紡織材料的形及其重要作用與結(jié)果

于偉東

(東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

紡織材料(fibrous material)即纖維及纖維集合體的統(tǒng)稱，一般稱為纖維與纖維制品或纖維與紡織品，是實(shí)用中常說的紡織纖維、紗線、織物及其復(fù)合物。人們較多地關(guān)注其組成，即纖維的化學(xué)組成、紗線的纖維組成、織物的纖維和紗線組成，以及復(fù)合物所用纖維材料與黏結(jié)及成型材料的組成。這從紡織材料的命名與分類以及現(xiàn)代化紡織科學(xué)與工程的研究和成果中，可得到證實(shí)。人們尋找和制備新來源和新化學(xué)組成的纖維，并以此命名進(jìn)行紡紗、織布，應(yīng)用于服用、家用和產(chǎn)業(yè)用紡織品，已成為主體且似乎成為定式的發(fā)展觀，即以纖維材料組成這一“質(zhì)”屬性的改進(jìn)或突破為主體的研究與生產(chǎn)。

當(dāng)然，在這以“質(zhì)”屬性發(fā)展紡織材料的環(huán)境下，也有學(xué)者和生產(chǎn)者進(jìn)行著以紡織材料形態(tài)、大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變與調(diào)整的研究和纖維材料加工。典型問題有:纖維的截面形態(tài)、長短、粗細(xì)及長徑比;紗線的結(jié)構(gòu)與力學(xué);織物的結(jié)構(gòu)與力學(xué)。但進(jìn)展緩慢，工業(yè)化價(jià)值不顯著。微尺度本該出自于紡織材料領(lǐng)域，但納米材料卻由其他學(xué)科提出并應(yīng)用，發(fā)展迅速，并成為以“形”屬性命名、研究和制造的典型材料。由于納米材料地位的確立，將有助于紡織材料或纖維材料的正名及類別歸屬，亦有助于認(rèn)清該材料科學(xué)與工程中的主題與本質(zhì)特征。

事實(shí)上，形與質(zhì)是物質(zhì)的2個(gè)重要基本屬性，是決定材料性能的本質(zhì)屬性[1]，作為以形命名的纖維材料，形應(yīng)該是其最基本和重要的特征。遺憾的是，該學(xué)科出現(xiàn)至今，人們還是習(xí)慣于以質(zhì)為主體，以質(zhì)論性能，而把形只作為一種附屬品或?qū)W術(shù)上的參變量，忽略了纖維材料形的締造是其科學(xué)發(fā)展的唯一途徑。

本文簡要回顧了人們在紡織材料形上的典型研究與進(jìn)展，同時(shí)給出東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在此方面的一些探索，以求學(xué)術(shù)界關(guān)注此領(lǐng)域中的研究及科學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)，并藉此對工業(yè)界的技術(shù)創(chuàng)新與科學(xué)發(fā)展提供借鑒。

1 形的內(nèi)涵

紡織材料的形是指其形態(tài)與表面、大小與尺度、內(nèi)部構(gòu)造與排列。這些都是人類可以并善于調(diào)整的形特征。將其對應(yīng)歸納為表觀形態(tài)、尺度和結(jié)構(gòu)三要素。

表觀形態(tài)是指纖維及纖維集合體的表現(xiàn)輪廓所構(gòu)成的幾何形狀，如:纖維的長度、截面形狀、轉(zhuǎn)曲、卷曲、分叉、表面形態(tài)等;紗線的表觀形態(tài)及毛羽等;織物的細(xì)觀表觀及毛羽、毛球等。

尺度是指纖維幾何形態(tài)大小所在的尺度范圍與維數(shù)及其范圍。主要指纖維的粗細(xì)、長短、卷曲、分叉結(jié)構(gòu)等尺度，可用納米、微米、毫米等長度尺度來表達(dá);也可用長徑比、中腔比等比例尺度來表達(dá);還有用單到多的整維數(shù)和分形維數(shù)來表達(dá)。

若紡織材料領(lǐng)域研究人員能及早地意識到，形是紡織材料的首要本征屬性，而更多地關(guān)注紡織材料尺度問題，則納米材料的原創(chuàng)和起始就應(yīng)該發(fā)生在本身就在微米尺度的纖維材料領(lǐng)域，因?yàn)樽疃嘀皇?個(gè)數(shù)量級的一步之遙。顯然，比例尺度是確定纖維可加工性的唯一本質(zhì)依據(jù)，纖維的長徑比僅在103～104時(shí)，傳統(tǒng)紡紗機(jī)械才能高效、正常地加工，而實(shí)際面對的可用纖維資源大都不在這一尺度范圍。然而，分形維數(shù)[2]作為現(xiàn)代物理與數(shù)學(xué)的成果，是討論以形主導(dǎo)的紡織材料結(jié)構(gòu)及其變化的最有效的方法。

當(dāng)狹義定義紡織材料的纖維集合體時(shí)，結(jié)構(gòu)是指以單根纖維為基本單元的堆砌密度、排列形式和其間相互作用3個(gè)基本要素。這是材料學(xué)中人們所熟知的密度、排列和相互作用的三要素。顯然，密度的優(yōu)化調(diào)整與極限突破，排列形式的控制、改善及成形方式，相互作用的調(diào)節(jié)與改變，不僅是理論研究的基本問題，而且也是工業(yè)化實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)，這將引出表征方法和加工工藝與裝備專利產(chǎn)品。

