CN1084638A - 用轴向两次压缩气流法测定纺织纤维细度的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是纺织材料试验方法，具体的讲， 它是一种纺织纤维细度的试验方法，本发明的目的是 用两次压缩气流法测定纤维密度未知的各种纤维(包 括无髓羊毛，有髓羊毛及其他各种兽毛、短麻和各种 化纤)，用气流法测定有髓毛的细度以及密度未知的 其它各种纤维的细度是纺织试验中长期以来渴望解 决的问题，本发明解决了这个长期以来渴望解决的问 题。

Description

本发明涉及的是纺织材料试验方法，具体的讲，它是一种纺织纤维细度的试验方法，用气流法测定有髓毛的细度以及使气流法测定纤维细度有广泛的适用范围是纺织试验中长期以来渴望解决的问题，本发明解决了这个长期以来渴望解决的问题。

用气流法测定纤维细度有很多优点，它操作简单，费用低，速度快，并具有较好的准确度和精密度，现在大都采用一次压缩气流法，如ISO2403《棉纤维micronaire值的测定》，ISO1136，GB11603《羊毛纤维平均直径测定法-气流法》。纤维样品经开松，清洁，调湿后，从中称取指定质量的试样放入圆筒中。插入压缩活塞，把试样压缩至一固定体积，形成一纤维塞。测量纤维塞的透气性或对气流的阻力，即流阻。仪器用已知细度的标准样品标定，用回归分析法求得透气性（或流阻）与细度的标定曲线。试验时根据标定曲线由被测纤维塞的透气性（或流阻）推算被测纤维的细度。在纤维塞的质量和体积相同的条件下，纤维密度较小的试样，纤维的体积较大，纤维塞的空隙率较小，流阻较大，气流仪读数将偏细。因此ISO1136指出，一次压缩气流不适用于有明显毛髓的羊毛;GB11603《羊毛纤维平均直径测定法气流法》规定“适用于同质绵羊毛”，“不适用于异质绵羊毛纤维，用于有髓羊毛，羔羊毛纤维的测量结果有偏差”。

常州纺织仪器厂的化纤气流仪对几种具有确定的纤维密度，普通截面形状的化纤分别进行标定，求得各自的标定曲线，用来测定这几种化纤的细度。

新西兰羊毛研究所的C.J.Van Luijk为了克服一次压缩气流法不能测定有髓毛纤维细度的缺点，探索用两次压缩气流法测定有髓毛的纤维直径。羊毛样品处理成开松、清洁、无规则取向状态：称取2.5g试样放入试样园筒中。用三种不同长度的压缩活塞插入试样园筒，把试样轴向压缩成三种不的同的体积，气流通过试样，控制试样两端的压力降，不读出通过试样的流量，而读出转子流量计转子的高度。三种压缩状态下2.5g试样的纤维塞密度和试样两端的压力降分别为：短压缩活塞，纤维塞密度0.2377g/cm³，压力降120mmH2O;标准压缩活塞，纤维塞密度0.3026g/cm³，压力降180mmH2O;长压缩活塞，纤维塞密度0.3994g/cm³压力降330mmH2O。

用8种纤维直径已知的标准毛条标定仪器为了求得纤维体积变化与气流之间的关系，标定中特地改变试样质量，各取2.4，2.5，2.6，2.7g，代表纤维密度不同的羊毛。各试样在三种不同压缩状态下分别测定转子高度y。以纤维直径d和试样质量M′为自变量，以转子高度y为因变量，用几种不同的处理方法求得几组多元非线性回归方程。

试验结果表明，该两次压缩气流法由联立方程解出的1/M可以反映毛髓大小。但该两次压缩气流法由联立方程解出的纤维直径与一次压缩气流法求得的纤维直径很接近，并不更准确;对有髓毛纤维直径的试验结果尚不能消除因毛髓使纤维密度变小而造成的误差。

ISO2370《纺织材料-亚麻纤维细度测定-透气仪法》中列出标准法（径向两次压缩气流法）和简化法（一次压缩气流法）。

本发明的目的是提供一种纺织纤维的试验方法，具体的讲是一种纤维细度的试验方法，它把气流测定纤维细度的方法扩展到纤维密度末知的各种纤维（包括无髓羊毛有髓羊毛及其他各种兽毛，短麻和各种化纤）。

