基于介電譜的醋酸酯水刺非織造布含水率估算

呂漢明，王翔宇，劉鳳坤

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387； 2. 中國紡織信息中心，北京 100025)

在水刺非織造布的生產(chǎn)過程中，廠家通過烘燥來控制下機(jī)非織造布的含水率。目前常用的纖維材料水分測(cè)試方法有烘箱法和直流電阻測(cè)濕法，其中烘箱法測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定，被GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定 烘箱干燥法》定為仲裁檢驗(yàn)和紡織廠質(zhì)量控制檢驗(yàn)的基本方法?？焖俜奖愕闹绷麟娮铚y(cè)濕法也被眾多纖維材料收購部門和紡織廠質(zhì)檢部門廣泛使用。烘箱法耗時(shí)耗能，不利于快速檢測(cè)，直流電阻測(cè)濕法因纖維的直流電阻很大，極板易被極化而導(dǎo)致測(cè)量穩(wěn)定性差，誤差大，通用性差[1]。

電容傳感器具有成本低、分辨率高和相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可以不破壞被測(cè)物表面對(duì)其進(jìn)行含水率檢測(cè)[2-3]。在工頻50 Hz時(shí)，干燥紡織材料的介電常數(shù)約為2～5，而液態(tài)水的介電常數(shù)為20，吸附水分子的介電常數(shù)為80。紡織材料吸水后其含水率增大介電常數(shù)也隨之增大。Peeters[4]搭建了測(cè)量羊毛干態(tài)質(zhì)量和回潮率的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置也能測(cè)試吸濕性較差的紡織材料。文獻(xiàn)[5-6]研究了機(jī)織物的介電常數(shù)，比較了不同組分的空氣-纖維混合體的介電常數(shù)，研究了空氣、水分、錦綸6長絲三相混合體的介電常數(shù)，并發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)與織物體積分?jǐn)?shù)呈二次曲線關(guān)系。Lü等[7]指出在電場(chǎng)頻率為0.9～20 MHz時(shí)干燥醋酸纖維試樣的體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)呈線性關(guān)系，醋酸纖維束的介電常數(shù)隨著樣品中水的體積分?jǐn)?shù)增加而增加，隨著頻率的增加而減小。當(dāng)電場(chǎng)頻率大于100 kHz時(shí)，棉纖維的介電常數(shù)與回潮率呈線性關(guān)系，當(dāng)電場(chǎng)頻率遠(yuǎn)小于100 kHz 且棉纖維回潮率小于3%時(shí)，棉纖維的介電常數(shù)與回潮率近似線性關(guān)系[8]。

本文測(cè)量并分析醋酸酯水刺非織造布的介電譜，建立了非織造布體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)的關(guān)系，水體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)的關(guān)系以及含水率與試樣單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率之間的關(guān)系，為用電容傳感器檢測(cè)水刺非織造布含水率提供了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)樣品為：15片直徑4 cm、面密度53 g/m2、 厚度0.8 mm的圓形醋酸酯水刺非織造布。

Novocontrol BDS50型介電譜儀(電場(chǎng)頻率為1～1×106Hz)。 OHAUS先行者分析天平(量程為0～220 g，標(biāo)尺分度為0.000 1 g)。Sartorius MA150型水分分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 特定含水率非織造布的制備

由于醋酸酯纖維在140～150 ℃條件下開始發(fā)生變形，在溫度為176 ℃時(shí)醋酸酯纖維會(huì)發(fā)生黏結(jié)，因此在含水試樣制備中所使用的烘燥溫度為105 ℃。

烘燥過程中，水分分析儀會(huì)顯示揮發(fā)水分質(zhì)量和試樣濕態(tài)質(zhì)量的比值，本文稱之為烘燥量。當(dāng)試樣被完全烘干時(shí)，烘燥量就是試樣的含水率。

由于停止加熱后試樣中的水分還會(huì)繼續(xù)揮發(fā)，為能比較準(zhǔn)確地制備特定含水的試樣，采用3段式烘燥法對(duì)試樣進(jìn)行烘燥。具體過程為：

1) 取1～5片醋酸酯水刺非織造布試樣烘干并記錄其干態(tài)質(zhì)量，將干燥的非織造布浸入去離子水中至其不再有白色氣泡時(shí)用鑷子取出懸空，待相鄰2次滴水時(shí)間間隔大于15 s時(shí)，對(duì)其進(jìn)行第1次烘燥，烘燥量為40%。

