不同液态污渍在棉织物上的扩散成形规律及侵入动力学特征

侯真威 熊 明 章松发 吴雄英 丁雪梅

（1. 东华大学服装与艺术设计学院，上海，200051；2. 东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海，200051；3. 无锡小天鹅电器有限公司，江苏无锡，214028；4. 上海海关，上海，200135）

日常生活中，污渍随处可见，种类繁多，分类方式也不尽相同[1]，主要包括：（1）根据来源可分为生活、环境、人体等污渍；（2）根据形态可分为干性、湿性、硬性和色性等污渍；（3）根据污渍属性可分为水溶性、油溶性、固体、微生物等污渍；（4）根据化学性质可分为无机物和有机物等污渍[2-5]。基于以上分类标准，学者们研究点也截然不同，有根据污渍性质进行污渍洗涤，对洗净率及污渍等级评价方面的研究；也有根据污渍形态，利用液态污渍扩散润湿原理，将其运用到防水、采矿、涂饰等领域的研究[6-7]。可见，污渍研究成果已大量运用于实际生活中。

生活中衣物污渍主要是固体污渍黏附于衣物上，存在于衣物纤维表面及间隙，表现出无连贯性、无延伸性和无吸收性，或是液体污渍接触衣服时发生浸润和扩散留下的痕迹，影响服装的美观以及可穿着性。相对固体污渍而言，液体污渍接触衣服是一个非常复杂的过程，包括湿润运动学、流体力学、毛细管运动等，而污渍最终成形大多与物资及基材的物化属性息息相关，比如污渍自身性能、织物吸附、摩擦效应等因素均会对污渍润湿扩散有所影响，进而影响污渍斑形貌。

然而，对不同污渍在衣物上的形成过程和规律研究甚少，本文选择物化属性不同的去离子水和花生油，利用扫描电镜观察纤维表面结构，接触角测试污渍浸润过程，高速摄像系统记录不同污渍扩散时间与距离的关系，研究不同液态污渍在棉织物上的润湿扩散动力学特征，为不同污渍在棉织物上扩散成形研究提供理论依据，为污渍分类提供新的分类思路，同时，根据形状差异特征进行污渍分类，进而可将计算机分析技术运用到污渍种类识别中，为突破污渍识别技术瓶颈提供借鉴意义。

1 实验方法

1.1 试剂与材料

试剂：去离子水（模拟水溶性污渍），自制，表面张力72×10-3N/m，黏度1×10-3Pa·s；花生油（代表油溶性污渍），山东鲁能集团有限公司，表面张力35×10-3N/m，黏度65×10-3Pa·s。

材料：参见IEC 60456-2010[8]标准进行织物参数选择，浙江三元集团控股有限公司制造，见表1。

1.2 仪器

Phenom-ProX型扫描电子显微镜，荷兰飞纳电镜公司；LCK-800型纺织品毛细效应测试仪，山东纺织研究院；SDC-80型接触角测试仪，昆山讯采仪器科技有限公司；P30型华为手机（动力学特征模拟视频拍摄）及云台三脚架（固定手机）。

1.3 实验方法

1.3.1 扫描电镜分析

实验样品织物用双面胶固定于样品台上，喷金后经发射的离子束微观使得织物表面微观成像，用Phenom-ProX型扫描电子显微镜观察棉织物沾污前后的表面形态。

1.3.2 毛细效应分析

按照FZ/T 01071—2008[9]。进行织物试样经预洗、平衡后，裁剪大小为25 cm×3 cm，经纬方向各三块，保证织物左、中、右等区域各取一块，记录织物经纬方向在水液滴和油液滴的毛细高度。实验温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±3）%。计算公式：

表1 实验织物参数信息表

式中：i=1、2、3……n；H：试样的平均毛细效应，cm/30 min； ∑hi：各测试条上升的总高度，cm；n：试样条数。

1.3.3 接触角分析

接触角大小可将液滴润湿状态分为：浸湿（0°＜θ≤90°）、沾湿（90°＜θ≤180°）、铺展（θ≤0°或不存在的情况）3个状态[10-11]。采用SDC-80型接触角测试仪表征水液滴和油液滴在棉织物上的接触角动态变化，一般接触角越小，织物润湿速率越高，润湿效应越佳。实验温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±3）%。接触角可由Young[12-13]方程算得：

