CN102539298B - 基于参数分级对柔性材料动态毛细孔径分布的测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数分级针对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的方法和装置，可测定同一柔性孔材料在毛细渗透的不同时间由于液体进入的孔的尺度范围不同而具有不同的毛细孔径分布，其数据可应用于对时间敏感的毛细过程，精确控制柔性材料的湿加工工艺和热湿舒适性面料的精确设计。所公开的质量分级和电量分级方法以及相应的同步测量和切割装置，可同步测定不同芯吸时间对应的柔性孔材料的毛细孔径分布。

Description

基于参数分级对柔性材料动态毛细孔径分布的测定方法和装置

技术领域

采用参数分级法对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的方法和装置

背景技术

织物的润湿性对于其湿加工和热湿舒适性都是至关重要的。作为两端开口、部分有序的毛细孔集合体，织物的润湿性通常与其毛细孔分布密切相关，因为无论是湿加工或者服用过程中，水分、有机溶剂及汗液的输运都主要是在毛细孔中进行，所以微米尺度的孔径分布数据对于织物湿加工和服用热湿舒适性至关重要。

迄今通用的对于织物等柔性孔材料孔结构的表征大都停留在半定量水平，而对于多孔材料通用的真空吸附和加压挤出法则由于柔性材料的变形和失真问题，一直无法应用。齐宏进等申请的“基于质量分级对于柔性孔材料孔径分布的测定方法和装置”(发明专利号：ZL 200910194353.9)、“基于质量分级对纱线毛细孔经分布的测定装置和方法”(申请号：201010513290.1)和“在线电量分级法测定柔性孔材料孔径分布的装置和方法”(申请号：201010513361.8)等发明专利虽然初步解决了柔性孔材料微米层级孔结构测定和表征难题，但应用范围仅限于静态测试，还是不能更具针对性地应用于大量的动态实际生产和生活过程之中。

织物湿加工和其他织造过程中涉及大量水和有机液体的润湿、特别是毛细渗透过程，而且这些过程必须在一定速度下进行。我们发现，对于同一孔结构的孔材料，用于渗透速度的差异，液体在不同时间进入其中的不同尺度的孔区域，也即不同渗透时间液体利用孔材料中孔的部位不同。所以，对应同一孔材料在液体不同渗透时间表现出不同的动态孔结构，这些结构才是控制液体动态润湿最为直接的关键因素。因此，必须测定不同时间液体毛细渗透对应的同一孔材料孔结构数据才能主动和定量控制和设计织物等柔性孔材料的湿加工工艺，进一步达到节能、高效和低污染的生产。同时可以更精确设计各种热湿舒适性织物面料和服装，提高产品附加值和技术含量。

本发明介绍了我们提出的测定动态柔性孔材料孔径分布的原理、方法和装置，给出不同时间织物毛细孔经分布的直方图，说明张力对纱线孔径分布具有较大影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对织物等柔性孔材料在不同的液体渗透时间所对应的孔结构数据和图表，以孔径分布为特征。能够快速同步测定织物等柔性孔材料对应液体动态毛细过程任意时刻的微米-毫米级动态孔结构。

为了解决上述技术问题，本发明在质量分级和在线电量分级法的基础上提出采用动态参数分级法对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的方法和装置，关键是系列配套的同步测定方法和装置，其方法包括以下步骤：

a.无论利用质量分级或是在线电测方法，必须恒温条件下进行测定，在液体刚一接触柔性材料时开始计时，并在设定时间进行测量，所测得的数据即为该时间对应的柔性孔材料的孔径分布数据。

b.对于质量分级法，所述的柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用质量分级所述液体浸湿步骤使织物悬吊和接触槽中液体的液面，一旦达到指定时间必须在尽可能短的时间内切断液体与孔材料的接触，并保持接触时的垂直或水平状态，在切割成多个级分之前不得与其他物体接触以保持脱离瞬间材料内液体在各种孔尺寸空隙内的分配比例。

2)迅速将测试系统置于毛细液体饱和蒸汽环境中以抑制材料中液体的蒸发，保持各孔内液体比例不变，控制温度与进行质量分级。

3)为避免试样内液体的少量迁移，必须快速对脱离接触试样的各个级分进行含液量测定以减少误差，为了避免脱离接触后试样内毛细液体分布发生变化，该过程必须尽快利用特定装置进行，使试样尽快切割成分离的各个小样片，使之内部液体含量被固定，即可用作统计的级分。