为了完成上述目的，本发明提出气流沿着与纤维外接的流线型体（如截面呈园形，椭圆形，卵形等）表面流动的新模型。据此修改了纤维比表面积，纤维表现密度，纤维表观截面积，纤维圆度等纤维性状的定义，在这基础上，通过对实验资料反复计算，建立了普遍适用于截面形状不同，表面无鳞片层的各种纤维的纤维塞的流阻的一般方程。此外并改进了羊毛的流阻方程，建立了因鳞片的结构不同而具有不同表面粗糙度的其他兽毛的流阻方程。

纤维塞的流阻用下面函数形式表示

$\mathrm{R\; =}\frac{\mathrm{△\; P}}{Q}\mathrm{=\; C}\frac{{\mathrm{\mu \; L\; S}}^2{}_0}{A}·\frac{{\mathrm{(\; l\; -\; \epsilon \; )}}^a}{{\epsilon }^b}\mathrm{=\; C}\frac{{\mathrm{\mu \; L\; S}}^2{}_0}{A}·\frac{{\mathrm{(\; m/p}}_o{\mathrm{A\; L\; )}}^a}{{\mathrm{(\; 1\; -\; m/\; p}}_o{\mathrm{A\; L)}}^b}$

式中：R为纤维塞的流阻;

△p    为纤维塞两端的压力差;

Q    为通过纤维塞的空气流量;

μ    为空气粘度;

S    为纤维比表面积，即纤维表面积对纤维体积之比，对表面有沟槽的纤维修改定义为包含纤维和表面沟槽并与纤维外接的流线型体的表面积对流线型体的体积之比;

L    为纤维塞的长度;

A    为纤维塞的横截面积;

ε    为纤维塞的空隙率，修改定义为未被纤维外接流线型体占有的空间对纤维塞体积之比;

ε＝1-m/ρ_oAL;

m    为纤维塞中纤维的质量;

ρ_o修改定义为纤维外接流线型体的密度，可称为纤维表现密度，下标“。”表示“流线型体的”。

b    a    c

表面无鳞片层的各种纤维    4    1.45    1.68

羊毛纤维    4.4    1.32    1.40

纤维表面鳞片的蓬松程度不同，因而表面粗糙度不同的其他兽毛，可以在下表中找到适当的指数a，b和系数c_o系数c可能因计量误差而有些差异。

表面粗糙度    a    b    c

A(表面无鳞片层纤维)    4.0    1.45    1.68

B    4.1    1.424    1.62

C    4.2    1.398    1.56

D    4.3    1.372    1.50

E    4.4    1.346    1.45

F羊毛    4.5    1.32    1.40

G    4.6    1.294    1.35

H    4.7    1.268    1.30

I    4.8    1.242    1.25

J    4.9    1.216    1.20

本发明所述的两次压缩气流法测定纤维细度的试验程度包括：试验条件是温度20℃相对湿度65%，将纤维处理成松散、清洁、无规则取向的试验样品，调湿后称取指定质量（表观密度大于1g/cm³时试样质量为4g，当表观密度小于1g/cm³时试样质量为3g）的试样，放入试样圆筒中。插入压缩活塞，把试样轴向压缩到指定长度L_L形成松纤维塞，测定松纤维塞的流阻，R_L＝△P_L/Q_L;把试样再进一步轴向压缩到指定长度LH，形成紧纤维塞，测定紧纤维塞的流阻，R_H＝△P_H/Q_H。Q为通过纤维塞的空气流量，△P为纤维塞两端的压力差，由R_L/R_H计算纤维表观密度;由R_L和R_L/R_H计算纤维细度。下标L表示松纤维塞，H表示紧纤维塞。

$P_0=\frac{m}{\mathrm{ALL}}\·\frac{[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)/b}{[1-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b]}$

把ρ_o代入流阻方程求得纤维比表面积方程：

$\frac{1}{{S_0}^2}=\frac{\mathrm{c\μLL}}{\mathrm{ARL}}\·[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-1]-b[1-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b]a$ $\·[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b](b-a)$

