不同液態污漬在棉織物上的擴散成形規律及侵入動力學特征

侯真威 熊 明 章松發 吳雄英 丁雪梅

（1. 東華大學服裝與藝術設計學院，上海，200051；2. 東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海，200051；3. 無錫小天鵝電器有限公司，江蘇無錫，214028；4. 上海海關，上海，200135）

日常生活中，污漬隨處可見，種類繁多，分類方式也不盡相同[1]，主要包括：（1）根據來源可分為生活、環境、人體等污漬；（2）根據形態可分為干性、濕性、硬性和色性等污漬；（3）根據污漬屬性可分為水溶性、油溶性、固體、微生物等污漬；（4）根據化學性質可分為無機物和有機物等污漬[2-5]。基于以上分類標準，學者們研究點也截然不同，有根據污漬性質進行污漬洗滌，對洗凈率及污漬等級評價方面的研究；也有根據污漬形態，利用液態污漬擴散潤濕原理，將其運用到防水、采礦、涂飾等領域的研究[6-7]。可見，污漬研究成果已大量運用于實際生活中。

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，表現出無連貫性、無延伸性和無吸收性，或是液體污漬接觸衣服時發生浸潤和擴散留下的痕跡，影響服裝的美觀以及可穿著性。相對固體污漬而言，液體污漬接觸衣服是一個非常復雜的過程，包括濕潤運動學、流體力學、毛細管運動等，而污漬最終成形大多與物資及基材的物化屬性息息相關，比如污漬自身性能、織物吸附、摩擦效應等因素均會對污漬潤濕擴散有所影響，進而影響污漬斑形貌。

然而，對不同污漬在衣物上的形成過程和規律研究甚少，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構，接觸角測試污漬浸潤過程，高速攝像系統記錄不同污漬擴散時間與距離的關系，研究不同液態污漬在棉織物上的潤濕擴散動力學特征，為不同污漬在棉織物上擴散成形研究提供理論依據，為污漬分類提供新的分類思路，同時，根據形狀差異特征進行污漬分類，進而可將計算機分析技術運用到污漬種類識別中，為突破污漬識別技術瓶頸提供借鑒意義。

1 實驗方法

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），山東魯能集團有限公司，表面張力35×10-3N/m，黏度65×10-3Pa·s。

材料：參見IEC 60456-2010[8]標準進行織物參數選擇，浙江三元集團控股有限公司制造，見表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型紡織品毛細效應測試儀，山東紡織研究院；SDC-80型接觸角測試儀，昆山訊采儀器科技有限公司；P30型華為手機（動力學特征模擬視頻拍攝）及云臺三腳架（固定手機）。

1.3 實驗方法

1.3.1 掃描電鏡分析

實驗樣品織物用雙面膠固定于樣品臺上，噴金后經發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。

1.3.2 毛細效應分析

按照FZ/T 01071—2008[9]。進行織物試樣經預洗、平衡后，裁剪大小為25 cm×3 cm，經緯方向各三塊，保證織物左、中、右等區域各取一塊，記錄織物經緯方向在水液滴和油液滴的毛細高度。實驗溫度為（20±2）℃，相對濕度為（65±3）%。計算公式：

表1 實驗織物參數信息表

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

1.3.3 接觸角分析

接觸角大小可將液滴潤濕狀態分為：浸濕（0°＜θ≤90°）、沾濕（90°＜θ≤180°）、鋪展（θ≤0°或不存在的情況）3個狀態[10-11]。采用SDC-80型接觸角測試儀表征水液滴和油液滴在棉織物上的接觸角動態變化，一般接觸角越小，織物潤濕速率越高，潤濕效應越佳。實驗溫度為（20±2）℃，相對濕度為（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 擴散動力學特征分析

擴散動力學是指液體潤濕過程中，液體逐漸與固體相接觸，液態替代氣態過程中伴隨能量轉換，同時也稱為濕潤動力學。擴散動力學實驗裝置如圖1所示，用繡花繃固定已作好標尺的基布放置于水平實驗臺上，注射器離基布約5 cm高度進行注射（液滴體積為0.05 mL），三角架固定的視頻采集器（華為P30手機，參數設置為30 fps）記錄液滴下落與基布接觸到液滴完全潤濕的全過程。圖片導出：Pr軟件；數據計算：Image J軟件。根據計算水液滴和油液滴在棉織物上擴散距離（長軸和短軸）及面積，可分析液滴自身性質、織物參數和自身性能等因素對污漬擴散成形規律的影響。實驗室溫度為（20±2）℃，相對濕度為（65±3）%。

