羽绒纤维及其集合体结构和性能的研究

论文摘要

羽绒作为天然纤维原料，具有轻、软、暖等特点，可以制造各类服用保暖材料，具有不可取代性，其本质原因在于羽绒体的形态、结构及空间分叉形式，而这方面的研究都很少，对其认识严重不足。本文首次对我国太湖鹅白鹅绒纤维的形态结构、聚集态结构、微观形态结构、化学结构进行了细致的研究。利用扫描电子显微镜技术观察了羽绒纤维的外观形态结构，得到了羽绒纤维各级分叉结构的定量长度和细度，对羽绒纤维中各级小纤维和节点的分布特点和表面特征进行了阐述；成功地制取了结构分辩性良好的羽绒纤维超薄切片，利用透射电子显微镜技术，观察了羽绒纤维内部微细结构，获得了各部分结构的基本尺寸和形态组成；利用红外光谱技术得到了羽绒纤维的的红外光谱图，分析了基本结构键吸收峰特征；利用氨基酸分析技术分析了羽绒纤维的基本氨基酸组成，得到羽绒纤维氨基酸种类和内部结合键构成与羊毛基本相同，某些氨基酸在含量上存在差异；利用X—衍射技术和萨那蒙补偿法，研究了羽绒纤维结晶和取向结构，羽绒纤维结晶度稍高于羊毛纤维，取向度较羊毛纤维相差较多。本文首次对羽绒绒枝纤维的导热性能、弯曲性能、润湿性能以及热性能进行了定量的测试和分析。利用树脂包埋松散纤维束的制样方法，测试了纤维包埋块的基本物性和导热参数，并利用加权平均数值方法计算了羽绒纤维的导热系数值，得到羽绒纤维的导热性能低于羊毛纤维；利用针对测试单纤维压缩弯曲性能的测量装置对绒枝单纤维的弯曲性能进行了测试和分析，结果表明绒枝纤维的相对抗弯刚度和弯曲模量均小于羊毛纤维，但弯曲恢复功系数大于羊毛纤维；测试了绒枝纤维的接触角和比表面能，结果表明羽绒纤维的润湿性远低于羊毛纤维；最后利用DSC技术，对羽绒纤维进行了热性能测试。本文首次将分形理论应用于羽绒纤维形态结构的定量分析和表征，这也是本文的主要创新点之一。研究表明羽绒纤维的形态结构具有明显的自相似性和标度不变性，因此羽绒外观具有显著的分形性；利用计算机模拟的理论计算和Sandbox方法的实际测算，分别得到了羽绒纤维的分形维数值为1.66和1.678，证明了理论模拟的一定的准确性，评价了分形维数对羽绒纤维性能的特殊意义。本文对羽绒纤维集合体的各项物理性能进行了定量的测量和研究。根据WRONZ蓬松测试仪的原理，对羽绒纤维集合体的蓬松性能进行测试，羽绒纤维集合体的蓬松性是其它纤维集合体的3～8倍；利用变密度纤维集合体传导性的原位综合测量装置对羽绒纤维集合体的压缩性能和透气性能进行了动态测试，结果表明羽绒纤维集合体的压缩性好于其他纤维集合体，当初始体积分数较小时，纤维体积分数和压缩率随外界压力的增加而变化明显，具有典型的压缩曲线特征。羽绒纤维集合体的压缩恢复性低于羊毛纤维集合体；羽绒纤维集合体的透气性随体积分数增加，逐渐变小，与其他纤维集合体相比，羽绒纤维的透气性最差；利用烘箱法测试了羽绒纤维集合体在不同大气状态下的吸湿性能，得到了羽绒纤维集合体的吸、放湿等温线以及吸湿等湿线，羽绒纤维集合体的吸湿性在不同温湿度状态下都低于羊毛；利用平板式保暖仪对羽绒纤维集合体的保暖性能进行了定量的测试，结果表明相同体积分数的羽绒纤维集合体的保暖性能好于其他纤维集合体，在体积分数为0.002～0.005范围时，羽绒纤维集合体保暖性最好。综合羽绒单纤维以及纤维集合体的各项特征和性能，讨论了羽绒单纤维性能对集合体物理性能的影响，评价了导致羽绒纤维集合体保暖机制的主次因素。