結，在抽吸力的共同作用下，纖維與纖維的交接處逐漸纏繞收緊成結，結中的纖維構成類似三維包覆網(wǎng)結構［1-3］。

通過改變纖網(wǎng)結構改善非織造布彈性的方法可生產網(wǎng)孔結構彈性非織造布。水刺非織造布以纖維作為基本集合體，通過水針機械作用使網(wǎng)孔周圍的纖維發(fā)生位移、穿插、相互纏結和抱合形成具有一定彈性的穩(wěn)定纖網(wǎng)結構。由于纖維與纖維的水刺纏結加固是在非積極握持狀態(tài)下進行的，纖網(wǎng)內的纖維易滑動位移，具有良好的轉動自由度，受力拉伸時纏結區(qū)中纖維具有良好的伸長和壓縮變形能力，故可通過網(wǎng)孔結構實現(xiàn)水刺布的彈性回復性能。

本文通過分析非織造布纖網(wǎng)結構的力學性能，為改善非織布的彈性回復性能提供理論參考。

1 受力狀態(tài)下纖維與纖維的結構形態(tài)

由于高壓水針連續(xù)沖擊加上反射無規(guī)律水流作用，水針穿過纖網(wǎng)形成孔洞，其周圍纖維形成穿插、位移、纏結抱合的機械纏結，纖網(wǎng)得到機械加固。水刺非織造布在受到外力作用時，纖網(wǎng)內纖維易伸直，但纖維形變趨勢又受到周圍纖維阻礙形成徑向壓力，若纖維集合體能產生足夠的力來握持這根纖維，則這根纖維由于運動易產生自鎖現(xiàn)象，所受外力越大握持力也就越大［4-5］。由于討論的纖網(wǎng)中纖維長度為38 mm，故本文以該長度為基礎，建立拉伸過程中水刺非織造布纖網(wǎng)中纖維受力時的幾種典型纏結結構形態(tài)，圖1示出纖維間6種纏結結構形態(tài)。

圖1 纖維間6種纏結結構形態(tài)Fig.1 Six ways of entanglement structure morphologies between fibers.(a)U shaped entanglement of fibers;(b)Entanglement between multiple fibers;(c)Consolidation points exist in fibers entanglement;(d)Consolidation points and simple mesh;(e)Spunlaced mesh unitunderidealcondition;(f)Spunlaced mesh under ideal condition

圖1 (a)示出纖維間普遍的U形纏結，在拉伸力的作用下，纖維克服纖維間摩擦阻力，從該纏結中抽出;圖1(b)示出多根纖維與纖維簡單的纏結［6］，在受力拉伸作用下發(fā)生纖維的伸直，然后滑移;圖1(c)中纖維間存在少量固結點，作用力在纖維本身彈性范圍內可回復，當拉伸作用超過固結點所能承受的范圍，該結構易破壞，在固結點大部分纖維發(fā)生不可回復的滑移;圖1(d)中有纖網(wǎng)在水針作用下形成的固結點和簡單的網(wǎng)孔，在適當拉伸力作用下，網(wǎng)孔發(fā)生形變，卸去力的作用后，隨著網(wǎng)孔纖維形變回復，纖網(wǎng)表現(xiàn)出彈性;圖1(e)、(f)示出理想狀況下水刺網(wǎng)孔的結構形態(tài)，固結點間由許多U形纏結纖維形成。水刺非織造布中每層纖網(wǎng)都存在著上述類似的結構，層與層之間同樣由這些結構纏結構成。未受水刺沖擊的纖網(wǎng)，受拉伸時幾乎無回復性能，而經(jīng)水針直接沖擊和反射水流作用后，大量纖維與纖維U形纏結形成孔狀結構，理想狀態(tài)下形成有規(guī)律的以4個頂點為固結點的網(wǎng)孔類似結構形態(tài)。在受力拉伸狀態(tài)下，網(wǎng)孔可以發(fā)生形變與其周圍纖維纏結形成內抱合來抵抗纖網(wǎng)受力，同時纖維自身的彈性也可承擔一定的拉伸，卸去外力后，通過網(wǎng)孔形變的回復和纖維自身的彈性實現(xiàn)纖網(wǎng)回復，故可通過水刺網(wǎng)孔形變和纖維本身彈性來影響水刺非織造布的彈性回復性能。