4)对孔内液体已经被固定的各个级分，依照原来在垂直悬挂的试样中的位置排序，自下而上进行相邻级分质量差减，依据质量分级法提出的国内股市和方法计算得到各个级分的含液量再由其毛细压力的平衡关系是计算得到该材料的孔径分布数据，进一步画出直方图、曲线图和累计图。

c.对于在线电测法，一旦达到指定时间必须在尽可能短的时间内利用多探针探头同时测定收集电信号，用于下一步孔径分布电量差减计算，进一步得到孔径分布数据

3.根据权利要求1所述的柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的装置，其特征在于包括以下方面：

c.快速切割装置，用于质量分级法，一次性快速同时切割得到统若干分离的统计级分小样片，分别称重计算得到各级分内含液量，该装置可以同时将试样沿垂直于轴向切割成若干等份或不等份并切断与液槽的联系，可以是机械装置，也可以是光、电、电磁波、粒子束等能束装置。由各个级分在原试样中的顺序可得到其垂直悬挂时的高度或水平放置时的液体渗透长度。

d.在线电测装置，用于非切割直接在试样上测定与液体量对应的电参数，主要由导轨、滑块和探头构成，滑块上伸出多组探针，探针组数目等于测定的统计样片级分数，每组两个探针，水平放置并保持一定距离，用于测定该间距内的导电液体的电参数，各组探针相互平行，自下而上沿试样排布，通过弹性探头调节与试样表面的接触状态，亦可脱离接触。滑块可在导轨上上下移动并可显示各个探针组的高度。；探针分别通过导线与电信号测量线路连接，通过同步一次性测定接触试样各个位置试样的电参数。

e.自下而上(垂直法)或由前到后(水平法)逐次对相邻级分依次进行质量差或电参数差减，得到各个积分的含液量，依据毛细压力与级分高度及孔径的关系式计算得到不同级分内液体所处空隙的半径，画出直方图、曲线图和累计图。

4.依据上述各方法测定同一柔性孔材料多种渗透时间包括平衡渗透时间的对应的孔径分布数据，得到该材料的孔径分布数据集合，为实际应用提供完整的微米级孔结构数据。

本发明的有益效果是：本发明并非是根据液体在柔性孔材料内毛细渗透达平衡时的规律得到该材料的静态孔径分布数据和图表，而是在液体渗透的任意时间测定其分布于材料特定孔区域内的动态孔径分布数据和图表，因而可以定量表征不同时间液体毛细渗透时与之相关的柔性孔材料在微米-毫米尺度的孔结构特征，这是一种动态孔结构的表征方法和装置，测定的数据可以更具针对性地满足表征和控制实际动态润湿生产和生活过程，可以较精确地调控织物的前处理、染整工艺及其服用的热湿舒适性。

附图说明

此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定，在附图中：

图1是利用质量分级法动态测定的一种切割装置示意图；

图2是利用在线电测法动态测定的一种装置示意图；

图3是本发明一个实例中的平纹棉织物样片于25摄氏度、65％性对湿度下在蒸馏水中15分钟时利用质量分级法水平渗透测定的的毛细孔径分布直方图，其组织结构为：经纬密68×68(根/10cm)，纱线的线密度19×19(tex)；

图4是该样片在同样温湿度下在蒸馏水中的达平衡时毛细孔径分布直方图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限於下述的实施例。

本实施例1涉及一种基于质量分级对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的机械切割装置如图1所示，包括：夹布框架、刀具滑轨、刀具支撑柱、控制手柄、弹簧、组合刀具和刀具控制杆组成。其中夹布框架为一水平矩形中空框架，下面有六条腿支撑，一方面用于夹紧布样，一方面在两端固定平行的两条水平滑道，用于刀具滑轨切割布样时保持组合刀具切割轨迹平行；滑轨上的控制手柄用来推动刀具切割；刀具支撑立柱用于支撑组合刀具的转轴即刀具控制杆；弹簧拉紧转轴和滑轨保持组合刀具压紧布样，利于切割，布样涌夹板固定并绷紧于夹布框架上。操作时先用手柄拉开弹簧，将布样夹紧在框架上，放下刀具，快速推动手柄，即可同时切割出多块小布条，用作测定孔径分布的级分小条。

本实施例2涉及一种基于在线电量分级对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的在线测量装置，包括：液体槽，用于提供液体；支架固定于底座上，用于垂直夹紧布样；长条形布样，其下端固定一个重力棒用于保持布样悬垂并浸入液体中，上部用夹子固定于支架上；滑块，用于垂直升降并固定探针；带标尺滑道，用作滑块向上移动的轨道和标记移动距离；电路控制器检测记录个各探针测得的电信号。操作时将布样夹紧垂直悬吊并将底部浸入槽的液体中，在恒温恒湿下产生毛细上升，调节滑块使所有探针或部分探针之最大间距大于或等于液体上升高度，在任意设定时间将组合探针插入样布，同时记录各探针的电导值和各探针的高度，根据公式计算该时间样布的孔径分布，画出直方图、曲线图和累积图。

