不同截面纤维的毛细管特性研究
第18卷第3期
2003年9月
合成技术及应用
SYNTHEnCTECHNOLOGYANDAPPUCArllON
V01.18No.3
Sep.2003
不同截面纤维的毛细管特性研究
王
其1,翟涵1,薛
斌2
(1.纺织面料技术教育部重点实验室,上海20005l;2.中国石化仪征化纤股份有限公司,江苏仪征211900)
摘要:从理论上分析了毛细效应发生的条件:建立了5种不同截面纤维形成毛细管的模型,推导出了不同截面纤维形成的毛细管的大小,分析了发生毛细效应的难易程度;统计了不同截面纤维根数与形成毛细管根数的关系;总结出了不同截面纤维形成毛细管液态水毛细运输的流量;从而评价了不同截面纤维的湿传导能力,提出了优化方法。
关键词:不同截面纤维;毛细管;当量半径;毛细效应;纤维根数;毛细管根数;毛细运输流量;评价中图分类号:偈104
文献标识码:A
文章编号:1006.334x(2003)03.0003—05
1
引言
毛细管截面形状显著影响织物的湿传导能力等
由于
P:堑
lD
(2)(3)
舒适功能性。因此,为了改善纤维舒适功能性,异形截面纤维研究成为近年来纤维改性研究的热点,科研人员设计出了许多异型截面纤维。这些纤维功能特性到底如何,除了制作纱线和织物验证外,还需要建立理论模式,对纤维进行分析评价,以指导纤维的设计和纱线、织物的开发。基于以上原因,本文从理论上分析了毛细效应发生的条件;建立了5种不同截面纤维形成毛细管的模型,推导出了不同截面纤维形成的毛细管的大小,分析了其发生毛细效应难易程度;统计了不同截面纤维根数与形成的毛细管根数的关系;总结出了不同截面纤维形成的毛细管液态水毛细运输的流量;从而评价了不同截面纤维的湿传导能力,提出了优化方法。
f0=南
式中:r表示毛细管当量半径(m);0表示固液接触角
所以P:型
(4)
2.2毛细效应发生的条件和毛细效应高度
作用在毛细管上的附加压力,只有大于或等于毛细管中的液态水所产生的重力时,毛细效应才能发生,液体才能上升。即[2]
——丌r。一7rr。九dg:≥U丝掣丌,2—7r,2^dg≥o
(m/s2);d表示液体密度(kg/m3)。
由式(5)得
(5)
‘3)
式中:矗表示毛细效应高度(m);g表示重力加速度
^≤警
(6)
2毛细效应发生的条件
2.1附加压力
由式(6)可见在毛细管的材料特性O和液体特性d一定时,毛细效应高度只与毛细管当量半径有关,说明毛细管当量半径是决定毛细效应的固有特性,一旦毛细管当量半径确定,毛细效应高度确定。毛细管细,当量半径小,毛细效应高度大。
由于毛细管中液气界面张力将附加到液柱上,根据拉普拉斯方程【1]:
1
1
P:盯(上+上)
lDl
』D2
(1)
同样,由式(5)得
式中:P表示附加压力(Pa);d表示液气界面张力(N/m),20℃水为0.0725(N/m);p1表示弯月形曲
7≤百
,≤塑掣
(7)
L7’
由式(7)可见,毛细管越细,毛细效应越容易发
收稿日期:2003一08一12
作者简介:王其(1958一),陕西米脂人,博士,现从事纺织面料开发工作。已发表论文30多篇。
面一轴向的曲率半径(m);p2表示弯月形曲面另一
轴向的曲率半径(m)。
对于圆管pl=p2=p,所以
万方数据
4
合成技术
及应用第18卷
生。3纤维截面形状与当量半径
3.1纤维截面形状和当量半径
假设圆形、三角形、十字架形、H形和Y形(三叶形)截面纤维的材料和线密度相同。
纤维的线密度为[3]
r=孚×1
000
(8)
式中:F表示纤维的线密度(tex);G表示纤维质量(g);L表示纤维长度(m)。
G=.s尉1
(9)
式中:s表示纤维的截面面积(m2);d,表示纤维的密度(k∥m3)。
S:丌R2
(10)
式中:R表示纤维的当量半径(m)。
将式(9)和(10)代入式(8)中得
R=志√丢
…,
从式(11)可见,在纤维的线密度和密度一定时,
不论纤维的截面是何形状,当量半径是相同的。3.2毛细管截面形状和当量半径
3.2.1
圆形截面纤维之间形成的毛细管
