棉紗線溶脹動(dòng)力學(xué)模型研究

王方方，徐維敬

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

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棉紗線溶脹動(dòng)力學(xué)模型研究

王方方，徐維敬

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

為研究棉紗線的溶脹性能，通過(guò)顯微鏡觀測(cè)記錄棉紗線在一定濃度滲透劑的溶液中的動(dòng)態(tài)溶脹過(guò)程，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，建立了棉紗線溶脹動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)分析論證，二元件開(kāi)爾文模型可以準(zhǔn)確地描述棉紗線在加入滲透劑的水溶液中的溶脹行為，并證明上述所建立的棉紗線溶脹動(dòng)力學(xué)方程是可靠的。

棉紗線 溶脹 動(dòng)力學(xué) 曲線擬合

針織服裝向著內(nèi)衣外穿、高檔化、個(gè)性化的方向發(fā)展，因此對(duì)針織物的強(qiáng)力、手感、彈性等提出了更高的要求。棉緯平針織面料作為最常見(jiàn)的針織服裝面料之一，為使其更好成為高檔外衣面料，要求解決織物布面的平整性。棉緯平針織物在練漂、染色等工藝中易產(chǎn)生褶皺，這不僅受棉緯平針織物自身結(jié)構(gòu)的影響，還與棉針織物在練漂前處理效果有著密切的聯(lián)系，雖然可以通過(guò)防皺整理消除布面的褶皺，但是后整理能源消耗大、污染嚴(yán)重、費(fèi)用昂貴。棉緯平針織物在練漂液中溶脹對(duì)布面平整有很大的影響，所以研究棉紗線溶脹問(wèn)題對(duì)解決棉緯平針織物在染整工藝中易產(chǎn)生褶皺的問(wèn)題有重大意義，建立合適的棉紗線溶脹模型是研究棉紗線溶脹問(wèn)題的基礎(chǔ)。棉纖維是一種吸水性較高的纖維，它能在多種溶液中吸濕溶脹。在高濃度堿液中，棉織物能夠快速溶脹，使織物獲得良好的尺寸穩(wěn)定性，織物強(qiáng)力、延伸性發(fā)生一定的變化[1]，在水溶液中棉紗線能發(fā)生輕微的溶脹，一定濃度的滲透劑溶液能大大改善棉紗線的溶脹性能。棉紗線從溶脹開(kāi)始到溶脹平衡的過(guò)程稱之為溶脹動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

本文主要通過(guò)觀察在一定濃度滲透劑的溶液中棉紗線的溶脹行為，建立溶脹動(dòng)力學(xué)方程，并應(yīng)用模型模擬棉紗線的溶脹，并證明建立的動(dòng)力學(xué)方程的可靠性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

1.2.1 試驗(yàn)儀器

LEICA DM2700M型顯微鏡(德國(guó)萊卡)

1.2.2 試驗(yàn)方法

配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液和一定質(zhì)量濃度的滲透劑溶液作為溶脹液。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的環(huán)境中放置棉紗線24小時(shí)，然后將紗線均勻的纏繞在載玻片上，將載玻片放在顯微鏡下，同時(shí)在棉紗線上滴1-2滴溶脹液(滲透劑JC-1濃度為2g/L的溶液)，每隔30s用顯微鏡拍照記錄棉紗線的直徑變化。

在顯微鏡圖像中的兩條棉紗線上選擇6個(gè)固定的點(diǎn)，用LAS EZ軟件測(cè)量該紗線直徑，然后經(jīng)過(guò)換算比例尺得到棉紗線溶脹前后平均直徑。由于棉纖維吸濕橫向膨脹大縱向膨脹小[2]，因此可以用棉紗線吸濕溶脹后直徑的變化來(lái)表示其溶脹的程度即溶脹率

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

未溶脹前的棉紗線，經(jīng)滲透劑處理溶脹30s、60s、90s后的棉紗線，顯微鏡圖像分別如下圖1。

圖1A、B、C、D分別為棉紗線未溶脹前、溶脹后30s、60s、90s的顯微鏡圖像(50)

測(cè)量得到的棉紗線溶脹前后平均直徑如下圖2所示。

圖2 棉紗線直徑與溶脹處理時(shí)間的關(guān)系

棉紗溶脹率隨處理時(shí)間的變化見(jiàn)表1。

表1 棉紗溶脹率與處理時(shí)間的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制時(shí)間-溶脹率變化曲線，并用origin軟件進(jìn)行曲線擬合。結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 棉紗線溶脹率與處理時(shí)間的關(guān)系