2 已有的形改進(jìn)典型研究結(jié)果

2.1 表觀形態(tài)

在纖維表觀形態(tài)上的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在對纖維截面的非圓形和纖維軸線的非直線空間曲線上的改進(jìn)，主要有差別化纖維。其中，最有代表性的是:改變截面形態(tài)仿蠶絲的三角形、仿棉保暖的中空形、形成毛細(xì)導(dǎo)水的三葉形或狗骨形等異形纖維;采用雙組分使纖維軸波動(dòng)卷曲和增彈性的復(fù)合纖維;改善可紡性、提高紡織品品質(zhì)與檔次、能增加抱合和吸附性的超細(xì)纖維。在紗線表觀形態(tài)上主要是形成竹節(jié)，如花式結(jié)節(jié)或毛絨的服用和家飾制品用紗線。在織物表觀形態(tài)上多體現(xiàn)在染整的表面改性、光潔化或毛絨化的加工，以及起毛起球的研究。

2.2 尺度

在纖維幾何形態(tài)的尺度上的改進(jìn)和突破主要體現(xiàn)在靜電紡絲和碳納米管及其集束纖維體上。不過目前靜電紡絲的主要尺度都在亞微米尺度[3-4]，即0.1～1μm(100～1000 nm)。如何穩(wěn)定地獲得粗細(xì)均勻、主體直徑小于100 nm的納米纖維，目前還是一項(xiàng)相當(dāng)困難及需要科學(xué)嘗試的工作。不過，已有一些靜電紡絲的纖維主體直徑可以基本達(dá)到該納米尺度[5-7]。

在纖維幾何形態(tài)的比例尺度上，目前具有實(shí)用性的纖維成形方法與技術(shù)的研究還很少。對天然纖維來說，基本上乏術(shù)，因?yàn)檫_(dá)到傳統(tǒng)可紡比例尺度(長徑比≥103)還是依賴于大自然的作為，人工干預(yù)的纖維初加工技術(shù)，均不是解決比例尺度優(yōu)化提升的問題，故麻纖維在可紡比例尺度下的細(xì)支化研究始終未有結(jié)果。

由于超細(xì)纖維和納米纖維的出現(xiàn)，纖維的主體直徑可從毫米尺度細(xì)到微米尺度，在紗線直徑尺度上，原來紗線特細(xì)支的范圍(5～10 tex)能夠輕而易舉地進(jìn)入0.1～1 tex，在理論上甚至達(dá)0.01 tex，這使制成織物能更輕、更薄，并進(jìn)入到微米紗和織物。

2.3 結(jié)構(gòu)

纖維、紗線、織物在傳統(tǒng)意義的結(jié)構(gòu)改進(jìn)并獲得特殊性能的例子眾多[8]。如纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和復(fù)合結(jié)構(gòu)的引入，可提高纖維加工和使用性能;紗線的復(fù)合紡紗與結(jié)構(gòu)紡紗，獲得高支、高品質(zhì)的紗線，并賦予以專門化功能特性來滿足優(yōu)質(zhì)的紡紗成形和適應(yīng)特殊要求的使用需求;織物的多維和0～多軸的成形，不僅能適體和無內(nèi)應(yīng)力成形，而且能無縫銜接及復(fù)雜造型地成形，以作為技術(shù)紡織品應(yīng)用于各種特殊場合。

以粘膠纖維的進(jìn)展為例，可看出國內(nèi)和國外的差距及對科學(xué)問題的態(tài)度。眾所周知，粘膠纖維是以纖維素大分子為原料的溶解、過濾、紡絲成形的纖維。最初只是在只要能成形并可后續(xù)加工及可使用的條件下，自然紡絲形成的纖維，其具有明顯的皮芯結(jié)構(gòu)和非等時(shí)固化收縮形成的鋸齒形截面。為克服粘膠纖維皮芯結(jié)構(gòu)的缺陷，歐洲采用緩沖液的緩沖析出固化，得到了主芯層或主皮層的粘膠，如富強(qiáng)纖維、虎木棉或 Modal。在此基礎(chǔ)上，加大牽伸，獲得了全皮層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)力粘膠。眾所周知，粘膠纖維的組成就是纖維素，纖維素成分越純，其成纖的性能越易控制和越優(yōu)良，因此首選的是棉漿粕或紙漿粕。隨后，為了克服甚至消除在漿粕溶解和紡絲固化過程中的污染，采用可回收溶劑NMMO(N-甲基嗎啉-N-氧化物)，且能做到99.9%的回收循環(huán)使用，制得了原纖結(jié)構(gòu)的Tencel?或 Lyocell纖維，其力學(xué)性能相近并略優(yōu)于高濕模量纖維或Modal纖維。

而在國內(nèi)出現(xiàn)的竹漿粘膠纖維，或其他植物粘膠纖維，既沒有在結(jié)構(gòu)調(diào)整和清潔化加工上形成突破，也未在纖維組成上發(fā)生改變，只是在植物來源上不同。相反，因竹、麻類纖維漿粕中非纖維素物質(zhì)的存在，增加了對木質(zhì)素和膠質(zhì)等非纖維素物質(zhì)的高耗費(fèi)的過濾與去除加工。結(jié)果非但無法全部去除非纖維素物質(zhì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度偏低，而且是一種高成本、高污染、低品質(zhì)的強(qiáng)行加工。其結(jié)構(gòu)還是人們早期研制的粘膠纖維的皮芯結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度僅為普通粘膠纖維的2/3，這不能不說是一種退步或劣化的選擇與加工。

