学文网摘要：介绍了目前现有的几种测定纤维密度的方法及其原理，并将各种测定方法的优劣进行了比较，从而对纤维密度的测定方法有个全面的认识，并对今后纤维密度的测定进行展望。
关键词：纤维密度；测定方法；研究进展
密度是指一个量分布在空间或线上时，各微小部分所包含的量对其体积、面积或长度之比[1]。纤维的密度是指单位体积纤维的质量，常用单位为克/立方厘米（g/cm3）。纤维的密度与纤维的组成、大分子排列堆砌的方式以及纤维形态的结构有关。不同纤维的内部结晶度不同，纤维密度也不同，因此，纤维密度的测定可以提供纤维的基本物理性质、均匀程度以及材料种类等信息，为评定纤维的品质提供参考，为纤维鉴别提供依据，对于测定纤维的性能和结构具有重要意义。
1 纤维密度的测定方法
目前，纤维密度常用的测定方法有密度梯度法、液体置换法、浮沉法、比重瓶法及气体容积法等。前三者已被标准化组织认可，并已形成相关方法标准。
1.1 密度梯度法
密度梯度法测定纤维密度的原理是将两种密度不同但能相互混溶的液体以一定比例和方法进行混合，利用分子扩散作用，使混合液的密度自上至下逐渐增大，且具有线性。而后根据悬浮原理，将纤维投入密度梯度管内，达到平衡后，平衡位置的液体密度即为该纤维的密度。FZ/T 01057.7—2007[2]《纺织纤维鉴别试验方法 第7部分 密度梯度法》就是根据此方法原理制定的一部方法标准。
王建刚等[3]在研究莲纤维的基本物理性能中，采用密度梯度法对莲纤维的密度进行测试，配制密度梯度管范围为0.906 g/cm3～1.4625g/cm3，测得标准密度小球的对应高度，得到小球密度与对应高度的线性关系式：ρ=1.44833－0.00144h，其相关系数为0.99948，结果测得莲纤维密度为1.1848g/cm3。
陈仁辉[4]曾采用密度梯度法对碳纤维密度进行了测定，并对该方法进行了一系列改进，从而得出了他的改进方法可以同时测定一批纤维的密度，大大提高了测试效率。杨敏鸽等[5]在研究TDI改性对苎麻纤维密度及力学性能的影响中也用到了密度梯度法来测定苎麻纤维的密度，所得纤维球位置—密度对照表如表1所示。
密度梯度法在规范操作的情况下测定的纤维密度值较为准确，但是操作步骤繁琐，对试验人员要求较高，操作不当将对数据产生很大影响。
1.2 液体置换法
液体置换法（又称液体浮力法）是现阶段测定纤维密度较为常用的方法，其原理是将结状纤维在常态下称重，然后完全浸没在已知密度小于纤维密度的液体中，将纤维再次称重，求出纤维在该液体中的浮力，从而推导出纤维的体积，得出纤维的密度。
董立等人[6]采用液体浮力法对原毛、氯化防缩羊毛和拉伸细化羊毛3种纤维密度进行了测试研究，该方法测定纤维密度的关键在于脱泡，研究采用高速离心—煮沸—抽真空进行脱泡处理，结果表明试验操作方法简便易行，测试数据稳定、准确。此外，杨秋红等[7]在用液体浮力法测试玻璃纤维密度时，同样采用了高速离心—煮沸—抽真空的脱泡方法，进一步证明了脱泡处理是该方法获得较高测试精度的关键步骤。而且相对于密度梯度法，液体浮力法简便易行，可连续测量多组试样。
1.3 浮沉法
浮沉法测定纤维密度是根据物理学中浮力的基本原理，在某一密度的液体中，纤维密度小于液体密度时上浮，纤维密度大于液体密度时下沉，当纤维密度近似等于液体密度时应悬浮于溶液中任意位置。纤维在混合溶液中达到平衡状态时的密度应与溶液密度是近似一致的。王宝瑞等[8]利用浮沉法对日本东丽碳纤维T700S纤维密度进行实测，其密度报道值为1.80 g/cm3，但由于人为因素及客观情况的存在，当液体密度在1.78g/cm3～1.82 g/cm3之间时，细小的纤维均处于悬浮状态，其终点状态显示不明显。如果要确定其终点，需要较长的时间，由此使试验结果产生较大的误差。该方法对于细小的、轻质的纤维灵敏度不够，容易引起对试验终点的误判，需要操作人员具有丰富的经验。
1.4 比重瓶法
比重瓶法测定纤维密度的原理是基于“阿基米德原理”，将纤维浸泡在某种液体里，测量所浸纤维排出的液体的体积，以此来代替纤维的体积，从而计算出纤维的密度。计算公式为：
（1）
式中：ms —— 纤维的绝干质量，g；ml —— 液体与比重瓶的质量，g；msl —— 纤维、液体与比重瓶的总质量，g；ρ ——纤维的密度，g/cm3；ρl ——测定温度下的液体密度，g/cm3。