由圖3建立的棉紗線溶脹率隨處理時(shí)間變化的擬合方程式為：

y=24.83[11.07exp(t/53)]

(1)

該擬合方程R2為0.9808，各指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差不超過(guò)5%，所以該方程能夠較為準(zhǔn)確的反映該試驗(yàn)中棉紗線溶脹率與處理時(shí)間的關(guān)系。

由長(zhǎng)鏈分子聚集起來(lái)的纖維，在受力變形時(shí)除了有鍵長(zhǎng)和鍵角的變化外，還有大分子次價(jià)鍵斷裂，導(dǎo)致分子鏈的逐漸伸展，所以紡織纖維兼有彈性固體和粘性流體的變形特征，也就是具有粘彈性力學(xué)性能[3]。對(duì)棉纖維而言，其粘彈性力學(xué)性能表現(xiàn)為蠕變和應(yīng)力松弛。

Hearle(1958)提出用纓狀原纖理論來(lái)解釋棉纖維大分子結(jié)構(gòu)，纖維素大分子通過(guò)整齊排列形成微原纖，若干微原纖相互組合形成原纖。原纖在不同的位置分裂出來(lái)，有的進(jìn)入棉纖維的無(wú)定形區(qū)，有的重新進(jìn)入其他的原纖組織中，連續(xù)的纓狀原纖形成結(jié)晶區(qū)。棉纖維在水溶液中發(fā)生溶脹，水分子滲入纖維素大分子無(wú)定形區(qū)，使纖維素大分子體積膨脹，纖維發(fā)生溶脹。

當(dāng)在水溶液中加入適量的滲透劑，加速水分子進(jìn)入棉紗線芯層，使纖維間充滿水，水滲透進(jìn)入到纖維素?zé)o定形區(qū)，使纖維素大分子構(gòu)象發(fā)生一定的變化，就相當(dāng)于纖維受到較小外力時(shí)，纖維大分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中纖維素?zé)o定形區(qū)部分氫鍵斷裂，分子鏈逐漸伸展，纖維分子結(jié)構(gòu)重排，纖維素大分子體積膨脹，整個(gè)纖維發(fā)生溶脹，這一過(guò)程纖維的溶脹變形具有時(shí)間效應(yīng)和時(shí)間依賴性。水分子向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，纖維大分子無(wú)定形區(qū)部分氫鍵斷裂，在新的位置重排，產(chǎn)生溶脹，纖維形變隨時(shí)間的緩慢變化，并發(fā)生部分不可逆的形變，這相當(dāng)于粘壺的運(yùn)動(dòng)。水分子進(jìn)入棉紗線纖維間，使紗線溶脹，這一過(guò)程中的形變隨時(shí)間變化，相當(dāng)于彈簧運(yùn)動(dòng)。

三元件模型由一個(gè)牛頓粘壺和兩個(gè)虎克彈簧組成，該模型能夠較好的描述紡織品在較小的變形條件下的粘彈性力學(xué)性能。三元件模型有兩種形式，它們是等效的，我們?nèi)芜x其中一個(gè)，如下圖4示。

圖4 三元件模型

該圖中E1，E2分別為彈簧1,2的彈性系數(shù)，η為牛頓粘壺的粘滯系數(shù)。該模型的的變形特點(diǎn)是彈簧1和彈簧2的變形相等，由此可得其結(jié)構(gòu)關(guān)系式如下：

(2)

當(dāng)б=бc為常數(shù)時(shí)，其蠕變方程為：

(3)

依據(jù)三元件蠕變方程形式，利用origin軟件函數(shù)添加自定義函數(shù)(4)，應(yīng)用該函數(shù)對(duì)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并求得該函數(shù)各項(xiàng)參數(shù)。

y=бc/E1+бc/E2бc/E2*exp(x/t)

(4)

應(yīng)用函數(shù)(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如下圖5所示。

圖5 棉紗線溶脹率與處理時(shí)間的關(guān)系

利用origin求解得到的函數(shù)(4)中的各參數(shù)值及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差如下表2。

表2 參數(shù)值及標(biāo)準(zhǔn)誤差值

將表2中的參數(shù)帶入函數(shù)(4)中，得到方程(5)，該擬合方程R2為0.9950，各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差不超過(guò)1，所以該曲線擬合置信度高，參數(shù)值合理。

y=3.18E14+24.94(1

(5)

