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前面关于形态的讨论,大多基于圆形截面纤维。
事实上,天然纤维都非圆形,就是截面最接近圆形的细羊毛纤维,严格意义上也是椭圆形。其长短轴之比约为1.1~1.2。化学纤维中,熔融纺丝一般为圆形,而干法、湿法纺丝因溶剂析出收缩的原因,或有特殊异形要求的纤维,都是非圆形的。因此对异形特征表达及等效转换极为必要。
化纤异形化源于对蚕丝三角形截面的模拟,以改善光泽;源于对棉、麻纤维中空的仿生,以提升保暖性等。异形已不只是形态的模拟,已扩展到解决织物的起毛起球、柔软化或硬挺化、光滑与粗糙、吸湿与导水、闪光或柔和,光泽等功效。
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3.4纤维的截面形状及表征
一、异形纤维的基本概念
非圆形截面纤维的表观特征会随截面形状的不同而变,其力学、表观物理和表面吸附性质,也都会随纤维截面的异形化而变。即便是圆形纤维,也会随内部的中空及复合产生形态、线密度和结构的变化,使纤维的空间造型多样化、表观占有空间变大。
中空使纤维弯曲、扭转刚度增大,纤维变粗;中空可含静止空气或相变材料,使纤维的隔热性增大,透气性不变或略增。
复合使纤维结构不均匀和非对称,使各组分功能分担与互补,而获得皮芯结构的高强舒适或高强可粘结纤维;双边或偏心分布的高弹、空间卷曲与螺旋和形状记忆纤维;海岛型或海绵多孔型功能纤维或超细纤维等。
纤维的异形化即截面非实心圆变化,主要有两类形式,一是截面形状的非圆形化,下又分为轮廓波动的异形化和直径不对称的异形化;一是截面的中空和复合化。
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复复
合异形合
圆周波动异形直径变异异形
复合
粗糙多角多叶跑道双凹单凹
纤维截面变化的过程、类型及相互关系
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纤维异形化的基本形式和变体,如下图所示。从等直径到轮廓波动;从单中空到多中空;从单组份到多组份;从对称到不对称,甚至从形式间的独立到相互间的复合,成为纤维异形化的多种途径。这不仅给纤维本身带来巨大的变化和丰富的内容,而且使纤维制品及其性能的多样化,功能化和舒适化成为可能。
中空
πd²
复合
由此纤维截面特征异形化特征的表达,也就不是一个简单的“异形度”所能表达,应该分类进行,并针对表达。
纤维截面特征的测量目前只能通过切片、显微观察进行。而CCD摄像和计算机图像处理与分析技术的应用:
使过去认为很困难的周长、截面积测量变得轻而易举;
使过去认为很难做到精确测量的形态特征,如内凹、多叶不对称、
“V”字形夹角等,通过形态定位测量、线性回归趋势线等,得到了准确的表征。
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二、截面异形的表征
异形截面是指纤维截面形状的非圆形,是异形纤维的基本特征之
一。纤维异形是由天然生长或成形加工所致,大多异形纤维是由非圆形喷丝孔纺丝而成,也有是因为凝固成形原因所致,如常见粘胶和维纶纤维。
异形化的截面有轮廓波动和直径变异两种。
1.截面的轮廓波动异形
对轮廓波动异形的表达可采用最基本的异形系数(异形度)表示:
径向异形度
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截面异形度
式中,R₀和R;,Ao和A分别为最多接触点的外接圆和内切圆半径,截面积,见下图左图;r为一可替换半径;Nat为线密度;y为纤维的密度。
其中D,较多地强调径向的波动;而S,则偏重异形使截面积的变化。显然,以r=R;的敏感性最大,以r=R₀可作理论估算。
对于多叶形异形,除异形度外,造型系数π是表达其叶瓣数n的特征指标,π的通式为:
,ts
4DiA₂A₃
ID。
D₀Ditw
直径异化内凹变形
截面异形几何特征参数示意图
式中,nmax为异性纤维叶数的上限,一般nmax8,所以,造型系数π常用表达式为:
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Ri
R₀
th
式中,P和A分别为纤维的实际周长和截面积;nL为单位质量纤维所具有的表面积,称表面系数(mm²/g)。Ss,η,ηL值越大、纤维表面积越大,所体现出的吸附性和膨松性越大。尤其是ηL不仅物理意义直接、测量方
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