式中：YSV表示固气界面的张力；YSl表示固液界面的张力；Ylv表示液气界面的张力。

1.3.4 扩散动力学特征分析

扩散动力学是指液体润湿过程中，液体逐渐与固体相接触，液态替代气态过程中伴随能量转换，同时也称为湿润动力学。扩散动力学实验装置如图1所示，用绣花绷固定已作好标尺的基布放置于水平实验台上，注射器离基布约5 cm高度进行注射（液滴体积为0.05 mL），三角架固定的视频采集器（华为P30手机，参数设置为30 fps）记录液滴下落与基布接触到液滴完全润湿的全过程。图片导出：Pr软件；数据计算：Image J软件。根据计算水液滴和油液滴在棉织物上扩散距离（长轴和短轴）及面积，可分析液滴自身性质、织物参数和自身性能等因素对污渍扩散成形规律的影响。实验室温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±3）%。

图1 扩散动力学采集装置示意图

2 结果与讨论

2.1 棉织物沾污前后表面形态表征

棉织物沾染油污前后表面形态见图2，分析棉织物自身微观结构及其对污渍吸附的情况。

图2 棉织物沾污前后表面形态

由图2表征可得，沾污前，棉纤维表面形态存在天然转曲的凹槽（见图c），纤维长度属于短纤维系列，纤维直径大小不一（见图a），均匀程度较差；从截面形态看，棉纤维呈现腰圆形截面，纤维间存在间隙（见图e），这为棉纤维吸附液体提供了存储空间，同时也是棉纤维保暖性较佳的重要原因。沾污后，污渍沾染于棉纤维上，棉纤维间存在污渍（见图b），凹槽吸附了大量的污渍（见图d）；而从横截面看，少部分污渍存在于棉纤维间隙（见图f）。由此可知，棉纤维对污渍吸附是纤维内和纤维间共同吸附的结果，且棉纤维凹槽起着重要的作用，同时，棉纤维存在大量的羟基与羧基等亲水基团，对液态污渍特别是水溶性污渍，具有非常强的吸附能力。综上，棉纤维对液态污渍的吸附能力较强，液态污渍存在纤维间吸附，且伴随着大量的凹槽吸附。

2.2 毛细效应表征

通过棉织物在水液体和油液体毛细表征，计算各时刻经纬方向毛细高度（速率），如图3所示。

图3 各时刻液态水和油在棉织物上的芯吸高度（速率）

织物毛细效应是纤维毛细空隙在固-液-气三相界面下侵入液体中，引起液面弯曲，液体内聚力小于液体与固体间附着力，从而引起液体随着毛细管道运输传递[14]。纤维管道越多，纤维细度越细，毛细效应越大，反之亦然[15-16]。由图3可见，液态水和液态油在棉织物上垂直传递经向芯吸高度均大于纬向毛细高度，这是由于棉织物经纬密度不同导致的，经向纤维密度远高于纬向密度，液态传递速率高，经纬毛细高度产生差异，导致液态在棉织物上扩散规律的形成，加上液体扩散时，湿润动力学和流体剪应力的影响，液体达到完全润湿时会在织物上出现一个较为标准的椭圆形状，且含有色素溶质类污渍，由此会留下明显的湿润晕圈效果。棉织物在30 min时水液体中经纬毛细高度差（约1.8 cm）大于油液体中经纬毛细高度差（约为0.2 cm），这是由于：（1）油液态相较于水液态密度小，从而表面张力小，导致固体织物与液态油界面形成凹面，压强小，油液体对沿着管壁上升施加的压力也较小，进而油液体对织物向上拉力随之变小，造成油液态下的毛细效应不易发生；（2）油液体黏度远大于水液体黏度，黏度较大，流动性较差，传递效果不佳，造成上升速率存在明显差异化；（3）微观角度看，棉织物棉纤维分子属于极性分子，而水分子属于极性分子，油分子属于非极性分子，从相似相溶的角度可得出水液体和棉织物相溶，油液体和棉织物不相溶，导致经纬毛细力不能更好凸显。基于以上原因，导致织物经纬方向在水液态毛细效应高度差相差较大，而在油液态中相差较小，且水液态经纬方向芯吸效应强于油液态，进而水液体成形圆形度低于油液体。由此，经计算，水液体形成长短轴数值偏心率为0.58，油液体长短轴数值偏心率为0.16，偏心率越接近0，圆形度越高。液体毛细效应可分为两个阶段：第一阶段，1 min内棉织物快速吸收液体，快速上升，这和织物特殊微观结构和吸附方式有关（2.1节表征结果），是毛细速率急速加强的阶段；第二阶段，由织物凹槽吸附大量的液体，随着时间推移液体重力不断增加，加大了上升阻力，导致毛细速率降低，直到10 min后，达到动态平衡。