羽绒纤维的形态结构的分形性特征，赋予了羽绒纤维集合体的高度蓬松性和空气不流动性，是导致羽绒集合体优良保暖性能的最主要因素；羽绒纤维自身较低的导热系数，在一定程度上降低了由于纤维间热传导而产生热量损失，为集合体保暖提供了辅助作用；羽绒的分形结构及较好的弯曲恢复性能，使羽绒纤维集合体在压缩后轻轻搅动下迅速恢复良好的蓬松状态，为集合体的保暖提供了必要的条件；羽绒纤维吸湿性和润湿性较小的特点，为羽绒纤维集合体在湿度较大条件下的保暖作用提供了有利的因素。本文首次将分形理论用于纤维集合体内部结构的研究，利用Micro CT测试技术，对纤维集合体进行断层扫描，观察纤维集合体的纤维排列和分布，通过计算断层分形维数，对纤维排列进行了定量化的表征，这种方法打破了以往对纤维集合体“容积平均”的几何描述，为研究纤维集合体内部结构和纤维间的相互作用开辟了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 填充性保暖材料的分类和发展现状
• 1.2 我国羽绒资源和分类
• 1.3 羽绒纤维的研究与应用
• 1.3.1 羽绒的定义和分类
• 1.3.2 羽绒纤维的研究现状
• 1.3.3 存在问题
• 1.4 纤维集合体的相关研究和现状
• 1.4.1 纤维集合体导热模型
• 1.4.2 低密度纤维集合体的导热性能
• 1.4.3 纤维集合体导热性能的测试
• 1.4.4 纤维集合体的压缩性能
• 1.4.5 存在问题
• 1.5 多孔介质导热性的研究
• 1.5.1 多孔介质导热模型
• 1.5.2 存在问题
• 1.6 本文的研究意义及主要工作
• 1.6.1 本文研究的意义
• 1.6.2 本文主要内容
• 第2章 羽绒纤维的组成和结构
• 2.1 实验设计与测试方法
• 2.1.1 基本性能测试
• 2.1.2 透射电镜制样方法
• 2.2 结果与性能评价
• 2.2.1 基本性状参数
• 2.2.2 结构分析
• 2.3 小结
• 第3章 羽绒纤维的物理性能
• 3.1 实验设计与测试方法
• 3.1.1 纤维弯曲性能测试方法
• 3.1.2 单纤维热阻的实验设计
• 3.1.3 纤维的其他性能
• 3.2 结果与性能评价
• 3.2.1 弯曲性能
• 3.2.2 导热性能
• 3.2.3 润湿性能
• 3.2.4 热性能
• 3.3 小结
• 第4章 羽绒的分形学特征
• 4.1 分形学的有关概念
• 4.1.1 分形的含义
• 4.1.2 分形性的表达和计算
• 4.2 羽绒分形特征的研究
• 4.2.1 羽绒分形性的确定
• 4.2.2 羽绒分形维的计算
• 4.3 羽绒分形特征的评价
• 4.4 羽绒分形性对纤维性能的影响
• 4.4.1 纤维对空气的作用
• 4.4.2 单纤维的热量传导模型
• 4.5 小结
• 第5章 羽绒纤维集合体的性能研究
• 5.1 实验设计与测试方法
• 5.1.1 蓬松性能
• 5.1.2 压缩性能
• 5.1.3 透气性能
• 5.1.4 吸湿性能
• 5.1.5 保暖性能
• 5.2 结果与性能评价
• 5.2.1 蓬松性能
• 5.2.2 压缩性与压缩回复性能
• 5.2.3 透气性能
• 5.2.4 吸湿性能
• 5.2.5 保暖性能
• 5.3 小结
• 第6章 羽绒集合体结构参数对传热的影响
• 6.1 集合体结构测量及对传热性的影响
• 6.1.1 集合体结构的观测方法
• 6.1.2 集合体结构对传热性的影响
• 6.2 羽绒纤维集合体的分形性研究
• 6.2.1 分形理论在集合体中的运用方法
• 6.2.2 羽绒纤维集合体的分形学特点
• 6.2.3 羽绒纤维集合体分形性的意义
• 6.3 小结
• 第7章 结论与总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文