本发明所述的试验方法所采用的仪器由试样圆筒和压缩活塞（A），过滤器（B），转子流量计（C），调节阀（D），液体压力计和挡水瓶（E），压力传感器（F）等部件组成。试样放在试样圆筒内，插入压缩活塞，由上下两块多孔板把试样压缩到指定的大体积和小体积，形成松纤维塞和紧纤维塞，空气通过试样圆筒中的纤维塞（A），过滤器（B），转子流量计（C），调节阀（D），被吸入抽气泵。用转子流量计测量通过纤维塞的流量，用液体压力计测量纤维塞两端的压力差。推荐松纤维塞与紧纤维塞密度之比为1∶2。在测量松纤维塞的流阻RL时流量QL固定在较大值，测量试样两端压力差△PL。在测量紧纤维塞的流阻RH时流量固定在较小值QH，测量试样两端的压力差△PH。

为本发明所述的试验方法设计的专用试验仪器有图1所示的结构。它主要由以下部分组成：

A-试样圆筒及压缩活塞，它们的端面都由多孔板构成，可通气流。压缩活塞插入试样圆筒，二者配合起来把试样压缩至两种指定的长度，压缩活塞插入试样圆筒后的位置固定，试样圆筒则由装在手动控制轴上的压缩凸轮控制升降及定位;或由气动气缸控制升降及定位。

B-由透明的外壳和金属筛网组成的空气过滤器，气流通过试样圆筒后，经空气过滤器过滤，再进入转子流量计，防止转子上积灰尘。

C-锥形玻璃管转子流量计，棉型和毛型采用不同的规格。

D-流量控制装置，气流通过转子流量计后，通过三通及与三通相连接的两个并联的针形调节阀之一，再通过二位三通换向阀，进入抽气泵，两个调节阀中的一个把流量控制在QL，另一个把流量控制在QH，可由凸轮或电磁阀控制换向。流量的微小偏差则由针形调节阀微调。

E-液体压力计和挡水瓶，液体压力计经挡水瓶与试样筒底座相连，测量气流通过纤维塞的压力差，一旦压力差超过最高值，水被吸出，并不进入试样筒底座，而是停留在挡水瓶中。

F-压力传感器，与液体压力计并联，在测量前以液体压力计为标准，精密校准压力传感器的若干点，分段调整各段的斜率，试验时由压力传感器将测量结果输入计算机。

除了上述部件外，还有计算机，校准压力传感器的测量结果，按人工输入的大气温度和压力进行修正，再根据纤维类型选择适用的计算式，结合输入的各项参数进行运算，并打印输出;以及抽气泵。

IIC-Shirly细度/成熟度试验仪用恒流调节器自动控制流量，用压力传感器自动测量压力差，但实践表明恒流调节阀并不能精密地控制流量在指定值，而压力传感器的测量结果的准确度（包括线性度）也比液体压力计差，致使台与台之间的差异较大。

为使用本发明而设计的专用试验仪器，将压力传感器与液体压力计并联，以液体压力计为标准精密校准压力传感器试验时电压力传感器自动测量，二者结合，取长补短，既可以提高测量结果的准确度和精密度，又可以自动测量，并输入计算机。

现有的采用液体压力计的气流式纤维细度仪都没有挡水瓶，如果操作不小心把调节阀开得太大，将使压力差超过最高值，水被吸出液体压力计，进入试样筒底座，甚至进入转子流量计中。本发明设计的专用试验仪器，加个挡水瓶，一旦水被吸出，将停留在挡水瓶中。

由比表面积可以得到下列数据：

d²(1+cv²)²= 16/(S_o ²)

a_o= (4 π)/(θ_oS_o ²)

H = (4 πρ_o)/(θ_oS_o ²)

式中：θ_o为纤维外接流线型体的圆度，定义为纤维外接流线型体截面积a_o对圆周长与外接流线型体的周长P_o相等的圆面积P² _o/4π之比;

a_o为纤维外接流线型体的截面积，可称为纤维表观截面积;

H为纤维线密度;

d为纤维平均直径;

cv为纤维直径变异系数。

圆形截面的θ_o＝1，非圆形截面的θ_o＜1，θ_o可由测量纤维截面的外接流线型体的截面积和周长，再用公式θ_o＝4πa_o/p2算出，或者通过两次压缩气流法，切断称重法对比试验确定。θ等于两次压缩气流法设θ_o＝1的线密度与切断称重法线密度之比。

上述方程中已经消去了纤维塞空隙率或纤维表现密度这变量，困此可以计算纤维表现密度末知的各种纤维，如有髓毛，中空纤维及其他异形纤维的细度。

一次压缩气流法只能测定棉花的micronaire值及已经标定的具有确定的纤维密度，普通截面形状的纤维;不能测定纤维密度较小、有明显毛髓的羊毛;也不能测定末经标定的其他纤维以及异形纤维。

