纯棉机织物结构与透气性的关系研究

孙浪涛



纯棉机织物结构与透气性的关系研究

孙浪涛

（泉州师范学院 纺织与服装学院，福建 泉州 362000）

织物透气性作为服装舒适性的重要指标之一，受到广泛关注。利用Hagen-Poiseuille定律推导了机织物结构参数与透气率的关系式，通过对30种纯棉机织物结构及透气率的测试，分析织物理论透气率、紧度及厚度与实测透气率的相关性，并得到织物实测透气率与理论透气率及紧度间的回归方程。结果表明：织物的透气性与织物密度、纱线直径及厚度有关；在织物两侧压差较小的情况下，气体流经织物主要以层流运动为主；通过织物理论透气率及紧度得到的织物透气率回归方程，其计算值与织物实测透气率相关性显著。

透气性；多孔介质；纯棉织物；机织物

随着人们生活水平的提高，对服用织物舒适性要求也越来越高，而透气性作为服装舒适性的重要指标之一，也备受人们的关注。织物透气性是指织物两侧存在压差时，空气透过织物的能力，通常采用透气率来表示。空气透过织物的主要途径有织物内纱线间孔隙、纱线内纤维间孔隙及纤维内部孔隙三种，一般以前者为主[1]。本文以纯棉织物为例，采用流体力学理论中的Hagen-Poiseuille定律结合实验测试，探讨纯棉机织物结构与透气性关系，为服用织物设计与生产提供参考。

1 理论分析

织物内纱线间的孔隙大多是相互贯通的，当织物两侧压差较小，且气体流经织物速度较低时，在织物纱线孔隙表面形成附面层，孔隙中心流速最大，形成层流运动。但实际上孔隙从织物一侧到另一侧，孔径先减小后增大，呈现类似于方形截面但有瘦尖角、带螺旋的头对头的喇叭形状，使得气体流经织物常产生涡流，形成紊流运动[2]。另外，由于纱线变形及相互挤压，纤维间孔隙和纱线间孔径的大小和形状不规则，以及织物组织、几何结构相、浮长线、纱线毛羽、线圈及织物后整理等因素的影响，使得织物透气性研究变得复杂。

若假定织物结构紧密均匀，织物透气仅由纱线间的空隙产生，且纱线间的空隙为规则矩形。当织物两侧存在压差时，空气透过织物类似于流体流经多孔介质，因此可将织物内孔隙结构简化为平行毛细管束模型[3~5]。假定气体流经织物时为层流运动，根据流体力学理论，空气流经单一圆管时，可采用Hagen-Poiseuille定律来计算透气量q(m3/s)[6]。

式中：△p为管两端的压差（Pa）；L为圆管的长度（m）；d为圆管的直径（m）；μ为空气的动力粘度（Pa·s）。

根据流体力学中矩形风管流速当量直径换算方法，将矩形截面换算成圆形截面[6]。若设pj、pw表示经、纬密度（根/10cm），dj、dw表示经、纬纱表观直径（mm），即当量直径dh（mm）。

若设织物厚度为L（mm），则织物的透气率Q(mm/s)为

2 实验部分

2.1 材料与仪器设备

材料：纯棉织物30种，其织物结构参数如表1所示。

仪器设备：YG461E型数字式织物透气量仪（泉州市美邦仪器有限公司），YG002型纤维细度综合分析仪（泉州市美邦仪器有限公司），YG141D型数字式织物厚度仪（泉州市美邦仪器有限公司），Y511B型织物密度镜。

2.2 测试方法

2.2.1 织物透气率测试

按照GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测试》，采用YG461E型数字式织物透气量仪测试织物透气率，试样面积为20cm2，压降100Pa，同一样品测试10次，取平均值。

表1 织物结构参数

2.2.2 织物厚度测试

按照GB/T3820-1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，采用YG141D型数字式织物厚度仪测量织物厚度，压脚面积2000mm2，加压时间30s，同一样品测试5次，取平均值。

2.2.3 纱线表观直径测试

采用YG002型纤维细度综合分析仪拍摄织物表面结构图片，测量织物中纱线的表观直径，同一样品测试20次，取平均值。

2.2.4 织物密度测试

采用Y511B型织物密度镜测量织物经纬密度。

3 结果与讨论

3.1 气体流动分析

由于气体存在一定的粘滞性，其流动时存在层流、过渡流和紊流三种流态，通常采用雷诺数进行判定[6]。织物透气性测试结果如表1所示，在30组试样中，织物孔隙的最大当量直径为0.242mm，实测透气率最大为2602.39mm/s，在压强为101.325Kpa，温度为20℃条件下，空气的运动粘度v为14.9×10-6m2/s，则雷诺数Re=udh/v=42.27<2300。由流体力学理论，雷诺数小于2300，证明管中的流动为层流，因此，在气体透过织物时，主要以层流的形式通过，可以采用公式3来进行织物透气性计算，计算结果如表1所示。

