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        氣流沖擊下的緊密織物動態(tài)透氣性能分析

        2019-11-05 05:55:18韓曉果賈明皓周紅濤肖學(xué)良錢坤
        服裝學(xué)報 2019年5期
        關(guān)鍵詞:透氣性透氣紗線

        韓曉果, 賈明皓, 周紅濤,2, 肖學(xué)良*, 錢坤

        (1.江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122;2. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,江蘇 鹽城 224005)

        緊密織物是許多保護(hù)性裝置的重要組成部分,可以使被保護(hù)體在遇到危險時得到良好的緩沖防護(hù),從而避免受到傷害或者減少受傷害的程度。常見的保護(hù)型裝置如降落傘、車用安全氣囊,以及航天航空使用的軟著陸緩沖氣囊(可用于保護(hù)從空中向災(zāi)區(qū)投放的物資或由外空間降落到其他星球表面的探測車)。此外,目前正處于測試階段的老人穿戴式安全氣囊等也是采用相同原理[1]。

        氣囊類保護(hù)型織物在工作時,一般受高壓氣體作用影響,需要在極短時間內(nèi)打開折疊織物,但其工作環(huán)境對織物的性能要求極高[2],織物應(yīng)具有較好的彈性,才可以保證在受到較大氣流沖擊力后能盡量恢復(fù)成初始狀態(tài)[3- 4]。理論上可以利用不同的工作載荷,通過控制織物的變形量,從而達(dá)到控制織物透氣量大小的目的[5]。除此之外,緊密織物作為多孔材料,其透氣性能取決于材料本身孔隙的幾何結(jié)構(gòu)。在通過織物透氣儀獲取織物透氣速率的條件下,可以利用達(dá)西定律得到實驗材料的滲透值。由于紡織材料形成的交織結(jié)構(gòu)比較柔軟,所以在高壓氣流沖擊下,其孔隙的幾何結(jié)構(gòu)勢必會發(fā)生改變,從而對滲透性產(chǎn)生極大影響[6],導(dǎo)致其保護(hù)效果的不穩(wěn)定性增大。因此了解和掌握氣流沖擊作用下織物滲透性能的變化規(guī)律,對指導(dǎo)后期防護(hù)性織物結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義[7]。筆者前期已經(jīng)探討了織物在高氣壓下的面外變形[8],文中實驗著重對織物滲透性能進(jìn)行研究。

        1 材料及方法

        1.1 原料與儀器

        1.1.1原料 彈性織物、安全氣囊織物以及非彈性斜紋織物(安全氣囊織物由英國諾丁漢大學(xué)提供,其他織物均為小樣機(jī)織造)。其中全彈織物的經(jīng)緯紗均為錦綸氨綸包纏紗;半彈織物的經(jīng)紗為錦綸氨綸包纏紗,緯紗為錦綸長絲;C及C0織物紗線原料為C/T混紡紗;安全氣囊織物A的紗線原料為錦綸長絲。具體織物參數(shù)規(guī)格見表1。光學(xué)顯微鏡下,織物實物如圖1所示。

        表1 織物規(guī)格參數(shù)

        圖1 織物實物Fig.1 Pictures of fabrics

        1.1.2儀器 HR941NC高速攝像機(jī),湖南科天健公司提供;全自動透氣量儀YG461E-Ⅲ,寧波紡織儀器廠制造。

        1.2 方法

        為了研究動態(tài)氣流沖擊下織物的透氣性能,搭建了動態(tài)透氣性實驗平臺,具體如圖2所示。圖2中,左側(cè)是氣壓控制部分。儲氣罐可用于儲存任何高壓氣體,以確保在測試過程中空氣流動的穩(wěn)定性;開關(guān)閥用于控制氣流的釋放和停止;壓力控制閥用來控制進(jìn)入右側(cè)氣壓測量部分的空氣壓力。在氣壓測量部分,氣體進(jìn)入管道,沖擊織物,并穿過織物融入到外界空氣中;數(shù)字壓力計顯示該管道內(nèi)氣流迅速變化的一個過程;同時高速攝像機(jī)實時記錄數(shù)字壓力表數(shù)據(jù)。具體實驗方案如下:

        1)測量不同彈性的兩種織物在0.3 MPa時所承受的壓力變化。

        2)測量A織物在不同的初始?xì)鈮?0.2,0.3,0.4 MPa)條件下所承受的壓力變化。

        3)測量不同緊度的織物在0.3 MPa條件下所承受的壓力變化。

        圖2 滲透性實驗平臺搭建模型Fig.2 Model of permeability experiment platform

        1.3 實驗原理

        1.3.1氣流沖擊下緊密織物結(jié)構(gòu)變化 當(dāng)氣壓作用于織物表面時,緊密織物的紗線與紗線之間距離較小,外力使相互交錯的織物緊密貼合在一起,導(dǎo)致織物之間的孔隙越來越小,最終使織物的透氣性越來越差;非緊密織物的紗線與紗線之間距離原本比較大,氣流的沖擊作用使得紗線之間距離越來越大,所以其透氣性也會越來越強(qiáng)。圖3~圖5為3種織物在不同壓力作用下的結(jié)構(gòu)變化。