E.Lord建立的纤维塞空隙率与流阻的经验方程对不同截面形状的纤维有不同的α值。应用时必须知道与该纤维的截面形状相应的α值，这往往是有困难的。

本发明建立在下述基础上：把截面形状不同的表面无鳞片层的各种纤维的纤维塞的流阻的实验数据综合成一普遍适用的一般方程;在上述一般方程和羊毛方程的基础上建立了一组表面粗糙度不同的各种兽毛的纤维塞的流阻方程。这样就使得本发明的试验方法的适用范围几乎包括了所有的纺织纤维。

然后在上述方程的基础上，建立了用轴向两次压缩气流法测各种纤维的表观密度，比表面积，表观截面积，平均直径线密度的方程，对轴向两次压缩气流法建立了一套完整的测定方法。

本发明的轴向两次压缩气流法具有突出的实质性特点，表现在把空隙率由未知变成已知，因而可以用来测定纤维密度末知的各种纺织纤维的细度。不仅可以测定无髓羊毛，而且可以测定有髓羊毛及其他各种兽毛和短麻;不但可以测定普通截面形状的化纤，而且在已知截面圆度的条件下还可以测定异形纤维。可见本发明与现有技术相比具有显著进步，有突出的技术效果，克服了上面指出的现有技术中存在的缺点和不足。

Claims (10)

1、一种用轴向两次压缩气流法测定纺织纤维细度的试验方法，其特征在于将纤维处理成松散、清洁、无规则取向的试验样品，调湿后称取指定质量的试样，放入试样圆筒中，插入压缩活塞，把试样轴向压缩到指定长度L_L形成松纤维塞，测定松纤维塞的流阻(R_L=△P_L/Q_L)；把试样再进一步轴向压缩到指定长度L_H，形成紧纤维塞，测定紧纤维塞的流阻(R_H=△P_H/Q_H)，两次测定的流阻R_L和R_H由计算机按特定方式给出纤维表观密度，纤维的比表面积，纤维的平均直径，纤维的线密度和纤维的表观截面积。

2、权利要求1所述的试验方法，其特征在于当纤维的表面密度大于1g/cm³时，试样质量为4g。

3、权利要求1所述的试验方法，其特征在于当表观密度小于1g/cm³时试样质量为3g。

4、权利要求1所述的试验方法，其特征在于本发明所述的两次压缩气流法测定纤维细度的试验条件是温度20℃，相对湿度65%。

5、权利要求1所述的试验方法，其特征在于将压力传感器与液体压力计并联，以液体压力计为标准精密校准压力传感器，试验时电压力传感器自动测量，并将结果输入计算机。

6、权利要求1所述的试验方法，其特征在于计算机按特定方式给出纤维表观密度，所述的特定方式为：

$P_0=\frac{m}{\mathrm{ALL}}\·\frac{[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b}{[1-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b]}$

7、权利要求1所述的试验方法，其特征在于计算机按特定方式给出纤维的比表面积，所述的特定方式为：

$\frac{1}{{S_0}^2}=\frac{\mathrm{c\μLL}}{\mathrm{ARL}}\·[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-1]-b[1-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b\left(\frac{\mathrm{RL}}{\mathrm{RH}}\right)1/b]a$ $\·[\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)-\left(\frac{\mathrm{LL}}{\mathrm{LH}}\right)(a-1)/b](b-a)$

8、权利要求1所述的试验方法，其特征在于计算机按特定方式给出纤维的平均直径，所述的特定方式为：

$d^2\mathrm{(\; 1\; +\; c\; v}{}^2){}^2=\frac{\mathrm{16}}{S_O{}^2}$

9、权利要求1所述的试验方法，其特征在于计算机按特定方式给出纤维的表观截面积，所述的特定方式为：

$H=\frac{4{\mathrm{\π\ρ}}_0}{{\mathrm{\θ}}_0{S_0}^2}$

10、权利要求1所述的试验方法，其特征在于计算机按特定方式给出纤维的线密度，所述的特定方式为：

$\mathrm{H\; =}\frac{{\mathrm{4\; \pi \; \rho }}_O}{{\theta }_O{S}_O{}^2}$