劉茜+馬艷麗
摘要:纖維集合體是紡織品的主要表現形式,熱傳遞性能是纖維集合體主要的物理性能之一,但目前專門用于纖維集合體的測試方法和理論模型并不多,主要是針對織物的。本文在介紹常用紡織品熱傳遞性能測試方法和理論模型的基礎上,指出現有研究方法的特點,并對現有測試方法和理論模型提出了改進建議,使其能適用于纖維集合體熱傳遞性能的測試。
關鍵詞:纖維集合體;熱傳遞;保暖;測試方法;理論模型
中圖分類號:TS101.921.4 文獻標志碼:A
Test and Research Methods for Heat Transfer Performance of Fiber Assembly
Abstract: Fiber assembly is an important form of textiles, while heat transfer performance is one of the main physical properties of fiber assembly. However, the test methods and theoretical models particularly for fiber assembly are quite few at the moment, most of which are designed for fabrics. The paper introduces the common test methods and theoretical models for heat transfer performance of textiles. The characteristics of these existing methods are pointed out and some suggestions on improving these methods and models are put forward so that they can be used for fiber assembly.
Key words: fiber assembly; heat transfer; warmth retention; measurement; theoretical model
纖維是組成紡織品的基本單元,大量纖維按不同方式有序或無序排列組成的集合體是紡織品的各種表現形式,如填充絮材、紗線、織物、非織造布等。不同應用領域,對纖維集合體的結構、性質以及成形要求不同。當其作為服裝絮填材料、地毯、屋頂隔熱層等時,熱傳遞性能對最終產品的使用性能有著重要影響。目前已經建立了各種測試方法和理論模型來實現對不同形態結構紡織材料熱傳遞性能的研究。熱傳遞性、隔熱性、保暖性都屬于熱學領域的概念,都可以反映材料的熱學性能。紡織材料的熱傳遞性越好,則其隔熱性和保暖性就越差。
1 纖維集合體熱傳遞性能的測試方法
紡織材料熱傳遞性能的測試按散熱方式和測試原理的不同可歸納為以下 4 類,其中較多的方法是針對織物和服裝進行的,而對纖維集合體形態的材料來講,需要將現有的方法進行變化或改進,才能實現其性能測試。
1.1 恒定溫差散熱法
恒定溫差散熱法是通過測定維持熱體恒溫所需的熱量來測定試樣熱傳遞性能的方法,通常用來測試織物,是目前使用最多的方法。參照GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》,FZ/T 01029—1993《紡織品穩態條件下熱阻和濕阻的測定》中熱阻的測試,一般將織物裁剪為30 cm ×30 cm大小的試樣,放在恒溫熱板的一側,發熱體其它各面均有絕熱保護,測定保持熱板恒溫所需的熱量,由此來計算織物的傳熱系數、熱阻值、保溫率。最常用的YG606系列織物平板保暖儀就屬于恒定溫差散熱法的范疇,其原理如圖1 所示。
定時升溫降溫散熱法是通過測量在單位時間內熱體升溫降溫的速率來評價試樣熱傳遞性能的方法。一般將織物包覆在熱體一面或全部包覆,將包覆后的熱體加熱一定時間,然后再定時降溫散熱,測量熱體溫度降低到一定值時所需要的時間,用冷卻速度來表示織物的熱傳遞性能。
對于纖維集合體,定時升溫降溫散熱法也可對其熱傳遞性能進行測試。同樣需將纖維集合體放入試樣袋中,試樣袋包覆在熱體一面或將熱體全部包覆進行測試。但由于熱體呈管狀,試樣袋包覆在熱體上后,重力作用會導致試樣袋下部纖維量增多,上部纖維量減少,使得纖維集合體試樣的體積密度不均勻,不能客觀真實地反映纖維集合體的性能。