3 所在團(tuán)隊(duì)主要研究結(jié)果與討論

3.1 形尺度對織物起毛起球的作用

織物表面的毛羽是起球的必要條件，因?yàn)槊鸺m纏形成起球。正因?yàn)槿绱?，容易出現(xiàn)2個(gè)概念上的錯(cuò)誤:一是認(rèn)為毛羽越多起球越多，這引導(dǎo)人們關(guān)注短纖維的長度及加工過程中減少或去除毛羽;二是認(rèn)為起毛在先起球在后，中間有明確界限，這致使人們忽略了起球是一漸變過程。事實(shí)上，在圈毛羽產(chǎn)生、抽拔增長的同時(shí)，成球的過程亦在進(jìn)行。由于這2個(gè)概念上的偏差，人們忽略了前人已經(jīng)給出的事實(shí)[9-10]形態(tài)的作用[11]，即起毛是圈毛羽作用的機(jī)制[12-13]。

由受力分析可知，端毛羽不僅不能增長或產(chǎn)生毛羽，反而會(huì)因反復(fù)摩擦而消失。如圖1所示，端毛羽在受力作用下，只能是擺動(dòng)、倒伏，而無力拖拽毛羽滑出增長;相反，擺動(dòng)引起握持點(diǎn)的彎曲疲勞，會(huì)使毛羽斷裂而消失。

圖1 單根端毛羽的運(yùn)動(dòng)分析Fig.1 Motion analysis of single free-end hair.

然而，1根纖維只要有1點(diǎn)起拱，即圈毛羽，其拱圈在搖擺力P⊥和圈變形力P∥的作用下，就能產(chǎn)生對毛羽的抽拔增長，起拱處的斷裂會(huì)形成毛羽的增多。并隨圈弧的增加產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)糾纏，參與成球。斷裂突出的端毛羽只有當(dāng)突出頭端間產(chǎn)生糾纏，形成準(zhǔn)圈毛羽，才會(huì)產(chǎn)生毛羽的增長，但卻無法增多。頭端糾纏的頭羽運(yùn)動(dòng)分析參見圖2。

圈毛羽產(chǎn)生的必要條件是纖維的起拱，而起拱則是纖維卷曲這一形特征所致。端毛羽糾纏的必要條件是纖維自然形態(tài)的非伸直及接觸點(diǎn)的摩擦鎖結(jié)，而糾纏又是纖維卷曲再加上纖維表面這2個(gè)形特征所致。故纖維卷曲是主機(jī)制。

圖2 頭端糾纏的毛羽運(yùn)動(dòng)分析Fig.2 Motion analysis of entangled end hair.

3.2 分形維數(shù)對羊毛原纖分離的作用

羊毛的基本組織結(jié)構(gòu)如圖3所示，它具有4級自相似微觀結(jié)構(gòu)單元逐級組合而成的分形特征[14]。依次為:正、副皮質(zhì)細(xì)胞(ortho-/para-cortical cell)、巨原纖(macrofibril)、微原纖(microfibril)、基原纖(protofibril)和角蛋白螺旋大分子(α-helix)。各級結(jié)構(gòu)均由其低一級結(jié)構(gòu)以一定規(guī)律自組裝而成，各結(jié)構(gòu)層次的尺度基本相差10倍。羊毛正、副皮質(zhì)中微原纖的尺度和排列不同，其分形維數(shù)不同。正是這一差異決定了羊毛形態(tài)和力學(xué)性能，以及各自微結(jié)構(gòu)體的分離能。

3.2.1羊毛微原纖7+2模型

羊毛分形結(jié)構(gòu)7+2模型如圖4所示，其中羊毛微原纖的7+2模型見圖4(b)[15]。1級分形結(jié)構(gòu)為2+2個(gè)α大分子雙螺旋模型;2級分形結(jié)構(gòu)為2根在中間、7根在周圍的9個(gè)基原纖的7+2模型;3級分形結(jié)構(gòu)對微原纖呈環(huán)芯輻射狀緊密排列的正皮質(zhì)和微原纖呈規(guī)整與不規(guī)整六角形排列的副皮質(zhì)細(xì)胞，均可采用微原纖的正三角形堆砌的微原纖集束單元來表示，僅三角形的大小不同，即微原纖間距不同。

圖3 羊毛的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of wool fiber

3.2.2羊毛微原纖9+2模型

對應(yīng)的羊毛分形結(jié)構(gòu)9+2模型見圖5，其中羊毛微原纖的9+2模型見圖5(b)[16]。其1級分形結(jié)構(gòu)為3個(gè)α螺旋大分子單螺旋形成1個(gè)基元纖;2級分形結(jié)構(gòu)模型為9+2模型;3級分形結(jié)構(gòu)模型與7+2模型相同。

3.2.3羊毛各級結(jié)構(gòu)體的分形維數(shù)計(jì)算

依據(jù)已有文獻(xiàn)的羊毛各結(jié)構(gòu)體的尺寸，由豪斯道夫維數(shù)定義，分形維數(shù)

圖4 基于7+2模型的羊毛分形結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.4 Fractal schematic diagram of wool fiber based on 7+2 structural mode.(a)Protofibril;(b)Microfibril;(c)Element of microfibril bundle

