叢 杉, 朱曉彧，王嫣雯

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600)

防寒服填料吸濕性能影響因素模擬

叢 杉, 朱曉彧，王嫣雯

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600)

文章根據(jù)Fick定律，建立纖維吸濕模型，采用有限差分法進(jìn)行離散分析和Matlab編程語言進(jìn)行了數(shù)值求解，針對纖維自身的物理屬性以及外界相對濕度對纖維吸濕性能的影響進(jìn)行模擬探究，通過對比分析證明模型的合理性。

羊絨；吸濕性能；影響因素；吸濕模型

1 前言

纖維的吸濕性能對紡織材料的各方面性能產(chǎn)生影響，如重量、長度、橫斷面、密度、機(jī)械性能、熱學(xué)性質(zhì)甚至光學(xué)性質(zhì)等[1]。纖維對氣相水分吸收的性質(zhì)，主要取決于纖維中的大分子結(jié)構(gòu)以及結(jié)晶狀態(tài)，所以纖維吸濕作用就會(huì)受其微觀結(jié)構(gòu)的影響，纖維吸濕的微觀機(jī)理如圖1所示。除此之外，纖維的吸濕率還與環(huán)境溫濕度有關(guān)，尤其是環(huán)境的相對濕度對纖維的吸濕性能影響較大，如圖2所示。多層織物內(nèi)部填充物的選用，會(huì)對防寒透濕性能產(chǎn)生影響。目前針對纖維水分測試的方法主要有兩種：直接測試和間接測試[2]，應(yīng)用最廣泛的是烘箱法對纖維水分的測試法。但在實(shí)際的操作過程中存在一些弊端：干重與實(shí)際的纖維重量不符；在對材料進(jìn)行反復(fù)測量時(shí)，外界條件的變化與影響會(huì)增加測量的誤差；另外，測試的時(shí)間要維持在3 h左右，容易造成能源的浪費(fèi)[3]。

從數(shù)值模擬角度，對紡織材料的影響進(jìn)行研究是當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的測試方法相比，吸濕模型能夠提高研發(fā)效率，節(jié)約開發(fā)成本。吸濕模型主要借助分型理論，從微觀形態(tài)建立纖維的吸濕模型。早前，陳天文等[4]在實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，建立織物放濕過程中表面溫度與時(shí)間、過剩相對濕度的關(guān)系及過剩相對濕度與時(shí)間的關(guān)系模型。劉凌杰等[5]借助BET模型思想，建立了織物干基含水率模型，該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。李進(jìn)等[6]采用歸納分析法，建立了非線性偏微分方程形式的織物動(dòng)態(tài)吸濕模型，并在此基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)因子。但是以上模型，針對外界的影響因素考慮欠缺，仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖1 聚合物分子對水分的直接和間接吸著

圖2 纖維的吸濕率與相對濕度的關(guān)系

羊絨填料作為一種傳統(tǒng)型的天然紡織材料，因?yàn)槠渥陨砑?xì)而且柔軟，具有細(xì)、輕、柔、滑、糯、光、暖等優(yōu)良性能[7]。羊絨、羊毛類填料以超強(qiáng)的保暖性和純天然的質(zhì)感，在各種防寒功能性紡織產(chǎn)品中，有著突出優(yōu)勢，能夠滿足人們對產(chǎn)品舒適性以及審美的需求。與羽絨填充物相比，羊絨的可塑性更強(qiáng)，在制作過程中，款式的變化更多，受到了不同年齡階段消費(fèi)者的歡迎。本文以羊毛、羊絨絮填料為研究對象，在Fick定律的基礎(chǔ)上，建立纖維的吸濕模型，模擬纖維內(nèi)部的水蒸氣含量的變化情況，分析織物性能與外界環(huán)境對其所造成的影響。并在此基礎(chǔ)上，提出相關(guān)的模擬軟件開發(fā)。

2 纖維吸濕模型

(1)

(2)

(3)

圖3 實(shí)驗(yàn)測量粘膠纖維最大含水率[8]

在對纖維內(nèi)水蒸汽體積濃度進(jìn)行模擬時(shí)，同樣需要對半徑以及時(shí)間的偏微分方程進(jìn)行邊界條件與初始值的設(shè)定，如式(4)所示：

(4)

3 模型離散分析

本節(jié)采用利用有限差分法中的Crank-Nicolson模式進(jìn)行方程離散，我們?nèi)砸砸痪S的熱傳導(dǎo)方程為例，如式(5)所示：

(5)

采用Crank-Nicolson式進(jìn)行離散時(shí)，前期的網(wǎng)格劃分與顯格式相同這里就不加以介紹，Crank-Nicolson格式如式(6)所示。

(6)

(7)

采用第n時(shí)間層的值計(jì)算第n+1的值時(shí)，我們需要轉(zhuǎn)化為對角方程組進(jìn)行求解，如式(8)所示。

(8)

可轉(zhuǎn)化為

(9)

其中i=2,…,N-1。

(10)

推出式(11)