        圖3 A織物Fig.3 Fabric A

        圖4 全彈織物Fig.4 Elastic fabric

        圖5 U織物Fig.5 Fabric U

        圖3為安全氣囊織物(A織物),結(jié)構(gòu)最為緊密。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),A織物在氣流的沖擊作用下,紗線與紗線之間交疊得更加緊密。在如此緊密的條件下,即使壓力達(dá)到較高的0.2 MPa,織物中紗線之間依然沒有滑移,織物緊密程度更高。圖4為全彈織物,其緊度低于A織物。由圖4可以看出,在0.1 MPa壓力作用下,織物中相鄰兩根紗線相比初始狀態(tài)更加緊密;在0.2 MPa壓力作用下,氣流沖擊使織物的孔隙逐漸變大。為進(jìn)行對比實驗,文中又選取了一種U織物,其屬于疏松織物,緊度為75.3%,具體如圖5所示。對比發(fā)現(xiàn),這種非緊密織物由于相鄰兩根紗線沒有重疊或者緊緊靠近,所以在0.1 MPa壓力條件下,織物發(fā)生面外變形更多的是由于紗線之間距離變大,導(dǎo)致織物孔隙變大,從而使織物的透氣性增強(qiáng)。

        1.3.2恒壓條件下緊密織物的透氣性測試 為了對比織物在準(zhǔn)靜態(tài)氣壓下的透氣性,通過全自動透氣量儀進(jìn)行透氣性測試。實驗條件為:壓差300 Pa,實驗面積20 cm2。

        在一定壓差下,多孔介質(zhì)允許流體通過的能力稱為滲透率[9]。透氣速率為氣體通過織物單位面積的氣流速度。根據(jù)達(dá)西定律式可以得到織物的滲透率,其關(guān)系式為

        (1)

        式中:ΔP為壓差;μ為空氣黏度;l為織物厚度;v為透氣速率。

        織物的透氣速率及滲透率見表2。

        表2 織物透氣速率及滲透率

        由表2可以看出,實驗樣品中A織物的滲透率最低,全彈織物的滲透率大于半彈織物。全彈織物由于經(jīng)緯紗線均是彈性紗,紗線屈曲較多,所以織物中的孔隙相比半彈織物更多。因此,紗線的形態(tài)間接影響織物的滲透率。對比C0與C織物可知,兩種織物緊度不同,C織物的緊度較大,滲透率小,因此織物緊度是影響織物透氣性的關(guān)鍵因素。

        1.3.3氣流沖擊下織物動態(tài)透氣性實驗 對容器內(nèi)空氣采用的理想氣體方程為

        PV=mR′T

        (2)

        式中:P為容器內(nèi)絕對壓力;V為容器體積;m為容器內(nèi)所含空氣的質(zhì)量;R′為通用氣體常數(shù)除以氣體摩爾質(zhì)量;T為容器內(nèi)氣體的絕對溫度。當(dāng)空氣通過織物排出時,罐內(nèi)的空氣質(zhì)量以及壓力逐漸減少。根據(jù)儲氣罐的熱容和標(biāo)準(zhǔn)實驗環(huán)境,T可認(rèn)為是恒定不變的常數(shù)。式(2)對時間t的微分方程為

        (3)

        將式(3)應(yīng)用于常壓下的罐內(nèi)逃逸空氣,其方程式為

        (4)

        式中:V′為空氣相對于質(zhì)量流量的自由體積流量;Patm為絕對壓力;Tatm為常壓下氣體溫度,可默認(rèn)為T。

        根據(jù)式(3)和式(4)可以得到

        (5)

        氣流通過織物(單位面積流量)的表層速率為

        (6)

        式中:v為表層速率;A為測試面積。因此氣體速率與壓力梯度的關(guān)系變?yōu)?/p>

        (7)

        氣壓與滲透性的關(guān)系可以用弗赫海默方程表達(dá)[10],方程式為

        (8)

        式中:μ為流體黏度;K為織物的滲透率;ρ為流體密度;β為多孔介質(zhì)參數(shù)(非達(dá)西流動系數(shù))。XIAO X L[9]提到K和β是多孔介質(zhì)關(guān)于孔隙率和孔徑的函數(shù),因此是多孔介質(zhì)的固有特性。