1.3 微氣候儀法
服裝微氣候是服裝與皮膚之間微小空間的溫度、濕度和氣流的總稱,織物微氣候儀就是在服裝微氣候概念的基礎上建立的,用以研究服裝、人體皮膚、外界環境三者組成的局部環境中熱濕傳遞的情況。
1982年,原田研制出具有同時測量熱、濕傳遞性能的織物微氣候儀,如圖 2 所示。該儀器可以模擬人體在各種活動狀態下的熱濕情況,通過先進的溫濕度傳感器測量微氣候的狀態。該裝置只能用于單層織物熱傳遞性能的測試,不適用于纖維集合體形態試樣的測試。原因在于纖維集合體放入試樣袋后,其厚度達到多層織物的厚度,而該裝置在環境單元中沒有制冷器,試樣兩側能實現的溫差較小,不利于熱量和水汽從試樣一側向另一側的傳遞,當水汽不能順利傳遞出去時,將會聚集在試樣一側,影響測試結果。
隨后,Farnworth研制出了出汗平板儀,可以測量出汗平板的加熱功率,實現織物傳熱傳濕的動態測試。Kim在出汗熱平板上使用加濕麂皮,來模擬人體皮膚出汗。同樣將纖維集合體裝入試樣袋中,把試樣袋放在出汗熱板上,就可以利用出汗平板儀進行測試。
1991年,姚穆研制出多層織物熱濕動態傳遞特性測試裝置,如圖 3。該裝置的核心區域設置了水溫同步跟蹤內水杯溫度的外水槽,從而保證了內水杯四周及底面無熱量遷移,使內水杯加熱功率恒等于通過織物的總熱流速率。需要對該裝置進行改進才能用于測試纖維集合體的熱傳遞性能,因為纖維集合體中纖維呈散狀,無法直接放置在無任何支撐物的試樣區。因此需要在試樣區設置一個底部有網眼的、透明、絕熱的試樣筒來實現纖維集合體的放置。試樣筒上可以設置刻度,來完成對纖維集合體的體積定量。endprint
2003年,周小紅研制的織物微氣候儀增加了制冷器,能夠模擬低溫微氣候的測試環境。裝置包括殼體及微氣候模擬機內膽,如圖 4 所示。其內膽里是微氣候模擬空間,下方為一恒溫水浴池,水浴池上部設置一層模擬皮膚,放置待測織物。該織物微氣候儀的內部形成一個相對封閉的微環境,通過溫度控制器調節環境溫度,從而實現極端低溫和極端高溫下織物熱濕傳遞性能的測量。在纖維集合體充當絮填材料時,這種變化氣候環境下的測試是非常有必要的,可以實現在極端低溫環境中材料熱傳遞性能的評價。
1.4 暖體假人法
暖體假人是一種模擬設備,能夠模擬人體各項數據指標,用于服裝舒適性和特種功能服裝的研究。暖體假人的本體形態、區段劃分、關節活動、代謝產熱、體表溫度分布、皮膚輻射系數等均符合人體解剖生理特點,能夠模擬人體表面溫度分布,進行與人體有關的熱學研究。同時,暖體假人各區段的溫濕度可通過計算機單獨控制。該設備能夠模擬人體現實穿著,綜合考慮了服裝和人體的合體程度、皮膚與服裝間空氣層的厚度、空氣流動的變化等因素的影響 。暖體假人沒有生理、心理因素的影響,試驗結果穩定、誤差小、精確合理。
因為很難實現在假人的各個區段上放置纖維集合體,暖體假人不適用于測試絮狀纖維集合體的保暖性能,但可以用于以纖維集合體為絮填材料的保暖服裝的性能測試。
2 纖維集合體熱傳遞性能的理論研究
隨著計算機的發展,學者們提出了多種理論模型,對紡織品的熱傳遞性能進行模擬分析研究。
2.1 CLO值
1941年,Gagge、Burton、Bazett提出了克羅值(CLO)來評價紡織品的隔熱性,該指標考慮了人體的生理參數、心理感覺和環境溫濕度及風速條件。規定一個靜坐著或從事輕度勞動的人,其代謝產生熱量約為210 kJ/(m2?h),在室溫20 ~ 21 ℃、相對濕度小于50%、風速不超過0.1 m/s的環境中,感覺舒適時穿著服裝的隔熱值定義為 1 CLO。
該指標對各種紡織材料制成的服裝的隔熱性能評價都適用。對于纖維集合體,只需制成以其為絮填材料的服裝,如羽絨服、棉服,就可進行絮填保暖服裝的性能測試。
2.2 純導熱模型
純導熱模型是在傅立葉導熱定律的基礎上提出的。對于織物而言,由于其面積與厚度的比值很大,所以可以把織物看成一維穩態導熱材料。傅立葉導熱定律可以表述為:在導熱現象中,單位時間內通過給定截面的熱量,正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數學表達式為:
式中:“-”表示熱量傳遞方向和溫度升高的方向相反;λ為導熱系數(W/(m?K)),表征材料的導熱能力。由傅立葉導熱定律得出:
可見,導熱系數λ在數值上等于單位溫度梯度(即 1 K/ m)下,單位時間內垂直于單位截面面積上所傳導的熱量。
此模型適用于各種表現形式的紡織品,如填充絮材、紗線、織物、非織造布等。將不同表現形式的紡織品對熱流的阻隔作用以導熱系數這一變量總體體現。
2.3 熱濕耦合模型
Henry從孔隙間分子運動的角度出發,定義了多孔介質內部對應于不同孔徑大小的孔隙分布和熱傳遞系數,建立起熱量傳遞平衡方程,最終求出分析解,并將之應用于不同體積密度的棉纖維集合體內部溫濕度的計算。基本方程組屬于拋物型偏微分方程組,由 3 個方程組成:
2.4 結構化傳熱模型
2002年,范堅、倪波認為織物傳熱的主導方向為從試樣內表面到外表面,但同時在與內外表面平行的方向上也存在一定傳熱。他們把這種兩個方向都存在傳熱現象的模型稱為二維傳熱模型。在二維穩態下,由導熱的微分方程可得到傳熱模型,并利用計算機求解溫度梯度,繪制溫度梯度曲線圖。對于織物傳熱系數的表達,需要考慮織物的細化結構,將織物的導熱系數看作纖維與空氣導熱系數之和。在纖維與空氣的邊界,運用調和平均法計算織物的傳熱系數。
此模型突出了織物的結構是決定其傳熱的主導因素,但只考慮了熱傳導方式,對對流和輻射方式的傳熱未加討論,也沒有考慮熱濕結合的情況。同時,此模型將織物視為二維傳熱模型進行考慮,而纖維集合體排列無序屬于三維模型范疇,所以結構化傳熱模型對于纖維集合體不適用。
3 結論
紡織品熱傳遞性能的評價方法對研究產品的舒適性極其重要,人們對此提出了不同的測試方法和理論模型,但大多數的評價測試方法都是針對織物的。纖維集合體與織物不同,所以若將針對織物的測量儀器以及方法應用在纖維集合體的測量上,那么在試樣的放置、控制試樣厚度等方面均會出現問題,必須對測試儀器進行改裝或進行特殊的制樣。對于紡織材料熱傳遞性能的理論模型,大多數均從材料整體的溫濕度方面進行考慮,因此適用于任何形態的紡織材料,包括纖維集合體。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家標準.紡織品保溫性能試驗方法[S].GB/T 11048—1989.
[2] 紡織行業標準.紡織品穩態條件下熱阻和濕阻的測定中熱阻的測試[S].FZ/T 01029—1993.
[3] 張曉冬,蘇異鋼,熊杰.新型平板式織物保溫儀技術探究[J].上海紡織科技,2006,34(6):60-61.
[4] 嚴雪峰.圓柱式保暖儀的技術探究[J].江蘇紡織,2007(8):55-59.
[5] 蔣麗云,嚴雪峰.圓柱式織物保暖儀熱體的設計[J].上海紡織科技,2010,38(30):51-52.
[6] 原田隆司,土田和義,內山生.衣服材料水分的熱濕移動特性[J].日本纖維機械學會志,1982,35(5):203-209.
[7] Farnworth B A.Numerical model of the combined diffusion of heat and water vapor through clothing[J].Textile Research Journal,1986,56:653-665.
[8] Kim J O.Dynamic moisture vapor transfer through textile Part III[J]. Textile Research Journal,1999,69(3):193-202.
[9] 姚穆,施嵋梧,張一心.織物微氣候儀型Ⅱ的研制[J].紡織標準與質量,1991(6):30-33.
[10] 周小紅,王善元.低溫織物微氣候測試儀[J].紡織學報,2003,24(5):54-56.
[11] Henry P S H.Diffusion in absorbing media[J].Proceedings of the Royal Society of London,1939(171A):215-240.
[12] Nordon P,David H G.Coupled diffusion of moisture and heat in hygroscopic textile materials[J].International Journal of Heat Mass Transfer,1967,10(2):853-866.