(11)

然后將式轉(zhuǎn)化為矩陣形式得：

(12)

(13)

按照上述矩陣關(guān)系式，進(jìn)行等量代換，可得到式(14)：

(14)

同理可以獲得i=N-1時(shí)等式，如式(15)：

(15)

通過對等式的整理，可得式(16)。

(16)

4 模擬結(jié)果

4.1 外界相對濕度對吸濕性能的模擬

結(jié)合上述的離散方程，采用Matlab編程語言進(jìn)行數(shù)值求解。針對纖維內(nèi)部水蒸氣濃度的變化情況，如圖4所示。首先根據(jù)圖4所顯示的模擬結(jié)果，在同一時(shí)刻，沿纖維半徑方向，內(nèi)部的水蒸氣的體積濃度在不斷增加。位置相同時(shí)，纖維內(nèi)部的變化不大，外側(cè)隨著時(shí)間延長，纖維內(nèi)部的水蒸氣濃度增大，增大趨勢隨纖維半徑的移動(dòng)逐漸明顯，但纖維內(nèi)部整體的增加趨勢是一個(gè)很緩慢的過程。

圖4 纖維內(nèi)部水蒸氣濃度分布

除了纖維自身屬性外，織物所處的外界環(huán)境也會(huì)對內(nèi)部的水蒸氣濃度產(chǎn)生影響，為探究環(huán)境的相對濕度對纖維吸濕性能的影響，本文假設(shè)外界環(huán)境的相對濕度分別為65%、75%、85%、90%時(shí)，分別對羊毛纖維內(nèi)部水蒸氣濃度以及體積濃度進(jìn)行模擬。從圖5，圖6，圖7和圖8所顯示的纖維內(nèi)水蒸氣的體積濃度隨時(shí)間的變化曲線，同樣可以看出：相對濕度越大，絮填料的吸濕速率會(huì)加快，在同一時(shí)刻，纖維內(nèi)部的水蒸氣濃度增大。并在最終測試點(diǎn)處達(dá)到峰值，峰值相應(yīng)地的也隨之增大。所以，外界相對濕度的增加，有利于提高纖維的吸濕性能。

圖5 RH=65%羊毛纖維內(nèi)水蒸氣濃度

圖6 RH=75%羊毛纖維內(nèi)水蒸氣濃度

圖7 RH=85%羊毛纖維內(nèi)水蒸氣濃度

圖8 RH=90%羊毛纖維內(nèi)水蒸氣濃度

4.2 填料纖維的物理屬性對水蒸氣濃度的影響

本節(jié)選取羊毛、羊絨二種絮填料，在外部環(huán)境相同的情況下，對兩種纖維內(nèi)部的水蒸氣濃度進(jìn)行數(shù)值模擬。圖9，圖10表示的是羊毛、羊絨兩種纖維在時(shí)間t=24h時(shí)，在纖維直徑方向水蒸氣的體積濃度變化。圖11，圖12是對應(yīng)的該兩種纖維內(nèi)部水蒸氣濃度變化。通過這兩組數(shù)值模擬的對比分析，相同的時(shí)間內(nèi)，羊絨纖維內(nèi)部的水蒸氣濃度高于羊毛，羊絨的吸濕性能更好，并且在吸濕速度上也優(yōu)于羊毛。所以在選取絮填料種類時(shí)，羊絨性能優(yōu)于羊毛。針對本章的模擬，本文所采用的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9]相同，通過與圖11與圖13的對比分析，結(jié)果吻合，纖維內(nèi)部的水蒸氣濃度的變化情況相符。所以該模型具有科學(xué)性。

圖9 羊絨纖維內(nèi)水蒸氣體積濃度

圖10 羊毛纖維內(nèi)水蒸氣體積濃度

圖11 羊絨纖維內(nèi)水蒸氣濃度

圖12 羊毛纖維內(nèi)水蒸氣濃度

圖13 羊絨纖維內(nèi)水蒸氣濃度[9]

5 結(jié)論

結(jié)合上述的模擬結(jié)果，針對填料吸濕性能的模型與實(shí)際結(jié)果相符，能夠應(yīng)用于實(shí)際的科研生產(chǎn)中去。同時(shí)通過模擬證明，同等條件下，羊絨纖維的吸濕性能優(yōu)于羊毛纖維。另外，在保證其他參數(shù)相同的情況下，相對濕度越大，纖維的吸附性能越好，吸濕速率越快。

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Simulation of Influencing Factor of Moisture Absorption for Winter Coat

CongShan,ZhuXiaoyu,WangYanwen

(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China)

According to the Fick law,an absorption model was established to explore influence of physical properties of fiber and the outside relative humidity on the absorption property, the finite difference method was used to discrete and the Matlab programming language was used to solve the numerical solution.

cashmere;absorption property;influencing factor; the model of absorption

2014-12-17

上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(E1-0800-14-02353)

叢 杉(1973—)，女，吉林吉林人，副教授。

TS941.1

A

1009-3028(2015)03-0001-05