侯真威 熊 明 章松發(fā) 吳雄英 丁雪梅

（1. 東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海，200051；2. 東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200051；3. 無(wú)錫小天鵝電器有限公司，江蘇無(wú)錫，214028；4. 上海海關(guān)，上海，200135）

日常生活中，污漬隨處可見(jiàn)，種類繁多，分類方式也不盡相同[1]，主要包括：（1）根據(jù)來(lái)源可分為生活、環(huán)境、人體等污漬；（2）根據(jù)形態(tài)可分為干性、濕性、硬性和色性等污漬；（3）根據(jù)污漬屬性可分為水溶性、油溶性、固體、微生物等污漬；（4）根據(jù)化學(xué)性質(zhì)可分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物等污漬[2-5]?；谝陨戏诸悩?biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們研究點(diǎn)也截然不同，有根據(jù)污漬性質(zhì)進(jìn)行污漬洗滌，對(duì)洗凈率及污漬等級(jí)評(píng)價(jià)方面的研究；也有根據(jù)污漬形態(tài)，利用液態(tài)污漬擴(kuò)散潤(rùn)濕原理，將其運(yùn)用到防水、采礦、涂飾等領(lǐng)域的研究[6-7]?？梢?jiàn)，污漬研究成果已大量運(yùn)用于實(shí)際生活中。

生活中衣物污漬主要是固體污漬黏附于衣物上，存在于衣物纖維表面及間隙，表現(xiàn)出無(wú)連貫性、無(wú)延伸性和無(wú)吸收性，或是液體污漬接觸衣服時(shí)發(fā)生浸潤(rùn)和擴(kuò)散留下的痕跡，影響服裝的美觀以及可穿著性。相對(duì)固體污漬而言，液體污漬接觸衣服是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，包括濕潤(rùn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)、毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)等，而污漬最終成形大多與物資及基材的物化屬性息息相關(guān)，比如污漬自身性能、織物吸附、摩擦效應(yīng)等因素均會(huì)對(duì)污漬潤(rùn)濕擴(kuò)散有所影響，進(jìn)而影響污漬斑形貌。

然而，對(duì)不同污漬在衣物上的形成過(guò)程和規(guī)律研究甚少，本文選擇物化屬性不同的去離子水和花生油，利用掃描電鏡觀察纖維表面結(jié)構(gòu)，接觸角測(cè)試污漬浸潤(rùn)過(guò)程，高速攝像系統(tǒng)記錄不同污漬擴(kuò)散時(shí)間與距離的關(guān)系，研究不同液態(tài)污漬在棉織物上的潤(rùn)濕擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特征，為不同污漬在棉織物上擴(kuò)散成形研究提供理論依據(jù)，為污漬分類提供新的分類思路，同時(shí)，根據(jù)形狀差異特征進(jìn)行污漬分類，進(jìn)而可將計(jì)算機(jī)分析技術(shù)運(yùn)用到污漬種類識(shí)別中，為突破污漬識(shí)別技術(shù)瓶頸提供借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑與材料

試劑：去離子水（模擬水溶性污漬），自制，表面張力72×10-3N/m，黏度1×10-3Pa·s；花生油（代表油溶性污漬），山東魯能集團(tuán)有限公司，表面張力35×10-3N/m，黏度65×10-3Pa·s。

材料：參見(jiàn)IEC 60456-2010[8]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行織物參數(shù)選擇，浙江三元集團(tuán)控股有限公司制造，見(jiàn)表1。

1.2 儀器

Phenom-ProX型掃描電子顯微鏡，荷蘭飛納電鏡公司；LCK-800型紡織品毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試儀，山東紡織研究院；SDC-80型接觸角測(cè)試儀，昆山訊采儀器科技有限公司；P30型華為手機(jī)（動(dòng)力學(xué)特征模擬視頻拍攝）及云臺(tái)三腳架（固定手機(jī)）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 掃描電鏡分析

實(shí)驗(yàn)樣品織物用雙面膠固定于樣品臺(tái)上，噴金后經(jīng)發(fā)射的離子束微觀使得織物表面微觀成像，用Phenom-ProX型掃描電子顯微鏡觀察棉織物沾污前后的表面形態(tài)。