2) 更換樣品盤進(jìn)行第2次烘燥，烘燥量為50%。

3) 更換樣品盤進(jìn)行第3次烘燥。先用式(1)計(jì)算預(yù)設(shè)含水率為a時(shí)非織造布的濕態(tài)質(zhì)量，再用式(2)計(jì)算第3次的烘燥量A，第3次烘燥過程中，當(dāng)水分分析儀顯示烘燥量為A時(shí)停止烘燥，此時(shí)非織造布的含水率在a左右。

w=M(1+a+0.05)

(1)

A/100=(1-w/w1)-0.05

(2)

式中：w為具有特定含水率的試樣濕態(tài)質(zhì)量，g；w1為第2次烘燥后試樣的濕態(tài)質(zhì)量，g；M為試樣的干態(tài)質(zhì)量，g；a為預(yù)設(shè)含水率，%；式(1)中0.05為試驗(yàn)得出的修正值，主要用來彌補(bǔ)因試樣余熱造成水分揮發(fā)而形成的誤差。

水刺非織造布的下機(jī)含水率一般控制在6.0%左右[9]，本文所制備試樣的含水率為0%～15%，完全涵蓋水刺非織造布的下機(jī)含水率范圍。

1.2.2 樣品電容的制備

用1.2.1制備的具有一定含水率的非織造布樣品制備樣品電容。用2個(gè)直徑為40 mm的鍍金銅電極片2和內(nèi)徑為32 mm、高為5 mm的聚四氟乙烯墊圈1組成1個(gè)空的電容器，稱之為空電容器，如圖1所示。聚四氟乙烯墊圈可以使上下2片電極定位對(duì)準(zhǔn)且保持5 mm的間距，從而使樣品3處于一個(gè)體積恒定(4.021 2 cm3)的空間[10]，在電極之間放入非織造布的電容器稱之為樣品電容。改變樣品(醋酸酯纖維非織造布)的片數(shù)和含水率，研究其體積分?jǐn)?shù)與水分體積分?jǐn)?shù)對(duì)介電常數(shù)的影響。

1—聚四氟乙烯墊圈； 2—鍍金銅電極片； 3—樣品。圖1 樣品電容的結(jié)構(gòu)與電容器Fig.1 Sample capacitor structure and capacitor. (a)Sample capacitor structure; (b)Sample capacitance

1.2.3 性能測(cè)試

在介電譜儀操作軟件中輸入空電容器的參數(shù)和測(cè)試頻率，為抵消分布雜散電容和邊緣電容對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)在操作軟件中輸入補(bǔ)償值，使空樣品電容介電常數(shù)實(shí)部接近1.0。

在空電容器中放入不同片數(shù)的干燥試樣來研究非織造布體積分?jǐn)?shù)對(duì)介電常數(shù)的影響。在空電容器中放入不同片數(shù)及含水的試樣測(cè)試，結(jié)合非織造布的體積分?jǐn)?shù)對(duì)介電常數(shù)的影響來分析水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)介電常數(shù)的影響。綜合所有數(shù)據(jù)研究試樣含水率與其單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率的關(guān)系。在測(cè)試過程中，試樣的含水率會(huì)有少許的改變，因此在測(cè)試前和測(cè)試后對(duì)試樣進(jìn)行2次稱量，以2次稱量的平均值計(jì)算試樣測(cè)試時(shí)的含水率h。

式中：M1為干燥試樣的質(zhì)量，g；m1為測(cè)試前試樣的質(zhì)量，g；m2為測(cè)試后試樣的質(zhì)量，g。試樣為醋酸酯纖維制成的水刺非織造布，醋酸酯的密度為 1.36 g/cm3。

則試樣在電容器中的體積分?jǐn)?shù)Vf為

水的體積分?jǐn)?shù)Vw為

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試樣應(yīng)被看成是非織造布-水-空氣的三相集合體，由于空氣的介電常數(shù)接近真空的介電常數(shù)，可以將試樣看作非織造布-水的兩相集合體。