本实施例3涉及一种基于质量分级对柔性多孔材料动态毛细孔径分布测定的方法，包括如下步骤：

a.准备用于测定的柔性多孔体系材料，该柔性多孔体系材料包括机织物、针织物、无纺布、皮革和纸，将样片修剪为长10～150±1cm，宽为1.0～20±0.1cm的样片，可根据测试精度要求从样片的下端开始，每隔相等的0.2～10±0.1cm间距，沿样片宽度方向水平设有标记；

b.准备用于测定的液体，包括所有对样片润湿的液体，即液体对样片的接触角小于90度；

c.用洗涤剂和/或有机溶剂将样片上污物去除，冲洗、干燥后挂装在悬挂装置上，样片保持伸直和垂直，其下端接近液面但暂时不能接触液面；

d.将样片与悬挂装置一同放置于温度为0～50±2℃、相对湿度为0～100％±3％、标准大气压的恒温恒湿环境中达到温湿度平衡；

e.将样片下端浸入液体，同时记录时间，当液体毛细升高进行到设定时间迅速沿液面上方1厘米处水平剪断，将整个夹布框水平放置，插入同步多刀头剪切装置，迅速垂直于样片轴向平行切割成6个级分小条，置于恒温和100％相对湿度环境中；

f.迅速将步骤e所得的测试小条分别称重，从下往上测试小条序号递增，共n+1个测试小条，这里n为5，通过将各测试小条的湿重减去干重，得到含液体的测试小条所含液体重量分别为m₁，m₂...m_n，m_n+1，通过公式进行数据处理，得到各个测试小条内孔中液体量占整个样片总含液量的百分比C_n，式中m_n、m_n+1分别为相邻两段测试小条中下方和上方测试小条的含液量；

g.建立孔径和测试小条对应高度间的关系式求出对应高度测试小条内含液体的孔的半径R，式中γ、θ、ρ、h和g分别为液体表面张力、接触角、密度、各个测试小条在悬挂样片中的高度和重力加速度。

h.根据步骤f的数据处理结果得出的布样不同高度测试小条含液量百分比Cn，再结合步骤g中公式求得测试相应高度小条内含液体孔的对应孔径，二者对画作图，得到样片按体积计算的毛细孔径分布直方图，并进一步得到孔径连续分布的曲线分布图和累积图。

i.根据上述各组权重数据C_n和对应的孔半径数据，通过加权平均公式计算得到样片的平均孔径。

步骤e中切割方法还可为其他机械方法以及化学、电热、光化学、电化学、激光、电磁波和等离子束方法。

Claims (1)

1.一种柔性多孔材料动态毛细孔径分布的测定装置，其特征在于包括：

a.快速切割装置，用于质量分级法，该切割装置包括：夹布框架、刀具滑轨、刀具支撑柱、控制手柄、弹簧、组合刀具和刀具控制杆；其中夹布框架为一水平矩形中空框架，下面有六条腿支撑，一方面用于夹紧布样，另一方面在夹布框架两端设置两条平行的水平滑道，用于切割布样时刀具滑轨保持组合刀具的切割轨迹平行；刀具滑轨上的控制手柄用来推动组合刀具切割；刀具支撑柱用于支撑作为组合刀具转轴的刀具控制杆；弹簧拉紧刀具控制杆和刀具滑轨保持组合刀具压紧布样，利于切割，布样用夹板固定并绷紧于夹布框架上；操作时先用控制手柄拉开弹簧，将布样夹紧在夹布框架上，放下组合刀具，快速推动控制手柄，即可同时切割出多块小布条，用作测定孔径分布的级分；其中，该切割装置一次性快速切割得到若干分离的级分，分别称重计算得到各级分内含液量和含液百分比；

b.在线电测装置，用于非切割直接在布样上测定与液体量对应的电参数，包括导轨、滑块和探针，滑块上伸出多组探针，探针组数目等于测定的布样级分数，每组两个探针，水平放置并保持一定间距，用于测定该间距内的导电液体的电参数，各组探针相互平行，自下而上沿布样排布，通过弹性探针调节与布样绷直表面的接触状态，测试完毕时脱离接触；滑块能够在导轨上上下移动并显示各个探针组的高度；探针分别通过导线与电信号测量线路连接，通过自下而上接触布样扫描得到各个高度布样的电参数，进一步计算得到各个高度对应的级分的含液量；

其中，自下而上对相邻级分依次进行质量或电参数差减，得到各个级分的含液量，依据毛细压力与级分高度及孔径的关系式计算得到不同级分内液体所处空隙的半径，画出直方图、曲线图和累计图。