圆形截面纤维之问形成的毛细管截面为近似三角形,可用图1所示模型概括。毛细管的当量半径
图1近似三角形毛细管
和纤维的当量半径之问的关系如式(12)HJ
7ll=O.226Rll
(12)
式中:r¨表示圆形截面纤维之间形成的毛细管当量半径(m);R¨表示圆形截面纤维的当量半径(m)。
实测毛细管的当量半径和纤维的当量半径之间的关系如式(13)
r12=0.204R12
(13)
式中:r。:表示圆形截面纤维之间形成的毛细管实测当量半径(m);露。2表示圆形截面纤维的实测当量半径(m)。
3.2.2三角形截面纤维之间形成的毛细管
三角形截面纤维和纤维之间形成的毛细管可用
万
方数据图2所示模型概括。即每两个三角形纤维之间形成一个平行四边形毛细管。
因
图2平行四边形毛细管
在图2中,假设三角形截面纤维的边长相等,即为等边三角形,两个三角形之间的水平距离为l/5三角形边长。从而,三角形截面纤维之间形成的毛细管当量半径与三角形截面纤维的当量半径的关系如式(14)
72l=0.635R2l
(14)
式中:r:。表示三角形截面纤维之间形成的毛细管当量半径(m);尺2l表示三角形截面纤维的当量半径
(m)。
实测三角形截面纤维之间形成的毛细管的当量半径与三角形截面纤维的当量半径的关系如式(15)
722=0.633R22
(15)
式中:r::表示三角形截面纤维之间形成的毛细管实测当量半径(m);R22表示三角形截面纤维的实测当量半径(m)。
十字架形截面纤维之间形成的毛细管
十字架形截面纤维和纤维之间形成的毛细管(矩形截面毛细管)可用图3所示模型概括。
图3矩形截面毛细管
假设纤维十字架截面长宽比等于1,纤维截面各部位的具体尺寸为A,B,C,A/B/c=1k/2k/2k时(k比例系数)。
从而,截面长宽比等于1时,十字架形截面纤维
之间形成的毛细管的当量半径与十字架形截面纤维的当量半径之间的关系可由式(16)表示
73l=0.47IR3l
(16)
式中:R3,表示十字架纤维截面长宽比等于1,纤维截面的当量半径(m);r3,表示十字架纤维截面长宽比等于1时,毛细管的当量半径(m)。
3.2.3
第3期王其等.不同截面纤维和毛细管特性研究5
假设十字架形纤维截面长宽比等于2,纤维截面各部位的具体尺寸比例为A/B/C=1k/4.5k/2k。
从而,截面长宽比等于2时,十字架形截面纤维之间形成的毛细管的当量半径与十字架形成截面纤维的当量半径之间的关系可由式(17)表示
732=0.576R32
(17)
式中:R32表示十字架形纤维截面长宽比等于2时,纤维的当量半径(m);r,:表示十字架形纤维截面长宽比等于2时,毛细管的当量半径(m)。
实测毛细管的当量半径与纤维的当量半径之间的关系可由式(18)表示(截面长宽比等于0.9)
r33=0.461R33
(18)式中:r。,表示十字架形纤维形成的毛细管的实测当量半径(m);R33表示十字架纤维的实测当量半径
(m)。
3.2.4
H形截面纤维之间形成的毛细管
H形截面纤维之间形成的毛细管(近似矩形截面)可由图4概括。
图4矩形截面毛细管
假设H形纤维截面长宽比等于1,纤维截面各部位的具体尺寸为A,B,c,A/B/c=1.5k/1k/
1.25k。
从而,截面长宽比等于1时,H形截面纤维之间形成的毛细管的当量半径与H形截面纤维的当量半径之间的关系可由式(19)表示
r4】=0.430R41
(19)
式中:r41表示H形纤维截面长宽比等于l时,毛细管的当量半径(m);R41表示H形纤维截面长宽比等于l时,纤维截面的当量半径(m)。
假设H形纤维截面长宽比等于2,纤维截面各部位的具体尺寸比例为,ABC=1k/1k/2.5k。从而,截面长宽比等于2时,H形截面纤维之间形成的毛细管的当量半径与H形截面纤维的当量半径之间
万
方数据的关系可由式(20)表示
r42=0.620R42
(20)
式中:R。:表示H形纤维截面长宽比等于2时,纤维的当量半径(m);r42表示H形纤维截面长宽比等于2时,纤维的当量半径(m)。
实测毛细管的当量半径与纤维的当量半径之间的关系可由式(21)表示(实测长宽比=1.326,A=0.