2.1 含水率與介電常數(shù)的關(guān)系

圖2示出5片非織造布試樣含水率分別為15.00%、12.77%、11.44%、8.97%、7.14%、5.76%及3.85%時(shí)的介電譜?？梢钥闯龇强椩觳?水兩相集合體的介電常數(shù)隨著測(cè)試頻率的增大而減小，在低頻段時(shí)，介電常數(shù)隨著頻率的增大而快速減小。在高頻段時(shí)，介電常數(shù)隨頻率的變化幅度比較小。這種現(xiàn)象是由電容器內(nèi)的材料和水產(chǎn)生介電弛豫現(xiàn)象而引起的[11]，由于偶極取向運(yùn)動(dòng)總是滯后于電場(chǎng)頻率，當(dāng)頻率增加時(shí)，這種滯后會(huì)變得更加明顯，因此在低頻段，頻率對(duì)介電常數(shù)的影響非常明顯，而在高頻段，頻率對(duì)介電常數(shù)的影響變得不明顯。同時(shí)由圖2還可以看出，在相同頻率下試樣的介電常數(shù)隨著含水率的增大而增大。在低頻段，含水率越大，介電常數(shù)隨頻率變化越大，對(duì)于低含水率的試樣，其介電常數(shù)隨頻率的變化不明顯。在高頻段，含水率對(duì)集合體介電常數(shù)的影響減弱。正如Donald等[12]指出的，當(dāng)纖維的含水率接近于0時(shí)，介電常數(shù)與頻率幾乎無關(guān)。

圖2 不同含水率試樣的介電譜Fig.2 Dielectric spectra of samples with different moisture contents

2.2 非織造布體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)的關(guān)系

圖3示出不同體積分?jǐn)?shù)的干燥非織造布的介電常數(shù)，其中體積分?jǐn)?shù)7.42%、6.04%、4.31%、2.89%、1.49%分別對(duì)應(yīng)5、4、3、2、1片干燥非織造布的體積分?jǐn)?shù)。可以看出干燥試樣的介電常數(shù)隨干燥試樣的體積分?jǐn)?shù)增大而增大，并且在低頻段增大的幅度更大。

圖3 干燥試樣不同體積分?jǐn)?shù)的介電常數(shù)Fig.3 Dielectric constant of different volume fractions of dried samples

由圖3中選取出頻率為1×106Hz和1 Hz時(shí)非織造布體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4所示?？梢钥闯鲈陔妶?chǎng)頻率為1 Hz和1×106Hz時(shí)，干燥試樣的體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)之間存在線性關(guān)系，但是1 Hz比1×106Hz時(shí)直線的斜率大，這是由于在低頻段介電常數(shù)增加的速率比高頻段大產(chǎn)生的。

對(duì)圖3中所有頻率點(diǎn)干燥非織造布體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，干燥非織造布的體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)之間在所有的頻率下均為線性關(guān)系[13]，并且隨著頻率的降低，直線斜率不斷增加，同樣體積分?jǐn)?shù)增量導(dǎo)致的介電常數(shù)其增加值更大。

圖4 干燥試樣1 Hz與1×106 Hz頻率下試樣體積 分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between volume fraction and dielectric constant of samples at 1 Hz and 1×106 Hz in dry samples

表1 不同頻率時(shí)干燥試樣的體積分?jǐn)?shù) 與介電常數(shù)的關(guān)系Tab.1 Relationship between volume fraction and dielectric constant of sample at different frequencies

2.3 水體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)關(guān)系

將試樣看作非織造布-水的兩相集合體，假設(shè)集合體的介電常數(shù)由2部分組成：一部分為非織造布；另一部分為水。即ε=ε1+ε2，其中ε1為試樣中水的介電常數(shù)，ε2為試樣中非織造布的介電常數(shù)。2.2中已知ε2與非織造布體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，將集合體與非織造布的介電常數(shù)作差得到試樣中水的體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)的關(guān)系，如圖5所示。可以看出，在高頻段集合體的介電常數(shù)對(duì)水的體積分?jǐn)?shù)不敏感，而在低頻段集合體的介電常數(shù)對(duì)水的體積分?jǐn)?shù)非常敏感且隨著水的體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。在水的體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)頻率也不敏感。這是因?yàn)樵嚇又猩倭克謺?huì)與非織造布的醋酸酯緊密結(jié)合形成結(jié)合水，這部分水對(duì)電場(chǎng)頻率不敏感，幾乎不隨電場(chǎng)頻率的變化而變化。

圖5 試樣中水的體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between volume fraction of water and dielectric constant in samples

