趙寶寶，錢曉明，朵永超，王 震，錢 幺

（1. 安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3. 五邑大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

超細纖維非織造材料屬于先進產(chǎn)業(yè)用紡織材料，具有高比表面積和超柔軟的特點，是國家戰(zhàn)略性新興材料的重要組成部分[1,2]。雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布作為一種重要的超細纖維非織造材料，由于制備過程無污染和產(chǎn)品高物性，在服裝服飾、衛(wèi)生健康、安全防護、土工環(huán)境和能源軍工等領(lǐng)域有迫切的市場需求，已成為全球產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)競相發(fā)展的重點之一[3～5]。目前，雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的梯度功能材料的開發(fā)是其研究熱點[6]。

透氣性是指空氣透過纖維集合體的能力，其大小是評價非織造材料性能的重要指標，因此，研究非織造布透氣性具有重要意義。目前，很多學(xué)者研究報道了影響纖維集合體透氣性的因素，并簡化纖維集合體的透氣過程，建立了很多纖維集合體的透氣性預(yù)測模型，如Kozeny-Carman[7]，Lord[8]，Davies[9]，Mohammadi[10]，Jackson[11]，Drummond[12]，Koponen[13]和Mao[14]，但因為影響因素和纖維集合體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致理論預(yù)測工作未能形成成熟的體系。其中，關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的氣傳遞性質(zhì)這一方面的理論報道很少，有待進一步的研究。

Geodict 軟件是德國Math2Market 公司研發(fā)出的專門針對多孔材料和復(fù)合材料的一款計算模擬軟件（計算機硬件要求：內(nèi)存64 G 以上；硬盤1 T 以上；獨立顯卡，顯存1 GB 以上；CUP 要求8 核以上。操作系統(tǒng)：64 位系統(tǒng)；Microsoft?Windows 7, 8 or 10，2012R2；Linux（RHEL 6 or 7, SuSE 12, Ubuntu 12））。該軟件可以為用戶提供虛擬材料設(shè)計所需的幾何模型，并由模型得到可靠的材料性能分析。Geodict 軟件的工作流程首先是模型結(jié)構(gòu)的建立，然后對其所建模型的微觀結(jié)構(gòu)模擬并輸入材料的宏觀參數(shù)進行分析計算，最后可以通過對參數(shù)的調(diào)整來研究材料的特性。利用Geodict 軟件進行材料計算模擬，可以幫助理解材料結(jié)構(gòu)如何影響材料性能，經(jīng)濟有效地提高材料性能和降低成本，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)標準化過程，減少昂貴且費時的實驗測試。目前，全球范圍內(nèi)Geodict 已經(jīng)擁有超過70 個工業(yè)和研究機構(gòu)用戶，其應(yīng)用領(lǐng)域包括燃料電池[15,16]、石油和天然氣[17,18]、過濾與分離[19,20]、造紙[21]等，在虛擬材料研究領(lǐng)域作用越發(fā)顯著。

本文基于中空桔瓣型雙組份紡粘水刺超細纖維非織造技術(shù)，制備梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布，并得出材料的基本參數(shù)，利用Geodict 軟件對其三維結(jié)構(gòu)進行建模并分析求解不同結(jié)構(gòu)下材料的透氣系數(shù)；最后通過實驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚酯切片( PET)：FC510，工業(yè)級，中國石化儀征化纖有限責任公司；聚酰胺6( PA6)：1013B，工業(yè)級，日本宇布公司。

雙組份紡粘水刺非織造材料生產(chǎn)線：天津工業(yè)大學(xué)；全自動透氣率儀：YG461H 型，寧波紡織儀器有限公司。

1.2 實驗過程

首先參考前期研究工作紡制PET/PA6 雙組份復(fù)合長絲纖維[6]。桔瓣型雙組份超細纖維是由2 種組份經(jīng)共軛紡絲、剝離開纖后制取的，從可紡性來看，要求2 種組份的表觀黏度越接近越好，從剝離性來看，要求2 種組份的界面黏合性和相容性較差。紡絲時控制PET 與PA6 的黏度比在0.8～1.25 之間。其次可鋪網(wǎng)形成面密度為80 g/m2的纖維網(wǎng)，進而在200 MPa 的水針壓力（20 次，10 MPa/次）下開纖和固網(wǎng)。然后在固結(jié)的纖網(wǎng)的表面鋪第2 層纖網(wǎng)，經(jīng)一定的水針壓力再次開纖和固結(jié)。最后在固結(jié)的第2層纖網(wǎng)的表面鋪第3 層纖網(wǎng)，經(jīng)一定的水針壓力后最終得到梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布。通過調(diào)節(jié)第2 層和第3 層的水針壓力，使非織造布的斷面達到梯度開纖的效果。三步法制備工藝流程和方案見Fig.1。

