科普纺织品的结构
2022年10月13日 星期四

       纺织品从纤维开始、到纱线和织物，结构逐渐叠加形成纺织品的宏观尺度。纺织纤维直径跨越10^-9~10^-3m六个量级、长度从10^-2m到理论上的无限长、模量处于10^-1~10³GPa四个量级，纤维在成形纺织品过程中有纺织品设计精确性、性能稳定性、结构均匀性和成形高效性的四个技术瓶颈，其中纺织品的结构是首先需要精确描述和解决的问题。纺织品制造首先就是精确设计六个量级直径、四个量级模量范围纤维的制备方法和纤维集合体的成形策略。

       一根“典型”纤维通常可用表1中的三个黑体字“1”来表示基本量级，表中同时列出一些导出尺度单位。按照通常情况估算，1m²织物中有10⁸根纤维。纺织工业工程师主要工作就是把这些数量巨大的纤维以合理空间构型方式放置到合理地方。如果要对纤维集合体进行精细数学分析，例如分析对象是由长度为1cm短纤维组成1m²织物，纤维沿长度方向以其直径长度10µm逐段分析，整块织物将有10¹³个纤维分析单元，理论学家需要找出解决这个巨大系统力学问题的方法。这显然是比较困难的问题。所以需要用多尺度的结构概念。多尺度分析就相当于教育中的幼儿园、中小学、大学本科和研究生教育的分层次教学方式，把所有学生放在一个大课堂进行教学显然是不合适的，同样在宏观尺度的纺织品中分析单根纤维的运动状态也是极其困难的。

图1 缆绳结构示意图

       图1 是一根海洋工程装备所用缆绳的结构示意图，缆绳直径通常可达30cm甚至更粗，在横截面内有数以亿计的单纤维。从单纤维、单纱、股线、绳线到绳缆，直径跨度从高强聚乙烯纤维的10^-6m到10^-2m，量级上的差异需要分结构描述缆绳里面的纤维状态。

图2 机织物多尺度结构示意图

       我们的外衣通常是机织物。机织物的力学行为和其内部结构有直接联系，如图2所示，机织物是一种典型多尺度结构材料，纱线是由数千根纤维组成，又分为经纱和纬纱，两者相互交织组成机织物。细观尺度上，机织可辨识结构包括经纱和纬纱，两者相互交织。在纱线层面进行结构分析和性能研究，其尺寸变化范围为毫米级别。宏观尺度是指在织物整体的层面上的尺度，尺寸变化范围从十厘米到数米不等。在这个尺度上，织物可以被看作是连续材料，有明显的各向异性，并且能产生较大剪切变形或者弯曲变形。

图3 针织物多尺度结构示意图

       我们的内衣通常是针织物。针织物是典型的纱线线圈串套结构，以串套结构不同可分经编和纬编两大类。与机织物类似，结构也有微观（纤维）、细观（织物结构）和宏观（织物或成衣）之分。如图3所示，用于研究针织物在宏观尺度上的力学性质（力学性质将决定针织物的人体皮肤触感）或是作相应的预测分析，通常从纱线结构设计织物细观结构，在该尺度纱线被看作是具备已知力学性质的连续介质（通常是类似柔性的细杆）。针织物组织单元的几何和力学参数已知，就可以从材料角度得到结构力学性质。中观尺度模型忽略细观尺度层面上纤维与纤维间相互作用。
       纺织品是人类美好生活不可或缺的重要组成部分，设计并制造高质量的纺织品是纺织从业人员之责任所在。一花一世界，一叶一智慧。看起来很平常的纺织品的结构，也体现了与人类社会一样的阶层性，这就是纺织品的多尺度结构。