[13] 范堅,倪波.織物單元結構傳熱的數值模擬研究[J].東華大學學報,2002,28(4):5-10.endprint
2003年,周小紅研制的織物微氣候儀增加了制冷器,能夠模擬低溫微氣候的測試環境。裝置包括殼體及微氣候模擬機內膽,如圖 4 所示。其內膽里是微氣候模擬空間,下方為一恒溫水浴池,水浴池上部設置一層模擬皮膚,放置待測織物。該織物微氣候儀的內部形成一個相對封閉的微環境,通過溫度控制器調節環境溫度,從而實現極端低溫和極端高溫下織物熱濕傳遞性能的測量。在纖維集合體充當絮填材料時,這種變化氣候環境下的測試是非常有必要的,可以實現在極端低溫環境中材料熱傳遞性能的評價。
1.4 暖體假人法
暖體假人是一種模擬設備,能夠模擬人體各項數據指標,用于服裝舒適性和特種功能服裝的研究。暖體假人的本體形態、區段劃分、關節活動、代謝產熱、體表溫度分布、皮膚輻射系數等均符合人體解剖生理特點,能夠模擬人體表面溫度分布,進行與人體有關的熱學研究。同時,暖體假人各區段的溫濕度可通過計算機單獨控制。該設備能夠模擬人體現實穿著,綜合考慮了服裝和人體的合體程度、皮膚與服裝間空氣層的厚度、空氣流動的變化等因素的影響 。暖體假人沒有生理、心理因素的影響,試驗結果穩定、誤差小、精確合理。
因為很難實現在假人的各個區段上放置纖維集合體,暖體假人不適用于測試絮狀纖維集合體的保暖性能,但可以用于以纖維集合體為絮填材料的保暖服裝的性能測試。
2 纖維集合體熱傳遞性能的理論研究
隨著計算機的發展,學者們提出了多種理論模型,對紡織品的熱傳遞性能進行模擬分析研究。
2.1 CLO值
1941年,Gagge、Burton、Bazett提出了克羅值(CLO)來評價紡織品的隔熱性,該指標考慮了人體的生理參數、心理感覺和環境溫濕度及風速條件。規定一個靜坐著或從事輕度勞動的人,其代謝產生熱量約為210 kJ/(m2?h),在室溫20 ~ 21 ℃、相對濕度小于50%、風速不超過0.1 m/s的環境中,感覺舒適時穿著服裝的隔熱值定義為 1 CLO。
該指標對各種紡織材料制成的服裝的隔熱性能評價都適用。對于纖維集合體,只需制成以其為絮填材料的服裝,如羽絨服、棉服,就可進行絮填保暖服裝的性能測試。
2.2 純導熱模型
純導熱模型是在傅立葉導熱定律的基礎上提出的。對于織物而言,由于其面積與厚度的比值很大,所以可以把織物看成一維穩態導熱材料。傅立葉導熱定律可以表述為:在導熱現象中,單位時間內通過給定截面的熱量,正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數學表達式為:
式中:“-”表示熱量傳遞方向和溫度升高的方向相反;λ為導熱系數(W/(m?K)),表征材料的導熱能力。由傅立葉導熱定律得出:
可見,導熱系數λ在數值上等于單位溫度梯度(即 1 K/ m)下,單位時間內垂直于單位截面面積上所傳導的熱量。
此模型適用于各種表現形式的紡織品,如填充絮材、紗線、織物、非織造布等。將不同表現形式的紡織品對熱流的阻隔作用以導熱系數這一變量總體體現。
2.3 熱濕耦合模型
Henry從孔隙間分子運動的角度出發,定義了多孔介質內部對應于不同孔徑大小的孔隙分布和熱傳遞系數,建立起熱量傳遞平衡方程,最終求出分析解,并將之應用于不同體積密度的棉纖維集合體內部溫濕度的計算。基本方程組屬于拋物型偏微分方程組,由 3 個方程組成:
2.4 結構化傳熱模型
2002年,范堅、倪波認為織物傳熱的主導方向為從試樣內表面到外表面,但同時在與內外表面平行的方向上也存在一定傳熱。他們把這種兩個方向都存在傳熱現象的模型稱為二維傳熱模型。在二維穩態下,由導熱的微分方程可得到傳熱模型,并利用計算機求解溫度梯度,繪制溫度梯度曲線圖。對于織物傳熱系數的表達,需要考慮織物的細化結構,將織物的導熱系數看作纖維與空氣導熱系數之和。在纖維與空氣的邊界,運用調和平均法計算織物的傳熱系數。
此模型突出了織物的結構是決定其傳熱的主導因素,但只考慮了熱傳導方式,對對流和輻射方式的傳熱未加討論,也沒有考慮熱濕結合的情況。同時,此模型將織物視為二維傳熱模型進行考慮,而纖維集合體排列無序屬于三維模型范疇,所以結構化傳熱模型對于纖維集合體不適用。
3 結論
紡織品熱傳遞性能的評價方法對研究產品的舒適性極其重要,人們對此提出了不同的測試方法和理論模型,但大多數的評價測試方法都是針對織物的。纖維集合體與織物不同,所以若將針對織物的測量儀器以及方法應用在纖維集合體的測量上,那么在試樣的放置、控制試樣厚度等方面均會出現問題,必須對測試儀器進行改裝或進行特殊的制樣。對于紡織材料熱傳遞性能的理論模型,大多數均從材料整體的溫濕度方面進行考慮,因此適用于任何形態的紡織材料,包括纖維集合體。
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[9] 姚穆,施嵋梧,張一心.織物微氣候儀型Ⅱ的研制[J].紡織標準與質量,1991(6):30-33.