1.3.2 毛細(xì)效應(yīng)分析

按照FZ/T 01071—2008[9]。進(jìn)行織物試樣經(jīng)預(yù)洗、平衡后，裁剪大小為25 cm×3 cm，經(jīng)緯方向各三塊，保證織物左、中、右等區(qū)域各取一塊，記錄織物經(jīng)緯方向在水液滴和油液滴的毛細(xì)高度。實(shí)驗(yàn)溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（65±3）%。計(jì)算公式：

表1 實(shí)驗(yàn)織物參數(shù)信息表

式中：i=1、2、3……n；H：試樣的平均毛細(xì)效應(yīng)，cm/30 min； ∑hi：各測(cè)試條上升的總高度，cm；n：試樣條數(shù)。

1.3.3 接觸角分析

接觸角大小可將液滴潤(rùn)濕狀態(tài)分為：浸濕（0°＜θ≤90°）、沾濕（90°＜θ≤180°）、鋪展（θ≤0°或不存在的情況）3個(gè)狀態(tài)[10-11]。采用SDC-80型接觸角測(cè)試儀表征水液滴和油液滴在棉織物上的接觸角動(dòng)態(tài)變化，一般接觸角越小，織物潤(rùn)濕速率越高，潤(rùn)濕效應(yīng)越佳。實(shí)驗(yàn)溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（65±3）%。接觸角可由Young[12-13]方程算得：

式中：YSV表示固氣界面的張力；YSl表示固液界面的張力；Ylv表示液氣界面的張力。

1.3.4 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特征分析

擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)是指液體潤(rùn)濕過(guò)程中，液體逐漸與固體相接觸，液態(tài)替代氣態(tài)過(guò)程中伴隨能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)也稱為濕潤(rùn)動(dòng)力學(xué)。擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，用繡花繃固定已作好標(biāo)尺的基布放置于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，注射器離基布約5 cm高度進(jìn)行注射（液滴體積為0.05 mL），三角架固定的視頻采集器（華為P30手機(jī)，參數(shù)設(shè)置為30 fps）記錄液滴下落與基布接觸到液滴完全潤(rùn)濕的全過(guò)程。圖片導(dǎo)出：Pr軟件；數(shù)據(jù)計(jì)算：Image J軟件。根據(jù)計(jì)算水液滴和油液滴在棉織物上擴(kuò)散距離（長(zhǎng)軸和短軸）及面積，可分析液滴自身性質(zhì)、織物參數(shù)和自身性能等因素對(duì)污漬擴(kuò)散成形規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)室溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（65±3）%。

圖1 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)采集裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 棉織物沾污前后表面形態(tài)表征

棉織物沾染油污前后表面形態(tài)見(jiàn)圖2，分析棉織物自身微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)污漬吸附的情況。

圖2 棉織物沾污前后表面形態(tài)

由圖2表征可得，沾污前，棉纖維表面形態(tài)存在天然轉(zhuǎn)曲的凹槽（見(jiàn)圖c），纖維長(zhǎng)度屬于短纖維系列，纖維直徑大小不一（見(jiàn)圖a），均勻程度較差；從截面形態(tài)看，棉纖維呈現(xiàn)腰圓形截面，纖維間存在間隙（見(jiàn)圖e），這為棉纖維吸附液體提供了存儲(chǔ)空間，同時(shí)也是棉纖維保暖性較佳的重要原因。沾污后，污漬沾染于棉纖維上，棉纖維間存在污漬（見(jiàn)圖b），凹槽吸附了大量的污漬（見(jiàn)圖d）；而從橫截面看，少部分污漬存在于棉纖維間隙（見(jiàn)圖f）。由此可知，棉纖維對(duì)污漬吸附是纖維內(nèi)和纖維間共同吸附的結(jié)果，且棉纖維凹槽起著重要的作用，同時(shí)，棉纖維存在大量的羥基與羧基等親水基團(tuán)，對(duì)液態(tài)污漬特別是水溶性污漬，具有非常強(qiáng)的吸附能力。綜上，棉纖維對(duì)液態(tài)污漬的吸附能力較強(qiáng)，液態(tài)污漬存在纖維間吸附，且伴隨著大量的凹槽吸附。