表2中E1，E2分別為三元件模型中彈簧1和彈簧2的彈性系數(shù)，水分子在纖維大分子中，纖維間擴(kuò)散，纖維大分子鏈運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于受力運(yùn)動(dòng)，бc就表示這個(gè)力的大小，бc與E2的比值表示該過(guò)程中棉紗線的平衡溶脹率，與實(shí)驗(yàn)數(shù)值吻合度較高。t為推遲時(shí)間，即達(dá)到平衡溶脹形變63.2%時(shí)所需的時(shí)間。

可以看出三元件模型中彈簧1與彈簧2的彈性系數(shù)相差很大，也就是說(shuō)在該模型中，相對(duì)彈簧2來(lái)說(shuō)，彈簧1完全可以看作剛體；從方程(5)中也可以看出，該方程第一項(xiàng)數(shù)值太小，對(duì)方程的y值影響可以忽略不計(jì)，因此彈簧1可以去掉，也就是在模擬棉紗線溶脹問(wèn)題中，三元件模型可以簡(jiǎn)化為二元件開(kāi)爾文模型。

圖6 二元件開(kāi)爾文模型

該模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系式如下：

(6)

由蠕變變形條件б=бc=常數(shù)，初始條件t=0時(shí)，ε=0，得到蠕變方程為：

(7)

依據(jù)溶脹試驗(yàn)，我們將擬合方程(1)可以簡(jiǎn)化為以下形式，如式(8)所示。

D(t)=D(∞)[1k*exp(t/τ)]

(8)

D(t)表示棉紗線溶脹率，D(∞)表示紗線達(dá)到溶脹平衡時(shí)的溶脹率，τ表示棉紗線的溶脹運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間，k是系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)誤差帶來(lái)。式(7)與式(8)非常相似，表1中試驗(yàn)所得的棉紗溶脹率在150s到300s時(shí)維持在24-25之間，式(8)中D(∞)為24.83，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近；τ為推遲時(shí)間，即形變達(dá)到平衡形變值(1)倍所需的時(shí)間，由圖3中的實(shí)驗(yàn)曲線可以估算出，當(dāng)棉紗線達(dá)到平衡溶脹率的63.2%時(shí)所需的時(shí)間在50s～60s，式(8)中τ值為53s，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)；系數(shù)k是一個(gè)無(wú)限接近于1的數(shù)值，主要是由實(shí)驗(yàn)誤差所造成，也可以理解為一個(gè)修正值，式(8)中k值為1.07，在可接受的誤差范圍內(nèi)。綜上所述，本文建立的棉紗線溶脹動(dòng)力學(xué)方程(1)是合理的、可靠的。

3 結(jié)論

通過(guò)顯微鏡觀測(cè)記錄棉紗線吸水溶脹行為，建立棉紗線吸水溶脹動(dòng)力學(xué)方程，并通過(guò)對(duì)三元件模型的分析，簡(jiǎn)化為二元件開(kāi)爾文模型，證明該二元件模型可以準(zhǔn)確的描述棉紗線吸水溶脹行為，本文中建立的棉紗線吸水溶脹動(dòng)力學(xué)方程是可靠的。

[1] 閆克璐.染整工藝與原理(上冊(cè))[M].中國(guó)紡織出版社，2009.

[2] 于偉東.紡織材料學(xué)[M].中國(guó)紡織出版社.2006.

[3] 于偉東，儲(chǔ)才元. 紡織物理[M].東華大學(xué)出版社.2009.

[4] 張洪弟，駱成軍.三元件模型理論及其在紡織上的應(yīng)用[J].北京紡織，2004，25(2)：57-59.

Swelling Dynamic Model of Cotton Yarn

WANGFang-fang,XUWei-jing

(College of Textile & Clothing,Qingdao University,Qingdao 266071)

In order to study the swelling property of cotton yarn,the dynamic swelling process of cotton yarn monitored by microscope was recorded,test data was conducted curve fitting and swelling dynamic equation of the cotton yarn was established. The results showed that binary kelvin model could accurately describe the swelling behavior when the cotton yarn was in aqueous solution with penetrant,and it also justified that the established swelling dynamic equation of cotton yarn was reliable.

cotton yarn swelling dynamics curve fitting

2017-02-10

王方方(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：紡織工程。

徐維敬(1964-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。

TS101.92

A

1008-5580(2017)02-0062-04