2 非織造布中纖維“U”形纏結分析

Mao等［7-8］用電鏡觀察2種水刺聚酯非織造布，發(fā)現(xiàn)面密度為75g/m2的薄型非織造布在射流作用下纖維都彎曲成 U形。有人利用 X-ray tomography對水刺非織造布中纖維進行三維重構，對示蹤纖維運動軌跡進行分析發(fā)現(xiàn)，纖維彎曲纏結類似 U形，可以認為纖維相互間纏結類似U 形［9-10］。

水刺非織造布中纖維與纖維主要以纏結的方式結合在一起［6］形成穩(wěn)定的纖網(wǎng)層，在受到外力拉伸時的失效方式主要是纖維間機械纏結的脫開，符合歐拉公式［11］T1=T0eμθ。假設受拉伸時纖維Ⅰ從纖維Ⅱ上滑脫，纖維間纏結模型見圖2。非織造布受拉伸時，受拉伸力模型見圖3。

圖3 中，在纖維Ⅱ上纖維I包覆弧長為AD，θ為∠AOD，T1為切點A處纖維所受的力;T0為纖維I開始滑動時的外在拉力，弧AD上任意一點為B，微元弧BC所對應的圓心角為dθ。BC開始移動的瞬間，所受外力包括外在拉伸Td，B點處纖維受力T，BC段受到的摩擦力為dT。當微元弧BC在剛開始運動的瞬間，達到受力平衡，纖維Ⅰ與纏結的纖維Ⅱ滑動的瞬間摩擦力為F，纖維之間的靜摩擦因數(shù)設為μ，即有：

圖2 水刺非織造布中纖維纏結模型Fig.2 Entanglement model of spunlace nonwoven

圖3 受到外力作用纖維之間的力學模型Fig.3 Fiber mechanical model by external force

由式(1)、(2)解得：

又因為F=μN，代入式(3)得dT/T=μdθ對其積分可解得

式中：T1為纖維I開始滑動時所需外在拉力;T0為纖維I的原受力;θ為纖維纏結時包覆角度(弧度);e為常數(shù)。

從式(2)～(4)中可看出，拉伸使纖維與纖維滑移機械纏結失效與機件兩側紗線輸入與輸出張力關系相同，故纖維能從纏結結構中抽拔的力與μ和θ有關，二者的值越大，在相同水刺壓力條件下，纖維被拉拔出來的力就越大。龐連順［12］通過對幾種水刺滌綸織物的力學分析得出類似的結論：纖維摩擦因數(shù)越大，纏結點強度也越大，即纏結點強度越高，纖維纏結越緊密，這種牢固纏結使網(wǎng)孔周邊纖維易處于纏結穩(wěn)定狀態(tài)，在非織造布受力拉伸時，只是纏結纖維的伸直，很少有纖維間滑移現(xiàn)象出現(xiàn)，去掉外力非織造布易回復到原來狀態(tài)，故可通過提高纖維間的摩擦因數(shù)和包覆角來提高纖網(wǎng)的回彈性。

3 網(wǎng)孔的力學模型構建和分析

3.1 網(wǎng)孔中的纖維

在水刺非織造生產過程中，梳理后的纖維各向異性明顯，后多以交叉鋪網(wǎng)的方式進行鋪網(wǎng)，故本文以此形式進行分析。交叉鋪網(wǎng)的橫向排列纖維量多，橫向纏結纖維數(shù)高，從而在拉伸時，其橫向的有效纖維量更大，水刺加固后纖維纏結會更多［1，13］。為減少其縱橫向的差異，在其后進行雜亂牽伸，使纖網(wǎng)中原來呈橫向排列的部分纖維向縱向移動，增加纖網(wǎng)的各向同性。圖4(a)為甲殼素/粘膠水刺布網(wǎng)孔的SEM照片?？梢钥吹矫黠@的水刺孔，以模擬理想的菱形結構進行建模，可以分析非織造布縱橫向的彈性回復性能。圖4(b)為網(wǎng)孔周圍纖維因水針作用導致明顯纏結的SEM照片。