004,B=0.003)
743=O.424R43
(21)
式中:r。,表示H形截面纤维毛细管的实测当量半径(m);R。,表示H形截面纤维的实测当量半径(m)。
3.2.5
Y形(三叶形)截面纤维之间形成的毛细管
Y形(三叶形)截面纤维之间形成的毛细管(四边形截面毛细管)可以概括如图5所示模型。
图5四边形截面毛细冒
假设Y形(三叶形)截面纤维的三叶均匀分布,长度相等,叶片厚度为A,叶片长度为B。
如果A/B=1k/O.5k时,Y形(三叶形)纤维截面的当量半径与Y形(三叶形)截面纤维的当量半径之间的关系可由式(20)表示
r51=0.236R51
(22)
式中:尺51表示A/B=1k/0.5k时,Y形(三叶形)纤维截面的当量半径(m);r51表示A/B=1k/0.5k时,Y形(三叶形)纤维之间形成的毛细管的当量半径
(m)。
如果A/B=1k/lk时,Y形(三叶形)截面纤维之间形成的毛细管的当量半径与Y形(三叶形)截面
纤维的当量半径之间的关系可由式(23)表示
752=0.502R52
(23)
式中:R52表示A/B=1k/1k时,Y形(三叶形)纤维截面的当量半径(m);752表示A/B=1k/1k时,Y形(三叶形)纤维之间形成的毛细管的当量半径(m)。
实测毛细管的当量半径与纤维的当量半径之间的关系可由式(24)表示
r53=0.244R53
(24)
6合成技术及应用
第18卷
式中:R,,表示Y形(三叶形)纤维截面的实测当量半径(m);h表示Y形(三叶形)纤维之间形成的毛细管的实测当量半径(m)。
由于假设纤维的密度和线密度相同,各种纤维的当量半径完全相同。将以上各种截面纤维形成的毛细管按照大小排序如表1。
表1毛细管排序表
纤维截面形状
模型计算毛细管当量半径实测毛细管当量半径
从表1可以得出如下结论:
圆形截面纤维和Y形截面纤维形成的毛细管最小,最易发生毛细效应,其次为H形截面纤维和十字架形截面纤维,三角形截面纤维最不容易发生毛细效应;
在相同截面纤维中,改变纤维各部位尺寸比例,毛细管当量半径也随之发生变化;各部位尺寸差加大,毛细管当量半径增大,不利于液态水的传导;各部位尺寸差变小,毛细管当量半径变小,有利于液态水的传导;
假设不同纤维截面长宽比等于1或截面为等边三角形或叶片均匀分布且长度相等时,利用模型计算的毛细管当量半径与实测当量半径非常接近。
4纤维根数与毛细管根数之间的关系
实测5种截面纤维根数与毛细管根数的关系如表2,表2中M为纤维根数,n为毛细管根数。同时假设纤维根数为50根时,计算毛细管根数也列于表
2中。
表2纤维截面形状及毛细管根数表
从表2可见,在相同毛细管根数条件下,十字架形截面纤维形成的毛细管根数最多,其次为Y形、三角形和H形,圆形截面纤维形成的毛细管根数最
少。
万
方数据5纱线中液态水毛细运输的流量
5.1纱线中毛细管的流量
毛细管的流量可由式(25)计算llJ
q=李笋
q=—了=广一
(25)
kz3,
式中:g表示毛细管流量(m3/s);叩表示液体粘度
(m);L表示毛细管长度(m)。
从式(25)可见,在液体特性参数d,研,材料特性e一定时,毛细管的流量仅由毛细管当量半径r和毛细管长度L来决定。
假设在纱线中,纤维均匀分布,纤维之间形成有芯结构,纤维之间形成的毛细管是液态水传递的主通道,纱线中毛细管液态水运输的总流量可由式
(31)表示
g=乏笋n
g=—i=F—n
(26)
Lzo,
式中:n表示毛细管根数。
将式(7)代人式(26)中,得
2所4cos口4
,.mg
2瓦万丽
。川,
从式(27)可见,毛细效应高度与液体流量成反比关系,毛细管细,当量半径小,毛细效应高度大,但液体流量显著减小。说明毛细管当量半径是毛细管的固有特性,不可能通过调节毛细管当量半径同时达到提高毛细效应高度和毛细管流量的目的。在毛细效应高度一定时,只能通过增加毛细管的根数,减小毛细管长度来提高液体流量。在纱线和织物中,减小纤维直径,增大纱线捻度,改变异形截面纤维的截面结构参数,使其形成较小的毛细管,可以达到减小毛细管当量半径,提高毛细效应高度的目的;增加纤维根数,设计异形截面纤维形成较多的毛细管,可以达到增加液体流量的目的;减小织物的厚度,可以减小毛细管在织物厚度方向的分量,可以增大在织物厚度方向的液体流量。
