影响纤维集合体热、湿、气传递性质的本质原因是纤维集合体的结构。"密度"是纤维集合体结构的最主要的特征及本质影响源。然而,定量研究密度变化对纤维集合体热、湿、气传递行为的影响仍是目前实际测量与理论研究中的难点与空白,原因在于目前尚无实现这一原位测量方法与装置。另外,纤维集合体的热、湿、气传递行为测试通常是分开进行的,极少有人将纤维集合体的传热、湿、气三者组合起来进行讨论的,即几乎不存在任何的组合测量。更少有人关注在压缩变密度条件下的纤维集合体热、湿、气传递行为的组合测量。本文所研制的"纤维集合体物理性质综合测试系统(FACBES-01)"解决了同一纤维集合体体积密度变化时的热、湿、气传递性质的原位组合测量问题。本文以纤维集合体在压缩过程中"密度变化"为基点,系统地研究了涤纶、羊毛、羊绒、鹅绒及木棉五种纤维集合体的体积密度、体积分数及排列方式对其热、湿、气传递性能的影响。同时分析并解释了纤维集合体在不同密度及排列方式下的物理传递现象及机理。得出如下结论:(1)密度较低时,相同体积密度的不同纤维集合体之间的导热系数从大到小的排列顺序为:①涤纶②羊毛③羊绒④鹅绒⑤木棉,而体积密度较高时,除鹅绒导热系数不变外,其它纤维集合体导热系数变大,并且之间的差异变小。说明辐射与对流传热在低密度与高密度时的显著性与不显著性以及单纤维导热在高密度时的重要性。在纤维体积分数较小时,相同体积分数的不同纤维集合体导热系数从大到小排列顺序为:①涤纶②羊毛③羊绒④鹅绒。这说明纤维集合体的热传递性质不仅与纤维体积分数有关,也即孔隙的多少有关,还与纤维通道的曲折程度、孔径大小、排列及分布有关。纤维体积分数较高时,羊毛和羊绒的导热系数接近并大于涤纶的导热系数,鹅绒的导热系数与木棉在一段范围内接近并保持最低且不变。鹅绒在高密度时导热系数的不变性主要是由于鹅绒特殊的朵绒分叉结构所造成的热流通道的复杂性及曲折性。(2)通过三种排列的羊毛集合体的导热系数比较进一步说明了纤维集合体热传递性能受集合体内孔隙的多少、排列及分布的影响。(3)本文建立纤维集合体内包含热传导与热辐射作用的综合传热模型,其中热传导采用考虑纤维和空气接触热阻的串联模型,热辐射采用改进的双向热流模型,即包括纤维材料对辐射光波存在吸收、发射及散射作用,并综合考虑了纤维对辐射光波散射的各向异性。除鹅绒外,其它纤维均得到较好的模拟效果,证明了该模型的准确性及鹅绒纤维导热机理的特殊性。本文进一步采用红外光谱仪(FTIR)测试了光学厚度较大纤维集合体辐射导热系数,将实验值与传热模型所得导热系数进行对比,发现两者有较好的一致性,说明本文提出的传热模型的准确性,然而前者略大于后者,说明纤维集合体内仍存在其它因素的影响,如密度分布及孔洞因素,仍需对传热模型进一步改进。(4)通过对织物湿传递性质的测试,发现织物的湿传递性质随时间变化,分为三个阶段:①湿传递能力增加阶段,主要是由于纤维材料对水分子的吸收或吸附作用;②湿传递能力降低阶段,主要是因为纤维材料吸湿放热,增大了纤维材料内的水汽分压力,阻碍了湿的继续传递;③湿传递能力增加阶段,在前两个过程,纤维材料已经吸收了相当的湿汽量,积累了大量的水分子,此时会释放出来,增大织物湿扩散能力。湿传递能力的三个阶段,不同的织物有不同的表现。主要取决于织物的孔隙率及吸湿性两个因素。(5)对不同种类随机排列纤维集合体的湿传递能力与其体积密度和体积分数关系的研究表明:在同一体积密度下,集合体湿传递能力从优到劣的排列顺序为:①涤纶②羊毛③羊绒④鹅绒⑤木棉。这与同体体积密度下,不同集合体所对应的纤维体积分数一致,这说明纤维体积分数是影响集合体透湿性的重要因素。在相同纤维体积分数下,集合体湿传递性能从优到劣的顺序为:①涤纶②鹅绒③羊毛④木棉⑤羊绒。这说明,除了纤维体积分数对集合体湿传递性能有重要影响外,纤维直径及吸湿性对纤维集合体湿传递性质有重要影响。(6)通过对三种排列的纤维集合体湿传递性能的研究发现,集合体的湿传递性能受其内部孔洞连通性的影响较大,而受孔洞的其它结构参数,如孔洞大小或分布的影响不大。(7)对不同种类随机排列纤维集合体的透气性的研究表明:在体积密度较小时,各种类纤维集合体的透气性能相对接近;随着体积密度的增大,集合体间透气性能的差异越大。这主要由纤维的形态与结构所决定。而在相同体积分数下,不同的纤维集合体的透气性又有显著的不同,这一说明气流经过集合体时不仅与纤维体积分数的大小有关,也即孔洞的多少有关,而且还与孔洞的大小、形状、曲折程排列和孔径的分布有关。通过实验对三种排列方式羊毛集合体的透气性能测试,发现纤维集合体体积密度增大的过程中,三种排列纤维集合体的透气性的优劣顺序发生改变,进一步证明了孔洞因素的影响。(8)通过对透气性的实验值和已有理论模型得到的结果拟合分析得到:三维随机排列的纤维集合体的透气性要优于平面内随机排列的纤维集合体,说明纤维的排列状态对透气性能有一定的影响。以往对热、湿、气传递性质机理以及模型的研究一般是采用"容积平均"的方法,基本不考虑或很少考虑其微结构对纤维集合体物理传递性质的影响,这显然与事实不符。针对此问题,本文首次采用分形理论建立了纤维集合体内部微细结构与其热、湿、气传递性质关系的模型,并通过实验的方法证明了分形模型较以往理论模型预测结果的准确性。同时根据分形模型系统地分析了各因素对纤维集合体热、湿、气传递性质的影响,为合理选择纤维材料的结构参数获得最优的物理性能提供理论指导。通过分形模型可以得到发现纤维集合体的孔隙率,即体积密度对热、湿、气传递性质都有显著的影响。纤维集合体的热传递性随着孔隙率的增大先减小后增大,存在最小导热系数,使材料隔热性质最佳;而纤维集合体的湿传递性与透气性均随着孔隙率的增大而明显增大;纤维集合体的热传递性与透气性均与纤维半径成正比,而湿传递性与此参数关系不大;纤维集合体的热传递性与湿传递性均随垂直通道分数的增大而显著减小,透气性与此参数无关;纤维集合体的湿传递性与透气性均孔洞屈曲度的增大而显著减小,热传递性与此参数无关;另外,纤维集合体的透气性随孔洞分形维数增大而显著减小,随最大及最小孔径的增大而增大,并且气流通过纤维集合体的作用机理主要取决于最大孔径,而热与湿传递性质受三者影响不大。