為對(duì)比高頻段與低頻段水分的體積分?jǐn)?shù)對(duì)其介電常數(shù)影響的差異，圖6分別示出1 Hz、1×106Hz時(shí)水的體積分?jǐn)?shù)與其介電常數(shù)之間的關(guān)系，均為指數(shù)函數(shù)關(guān)系?？煽闯?，介電常數(shù)隨著水的體積分?jǐn)?shù)增大而增大，當(dāng)水的體積分?jǐn)?shù)比較小時(shí)，介電常數(shù)增大速率非常小，隨著水的體積分?jǐn)?shù)增大，介電常數(shù)也快速增大。這是因?yàn)楫?dāng)水的體積分?jǐn)?shù)比較小時(shí)，試樣中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，這部分水分對(duì)介電常數(shù)的影響比較小，當(dāng)水的體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，試樣中開始有自由水出現(xiàn)，這部分水分會(huì)對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生很大的影響。

圖6 水的體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between volume fraction of water and dielectric constant at 1 Hz (a) and 1×106 Hz (b)

2.4 含水率與單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率關(guān)系

圖7分別示出試樣在1×106Hz與1 Hz時(shí)含水率與介電常數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯?，試樣的含水率與其介電常數(shù)在1×106Hz和1 Hz時(shí)都存在著明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。設(shè)

E=(εl-εh)/m

(3)

式中：E為單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率；εh為試樣在高頻(1×106Hz)時(shí)的介電常數(shù)；εl為試樣在低頻(1 Hz)時(shí)的介電常數(shù)；m為試樣的濕態(tài)質(zhì)量，g。

圖7 含水率與試樣介電常數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between water content and dielectric constant of sample at 1×106 Hz (a) and 1 Hz (b)

將圖7中的數(shù)據(jù)根據(jù)式(3)求出得到含水率與單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率的關(guān)系，見圖8?？梢钥闯鯡與含水率之間存在著明顯的冪函數(shù)關(guān)系。在含水率比較低(4.37%～6.45%)時(shí)，E的變化幅度比較小，變化速率也較小。隨著樣品含水率的繼續(xù)增大(7.84%～15.44%)，E的變化幅度越來越大，變化速率也越來越快。醋酸酯纖維的公定回潮率為6%～7%，此時(shí)醋酸酯纖維所對(duì)應(yīng)的含水率為5.66%～6.54%。由此可以看出，當(dāng)醋酸酯纖維非織造布的含水率低于醋酸酯纖維公定回潮率對(duì)應(yīng)含水率時(shí)，單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率隨含水率增長而增長的幅度比較小。隨著含水率逐漸增大，單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率快速增大。

圖8 含水率與單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率的關(guān)系Fig.8 Relationship between water content and rate of change of dielectric constant per unit mass

3 結(jié) 語

醋酸酯水刺非織造布的含水率對(duì)其介電常數(shù)有著很大的影響，在非織造布含水時(shí)其介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)頻率比較敏感，在介電弛豫作用下非織造布-水兩相集合體的介電常數(shù)隨著電場(chǎng)頻率的增大而減小。干燥狀態(tài)下，非織造布的介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)頻率的變化不敏感，其介電常數(shù)與非織造布的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，且隨非織造布的體積分?jǐn)?shù)增大而增大。具有一定含水率的非織造布的介電常數(shù)可以認(rèn)為是由非織造布和水2部分的介電常數(shù)組合而成，其中非織造布的體積分?jǐn)?shù)與其產(chǎn)生的介電常數(shù)存在著線性關(guān)系，試樣中水分的體積分?jǐn)?shù)與其產(chǎn)生的介電常數(shù)存在著指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在電場(chǎng)頻率為 1 Hz 和1×106Hz 時(shí)，試樣的含水率與試樣的介電常數(shù)存在著指數(shù)函數(shù)關(guān)系。含水率與單位質(zhì)量介電常數(shù)變化率之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，單位質(zhì)量介電常數(shù)隨著含水率的增大而增大，且增長速率越來越快。在試樣含水率小于公定回潮率所對(duì)應(yīng)的含水率時(shí)，單位質(zhì)量介電常數(shù)的變化幅度比較小，當(dāng)試樣的含水率大于公定回潮率所對(duì)應(yīng)的含水率，單位質(zhì)量介電常數(shù)的變化幅度會(huì)明顯增大。