2.2 毛細(xì)效應(yīng)表征

通過(guò)棉織物在水液體和油液體毛細(xì)表征，計(jì)算各時(shí)刻經(jīng)緯方向毛細(xì)高度（速率），如圖3所示。

圖3 各時(shí)刻液態(tài)水和油在棉織物上的芯吸高度（速率）

織物毛細(xì)效應(yīng)是纖維毛細(xì)空隙在固-液-氣三相界面下侵入液體中，引起液面彎曲，液體內(nèi)聚力小于液體與固體間附著力，從而引起液體隨著毛細(xì)管道運(yùn)輸傳遞[14]。纖維管道越多，纖維細(xì)度越細(xì)，毛細(xì)效應(yīng)越大，反之亦然[15-16]。由圖3可見(jiàn)，液態(tài)水和液態(tài)油在棉織物上垂直傳遞經(jīng)向芯吸高度均大于緯向毛細(xì)高度，這是由于棉織物經(jīng)緯密度不同導(dǎo)致的，經(jīng)向纖維密度遠(yuǎn)高于緯向密度，液態(tài)傳遞速率高，經(jīng)緯毛細(xì)高度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致液態(tài)在棉織物上擴(kuò)散規(guī)律的形成，加上液體擴(kuò)散時(shí)，濕潤(rùn)動(dòng)力學(xué)和流體剪應(yīng)力的影響，液體達(dá)到完全潤(rùn)濕時(shí)會(huì)在織物上出現(xiàn)一個(gè)較為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形狀，且含有色素溶質(zhì)類污漬，由此會(huì)留下明顯的濕潤(rùn)暈圈效果。棉織物在30 min時(shí)水液體中經(jīng)緯毛細(xì)高度差（約1.8 cm）大于油液體中經(jīng)緯毛細(xì)高度差（約為0.2 cm），這是由于：（1）油液態(tài)相較于水液態(tài)密度小，從而表面張力小，導(dǎo)致固體織物與液態(tài)油界面形成凹面，壓強(qiáng)小，油液體對(duì)沿著管壁上升施加的壓力也較小，進(jìn)而油液體對(duì)織物向上拉力隨之變小，造成油液態(tài)下的毛細(xì)效應(yīng)不易發(fā)生；（2）油液體黏度遠(yuǎn)大于水液體黏度，黏度較大，流動(dòng)性較差，傳遞效果不佳，造成上升速率存在明顯差異化；（3）微觀角度看，棉織物棉纖維分子屬于極性分子，而水分子屬于極性分子，油分子屬于非極性分子，從相似相溶的角度可得出水液體和棉織物相溶，油液體和棉織物不相溶，導(dǎo)致經(jīng)緯毛細(xì)力不能更好凸顯?；谝陨显?，導(dǎo)致織物經(jīng)緯方向在水液態(tài)毛細(xì)效應(yīng)高度差相差較大，而在油液態(tài)中相差較小，且水液態(tài)經(jīng)緯方向芯吸效應(yīng)強(qiáng)于油液態(tài)，進(jìn)而水液體成形圓形度低于油液體。由此，經(jīng)計(jì)算，水液體形成長(zhǎng)短軸數(shù)值偏心率為0.58，油液體長(zhǎng)短軸數(shù)值偏心率為0.16，偏心率越接近0，圓形度越高。液體毛細(xì)效應(yīng)可分為兩個(gè)階段：第一階段，1 min內(nèi)棉織物快速吸收液體，快速上升，這和織物特殊微觀結(jié)構(gòu)和吸附方式有關(guān)（2.1節(jié)表征結(jié)果），是毛細(xì)速率急速加強(qiáng)的階段；第二階段，由織物凹槽吸附大量的液體，隨著時(shí)間推移液體重力不斷增加，加大了上升阻力，導(dǎo)致毛細(xì)速率降低，直到10 min后，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

綜上，不同污漬成形規(guī)律主要是因棉織物經(jīng)緯密度不同導(dǎo)致擴(kuò)散長(zhǎng)短距離不一，即相同體積下經(jīng)向密度越高，液體擴(kuò)散距離越大，反之亦然，且棉織物擴(kuò)散方式以纖維間擴(kuò)散為主，伴隨凹槽吸附，見(jiàn)示意圖4所示。加上濕潤(rùn)動(dòng)力學(xué)和剪應(yīng)力緣故形成橢圓形，且水溶性和油溶性等不同屬性類污漬自身黏度影響毛細(xì)效應(yīng)，從而污漬成形圓形度（偏心率）不同。

