氣流沖擊下的緊密織物動(dòng)態(tài)透氣性能分析

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)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(xiǎn)時(shí)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?yàn)?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(cè)車)。此外，目前正處于測(cè)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(shí)，一般受高壓氣體作用影響，需要在極短時(shí)間內(nèi)打開折疊織物，但其工作環(huán)境對(duì)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(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(shì)必會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)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(duì)指導(dǎo)后期防護(hù)性織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)著重對(duì)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)絲。具體織物參數(shù)規(guī)格見表1。光學(xué)顯微鏡下，織物實(shí)物如圖1所示。

表1 織物規(guī)格參數(shù)

圖1 織物實(shí)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(dòng)透氣量?jī)xYG461E-Ⅲ，寧波紡織儀器廠制造。

1.2 方法

為了研究動(dòng)態(tài)氣流沖擊下織物的透氣性能，搭建了動(dòng)態(tài)透氣性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體如圖2所示。圖2中，左側(cè)是氣壓控制部分。儲(chǔ)氣罐可用于儲(chǔ)存任何高壓氣體，以確保在測(cè)試過(guò)程中空氣流動(dòng)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(lái)控制進(jìn)入右側(cè)氣壓測(cè)量部分的空氣壓力。在氣壓測(cè)量部分，氣體進(jìn)入管道，沖擊織物，并穿過(guò)織物融入到外界空氣中；數(shù)字壓力計(jì)顯示該管道內(nèi)氣流迅速變化的一個(gè)過(guò)程；同時(shí)高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)字壓力表數(shù)據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

1)測(cè)量不同彈性的兩種織物在0.3 MPa時(shí)所承受的壓力變化。

2)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建模型Fig.2 Model of permeability experiment platform

1.3 實(shí)驗(yàn)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(shí)，緊密織物的紗線與紗線之間距離較小，外力使相互交錯(cuò)的織物緊密貼合在一起，導(dǎo)致織物之間的孔隙越來(lái)越小，最終使織物的透氣性越來(lái)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(lái)越大，所以其透氣性也會(huì)越來(lái)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(guò)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(cè)試 為了對(duì)比織物在準(zhǔn)靜態(tài)氣壓下的透氣性，通過(guò)全自動(dòng)透氣量?jī)x進(jìn)行透氣性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件為：壓差300 Pa，實(shí)驗(yàn)面積20 cm2。

在一定壓差下，多孔介質(zhì)允許流體通過(guò)的能力稱為滲透率[9]。透氣速率為氣體通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)態(tài)透氣性實(shí)驗(yàn) 對(duì)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(duì)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(duì)溫度。當(dāng)空氣通過(guò)織物排出時(shí)，罐內(nèi)的空氣質(zhì)量以及壓力逐漸減少。根據(jù)儲(chǔ)氣罐的熱容和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，T可認(rèn)為是恒定不變的常數(shù)。式(2)對(duì)時(shí)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(duì)于質(zhì)量流量的自由體積流量；Patm為絕對(duì)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(guò)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(cè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣壓與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)得5種織物在承受氣流沖擊時(shí)，其沖擊壓力與透氣時(shí)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(shí)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(shì)線(y=B6x6+B5x5+B4x4+B3x3+B2x2+B1x+C)的系數(shù)。

表3 圖3(a)中趨勢(shì)線系數(shù)

表4 圖3(b)中趨勢(shì)線系數(shù)

表5 圖3(c)中趨勢(shì)線系數(shù)

圖6(a)為在0.3 MPa初始?jí)毫l件下，不同彈性織物所承受壓力隨時(shí)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(gè)過(guò)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畛蹩椢锍惺艿膲毫0.4 MPa>P0.3 MPa>P0.2 MPa，但隨著時(shí)間的變化，初始?xì)鈮涸酱螅椢锸芰υ酱?，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(duì)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(shí)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?。圖6(c)為在0.3 MPa的初始?jí)毫l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(shí)，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(shí)，其所受壓力降到0所用的時(shí)間要小于緊度大的織物。

2.2 滲透率與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)式(7)與式(8)可以得到滲透率與時(shí)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(shí)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(shí)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(lái)越大。圖7(b)為安全氣囊織物在不同初始?jí)毫ο峦笟庑缘淖兓?。由圖7(b)可知，對(duì)于安全氣囊織物而言，織物的透氣性較小，則需要較長(zhǎng)時(shí)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?jí)毫χ递^大時(shí)，則在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到與外界氣壓的平衡，且透氣性也相對(duì)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(shí)，在相同時(shí)間點(diǎn)織物的透氣性較小，且容器達(dá)到與外界壓力平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。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(gè)臨界點(diǎn)后，在高氣壓沖擊下初始透氣性逐漸下降?？椢镌诔掷m(xù)氣流沖擊后，透氣性不斷增大，最終達(dá)到最大值。這是因?yàn)闅饬鳑_擊會(huì)使紗線之間更為緊密，孔隙率更低，隨著高壓氣體的滲透，儲(chǔ)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(yǔ)

文中主要研究5種織物在不同條件下的滲透率變化。實(shí)驗(yàn)證明，織物滲透率與織物的緊度、組織結(jié)構(gòu)、初始?jí)毫Φ让芮邢嚓P(guān)?？椢锞o度較大時(shí)，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(zhǎng)的時(shí)間；當(dāng)初始?jí)毫^大時(shí)，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(shí)間相對(duì)較短。但對(duì)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(lái)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(wèn)題，特別是變形機(jī)理和交錯(cuò)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(jì)提供理論參考。