圖5 基于9+2模型的羊毛分形結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.5 Fractal schematic diagram of wool fiber based on 9+2 structural mode.(a)Protofibril;(b)Microfibril;(c)Element of microfibril bundle

式中:N為原尺度與新尺度的比值，即標(biāo)度;M為用新尺度度量原單元中新單元的個(gè)數(shù)。

可計(jì)算得羊毛正、副皮質(zhì)中3個(gè)結(jié)構(gòu)層次的分形維數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 基于不同羊毛結(jié)構(gòu)模型的羊毛正、副皮質(zhì)分形維數(shù)Tab.1 Fractal dimension of or tho-cortex and para-cortex of wool fiber based on two different str uctur al modes of wool fibers

表1結(jié)果表明，基于7+2模型和9+2模型及其修正模型計(jì)算的羊毛正、副皮質(zhì)各級結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)均接近于黃金分割數(shù)1.618，且正皮質(zhì)分形維數(shù)略大于而副皮質(zhì)分形維數(shù)略小于黃金分割數(shù)。相比之下，7+2模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)更為合理。因?yàn)橐罁?jù)以往學(xué)者對羊毛結(jié)晶度小于50%的實(shí)測結(jié)果可知，表2中依據(jù)9+2模型及其修正模型計(jì)算得到的羊毛結(jié)晶度的預(yù)測值均偏高，而依據(jù)7+2模型及其修正模型計(jì)算得到的羊毛結(jié)晶度預(yù)測值與實(shí)測值較為吻合。

表2 基于不同羊毛結(jié)構(gòu)模型的羊毛結(jié)晶度預(yù)測值Tab.2 Pr edicted values of cr ystallinity of wool based on two different structural modes of wool fibers %

對于羊毛原纖結(jié)構(gòu)體的分離來說，羊毛正、副皮質(zhì)層分形維數(shù)的差異說明其分離性的差異。分形維數(shù)高，則原纖的排列密度大，將原纖彼此分離所需的分離能高，分離的實(shí)現(xiàn)較為困難，如正皮質(zhì)和第2級分形結(jié)構(gòu)，實(shí)際分離實(shí)驗(yàn)也得到證實(shí)[14]分形維數(shù)略高的正皮質(zhì)的靶向性分離得難易程度顯然高于分形維數(shù)略低的副皮質(zhì)。此外，羊毛各級結(jié)構(gòu)層次之間分形維數(shù)的差異越大，二者分離性能的差異也越大，即越容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的靶向性分離[17]。

3.3 格柵結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽的作用

格柵結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽的作用參見文獻(xiàn)[18]。

3.3.1平行排列

碳纖維束以10、5、2mm的間距平行排列于 PS發(fā)泡片上得 P1、P2、P3試樣。參照樣為不銹鋼織物SS，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。各樣品的電磁屏蔽效能SE曲線見圖6。顯然在圖6(a)中，碳纖維平行排列不同間距的屏蔽效能的峰值在低頻段(0.2～0.8 GHz)和中頻段(0.8～1.4 GHz)隨間距的增大而減少，但位置不變;在高頻段(1.4～2.0 GHz)的峰值位置隨間距的增大而左移。不銹鋼織物在中頻段電磁屏蔽效能峰顯著。而不同碳纖維含量(2 K、3 K和4 K)對電磁屏蔽效能的影響，只是與碳纖維含量增加成正比的關(guān)系，見圖6(b)。

表3 不銹鋼織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)Tab.3 Structural parameters of stainless steel fabric

圖6 平行排列不同間距的碳纖維束與不銹鋼織物的屏蔽效能曲線Fig.6 SE curves of carbon fibers in parallel arrangement with different spaces and stainless steel fabric.

3.3.2格柵排列

碳纖維束以格柵狀排列在厚度為H的PS發(fā)泡片上，其行間距等于列間距，分別為10、5和2mm，對應(yīng)于C1、C2和C3試樣。同間距格柵試樣與銹鋼織物電磁屏蔽效能對比如圖7所示。由圖7(a)得C1、C2和C3試樣在低頻段峰移向中頻段(0.8～1.4 GHz)，在高頻段的峰右移靠近中頻段。與不銹鋼織物電磁屏蔽效能譜相近，但峰值均大于不銹鋼織物，且各峰值大小仍與間距成反比。而碳纖維含量(2 K、3 K和4 K)與電磁屏蔽效能仍是正比關(guān)系，見圖7(b)。

3.3.3組復(fù)合排列

雙面平行、雙面格柵、正交屈曲排列和屈曲與格柵復(fù)合排列的結(jié)果與最低位單一屈曲排列，以0.05～2.0 GHz電磁屏蔽效能的面積值相比，所得結(jié)果見圖8。顯然，復(fù)合結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效能明顯增大。

3.3.1和3.3.3結(jié)果足以證明，材料組成與含量引起的變化有限或成線性。而結(jié)構(gòu)參數(shù)引起的變化是多元、高效的，不僅有電磁屏蔽效能而且有吸波頻域的改變。

3.4 聲子晶體對織物吸隔聲的作用

圖7 同間距格柵試樣與不銹鋼織物電磁屏蔽效率效果對比Fig.7 Comparison between carbon fibers in grid arrangement with same space and stainless steel fabric(a)and between different contents of carbon fibers(b)on SE

