纳米纤维包覆长丝纱的芯吸导水机理研究

摘要

纱线内部的毛细通道是影响纺织材料导湿性能的主要因素，对单向导湿和热湿舒适性面料的开发有着重要意义。本课题通过理论模型和数值模拟的方法建立了与纳米包覆纱导水通道结构相符合的双尺度藕节管导水模型，研究了纱线中双尺度微观毛细结构参数的导水机理，揭示纱线内部毛细管通道直径、纱线捻度和外包纳米层孔隙率和厚度等结构参数对尼龙长丝纱/纳米包覆纱线水分传递行为特征的影响。
　　本文根据长丝纱/纳米包覆纱内部毛细通道及其与外包纳米层构成的双尺度导水通道，构建了长丝纱藕节管导水模型和纳米包覆纱双尺度藕节管导水模型，并基于达西定律和毛细管压力方程芯吸导水基本理论，推导了二维藕节管模型和双尺度藕节管模型的标准芯吸时间方程，得到藕节管模型粗细节宽度比和长度比及双尺度藕节管模型中外包纳米层孔隙率和厚度等参数对导水模型的影响规律，对应分析了纳米包覆纱中毛细通道结构和纳米层结构影响纱线芯吸的导水机理。
　　建立与尼龙长丝纱和纳米包覆纱导水通道相一致的导水几何模型，借助Fluent软件对藕节管模型/双尺度藕节管模型中液态水在表面张力作用下自发的输运过程进行模拟，研究模型中各参数影响液态水受表面张力作用自发运动的转移规律。通过仿真数值模拟的结果，利用Fluent后处理功能得到藕节管模型/双尺度藕节模型中水流运动的轨迹云图以及模型中心线(x=0)的液态水各时刻的移动长度，并绘制出各个模型中芯吸导水长度与时间的曲线图，直观表明各参数对导水模型芯吸导水能力的影响。
　　数学模型和数值模拟研究表明纱线内部非均匀二维藕节管粗细节交替频率越高，藕节管非均匀性越大，芯吸速率越小，芯吸平衡高度越低;二维藕节管直径大则有利于提高芯吸速率和芯吸平衡高度。双尺度二维藕节管外层小尺度多孔介质的孔隙率越大、多孔介质厚度越厚，双尺度二维藕节管的芯吸速率越快、芯吸平衡高度越高。
　　探索制备与藕节管/双尺度藕节管导水模型结构参数相同的尼龙长丝纱和纳米包覆纱，对制备得到的各纱线进行水平芯吸实验，将纱线芯吸高度-时间曲线与数学模型和数值模拟结果进行验证。结果表明纱线内长丝间毛细管宽度越大，纱线加捻程度越小，长丝纱芯吸导水性能越好;对纳米包覆纱来说芯吸导水能力随外包纳米层孔隙率增大和厚度增大而增强。实验结果与理论研究结果相一致。
　　在此基础上，本课题基于三维双尺度藕节管几何结构特征建立了三维双尺度藕节管的标准芯吸时间方程，研究三维双尺度藕节管的几何结构参数对模型导水性能的影响，并对三维双尺度藕节管的芯吸导水过程进行了仿真数值模拟研究，所得结论与二维双尺度藕节管一致。
　　本课题所用的理论和数值模拟研究方法为研究纤维多孔材料的芯吸导水行为提供一条有效途径，为改善面料功能性和提高服装热湿舒适性提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 绪论

1．2 纱线导水机理研究进展及现状

1．2．1 毛细效应的动力学理论

1．2．2 国内外纺织品导水性能研究现状

1．3 超细纤维材料的传质特性

1．4 数值模拟技术在纤维材料传质研究领域的应用与发展

1．5 本课题研究内容及意义

1．5．1 本课题研究的主要内容

1．5．2 本课题研究的目的和意义

第二章 纳米包覆纱的导水数学模型

2．1．1 二维均匀毛细通道芯吸理论

2．1．2 二维藕节管模型芯吸理论

2．1．3 结果与讨论

2．2 纳米纤维包覆纱的芯吸导水数学模型

2．2．1 纳米纤维包覆纱包覆层毛细芯吸压力分析

2．2．2 二维纳米纤维包覆纱双尺度藕节管模型芯吸理论

2．2．3 结果与讨论

2．3 纳米纤维包覆层对纱线芯吸性能的影响

2．4 本章小结

第三章 纳米包覆纱导水模型数值模拟研究

3．1 计算流体力学基础

3．1．1 质量守恒定律

3．1．2 动量守恒定律

3．1．3 能量守恒定律

3．2 FLUENT简介

3．2．1 前处理功能

3．2．2 Fluent求解器核心功能

3．2．3 ANSYS Fluent的后处理功能

3．2．4 ANSYS Fluent的基本步骤

3．3 毛细现象常见的Fluent求解模型

3．3．1 CSF模型

3．3．2 VOF模型

3．3．3 k-ε模型

3．4 纱线芯吸导水数值模拟的前处理阶段

3．4．1 纱线二维藕节管几何模型的建立

3．4．2 网格划分

3．5 纱线芯吸导水模型的仿真模拟与结果分析

3．5．1 二维藕节管芯吸导水数值模拟结果

3．5．2 二维双尺度藕节管芯吸导水数值模拟结果

3．5．3 纳米纤维包覆层对纱线芯吸性能的影响

3．6 本章小结

第四章 实验部分

4．1 纳米包覆纱线制备

4．1．1 加捻尼龙芯纱纺制

4．1．2 加捻尼龙纱线内部毛细芯吸管道的结构表征

4．1．3 纳米纤维尼龙包覆纱的制备

4．1．4 纳米纤维尼龙包覆纱的结构测试与表征

4．1．5 纳米包覆纱工艺参数设计

4．2 纱线水平芯吸导水性能测试

4．2．1 实验原料与设备

4．2．2 测试方法与步骤

4．2．3 实验结果

4．3 实验验证与结果分析

4．3．1 加捻长丝纱藕节管模型实验验证

4．3．2 纳米纤维包覆纱双尺度藕节管模型实验验证

4．4 本章小结

第五章 三维双尺度藕节管模型

5．1 三维双尺度藕节管模型芯吸理论

5．1．1 三维藕节管模型的纳米纤维层毛细芯吸作用力分析

5．1．2 三维两节双尺度藕节管导水模型理论

5．1．3 三维三节双尺度藕节管导水模型理论

5．1．4 三维N节双尺度藕节管导水模型理论

5．1．5 三维双尺度藕节管模型相关理论参数分析

5．2 三维双尺度藕节管模型仿真模拟与分析

5．2．1 三维双尺度藕节几何模型的建立与网格划分

5．2．3 三维双尺度藕节管模型仿真模拟与分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