3.2 理论透气率与实测透气率相关性分析

织物的理论透气率与实测透气率关系如图1所示。

由图1可看出，织物透气率的理论值与实测值呈正相关，其复相关系数R为0.772，表明理论透气率与实测透气率之间强相关。透气率理论值与实测值之间存在一定偏差，分析原因有织物中纱线孔隙并非分布均匀，且截面并不是矩形结构，除此之外，织物组织、纤维间孔隙、纤维内部孔隙、纱线条干均匀度及表面毛羽等因素也会对织物透气性产生影响。

图1 理论透气率与实测透气率相关性

图2 紧度与实测透气率相关性

图3 厚度与实测透气率相关性

3.3 织物紧度与实测透气率相关性分析

织物紧度反映了织物的紧密程度，与织物密度及纱线直径的有关，紧度越大，织物越紧密。在30组试样中选取厚度为（0.3555±10%）mm，即为0.32mm~0.39mm内的试样，进行紧度与实测透气率的相关性分析，其结果如图2所示。

由图2可看出，织物紧度与实测透气率呈负相关，分析原因是随着织物紧度的提高，纱线间的孔隙面积下降，导致透气率下降。其复相关系数R为0.886，表明织物紧度与实测透气率之间极强相关。

3.4 织物厚度与实测透气率相关性分析

织物厚度主要与纱线细度、织物组织和织物中纱线弯曲程度有关，其影响织物的保暖性、透气性、防风性等。在30组试样中选取紧度为（87.26±5%）%，即为83%~91%内的试样，进行织物厚度与实测透气率的相关性分析，其结果如图3所示。

由图3可看出，织物厚度与实测透气率呈负相关，但其复相关系数R为-0.134，表明织物厚度与实测透气率的相关性较弱。

3.5 织物透气性回归分析

通过对理论透气率、织物紧度、厚度与织物实测透气率相关性分析，选取理论透气率及织物紧度为自变量，以实测透气率作为目标函数，进行回归分析，得到回归方程：

Y=5013.7973+0.1437x1-52.0242x2（4）

式中：Y为透气率回归计算值（mm/s）；x1为透气率理论值（mm/s）；x2为织物的总紧度（%）。

按公式4对30组试样进行透气率计算，并分析其与实测透气率的相关性，得出：织物透气率回归计算值与实测值的复相关系数R=0.840，P=6.83453×e-13<0.05，因此，可以认为该透气率回归方程在0.05水平下相关性显著。

4 结论

（1）利用流体力学中的Hagen-Poiseuille定律，结合实验证明织物的透气性与织物密度、纱线直径及厚度有关；

（2）在织物两侧压差较小的情况下，气体流经织物主要以层流运动为主，紧度对织物透气率影响显著；

（3）在不考虑织物组织、浮长、纱线毛羽等因素的基础上，通过织物的理论透气率与织物紧度，得到织物透气率回归方程为Y=5013.7973+0.1437x1-52.0242x2，其计算值与织物实测透气率相关性显著。

[1] 许应春. 机织物结构及服用因素与透气性关系的研究[D]. 苏州：苏州大学，2008.

[2] 刘茜. 变密度纤维集合体的压缩、透气与隔声行为的组合表征[D]. 上海：东华大学，2006.

[3] 邱茂伟，王府梅. 机织物透气性能的预测研究[J]. 纺织学报，2005, 26（4）：73-75.

[4] 武海峰. 纤维素酶对汉麻织物手感的影响[D]. 上海：东华大学，2010.

[5] 张明光，梁红艳. 平纹机织过滤布鼓泡孔径的预测研究[J]. 产业用纺织品，2008, 26(2): 37-40.

[6] 张兆顺，崔桂香. 流体力学[M]. 北京：清华大学出版社，2015.

Study on the Relationship between Structure and Air Permeability of Cotton Woven Fabric

SUN Lang-tao

(College of Textiles and Apparel, Quanzhou Normal University, Quanzhou Fujian 362000, China)

As one of the important indexes of clothing comfort, fabric air permeability is widely concerned. The relationship between the structural parameters and air permeability of the woven fabric is derived using the Hagen-Poiseuille law, The fabric structure and permeability of 30 kinds of cotton machine were tested. Analyzing the correlation between the theoretical air permeability, the intensity and the thickness of fabric and the measured permeability, The regression equation between the measured permeability and theoretical permeability of the fabric is obtained. The results showed that fabric's air permeability is connected to fabric density, yarn diameter and thickness. The pressure difference on both sides of the fabric is small, air flows through the fabric mainly in laminar motion. The return equation of air permeability is obtained through the theoretical air permeability and intensity of the fabric. The calculation value of the return equation of fabric air permeability is significantly correlated with the measured air permeability of the fabric.

air permeability; porous medium; cotton fabric; woven fabric

孙浪涛（1986-），男，助教，研究方向：功能性纺织产品.

福建省中青年教师教育科研项目资助（JAT170497）.

TS116

A

2095－414X(2018)06－0011－04