圖8 不同排列屏蔽效能面積對比Fig.8 Effective shielding area of different samples on SE

聲子晶體通常是由2種或2種以上的彈性介質(zhì)組成的、具有彈性波帶隙的周期結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。有一維、二維和三維和二元或多元復(fù)合聲子晶體之分。當(dāng)彈性波在聲子晶體中傳播時(shí)，由于受到其內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的作用，會(huì)形成特殊的色散關(guān)系曲線。有和無色散關(guān)系曲線的頻域分別稱為通帶和帶隙。

帶隙內(nèi)彈性波不能傳播。周期結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，彈性波會(huì)被局域在缺陷處，或只能沿缺陷方向傳播。聲子晶體周期結(jié)構(gòu)的最小周期尺度稱為晶格常數(shù)(lattice constant)[19]。

3.4.1點(diǎn)陣排列形式的影響

滌綸-空氣二維聲子晶體的晶格常數(shù)和填充率不變，滌綸纖維分別以三角點(diǎn)陣和正方點(diǎn)陣形式排布于空氣相的二維聲子晶體，如圖9所示。二者的填充率為

當(dāng)晶格常數(shù)等于纖維直徑(a=d)時(shí)，最大填充率為:

圖9 二維聲子晶體的三角點(diǎn)陣和正方點(diǎn)陣排布示意圖Fig.9 Cross-sections of triangular(a)and square(b)lattice of two dimensional phononic crystals

取三角和正方點(diǎn)陣聲子晶體的填充率 φ三角=φ正方=0.5和晶格常數(shù)a三角=a正方=100μm，計(jì)算得三角和正方點(diǎn)陣的纖維直徑 d三角=74μm和d正方=80μm。由此所得的三角和正方點(diǎn)陣聲子晶體的帯隙分布圖如圖10所示。

由圖10可知，纖維點(diǎn)陣排列形式對聲子晶體的帶隙特征影響顯著。相同填充率和晶格常數(shù)及物質(zhì)組成下，三角點(diǎn)陣聲子晶體出現(xiàn)帶隙的起始頻率高于正方點(diǎn)陣，而帶隙數(shù)及寬度均優(yōu)于正方點(diǎn)陣。當(dāng)然，晶格常數(shù)和纖維填充率對此聲子晶體的帶隙影響也明顯，反而纖維組成對帶隙影響不顯著，此結(jié)果證明了形的作用。

3.4.2紡織材料的應(yīng)用實(shí)例

圖10 三角和正方點(diǎn)陣排布時(shí)聲子晶體帶隙分布Fig.10 Band gaps of phononic crystals of triangle(a)and square(b)lattice arrangement

一般紗線的點(diǎn)陣排列可用圖11(a)的密堆結(jié)構(gòu)，其歸屬為三角點(diǎn)陣周期排列的二維聲子晶體，上述算法已解決。電磁波屏蔽織物中的蜂窩組織結(jié)構(gòu)的基本單元為圖11(b)的正六邊形排列模型，但可為兩兩錯(cuò)位的方陣排列，計(jì)算方法也能解決。

圖11 紗線和蜂窩狀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structural representation of yarn(a)and honeycomb texture(b)

對最常用的平紋組織和斜紋組織，沿織物平面可以看成是由經(jīng)緯紗及空氣共同組成的三元周期排列的一維聲子晶體結(jié)構(gòu)，即中線為經(jīng)紗隔緯紗的周期結(jié)構(gòu)，兩表層為緯紗或經(jīng)紗隔空氣的周期結(jié)構(gòu);沿織物平面法向可看成是一經(jīng)或二經(jīng)疊一橫緯并加空氣夾一斜緯的三元單層二維聲子晶體結(jié)構(gòu)。顯然紡織品大多具備聲子晶體特征，并能抽象出模型計(jì)算出帶隙性能。

3.5 羽絨體分形維數(shù)與排列及對隔熱的作用

3.5.1羽絨體的分形結(jié)構(gòu)及熱阻計(jì)算

羽絨的外觀形態(tài)為多級分杈結(jié)構(gòu)，熱量在羽絨體內(nèi)傳遞存在多通道而定向傳遞概率低，在體內(nèi)傳遞中會(huì)被快速擴(kuò)散與輻射耗散，在各羽絨枝杈間受到靜止空氣高熱阻的阻礙，所以，盡管羽絨本體角蛋白物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與羊毛相近，但隔熱性能極其優(yōu)良[20-21]。采用分形理論討論其基本結(jié)構(gòu)單元的特征及其單向傳遞時(shí)的熱阻值，如圖12所示，為典型的3級自相似結(jié)構(gòu)(n=3)。

圖12 羽絨形態(tài)分形的多級特征Fig.12 Fractal ″tree″structure of down

依據(jù)羽絨的基本結(jié)構(gòu)體特征(圖13)可得其分形結(jié)構(gòu)和確定其分形維數(shù)[22-23]，并以單位段熱阻 R和分形結(jié)構(gòu)，計(jì)算基本結(jié)構(gòu)單元的熱阻 RE、第3級主分支的熱阻RM和羽絨纖維的熱阻Rf。

若以羽絨核為中心，兩側(cè)為2根第3級主分支纖維，則羽絨兩側(cè)點(diǎn)對點(diǎn)的熱阻為5.1R，即等效于5.1倍線狀纖維熱阻。

實(shí)測幾種纖維集合體的導(dǎo)熱系數(shù)與體積分?jǐn)?shù)關(guān)系，結(jié)果見圖14，在0.2% ～0.1%的體積分?jǐn)?shù)下，羽絨體的導(dǎo)熱系數(shù)最小，且在0.2% ～0.5%達(dá)本身最小值。其他纖維體的導(dǎo)熱系數(shù)從小到大依次為羊毛、羊絨、棉、滌綸和腈綸纖維。由此看出，同樣組成的羊毛和羊絨的保暖性與輕質(zhì)均無法與形態(tài)不同的羽絨相比。