圖1 擴散動力學采集裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 棉織物沾污前后表面形態表征

棉織物沾染油污前后表面形態見圖2，分析棉織物自身微觀結構及其對污漬吸附的情況。

圖2 棉織物沾污前后表面形態

由圖2表征可得，沾污前，棉纖維表面形態存在天然轉曲的凹槽（見圖c），纖維長度屬于短纖維系列，纖維直徑大小不一（見圖a），均勻程度較差；從截面形態看，棉纖維呈現腰圓形截面，纖維間存在間隙（見圖e），這為棉纖維吸附液體提供了存儲空間，同時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（見圖b），凹槽吸附了大量的污漬（見圖d）；而從橫截面看，少部分污漬存在于棉纖維間隙（見圖f）。由此可知，棉纖維對污漬吸附是纖維內和纖維間共同吸附的結果，且棉纖維凹槽起著重要的作用，同時，棉纖維存在大量的羥基與羧基等親水基團，對液態污漬特別是水溶性污漬，具有非常強的吸附能力。綜上，棉纖維對液態污漬的吸附能力較強，液態污漬存在纖維間吸附，且伴隨著大量的凹槽吸附。

2.2 毛細效應表征

通過棉織物在水液體和油液體毛細表征，計算各時刻經緯方向毛細高度（速率），如圖3所示。

圖3 各時刻液態水和油在棉織物上的芯吸高度（速率）

織物毛細效應是纖維毛細空隙在固-液-氣三相界面下侵入液體中，引起液面彎曲，液體內聚力小于液體與固體間附著力，從而引起液體隨著毛細管道運輸傳遞[14]。纖維管道越多，纖維細度越細，毛細效應越大，反之亦然[15-16]。由圖3可見，液態水和液態油在棉織物上垂直傳遞經向芯吸高度均大于緯向毛細高度，這是由于棉織物經緯密度不同導致的，經向纖維密度遠高于緯向密度，液態傳遞速率高，經緯毛細高度產生差異，導致液態在棉織物上擴散規律的形成，加上液體擴散時，濕潤動力學和流體剪應力的影響，液體達到完全潤濕時會在織物上出現一個較為標準的橢圓形狀，且含有色素溶質類污漬，由此會留下明顯的濕潤暈圈效果。棉織物在30 min時水液體中經緯毛細高度差（約1.8 cm）大于油液體中經緯毛細高度差（約為0.2 cm），這是由于：（1）油液態相較于水液態密度小，從而表面張力小，導致固體織物與液態油界面形成凹面，壓強小，油液體對沿著管壁上升施加的壓力也較小，進而油液體對織物向上拉力隨之變小，造成油液態下的毛細效應不易發生；（2）油液體黏度遠大于水液體黏度，黏度較大，流動性較差，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，導致經緯毛細力不能更好凸顯。基于以上原因，導致織物經緯方向在水液態毛細效應高度差相差較大，而在油液態中相差較小，且水液態經緯方向芯吸效應強于油液態，進而水液體成形圓形度低于油液體。由此，經計算，水液體形成長短軸數值偏心率為0.58，油液體長短軸數值偏心率為0.16，偏心率越接近0，圓形度越高。液體毛細效應可分為兩個階段：第一階段，1 min內棉織物快速吸收液體，快速上升，這和織物特殊微觀結構和吸附方式有關（2.1節表征結果），是毛細速率急速加強的階段；第二階段，由織物凹槽吸附大量的液體，隨著時間推移液體重力不斷增加，加大了上升阻力，導致毛細速率降低，直到10 min后，達到動態平衡。

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

圖4 液體在棉織物上經緯方向擴散距離及方式

2.3 動態接觸角表征

水液滴和油液滴在棉織物上動態接觸角變化表征如圖5、6所示，水液滴在棉織物達到完全潤濕的時間為200 ms，遠遠小于油液滴的2000 ms。這是因為液滴自身性質決定的，油液體黏度遠遠高于水液體，液體在棉織物上擴散過程中會克服黏度力、慣性力、摩擦力，黏度越大，速率越慢，導致油液滴在棉織物上擴散時間越長，同時棉織物存在大量的羥基和羧基等親水基團，吸水能力強，也是水液滴在棉織物上快速擴散直到完全潤濕狀態的重要因素。

圖5 不同液滴在棉織物上擴散過程

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，接觸角均小于90°，可見液體在棉織物上是沾濕狀態。從接觸角的變化趨勢看，隨著時間的推移，接觸角逐漸減小，最終達到完全鋪展狀態。從圖6斜率上看，剛開始油液滴單位時間內接觸角變化的斜率略高于水液滴，這是因為水液滴表面張力大，根據Young式方程，液滴剛與織物接觸時表面能較小，液滴不易發生潤濕現象。但隨著時間的推移，液滴逐漸進入潤濕第二階段，液滴動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、剪應力和摩擦力，直到達到動態平衡，完全鋪展。通過數據擬合，油液滴在棉織物上鋪展趨勢符合指數二次衰減函數，且擬合曲線相關系數R2為0.98。