圖4 液體在棉織物上經(jīng)緯方向擴(kuò)散距離及方式

2.3 動(dòng)態(tài)接觸角表征

水液滴和油液滴在棉織物上動(dòng)態(tài)接觸角變化表征如圖5、6所示，水液滴在棉織物達(dá)到完全潤(rùn)濕的時(shí)間為200 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油液滴的2000 ms。這是因?yàn)橐旱巫陨硇再|(zhì)決定的，油液體黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水液體，液體在棉織物上擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)克服黏度力、慣性力、摩擦力，黏度越大，速率越慢，導(dǎo)致油液滴在棉織物上擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，同時(shí)棉織物存在大量的羥基和羧基等親水基團(tuán)，吸水能力強(qiáng)，也是水液滴在棉織物上快速擴(kuò)散直到完全潤(rùn)濕狀態(tài)的重要因素。

圖5 不同液滴在棉織物上擴(kuò)散過(guò)程

圖6 液滴在棉織物上鋪展接觸角變化圖

水液滴和油液滴剛和織物接觸時(shí)，接觸角均小于90°，可見(jiàn)液體在棉織物上是沾濕狀態(tài)。從接觸角的變化趨勢(shì)看，隨著時(shí)間的推移，接觸角逐漸減小，最終達(dá)到完全鋪展?fàn)顟B(tài)。從圖6斜率上看，剛開(kāi)始油液滴單位時(shí)間內(nèi)接觸角變化的斜率略高于水液滴，這是因?yàn)樗旱伪砻鎻埩Υ?，根?jù)Young式方程，液滴剛與織物接觸時(shí)表面能較小，液滴不易發(fā)生潤(rùn)濕現(xiàn)象。但隨著時(shí)間的推移，液滴逐漸進(jìn)入潤(rùn)濕第二階段，液滴動(dòng)能克服液滴本身與織物接觸面間的黏度力、慣性力、表面張力、剪應(yīng)力和摩擦力，直到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，完全鋪展。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，油液滴在棉織物上鋪展趨勢(shì)符合指數(shù)二次衰減函數(shù)，且擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.98。

綜上，隨時(shí)間推移液體接觸角變化趨勢(shì)可得：污漬自身物化屬性，包括液滴表面張力、黏度大小等因素在棉織物潤(rùn)濕過(guò)程中起著重要的作用。同理，不同污漬類別下擴(kuò)散規(guī)律、成形狀態(tài)與污漬屬性息息相關(guān)，即相同固體基布條件下，黏度較小的水溶性污漬相比黏度高的油溶性污漬，會(huì)更快擴(kuò)散成形，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2.4 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特征

液滴在棉織物上的擴(kuò)散過(guò)程如圖7所示。利用Image J 軟件對(duì)液滴擴(kuò)散過(guò)程中長(zhǎng)短軸進(jìn)行計(jì)算。

2.4.1 液體在棉織物上擴(kuò)散距離

圖7 液滴在棉織物上的擴(kuò)散過(guò)程

由圖8所得，水液滴在棉織物擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡的時(shí)間為60 s，而油液滴達(dá)到平衡時(shí)間為120 s，由上節(jié)接觸角表征可得，這是因?yàn)橐旱勿ざ炔煌瑢?dǎo)致液滴擴(kuò)散速率出現(xiàn)差異；由于經(jīng)緯密度不同，液滴在經(jīng)緯方向上擴(kuò)散距離不同，導(dǎo)致液滴在棉織物擴(kuò)散最終的經(jīng)向長(zhǎng)度大于緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度，而不是呈現(xiàn)各向異性的線性擴(kuò)散，根據(jù)前節(jié)毛細(xì)效應(yīng)表征結(jié)果，液滴擴(kuò)散成形規(guī)律與其表征結(jié)論一致，即長(zhǎng)短軸距離差導(dǎo)致水液體成形規(guī)律圓形度低，而油液滴成形規(guī)律圓形度較高。經(jīng)計(jì)算擬合，水液滴和油液滴在棉織物上的長(zhǎng)短軸擴(kuò)散距離和時(shí)間符合對(duì)數(shù)函數(shù)，且水液滴和油液滴長(zhǎng)短軸擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2分別為：0.9887，0.9895，0.9908，0.9568。