圖13 毛羽的基本結(jié)構(gòu)單元和有3級結(jié)構(gòu)的主分支纖維的熱阻估計(jì)圖Fig.13 Schemes of thermal resistance of elementary cell in fractal unit(a)and main branch fiber with three-grade fractal structure(b)

圖14 不同體積分?jǐn)?shù)纖維集合體的導(dǎo)熱性Fig.14 Thermal conductivity of fiber assemblies with various volume fractions

3.5.2羽絨體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方法

羽絨間接觸點(diǎn)很少、集合體的體積分?jǐn)?shù)又極小，故羽絨集合體的形態(tài)很不穩(wěn)定、極易滑移變形，導(dǎo)致填充厚薄和密度不勻，而使整體保溫性下降甚至失效，故超低密度、甚至更具有挑戰(zhàn)性的準(zhǔn)單層羽絨集合體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是超輕薄隔熱材料實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在朵絨排列(圖 15、16)、綁 定 方 式 (圖 17(a))、綁 定 材 料(圖17(b))和成形加工(圖18)上形成突破，獲得了準(zhǔn)單層、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的羽絨層的成形技術(shù)[24-25]。

4 需要適應(yīng)特殊形的加工技術(shù)

紡織材料的主導(dǎo)屬性是“形”，即材料性質(zhì)是由其“形”決定的?！靶巍卑螒B(tài)、尺度和結(jié)構(gòu)，“結(jié)構(gòu)”決定性質(zhì)已被人們所接受，而對形態(tài)與尺度大多時(shí)候人們不以為然。事實(shí)上，還有已做或正在進(jìn)行的有關(guān)形作用的工作，諸如梯度孔隙分形結(jié)構(gòu)對織物面對面導(dǎo)水的作用[26]、纖維集合體分形維數(shù)對隔聲的作用[19，27]、繩索的分形維數(shù)對

圖15 羽絨在綁定材料上的分布俯視圖Fig.15 Planform of down fibers tied on a warp knitting web

圖16 羽絨在綁定材料上的分布側(cè)視圖Fig.16 Side elevation of down fibers tied on warp knitting web

圖17 朵絨被綁定在經(jīng)編網(wǎng)眼孔中及經(jīng)編網(wǎng)眼組織結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Down fiber tied in mesh of warp knitting web(a)and scheme of lace stitch(b)

增強(qiáng)的作用、亞微尺度原纖體兩端分叉分形維數(shù)的 作 用[28-29]、同質(zhì)復(fù)合纖維[30-31]及纖維集合體[32-33]的形調(diào)整的作用、光子晶體對織物顯色的作用[34]等，都能證明紡織材料“形”的重要作用。因此，在明晰“形”的作用及價(jià)值，人們便可使之加工成“形”的所能，實(shí)現(xiàn)材料性能的改善、適用、高性能化和締造特殊性能。

圖18 鋪制和綁定小樣圖片F(xiàn)ig.18 Photographs of down fibers overlaid(a)and tied(b)on warp knitting web

4.1 亞微米及納米纖維及其紡紗成布技術(shù)

目前在纖維材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，尤其是靜電紡絲的研究與工業(yè)化加工。靜電紡絲目前主要著力解決的問題是:1)穩(wěn)定均勻的納米尺度的紡絲，而不是亞微米尺度的紡絲;2)高產(chǎn)率的靜電紡絲與均勻片狀成形;3)靜電紡絲的纖維力學(xué)性能的提升;4)靜電紡絲的連續(xù)微米紡紗技術(shù);5)微米布膜的織造技術(shù)。這是納米尺度和微米尺度化紡織品的基礎(chǔ)，也是二維0軸的納米纖維氈進(jìn)展為多維多軸納米織物的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。所提的這5個(gè)問題都屬“形”的問題。

4.2 適應(yīng)非常態(tài)形纖維及其紡紗成布技術(shù)

由于現(xiàn)有纖維資源的有限，以及土地資源和能源的緊缺，人們將面對原來不可用天然纖維物質(zhì)或性能低劣的回用纖維，這將產(chǎn)生對下列形特征纖維的利用加工。其主要包括:1)超短或過長的纖維，即超短纖維的穩(wěn)定、連續(xù)化成形加工技術(shù)和過長纖維的低損傷梳理、排齊加工技術(shù);2)偏粗或超細(xì)的纖維，即偏粗纖維的取向和銜接排列及高支化成形加工技術(shù)和超細(xì)纖維的低損傷梳理伸直排列的加工技術(shù);3)前述1)和2)中弱項(xiàng)組合的纖維，即主要是偏粗偏短纖維的連續(xù)化、高支化的加工技術(shù)和過長偏細(xì)纖維的低損傷梳理排直的加工技術(shù);4)形態(tài)尺寸差異大的混合纖維，即粗細(xì)、長短、卷曲、截面形狀、長/徑比、表面形態(tài)及性質(zhì)等差異大的混合纖維體的紡紗加工技術(shù)。這也均是適應(yīng)“形”之問題。

