百年纺织之十：无序中的有序
2023年11月4日 星期六

       非织造布是一种由纤维、长丝和任何质地和来源的短切纱线，通过除机织和针织以外的任何形式成网和粘结而成的片状物。大家日常生活中常遇到的口罩就是非织造布产品。

       纤维集合体中最无序的种类是非织造布，最有序的是平行排列无捻长丝纱。如何在无序的非织造布结构发现有序的结构、如何用有序的结构性质反演无序的结构性质，一直是非织造布制造技术和物理性质研究的主要路径。
        自从1950初非织造布开始工业化制造以来，非织造布的制造技术、产品种类、制造效率、实际应用等都得到巨大发展。回顾非织造布发展过程，其中关于结构与性能（用现在流行语称为“构效关系”）一直是关注的焦点。在非织造布早期研究中，尤其是针刺非织造布、化学黏合非织造布、纺粘非织造布，英国曼彻斯特理工学院的Hearle（小赫）是一座无法绕开的高峰。

       非织造布结构力学研究历史起始于H.L.Cox[1]。随后美国麻省理工学院Backer和 Petterson[2]提出纤维网理论，根据纤维的取向、拉伸性能来估算非织造布的拉伸性能，其中假设两粘结点之间的纤维片段为直线，也就是用有序结构近似无序结构。

       在二十世纪60年代，在非织造布工业十年发展之后，出现一个研究制备技术、结构和力学性质的高峰，Hearle就是高峰的构筑者，这也是Hearle科技创新力的颠覆时期。他领导团队在1963年5月至1969年3月，以“Nonwoven Fabric Studies”为主题在美国出版的纺织旗舰期刊TRJ（Textile Research Journal）上连续刊登17篇论文[3,4]，详细研究化学黏合、热黏合非织造布生产工艺、各种类型粘结状态和结构、受力变形性质，尤其是纤维的卷曲状态和取向特征对非织造布结构变形的影响。

       而与此同时，Hearle还开辟新战场，在国际纺织学会会刊JTI上以7篇论文[5-7]详细研究针刺非织造布制备工艺、针刺结构、非织造布内部纤维纠缠、滑移、摩擦等因素对非织造布性质的影响规律。化学黏合、热黏合和针刺是三种不同的纤维网固结稳定工艺，得到三种不同结构的非织造布产品。Hearle根据对非织造布结构的实验观测，结合自己在纤维集合体力学尤其是纱线大变形拉伸时的泊松比效应，形成了Hearle独特的纤维网结构理论，包括纤维间粘结点变形、纤维摩擦和滑移、纤维纠缠和不同细度纤维的取向等参数。

       自1969起，Hearle 的经典力学方法在处理复杂非织造布的结构变形问题遇到瓶颈期时，P.N.Britton于1983年得益于当时计算设备硬件的发展，开创用数值方法计算非织造布拉伸强度并预测拉伸破坏形态[8-10]，并取得一系列Hearle的解析模型无法得到的变形结构特征和渐发性破坏过程。在二十世纪90年代，扩展至用图像处理方法研究非织造布结构[11-14]。

       当前非织造布制造技术发展和结构研究已经达到相当高的水平，但是Heale关于非织造布的经典研究是奠基性的工作。正如Hearle在研究针刺非织造布时所说[6]：“尽管我们仍需付出相当大努力推动针刺非织造布结构力学理论发展，但本文提出的定性和近似化定量方法指明了发展方向，以及各种因素的大致影响”。Hearle的工作为所有以黏合方法固结纤维网结构的非织造布提供了坚实的理论基础。被称为纺织百年经典之一，实至名归。

参考文献
1Cox HL. The elasticity and strength of paper and other fibrous materials. British Journal of Applied Physics, 1952, 3(March): 72-79
2 Backer S, Petterson DR. Some principles of nonwoven fabrics. Textile Research Journal, 1960, 30(9): 704-711
3 R. I. C. Michie, R. H. Peters, W. Taylor. Nonwoven Fabric Studies: Part I: Properties of Laboratory-Made Fabrics Bonded with Natural Rubber. Textile Research Journal, 1963, 33(5): 325–329
4 R. I. C. Michie, R. H. Peters. Nonwoven Fabric Studies. Part XVII: An Investigation of Bending Crease-Failure. Textile Research Journal, 1969, 39(3): 299–302
5 J. W. S. Hearle & M. A. I. Sultan. A study of needled fabrics Part I: experimental methods and properties. The Journal of The Textile Institute, 1967, 58(6): 251-265
6 J. W. S. Hearle & T. N. Choudhari. A study of needled fabrics. Part V: the approach to theoretical understanding. The Journal of The Textile Institute, 1968, 59(4): 183-201
7 J. W. S. Hearle & T. N. Choudhari. A study of needled fabrics: Part VII: the transfer of fibres through the web by needling. The Journal of The Textile Institute, 1969, 60(11): 478-496
8 Britton PN, Sampson AJ, Elliott CF, Graben HW, Gettys WE. Textile Research Journal, 1983, 53(6): 363-368
9 Britton PN, Sampson AJ, Gettys WE. Textile Research Journal , 1984, 54(1): 1-5
10 Britton PN, Sampson AJ, Gettys WE. Textile Research Journal, 1984, 54(7): 425-428
11 Huang XC, Bresee RR. INDA Journal of Nonwovens Research, 1993, 5(1): 13-21
12 Huang XC, Bresee RR. INDA Journal of Nonwovens Research, 1993, 5(2): 14-21
13 Huang XC, Bresee RR. INDA Journal of Nonwovens Research, 1993, 5(3): 28-38
14 Huang XC, Bresee RR. INDA Journal of Nonwovens Research, 1994, 6(4): 53-59