毛细管长度大于毛细效应高度时,液体将不能从毛细管中流出;毛细管长度小于等于毛细效应高度时,液体将从毛细管中流出。
假设不同截面纤维密度和密度相等时,可以得知,纤维长度相等,毛细管长度也相等。5.2不同截面纤维形成的纱线中液体流量
假设纤维根数为50根,x:塑警时,不同截面
纤维和毛细管液态水流量如表3所示。
第3期王其等.不同截面纤维和毛细管特性研究7
表3纤维截面形状和毛细管液态水流量表
发生;
在相同纤维根数条件下,十字架形截面纤维形成的毛细管根数最多,其次为Y形、三角形和H形截面纤维,圆形截面纤维形成的毛细管根数最少;
在相同纤维根数条件下,三角形截面纤维液态水流量最大,其次为截面长宽比等于2时的H形和十支架形截面纤维,Y形(三叶形)截面纤维,A/B=
从表3可见:在相同纤维根数条件下,三角形截面纤维液态水流量最大,其次为截面长宽比等于2时的H形和十字架形截面纤维,Y形(三叶形)截面纤维,A/B=1k/O.5k时和圆形截面纤维液态水流量最小。在纤维截面相同,纤维截面长宽比从1变为2时,毛细管液态水流量显著增大;Y形(三叶形)截面纤维,叶片厚度比叶片长度变小,即叶片变薄片时,毛细管液态水流量显著增大。
1k/0.5k时和圆形截面纤维液态水流量最小;
在纤维截面相同时,纤维截面长宽比从1变为2时,毛细管液态水流量显著增大;Y形(三叶形)截面纤维,叶片厚度比叶片长度变小,即叶片变薄时,毛细管液态水流量显著增大。
总之,为了毛细效应容易发生,毛细管液态水流量大,纤维传导液态水速度快,纤维干燥快,在设计纤维截面时,应当首先选用纤维截面形成的毛细管
当量半径比较小——毛细效应显著,其次形成的毛细管根数多——液态水流量大的方案作为最佳方
案。
6结论
在纤维线密度和密度相同时,不同截面纤维形成的毛细管具有以下特性:
圆形截面纤维最易发生毛细效应,其次为Y、H和十字架形截面纤维,H和十字架形截面纤维性能接近,三角形截面纤维最不容易发生毛细效应;
在相同截面纤维中,改变纤维各部位尺寸比例,毛细管当量半径也随之发生变化;各部位尺寸差加大,毛细管当量半径增大,毛细效应不易发生;各部位尺寸差变小,毛细管当量半径变小,毛细效应容易
2
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penin
areset
up,theircapillary’ssizes
to
are
calculated,andwhethereasy
ornot
capillar),雒bcts
hap—
these
capill撕esisanalyzed.AccordingthestatisticsofthenumberofthefibersandthecapiUariestherelations
are
betweenthenurnberofthefibersaIldthecapillaries
presented;the
fo珊ulaus
ofnow
rates
indifI.erentcmss—sectional
way
胁ers
are
got;atlastwetpemleability0fdiff.erentcmss-section矗bersisevaluatedandtheopti眦1ispresented.
of
Keywords:
di艉rentcross-section曲er;c印illary;equi、,alentmdius;capillarye虢ct;nuIllberof曲er;number
capillary;nowrate;evaluation
万方数据
不同截面纤维的毛细管特性研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
王其, 翟涵, 薛斌, WANG Qi, ZHAI Han, XUE Bin
王其,翟涵,WANG Qi,ZHAI Han(纺织面料技术教育部重点实验室,上海,200051), 薛斌,XUEBin(中国石化仪征化纤股份有限公司,江苏,仪征,211900)合成技术及应用
SYNTHETIC TECHNOLOGY AND APPLICATION2003,18(3)6次
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