4.3 適應(yīng)分形構(gòu)造纖維材料的成形技術(shù)

實(shí)現(xiàn)規(guī)整幾何結(jié)構(gòu)堆砌的纖維排列加工方式及成形技術(shù)，如聲子晶體排列的織物，電磁屏蔽格柵結(jié)構(gòu)的織物等;實(shí)現(xiàn)纖維在集合體或復(fù)合體中方向調(diào)整的成形技術(shù)，如納米晶須在同質(zhì)膜中的取向排列和在噴絲孔處的取向排列依次通過高堆砌密度(＞80%含量)的納米原纖在纖維體內(nèi)的集聚成形。

5 結(jié)語

從物質(zhì)“形”與“質(zhì)”2個(gè)本質(zhì)屬性上說，紡織材料主導(dǎo)屬性是“形”，即材料性質(zhì)是由其“形”(形態(tài)、尺度和結(jié)構(gòu))所決定的。

紡織材料這一命名雖帶有極強(qiáng)的工業(yè)及用途的特征，但其構(gòu)成是纖維材料，無可爭議、亦無歧義。顧名思義，纖維是以形命名的物質(zhì)，這與納米材料、膜材料、復(fù)合材料等同樣，均非以組成命名，故紡織材料研究與突破的本質(zhì)屬性應(yīng)該是形而非質(zhì)。即應(yīng)該更多地關(guān)注其形及適應(yīng)纖維集合體形的加工。

以往的紡織材料研究與應(yīng)用事實(shí)，以及東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)近年來在形方向的探索和實(shí)踐，已證明紡織材料“形”屬性的重要和不可或缺?，F(xiàn)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)、現(xiàn)代材料學(xué)及其表征方法，為此研究和工業(yè)化實(shí)踐鋪墊了基礎(chǔ)和提供了手段，剩下的是本領(lǐng)域的人們能否提出合理形的紡織材料及其成形方法，并提供技術(shù)與工程上的解決方案及裝備，進(jìn)而締造出實(shí)用、高效、安全、生態(tài)的紡織品。

[1]于偉東.紡織材料形屬性的基礎(chǔ)及意義[C]//姚穆院士80華誕會(huì)議暨紡織科學(xué)與技術(shù)論壇.西安:西安工程大學(xué)，2009.YU Weidong. Foundation and importance of morphonology of textile materials[C]//The 80th Birthday of Academician Yao Mu and the Forum of Textile Science and Tenology.Xi'an:Xi'an Polytechnic Universsity，2009.

[2]佩特根，于爾根斯.混沌與分形:科學(xué)的新疆界[M].2版.田逢春，譯.北京:國防工業(yè)出版社，2010.PEZTGNE，JUERGENS.Chaos and Fractals:New Frontiers of Science[M].2nd ed.TIAN Fengchun，Transltaing.Beijing:National Defense Industry Press，2010.

[3]MCCANN J T，MARQUEZ M，XIA Y.Melt coaxial electrospinning:a versatile method for the encapsulation of solid materials and fabrication of phase change nanofibers[J].Nano Letters，2006，6(12):2868-2872.

[4]NAYZK R，PADHYE R，KYRATZIS I，et al.Recent advances in nanofibre fabrication techniques[J].Textile Research Journal，2012，82(2):129-147.

[5]WANG X F，UM I C，F(xiàn)ANG D F，et al.Formation of water-resistant hyaluronic acid nanofibers by blowingassisted electro-spinning and non-toxic post treatments[J].Polymer，2005，46(13):4853-4867.

[6]SRIVASTAVA Y，LOSCERTALES I，MARQUEZ M，et al.Electrospinning of hollow and core/sheath nanofibers using a microfluidic manifold[J].Microfluidics and Nanofluidics，2008，4(3):245-250.

[7]SEN A，BEDDING J，GU B.Process for forming polymeric micro and nanofibers:US，20050053782[P].2004-09-02.

[8]于偉東.紡織材料學(xué)[M].北京:中國紡織出版社，2006:59-255.YU Weidong.Textile Materials[M].Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2006:59-255.

[9]HOHG J， JAYARAMAN S.Relationship between friction and other properties[J]. Textile Progress，2003，34(1/2):72-80.

[10]GINTIS D，MEAD E J.The mechanism of pilling[J].Textile Research Journal，1959，29(7):578-585.

[11]于偉東，萬愛蘭.羊毛的形與尺度對起毛起球的作用[J].紡織學(xué)報(bào)，2012，33(1):144-150.YU Weidong，WAN Ailan.Morphology and scale of wool effects on the fuzzing and pilling[J].Journal of Textile Research，2012，33(1):144-150.

[12]于偉東，萬愛蘭.浙江省重大科技專項(xiàng):毛衫產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效低耗關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化(2008C01069)[R].上海:東華大學(xué)，2011:1-5.YU Weidong，WAN Ailan.The Science and Technology Department of Zhejiang Province through Major Project for Technology Development(2008C010069) [R].Shanghai:Donghua University，2011:1-5.

[13]王婷.毛織物起毛起球性能的動(dòng)力學(xué)表征[D].上海:東華大學(xué)，2011:13-17.WANG Ting.Kinetic characterization of fuzzing and pilling of wool fabrics[D]. Shanghai: Donghua University，2011:13-17.

[14]范杰.羊毛角蛋白晶須分離及其應(yīng)用研究[D].上海:東華大學(xué)，2009:24-37.FAN Jie.Study on separation and application of keratin whisker[D].Shanghai:Donghua University，2009:24-37.