Fig.1 Preparation process and scheme of gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials by three-step process

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌表征：采用日本日立公司生產(chǎn)的TM 3030 型臺式掃描電子顯微鏡（SEM）測試非織造布的形貌，加速電壓15 kV，計算非織造布的開纖率[6,22～24]。借 助Nano Measurer 軟 件 計 算 纖 維 層 的 厚 度 及纖維平均直徑，并計算其孔隙率。

1.3.2 透氣性能測試：采用寧波紡織儀器有限公司生產(chǎn)的YG461H 全自動透氣儀按照GB/T 5453-1997 標準測試非織造布的透氣性能。測試壓強為125 Pa、測試面積為20 cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度結(jié)構(gòu)超細纖維非織造布的基本參數(shù)及分析

Fig.2 為采用三步法工藝制備的梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的斷面SEM 圖。從Fig.2a 可以看出，試樣M1 存在非常清晰的3 層結(jié)構(gòu)，底層（第1 層）的開纖率最大、平均纖維直徑最小，中間（第2 層）次之，上層（第3 層）的開纖率最小、平均纖維直徑最大。隨著第2 層和第3 層水針壓力的增加，試樣第2 層和第3 層的開纖率逐漸增大，3 層間的開纖率的差距逐漸減小。當?shù)? 層和第3 層的水針壓力都為最大時（試樣M5，F(xiàn)ig.2e），非織造布的3 層結(jié)構(gòu)變得不明顯，各層間的雙組份纖維都完全裂離，開纖率最大、平均纖維直徑最小。

Fig.2 Cross-section SEM images of gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials

Tab.1 給出了非織造布的3 層的開纖率數(shù)據(jù)。由表可知，所制備的非織造布各層的開纖率都逐漸增大，其中試樣M1 第1 層的開纖率為92.39%、第3層的開纖率為8.61%，開纖率差值為83.78%，梯度結(jié)構(gòu)最明顯；隨著第2 層和第3 層水針壓力的增加，其開纖率也有所增大，試樣3 層間的開纖率差值逐漸減小，從81.14%減小到54.63%；試樣M5 第1 層的開纖率為98.55%、第3 層的開纖率為97.54%，開纖率差值為1.01%，梯度結(jié)構(gòu)最不明顯，可認定為非梯度結(jié)構(gòu)。各層間由于開纖率不同導(dǎo)致平均纖維直徑不同；內(nèi)部纖維分布屬于各向異性，即在水平方向上纖維隨機分布，但具有一定取向（紡粘長絲工藝），平面內(nèi)纖維僅與周邊的纖維存在一定的連接；垂直方向上纖維在水刺作用下發(fā)生移位，呈網(wǎng)狀分布，相鄰層片間依靠纖維之間的纏結(jié)逐層堆積。測量計算各層的厚度、平均直徑和孔隙率等參數(shù)，結(jié)果見Tab.2。

Tab. 1 Degree of splitting of cross-section for gradient bicomponent spunbond hydro-entangled icrofiber nonwoven materials

Tab. 2 Characteristic parameters for gradient bicomponent spunbond hydro-entangled microfiber nonwoven materials

2.2 梯度結(jié)構(gòu)超細纖維非織造布的透氣模型建立與分析

根據(jù)Tab.2 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，利用Geodict 軟件的FiberGeo 模塊建立梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的3D 纖維分布模型。考慮到計算效率的問題，模型尺寸設(shè)定為200μm×200μm×H（H取實際厚度的1/10）、Voxel 長度為1μm，刪除纖維重疊、Overlap SVP 為0.1%。非織造中實際存在3 種以上形狀的長絲纖維，這里忽略復(fù)合纖維部分分離和全分離的區(qū)別，引入平均直徑，纖維選取為長絲圓桿，含量為100%，各向異性。 通過輸入相應(yīng)參數(shù)后，得到各層的3D 纖維分布立體結(jié)構(gòu)。進而，在Model 選項中，選擇LayGeo，將各層進行相應(yīng)地組合，建立了3 層梯度結(jié)構(gòu)的雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的纖維分布3D 模型，如Fig.3 所示。由圖可知，每個纖維模型水平方向上和垂直方向上的纖維隨機分布，上層纖維的數(shù)量最少、直徑最大、孔隙尺寸大，下層纖維的數(shù)量最多、直徑最小、孔隙尺寸小，整體為明顯的梯度結(jié)構(gòu)；5 個模型下層的纖維數(shù)量和直徑較一致，但中間層和上層的纖維數(shù)量和直徑變化的程度不一樣。

Fig.3 3D structure modules of microfiber nonwoven materials with gradient structure