綜上，隨時間推移液體接觸角變化趨勢可得：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濕過程中起著重要的作用。同理，不同污漬類別下擴散規律、成形狀態與污漬屬性息息相關，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，會更快擴散成形，達到穩態。

2.4 擴散動力學特征

液滴在棉織物上的擴散過程如圖7所示。利用Image J 軟件對液滴擴散過程中長短軸進行計算。

2.4.1 液體在棉織物上擴散距離

圖7 液滴在棉織物上的擴散過程

由圖8所得，水液滴在棉織物擴散達到動力學平衡的時間為60 s，而油液滴達到平衡時間為120 s，由上節接觸角表征可得，這是因為液滴黏度不同導致液滴擴散速率出現差異；由于經緯密度不同，液滴在經緯方向上擴散距離不同，導致液滴在棉織物擴散最終的經向長度大于緯向擴散長度，而不是呈現各向異性的線性擴散，根據前節毛細效應表征結果，液滴擴散成形規律與其表征結論一致，即長短軸距離差導致水液體成形規律圓形度低，而油液滴成形規律圓形度較高。經計算擬合，水液滴和油液滴在棉織物上的長短軸擴散距離和時間符合對數函數，且水液滴和油液滴長短軸擬合曲線相關系數R2分別為：0.9887，0.9895，0.9908，0.9568。

圖8 液滴在棉織物上擴散距離與時間的關系

從圖8液滴擴散趨勢可知，液滴擴散分為兩個階段：對水液滴而言，第一階段為液滴接觸織物時快速擴散過程，水液滴大約在0.5 s時候，液滴擴散距離已經接近總體的60%左右；第二階段為液體擴散速率減慢，大概5 s時，液滴擴散距離達到總體的80%左右，逐漸達到動態平衡階段。對油液滴而言，大概在2 s時擴散距離達到總體的60%，但擴散趨勢依然為兩個階段，現象明顯。與前節接觸角表征結果一致，由此可推出：這是因為液滴下落過程重力勢能全部轉化為動能（忽略空氣阻力作用），液滴前期擴散速率較快造成的，而隨著時間地延長，液滴擴散需要克服黏度力、表面張力、慣性力、剪應力和摩擦力[12,17-19]等，導致速率減慢，直到動態平衡，不再擴散。

2.4.2 液體在棉織物上擴散面積影響分析

液滴擴散速率和液滴的表面張力有關，表面張力越大，接觸角會越小，達到鋪展狀態越快，液滴擴散速率也就更快，由此，圖9探究了液滴擴散面積和時間的關系，當液體達到擴散平衡時，面積約為550 mm2，可見表面張力越大，且黏度越小的液體，在棉織物上擴散面積會更大，油液滴平衡時約為250 mm2；且液滴擴散占最終平衡時間的20%～30%時，液體擴散的面積已占總面積80%～90%之間，可見液滴快速擴散階段主要還是集中在前期。經擬合，水液滴和油液滴在棉織物上擴散面積和時間的曲線符合log對數函數分布（見圖9擬合曲線），且曲線相關系數R2依次為：0.9926和0.9090。

綜上，液滴在棉織物上的擴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散面積較大，且擴散過程中會受到動能、勢能、表面能、潤濕動力學和流體力學等能量和動力學的影響，且影響效果顯著。

圖9 液滴在織物上擴散面積與時間的關系

3 結論

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

（2）液滴在棉織物擴散距離經向大于緯向，水液滴經緯擴散距離差大于油液滴經緯擴散距離差，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，會加快鋪展時間，黏度越大，污漬達到鋪展動態平衡時間越長；同時，液滴擴散會受到液滴自身性質（表面張力和黏度為主）、織物性能、織物經緯密度、組織結構等因素的影響，水液滴和油液滴表面張力越大，黏度越小，達到擴散動態平衡時間越小，相同體積下擴散面積越大，且液滴擴散距離和面積與時間關系趨勢符合log對數函數分布，擬合相關系數R2均大于0.90。

（4）擴散動力學特征分為兩個階段：第一階段為液滴快速擴散階段；第二階段為液滴速率逐漸減慢直到擴散動態平衡階段，且液滴自身屬性、織物性能和經緯密度共同影響液滴擴散和成形。