圖4 經(jīng)雜亂牽伸網(wǎng)孔結構和其周邊纏結纖維SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of mesh structure(a)and entanglement fiber around mesh(b)after random drafting

3.2 纖網(wǎng)中網(wǎng)孔模型的彈性性能

根據(jù)纖維在交叉鋪網(wǎng)方式下的排列結構形態(tài)，建立非織造布水刺孔的理想結構模型［4］。設網(wǎng)孔模型為一種菱形結構，纏結纖維集合體b和纏結纖維集合體d之間的夾角為θ，菱形的4個頂點為固結點，a=b=c=d，a平行 d，c平行 b。圖5(a)示出網(wǎng)孔松弛狀態(tài)及經(jīng)縱向拉伸的模型。纖網(wǎng)縱向拉伸達到結構發(fā)生形變(圖5(a)中b和d之間夾角θ'為180°)，網(wǎng)孔在縱向上形變量為

圖5 縱橫向拉伸模型Fig.5 Longitudinal tensile model(a)and transverse tensile model(b)

圖5 (b)示出網(wǎng)孔松弛狀態(tài)及經(jīng)橫向拉伸的模型。纖網(wǎng)橫向拉伸達到結構發(fā)生形變(圖5(b)中b和d成一直線夾角θ'為0°)，此時網(wǎng)孔在橫向上形變量為

θ∈(0，π/2)時，在橫向上有較多的纖維排列，在此范圍內 cos(θ/2)-sin(θ/2) ＞0，則△L＞ △L'，這種菱形結構的纖網(wǎng)孔被拉伸到結構變形的極限位置時，假設形變可回復，縱向的形變量大于橫向的形變量，纖網(wǎng)在縱向有較好的拉伸回彈性;同理 θ∈(π/2，π)時，則△L＜△L'，網(wǎng)孔在橫向有較好的拉伸回彈性。采用交叉鋪網(wǎng)機鋪疊的纖網(wǎng)，纖維在纖網(wǎng)中呈橫向排列，θ為鋪網(wǎng)角位于(0，π/2)，但經(jīng)雜亂牽伸后橫向排列的部分纖維朝縱向移動，θ角明顯變大。經(jīng)水刺纏結加固更為復雜，大多數(shù)情況下纖維縱向排列數(shù)量多于橫向。

故當纖維縱向排列數(shù)量多于橫向情況時類似［θ∈(π/2，π)］，纖網(wǎng)橫向拉伸時纖維開始從纏結點發(fā)生回復性滑移，當拉伸在一定范圍內，纖網(wǎng)中的纖維結構和纖維自身影響纖網(wǎng)拉伸回彈性，但前者趨于主導作用;一旦拉伸超過纖維結構形變極限，纖維就會在固結點發(fā)生不可回復的移動以及少量纖維斷裂。而在縱向上，拉伸開始時由少量的纖維纏結點伸直滑移，之后大部分拉伸負荷由纖維與纖維大面積摩擦所承擔，纖維本身性能影響纖網(wǎng)的拉伸回彈性;且纖網(wǎng)孔結構由纖維的機械纏結所形成，其變形引起纖網(wǎng)回彈性往往優(yōu)于纏結的纖維本身。在纖維縱向排列數(shù)量多于橫向情況下，從實際分析也同樣證明了纖網(wǎng)橫向彈性回復性優(yōu)于縱向，故可從纖維排列結構來改善非織造布的回復性。

4 結語

1)經(jīng)過高壓水射流連續(xù)噴射和反射水流作用，纖網(wǎng)易形成水刺孔洞，孔周圍纖維發(fā)生纏結固結，嚴重的產生鎖結構。對水刺非織造布纖維與纖維6種纏結形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔可發(fā)生形變和其周圍纖維纏結形成內抱合來抵抗纖網(wǎng)受力，可通過水刺孔形變和纖維本身彈性來實現(xiàn)水刺布的彈性回復性能。

2)采用力學模型對纖維間最常見的U形纏結方式進行理論分析得出，在受到外力拉伸時的失效方式主要是纖維間機械纏結的脫開，符合歐拉公式。

3)通過對水刺網(wǎng)孔進行數(shù)學建模分析，認為可從纖維排列來改善非織造布縱橫向的彈性性能。

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