由东华大学纺织学院[9]研究的竹原纤维的密度测试就采用了比重瓶法，为验证该方法的准确性，还分别测试了棉、涤纶、苎麻等几种纤维的密度，表2为试验所得的几种纤维的密度值。其平均结果与FZ/T 01101—2008[10] 《纺织品 纤维含量的测定 物理法》附A中提供的纤维密度值（棉1.54 g/cm3，涤纶1.38 g/cm3，苎麻1.51 g/cm3）相近。
此外，高维全等[11]也同样采用比重瓶法对玄武岩纤维进行密度测试。采用比重瓶法可以较为快速地测定纤维密度，而且操作相对简单，试验结果也较为准确，尤其适合测定吸湿性差的纤维密度。采用该方法要注意选择合适的测试介质以减少测试结果的误差。
1.5 气体容积法
采用惰性气体填充法测试纤维密度是目前一种较为先进的测试技术，与传统的密度梯度法相比，气体容积法是直接利用密度仪测试纤维密度体积，并通过称量法测定纤维的质量，可直接求得纤维密度。
气体填充法的测试原理基于阿基米德流体置换原理和Boyle定理，先确定样品体积，进而通过称重实现密度的计算。用于置换的气体是一种可渗入所有细小孔洞的惰性气体，通常使用氦气作为渗透气体，因为它具有较小的原子尺寸，足以渗入直径小至0.25 nm 的缝隙或孔洞中。其他气体如氮气或者六氟化硫气体（SF6）也可使用。Ultrapyconometer1000真密度仪的工作流程***见***1。
***1中，密封样品仓体积为V0。首先分别打开3个电磁阀，体系经过氦气吹扫后仪器内部各处压力达到环境压力Pa。样品仓中的体系状态方程为：
Pa×V0 =n×R×T （2）
式中：n——Pa压力下占据V0体积气体的摩尔数；
R——气体常数；
T——环境温度，K。
当体积为Vp的固体样品放入样品仓后，样品取代了部分气体，式（2）可改写为：
Pa×（V0－VP） =n1×R×T （3）
式中：n1——在Pa压力下占据（V0－Vp） 体积气体的摩尔数。
打开1号电磁阀，同时关闭2号电磁阀，使气体充入。当样品仓中压力增大到高于环境压力的某数值时，体系状态方程为：
P2×（V0－VP） =n2×R×T （4）
式中：P2——高于环境压力的压力数值；
n2——样品仓中总的气体摩尔数。
保持3号电磁阀关闭状态，打开2号电磁阀，样品仓中高压区将与气体压力为常压的附加区联通，平衡后总压力将降到一个低于P2的数值P3，则状态方程为：
P3×（V0－VP+Va） =n2×R×T +na×R×T （5）
式中：Va——附加仓体积；
na——在环境压力下包含于附加仓中的气体摩尔数。
采用PaVa替代naRT项，并进一步化简，最后将Pa视为0，所有与Pa相关的压力测量皆在增压之前调为0。可将式（5）转化为：
VP=V0+Va /=[1－（P2/P3）] （6）
式（6）中，Va、V0均为常量，只需测得P2、P3，即可获取放入样品的体积数值。再对样品质量进行称量，就可得到样品的密度数值。
为验证该方法的准确性，孙根宝等人[12]将惰性气体填充法测试所得结果与已经报道的采用密度梯度法测试的结果进行了比较，见表3。
由表3可见，用该方法测得的几种纤维密度值与已报道的密度值范围基本相符。与其他几种方法相比，该方法无需将纤维放在液体中，避免了因溶剂选择不当发生溶胀等因素的影响，对于吸湿能力较好的纤维如羊毛、粘纤等，采用此方法进行测定不仅可以提高测试效率，同时也能将环境影响因素控制到最低。总体来说，该方法试验误差小，精度高，数据稳定可靠，适合大批量连续试验，是一种高效的测试纤维密度方法。
2 几种纤维密度测试方法比较
表4列出了常用的几种纤维密度的测试方法。通过比较，可以发现密度梯度法和气体容积法是两种测试准确度较高的方法，但密度梯度法的实际操作步骤较为复杂，不适合批量试验，而气体容积法虽然操作上简单，但对设备的要求较高，测试成本较大。另外三种测试方法操作都相对简便，如果要快速测定某种纤维密度，并能获得较为可靠的试验数值可以采用比重瓶法或液体浮力法。
3 结束语
本文概括了目前已有的几种纤维密度测试方法，即密度梯度法、液体置换法、浮沉法、比重瓶法以及气体容积法，并对这些方法的基本原理及相关应用进行了论述和比较。不同的测试方法具有各自的优点与局限性。与几种传统的测试方法相比，气体容积法是目前一种较为先进的测试技术，该方法既能保证测试结果的准确性，又可大大提高测试效率，具有广泛应用的前景。
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（作者单位：上海市纤维检验所）
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