        2 實驗結(jié)果

        2.1 氣壓與時間的關(guān)系

        根據(jù)實驗方案,測得5種織物在承受氣流沖擊時,其沖擊壓力與透氣時間的關(guān)系,具體如圖6所示。

        圖6 不同織物承受的壓力變化與時間的關(guān)系Fig.6 Relation of pressure and time

        表3~表5分別為圖3(a)~圖3(c)3種條件下擬合出趨勢線(y=B6x6+B5x5+B4x4+B3x3+B2x2+B1x+C)的系數(shù)。

        表3 圖3(a)中趨勢線系數(shù)

        表4 圖3(b)中趨勢線系數(shù)

        表5 圖3(c)中趨勢線系數(shù)

        圖6(a)為在0.3 MPa初始壓力條件下,不同彈性織物所承受壓力隨時間的變化。當(dāng)壓力閥打開后,由于管道、織物透氣量等原因,導(dǎo)致初始?xì)鈮褐档陀?.3 MPa。在氣流沖擊初期,全彈織物的透氣量明顯高于半彈織物;整個過程中,全彈織物所承受的壓力始終小于半彈織物。圖6(b)為非涂層安全氣囊織物在不同初始?xì)鈮簵l件下所承受的壓力變化。由于初始?xì)鈮翰煌?,最初織物承受的壓力P0.4 MPa>P0.3 MPa>P0.2 MPa,但隨著時間的變化,初始?xì)鈮涸酱?,織物受力越大,則導(dǎo)致織物變形越大,所以內(nèi)部氣體迅速逃逸,導(dǎo)致織物受力減小。對比圖6(b)中3條曲線亦可知,織物所受初始?xì)鈮涸酱?,織物承受的壓力則下降越快。透氣時間130 s左右開始,初始?xì)鈮褐底钚〉目椢锼惺艿膲毫Ψ炊源笥诔跏細(xì)鈮褐底畲蟮目椢铩D6(c)為在0.3 MPa的初始壓力條件下,不同緊度的織物所承受壓力的變化曲線。其中,C織物緊度大于C0織物緊度。由圖6(c)可知,當(dāng)織物緊度較大時,氣體滲透的速率明顯小于緊度較小的織物;當(dāng)織物緊度較小時,其所受壓力降到0所用的時間要小于緊度大的織物。

        2.2 滲透率與時間的關(guān)系

        根據(jù)式(7)與式(8)可以得到滲透率與時間的關(guān)系,具體如圖7所示。

        圖7 不同織物滲透率變化與時間關(guān)系Fig.7 Relation of permeability and time

        圖7(a)為不同彈性織物在相同壓力下透氣性的變化。由圖7(a)可知,前期全彈織物的透氣性大于半彈織物,在時間22 s左右,半彈織物的透氣性逐漸超越全彈織物且兩者的差距越來越大。圖7(b)為安全氣囊織物在不同初始壓力下透氣性的變化。由圖7(b)可知,對于安全氣囊織物而言,織物的透氣性較小,則需要較長時間將容器內(nèi)的氣壓放出直至與外界大氣壓相等;當(dāng)容器內(nèi)初始壓力值較大時,則在較短時間內(nèi)即可達(dá)到與外界氣壓的平衡,且透氣性也相對較大。圖7(c)為不同緊度的織物在相同壓力下透氣性變化。由圖7(c)可知,織物緊度較大時,在相同時間點織物的透氣性較小,且容器達(dá)到與外界壓力平衡的時間較長。此外,織物的透氣性與織物的緊度密切相關(guān),織物緊度高于某個臨界點后,在高氣壓沖擊下初始透氣性逐漸下降。織物在持續(xù)氣流沖擊后,透氣性不斷增大,最終達(dá)到最大值。這是因為氣流沖擊會使紗線之間更為緊密,孔隙率更低,隨著高壓氣體的滲透,儲氣罐中的氣壓逐漸降低,織物的變形逐漸回復(fù)至初始階段,孔隙率增大,透氣性逐漸提升。

        3 結(jié)語

        文中主要研究5種織物在不同條件下的滲透率變化。實驗證明,織物滲透率與織物的緊度、組織結(jié)構(gòu)、初始壓力等密切相關(guān)。織物緊度較大時,在相同的外界條件下,織物的滲透率較小,容器內(nèi)壓力達(dá)到與外界平衡需要更長的時間;當(dāng)初始壓力較大時,在相同的外界條件下,織物的滲透率較大,容器內(nèi)達(dá)到與外界平衡的時間相對較短。但對于彈性織物而言,織物的滲透率和其他非彈性織物略有不同。全彈織物的滲透率前期大于半彈性織物,后期其滲透率則逐漸小于半彈織物,且與半彈織物的滲透率差距越來越大。文中從機(jī)理角度探討纖維紗線材料及其柔性交織結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生變形后引起的滲透率變化問題,特別是變形機(jī)理和交錯結(jié)構(gòu)三維角度的變化機(jī)理,可以為新型輕薄防護(hù)材料的設(shè)計提供理論參考。

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