综上，不同污渍成形规律主要是因棉织物经纬密度不同导致扩散长短距离不一，即相同体积下经向密度越高，液体扩散距离越大，反之亦然，且棉织物扩散方式以纤维间扩散为主，伴随凹槽吸附，见示意图4所示。加上湿润动力学和剪应力缘故形成椭圆形，且水溶性和油溶性等不同属性类污渍自身黏度影响毛细效应，从而污渍成形圆形度（偏心率）不同。

图4 液体在棉织物上经纬方向扩散距离及方式

2.3 动态接触角表征

水液滴和油液滴在棉织物上动态接触角变化表征如图5、6所示，水液滴在棉织物达到完全润湿的时间为200 ms，远远小于油液滴的2000 ms。这是因为液滴自身性质决定的，油液体黏度远远高于水液体，液体在棉织物上扩散过程中会克服黏度力、惯性力、摩擦力，黏度越大，速率越慢，导致油液滴在棉织物上扩散时间越长，同时棉织物存在大量的羟基和羧基等亲水基团，吸水能力强，也是水液滴在棉织物上快速扩散直到完全润湿状态的重要因素。

图5 不同液滴在棉织物上扩散过程

图6 液滴在棉织物上铺展接触角变化图

水液滴和油液滴刚和织物接触时，接触角均小于90°，可见液体在棉织物上是沾湿状态。从接触角的变化趋势看，随着时间的推移，接触角逐渐减小，最终达到完全铺展状态。从图6斜率上看，刚开始油液滴单位时间内接触角变化的斜率略高于水液滴，这是因为水液滴表面张力大，根据Young式方程，液滴刚与织物接触时表面能较小，液滴不易发生润湿现象。但随着时间的推移，液滴逐渐进入润湿第二阶段，液滴动能克服液滴本身与织物接触面间的黏度力、惯性力、表面张力、剪应力和摩擦力，直到达到动态平衡，完全铺展。通过数据拟合，油液滴在棉织物上铺展趋势符合指数二次衰减函数，且拟合曲线相关系数R2为0.98。

综上，随时间推移液体接触角变化趋势可得：污渍自身物化属性，包括液滴表面张力、黏度大小等因素在棉织物润湿过程中起着重要的作用。同理，不同污渍类别下扩散规律、成形状态与污渍属性息息相关，即相同固体基布条件下，黏度较小的水溶性污渍相比黏度高的油溶性污渍，会更快扩散成形，达到稳态。

2.4 扩散动力学特征

液滴在棉织物上的扩散过程如图7所示。利用Image J 软件对液滴扩散过程中长短轴进行计算。

2.4.1 液体在棉织物上扩散距离

图7 液滴在棉织物上的扩散过程

由图8所得，水液滴在棉织物扩散达到动力学平衡的时间为60 s，而油液滴达到平衡时间为120 s，由上节接触角表征可得，这是因为液滴黏度不同导致液滴扩散速率出现差异；由于经纬密度不同，液滴在经纬方向上扩散距离不同，导致液滴在棉织物扩散最终的经向长度大于纬向扩散长度，而不是呈现各向异性的线性扩散，根据前节毛细效应表征结果，液滴扩散成形规律与其表征结论一致，即长短轴距离差导致水液体成形规律圆形度低，而油液滴成形规律圆形度较高。经计算拟合，水液滴和油液滴在棉织物上的长短轴扩散距离和时间符合对数函数，且水液滴和油液滴长短轴拟合曲线相关系数R2分别为：0.9887，0.9895，0.9908，0.9568。