[15]FRASER R D， MACRAE T P， ROGERS G E.Molecular organization in alpha-keratin[J].Nature，1962，193:1052-1055.

[16]JOHNSON D J， SIKORSKI J.Molecular and fine structure of alpha-keratin[J].Nature，1962，194:31-34.

[17]劉洋.羊毛角蛋白晶須增強(qiáng)同質(zhì)復(fù)合膜的制備與表征[D].上海:東華大學(xué)，2011:52-55.LIU Yang. Preparation and characterization of homogeneous composite membrane enhanced by wool keratin whisker[D].Shanghai:Donghua University，2011:52-55.

[18]吳瑜.碳長絲束排列結(jié)構(gòu)及其復(fù)合體的電磁屏蔽性研究[D].上海:東華大學(xué)，2012:23-27.WU Yu.Study on electromagnetism shielding based on the carbon filament array structure and its composite[D].Shanghai:Donghua University，2012:23-27.

[19]楊樹.纖維集合體的結(jié)構(gòu)特征及其吸聲性能研究[D].上海:東華大學(xué)，2011:85-92.YANG Shu.Structure characterization and its sound absorption of fiber assembly[D].Shanghai:Donghua University，2011:85-92.

[20]TMT團(tuán)隊(duì).國防115基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A1420060202)[R].上海:東華大學(xué)，2008:3-18.TMT group.115 National Defense Basic Research Project(A1420060202) [R]. Shanghai:Donghua University，2008:3-18.

[21]高晶.羽絨纖維及其集合體保暖機(jī)理的研究[D].上海:東華大學(xué)，2006:57-61.GAO Jing.Research on thermal mechanism of down fiber and its assembly[D]. Shanghai: Donghua University，2006:57-61.

[22]GAO J，YU W，PAN N.Structures and properties of the goose down as a material for thermal insulation[J].Textile Research Journal，2007，77(8):617-626.

[23]GAO J，PAN N，YU W.Fractal character forecast of down fiber assembly microstructure[J].Journal of The Textile Institute，2009，100(6):539-544.

[24]王科.基于經(jīng)編網(wǎng)固定的羽絨絮層的成形與性能研究[D].上海:東華大學(xué)，2008:18-24.WANG Ke.Study on forming and performance of down batting based on warp knitting net fixed[D].Shanghai:Donghua University，2009:18-24.

[25]楊海華.水刺綁定羽絨網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與導(dǎo)熱性關(guān)系[D].上海:東華大學(xué)，2009:21-28.YANG Haihua. The relationship between structure parameters and thermal conductivity of down network by water needle binding [D]. Shanghai: Donghua University，2009:21-28.

[26]SHI X J，YU W D.Fractal phenomenon in micro-flow through a fiber bundle[J].International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation，2009，10(7):861-866.

[27]YANG S，YU W，PAN N.Fractal approach to sound absorption behavior in cashmere fiber assembly[C]//Proceedings of the 12th International Wool Research Conference. Shanghai: Donghua University，2010:827-831.

[28]LIU Y，YIN R，YU W.The fracture model of bioinspired keratin composites[C]//Proceedings of the 12th International Wool Research Conference，Shanghai:Donghua University，2010:851-854.

[29]于偉東，劉洋，劉洪玲.頭端分叉的角蛋白原纖體的制備裝置和方法:中國，201110357345[P].2012-06-20.YU Weidong，LIU Yang，LIU Hongling.Preparation device and method of keratin fibril structure divaricated on the tip:China，201110357345[P].2012-06-20.

[30]于偉東，范杰，劉洋.一種角蛋白晶須增強(qiáng)的同質(zhì)復(fù)合纖維及其制備方法:中國，200910048842[P].2009-11-11.YU Weidong， FAN Jie， LIU Yang.Homogeneous composite fiber enhanced by keratin whisker and preparation method:China，200910048842[P].2009-11-11.

[31]于偉東，范杰，劉洋.一種角蛋白晶須增強(qiáng)生物相容性同質(zhì)復(fù)合膜及其制備方法:中國，200910048839-1[P].2010-12-08.YU Weidong，F(xiàn)AN Jie，LIU Yang.Homogeneous and biocompatible composite membrane enhanced by keratin whisker and preparation method:China，200910048839-1[P].2010-12-08.

[32]于偉東，吳瑜，周勝，等.碳長絲屈曲與伸直排列復(fù)合條的吸波編織片及其制備方法:中國，201110288284-5[P].2012-04-18.YU Weidong，WU Yu，ZHOU Sheng，et al.Wave absorbing braided sheet made by carbon filament composite in flexion and extension alignment and its preparation method: China，201110288284-5[P].2012-04-18.

[33]于偉東，陳毅，周勝，等.一種交織與浮長鑲嵌方格形電磁屏蔽機(jī)織物及其用途:中國，201110288291-5[P].2012-04-11.YU Weidong， CHEN Yi， ZHOU Sheng， et al.Aelectromagnetism shielding fabric by interwoven with gridiron inlayed floats and its application: China，201110288291-5[P].2012-04-11.

[34]劉曉艷.蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)生色理論在紡織品上的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].上海:東華大學(xué)，2009:1-3.LIU Xiaoyan.The basic research onchromophore theory of butterfly flake structure[D].Shanghai:Donghua University，2009:1-3.