圖8 液滴在棉織物上擴(kuò)散距離與時(shí)間的關(guān)系

從圖8液滴擴(kuò)散趨勢(shì)可知，液滴擴(kuò)散分為兩個(gè)階段：對(duì)水液滴而言，第一階段為液滴接觸織物時(shí)快速擴(kuò)散過(guò)程，水液滴大約在0.5 s時(shí)候，液滴擴(kuò)散距離已經(jīng)接近總體的60%左右；第二階段為液體擴(kuò)散速率減慢，大概5 s時(shí)，液滴擴(kuò)散距離達(dá)到總體的80%左右，逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡階段。對(duì)油液滴而言，大概在2 s時(shí)擴(kuò)散距離達(dá)到總體的60%，但擴(kuò)散趨勢(shì)依然為兩個(gè)階段，現(xiàn)象明顯。與前節(jié)接觸角表征結(jié)果一致，由此可推出：這是因?yàn)橐旱蜗侣溥^(guò)程重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（忽略空氣阻力作用），液滴前期擴(kuò)散速率較快造成的，而隨著時(shí)間地延長(zhǎng)，液滴擴(kuò)散需要克服黏度力、表面張力、慣性力、剪應(yīng)力和摩擦力[12,17-19]等，導(dǎo)致速率減慢，直到動(dòng)態(tài)平衡，不再擴(kuò)散。

2.4.2 液體在棉織物上擴(kuò)散面積影響分析

液滴擴(kuò)散速率和液滴的表面張力有關(guān)，表面張力越大，接觸角會(huì)越小，達(dá)到鋪展?fàn)顟B(tài)越快，液滴擴(kuò)散速率也就更快，由此，圖9探究了液滴擴(kuò)散面積和時(shí)間的關(guān)系，當(dāng)液體達(dá)到擴(kuò)散平衡時(shí)，面積約為550 mm2，可見(jiàn)表面張力越大，且黏度越小的液體，在棉織物上擴(kuò)散面積會(huì)更大，油液滴平衡時(shí)約為250 mm2；且液滴擴(kuò)散占最終平衡時(shí)間的20%～30%時(shí)，液體擴(kuò)散的面積已占總面積80%～90%之間，可見(jiàn)液滴快速擴(kuò)散階段主要還是集中在前期。經(jīng)擬合，水液滴和油液滴在棉織物上擴(kuò)散面積和時(shí)間的曲線符合log對(duì)數(shù)函數(shù)分布（見(jiàn)圖9擬合曲線），且曲線相關(guān)系數(shù)R2依次為：0.9926和0.9090。

綜上，液滴在棉織物上的擴(kuò)散面積主要受到液滴表面張力和黏度的影響，同理，即相同體積下，和油溶性污漬相比，表面張力大且黏度小的水溶性污漬擴(kuò)散面積較大，且擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)受到動(dòng)能、勢(shì)能、表面能、潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)等能量和動(dòng)力學(xué)的影響，且影響效果顯著。

圖9 液滴在織物上擴(kuò)散面積與時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）棉織物存在凹槽，截面呈腰圓形，對(duì)液態(tài)污漬吸附能力較強(qiáng)，且液態(tài)污漬在棉織物上的擴(kuò)散方式以纖維間擴(kuò)散為主，凹槽吸附大量污漬。

（2）液滴在棉織物擴(kuò)散距離經(jīng)向大于緯向，水液滴經(jīng)緯擴(kuò)散距離差大于油液滴經(jīng)緯擴(kuò)散距離差，即水液體模擬水溶性污漬呈橢圓形，圓形度較低（偏心率向1靠近）；油液滴代表的油溶性污漬成形圓形度較高（偏心率接近0）。

（3）水液滴和油液滴接觸角均小于90°，棉具有親水親油的特性，液體污漬表面張力越大，會(huì)加快鋪展時(shí)間，黏度越大，污漬達(dá)到鋪展動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間越長(zhǎng)；同時(shí)，液滴擴(kuò)散會(huì)受到液滴自身性質(zhì)（表面張力和黏度為主）、織物性能、織物經(jīng)緯密度、組織結(jié)構(gòu)等因素的影響，水液滴和油液滴表面張力越大，黏度越小，達(dá)到擴(kuò)散動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間越小，相同體積下擴(kuò)散面積越大，且液滴擴(kuò)散距離和面積與時(shí)間關(guān)系趨勢(shì)符合log對(duì)數(shù)函數(shù)分布，擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90。

（4）擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特征分為兩個(gè)階段：第一階段為液滴快速擴(kuò)散階段；第二階段為液滴速率逐漸減慢直到擴(kuò)散動(dòng)態(tài)平衡階段，且液滴自身屬性、織物性能和經(jīng)緯密度共同影響液滴擴(kuò)散和成形。