图8 液滴在棉织物上扩散距离与时间的关系

从图8液滴扩散趋势可知，液滴扩散分为两个阶段：对水液滴而言，第一阶段为液滴接触织物时快速扩散过程，水液滴大约在0.5 s时候，液滴扩散距离已经接近总体的60%左右；第二阶段为液体扩散速率减慢，大概5 s时，液滴扩散距离达到总体的80%左右，逐渐达到动态平衡阶段。对油液滴而言，大概在2 s时扩散距离达到总体的60%，但扩散趋势依然为两个阶段，现象明显。与前节接触角表征结果一致，由此可推出：这是因为液滴下落过程重力势能全部转化为动能（忽略空气阻力作用），液滴前期扩散速率较快造成的，而随着时间地延长，液滴扩散需要克服黏度力、表面张力、惯性力、剪应力和摩擦力[12,17-19]等，导致速率减慢，直到动态平衡，不再扩散。

2.4.2 液体在棉织物上扩散面积影响分析

液滴扩散速率和液滴的表面张力有关，表面张力越大，接触角会越小，达到铺展状态越快，液滴扩散速率也就更快，由此，图9探究了液滴扩散面积和时间的关系，当液体达到扩散平衡时，面积约为550 mm2，可见表面张力越大，且黏度越小的液体，在棉织物上扩散面积会更大，油液滴平衡时约为250 mm2；且液滴扩散占最终平衡时间的20%～30%时，液体扩散的面积已占总面积80%～90%之间，可见液滴快速扩散阶段主要还是集中在前期。经拟合，水液滴和油液滴在棉织物上扩散面积和时间的曲线符合log对数函数分布（见图9拟合曲线），且曲线相关系数R2依次为：0.9926和0.9090。

综上，液滴在棉织物上的扩散面积主要受到液滴表面张力和黏度的影响，同理，即相同体积下，和油溶性污渍相比，表面张力大且黏度小的水溶性污渍扩散面积较大，且扩散过程中会受到动能、势能、表面能、润湿动力学和流体力学等能量和动力学的影响，且影响效果显著。

图9 液滴在织物上扩散面积与时间的关系

3 结论

（1）棉织物存在凹槽，截面呈腰圆形，对液态污渍吸附能力较强，且液态污渍在棉织物上的扩散方式以纤维间扩散为主，凹槽吸附大量污渍。

（2）液滴在棉织物扩散距离经向大于纬向，水液滴经纬扩散距离差大于油液滴经纬扩散距离差，即水液体模拟水溶性污渍呈椭圆形，圆形度较低（偏心率向1靠近）；油液滴代表的油溶性污渍成形圆形度较高（偏心率接近0）。

（3）水液滴和油液滴接触角均小于90°，棉具有亲水亲油的特性，液体污渍表面张力越大，会加快铺展时间，黏度越大，污渍达到铺展动态平衡时间越长；同时，液滴扩散会受到液滴自身性质（表面张力和黏度为主）、织物性能、织物经纬密度、组织结构等因素的影响，水液滴和油液滴表面张力越大，黏度越小，达到扩散动态平衡时间越小，相同体积下扩散面积越大，且液滴扩散距离和面积与时间关系趋势符合log对数函数分布，拟合相关系数R2均大于0.90。

（4）扩散动力学特征分为两个阶段：第一阶段为液滴快速扩散阶段；第二阶段为液滴速率逐渐减慢直到扩散动态平衡阶段，且液滴自身属性、织物性能和经纬密度共同影响液滴扩散和成形。