在已獲得梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的3D 結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，利用FlowDict 模塊對模型透氣過程的氣流流場、流線和壓力分布進行分析，并計算其透氣系數(shù)。

Fig.4 為兩端氣流壓差為125 Pa 時，計算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流速分布云圖。由Fig.4a 可以看出，當模型兩端壓力一定時，最上層纖維的平均直徑和孔隙率較大，當氣流通過時其纖維對氣流的阻力較小、流速較大、變化較??；隨著纖維平均直徑和孔隙減小，對氣流的阻力增大，流速減小；最下層纖維平均直徑和孔隙最小，纖維流速最小。由Fig.4(b～d)可知，由于各層的纖維直徑和孔隙率不同，氣流通過各層的速度也不盡相同，但相比Fig.4a 上述現(xiàn)象變化變得越明顯。由于各層纖維的平均直徑和孔隙率較之前模型相對最小，且各層間變化較?。‵ig.4e），導(dǎo)致氣流通過時流速急劇減小?？梢姡w維直徑從小到大，對應(yīng)的流速變化是明顯的；對于直徑基本相同的結(jié)構(gòu)，流速的變化基本相同。也就是說，纖維直徑的梯度從大變小，和流速的梯度變化是相同的；直徑梯度為0 的話，流速梯度幾乎為0。

Fig.4 Visualization images of the velocity distribution of 3D structure modules

Fig.5 為兩端氣流壓差為125 Pa 時，計算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流線（右）分布云圖。流線分布可以直觀反映氣流在纖維模型中的運動軌跡。從Fig.5 中可以明顯地看出，整個模型的流線分布也和纖維直徑一樣呈現(xiàn)梯度分布。

Fig.5 Visualization images of the streamlines of 3D structure modules

Fig.6 為兩端氣流壓差為125 Pa 時，計算獲得的不同結(jié)構(gòu)模型的流場壓力分布云圖。從圖中可以看出，每個模型的壓力分布大概可分為3 層，壓降主要發(fā)生在最下層，即纖維平均直徑和孔隙率最小處。隨著總體梯度結(jié)構(gòu)越不明顯，對應(yīng)各層的平均直徑和孔隙率減?。ㄗ兓俾什煌袑雍蜕蠈訉航档淖饔米兊迷黾?。纖維直徑變化大，梯度越明顯，壓降變化的梯度也越大。

Fig.6 Visualization images of the pressure distribution of 3D structure modules

分別針對以上5 種模型利用Geodict 軟件的FlowDict 模塊計算其透氣系數(shù)，結(jié)果分別為3544.07 mDarcy，2527.90 mDarcy，2320.68 mDarcy，1860.18 mDarcy 和1770.46 mDarcy，進而得到其透氣率，分別為149.59 L/(m2·s)，108.07 L/(m2·s)，99.21 L/(m2·s)，81.08 L/(m2·s)和80.07 L/(m2·s)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

為進一步驗證Geodict 軟件數(shù)值模擬方法所獲得的梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的透氣性能的準確性，通過預(yù)測的透氣系數(shù)計算得到的透氣率和實際測試，得到超細纖維非織造布透氣性能Geodict 模擬與實驗結(jié)果對比曲線，如Fig.7所示。由Fig.7 可以看出，試樣M1 到試樣M5 的誤差分別為21.62%，2.15%，8.89%，4.71%和4.76%，Geodict 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合；隨著梯度結(jié)構(gòu)的增加，超細纖維非織造布的透氣性能逐漸增大。其中，試樣M1 出現(xiàn)了一個波動點，判斷是纖維網(wǎng)蓬松所導(dǎo)致基于電鏡照片的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算誤差。由此可以看出，采用Geodict 軟件分析方法通過FiberGeo 模塊輸入必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接建模，能夠較為客觀模擬得到梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的透氣性能，但對于蓬松的纖網(wǎng)可以進一步探究引入“蓬松”因子修正計算方程或通過ImportModule 模塊導(dǎo)入圖片文件建模。

Fig.7 Comparison of air permeability for microfiber synthetic leather between test and GeoDict simulation results

3 結(jié)論

（1）基于中空桔瓣型雙組份紡粘水刺超細纖維非織造技術(shù)，本文采用三步法工藝制備了一系列梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布，采用SEM 表征其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）采用Geodict 軟件分析方法通過FiberGeo 模塊輸入必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以建立梯度結(jié)構(gòu)雙組份紡粘水刺超細纖維非織造布的3D 纖維分布模型。

（3）采用Geodict 軟件分析方法通過FlowDict 模塊對材料模型透氣過程的氣流流場、流線和壓力分布進行分析，發(fā)現(xiàn)模型兩端壓力一定時，非織造材料斷面纖維細度變化越大，流速、流線和壓力的變化越顯著，非織造材料的透氣系數(shù)越大。