[10] 周小紅,王善元.低溫織物微氣候測試儀[J].紡織學報,2003,24(5):54-56.
[11] Henry P S H.Diffusion in absorbing media[J].Proceedings of the Royal Society of London,1939(171A):215-240.
[12] Nordon P,David H G.Coupled diffusion of moisture and heat in hygroscopic textile materials[J].International Journal of Heat Mass Transfer,1967,10(2):853-866.
[13] 范堅,倪波.織物單元結構傳熱的數值模擬研究[J].東華大學學報,2002,28(4):5-10.endprint
2003年,周小紅研制的織物微氣候儀增加了制冷器,能夠模擬低溫微氣候的測試環境。裝置包括殼體及微氣候模擬機內膽,如圖 4 所示。其內膽里是微氣候模擬空間,下方為一恒溫水浴池,水浴池上部設置一層模擬皮膚,放置待測織物。該織物微氣候儀的內部形成一個相對封閉的微環境,通過溫度控制器調節環境溫度,從而實現極端低溫和極端高溫下織物熱濕傳遞性能的測量。在纖維集合體充當絮填材料時,這種變化氣候環境下的測試是非常有必要的,可以實現在極端低溫環境中材料熱傳遞性能的評價。
1.4 暖體假人法
暖體假人是一種模擬設備,能夠模擬人體各項數據指標,用于服裝舒適性和特種功能服裝的研究。暖體假人的本體形態、區段劃分、關節活動、代謝產熱、體表溫度分布、皮膚輻射系數等均符合人體解剖生理特點,能夠模擬人體表面溫度分布,進行與人體有關的熱學研究。同時,暖體假人各區段的溫濕度可通過計算機單獨控制。該設備能夠模擬人體現實穿著,綜合考慮了服裝和人體的合體程度、皮膚與服裝間空氣層的厚度、空氣流動的變化等因素的影響 。暖體假人沒有生理、心理因素的影響,試驗結果穩定、誤差小、精確合理。
因為很難實現在假人的各個區段上放置纖維集合體,暖體假人不適用于測試絮狀纖維集合體的保暖性能,但可以用于以纖維集合體為絮填材料的保暖服裝的性能測試。
2 纖維集合體熱傳遞性能的理論研究
隨著計算機的發展,學者們提出了多種理論模型,對紡織品的熱傳遞性能進行模擬分析研究。
2.1 CLO值
1941年,Gagge、Burton、Bazett提出了克羅值(CLO)來評價紡織品的隔熱性,該指標考慮了人體的生理參數、心理感覺和環境溫濕度及風速條件。規定一個靜坐著或從事輕度勞動的人,其代謝產生熱量約為210 kJ/(m2?h),在室溫20 ~ 21 ℃、相對濕度小于50%、風速不超過0.1 m/s的環境中,感覺舒適時穿著服裝的隔熱值定義為 1 CLO。
該指標對各種紡織材料制成的服裝的隔熱性能評價都適用。對于纖維集合體,只需制成以其為絮填材料的服裝,如羽絨服、棉服,就可進行絮填保暖服裝的性能測試。
2.2 純導熱模型
純導熱模型是在傅立葉導熱定律的基礎上提出的。對于織物而言,由于其面積與厚度的比值很大,所以可以把織物看成一維穩態導熱材料。傅立葉導熱定律可以表述為:在導熱現象中,單位時間內通過給定截面的熱量,正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數學表達式為:
式中:“-”表示熱量傳遞方向和溫度升高的方向相反;λ為導熱系數(W/(m?K)),表征材料的導熱能力。由傅立葉導熱定律得出:
可見,導熱系數λ在數值上等于單位溫度梯度(即 1 K/ m)下,單位時間內垂直于單位截面面積上所傳導的熱量。
此模型適用于各種表現形式的紡織品,如填充絮材、紗線、織物、非織造布等。將不同表現形式的紡織品對熱流的阻隔作用以導熱系數這一變量總體體現。
2.3 熱濕耦合模型
Henry從孔隙間分子運動的角度出發,定義了多孔介質內部對應于不同孔徑大小的孔隙分布和熱傳遞系數,建立起熱量傳遞平衡方程,最終求出分析解,并將之應用于不同體積密度的棉纖維集合體內部溫濕度的計算。基本方程組屬于拋物型偏微分方程組,由 3 個方程組成:
2.4 結構化傳熱模型
2002年,范堅、倪波認為織物傳熱的主導方向為從試樣內表面到外表面,但同時在與內外表面平行的方向上也存在一定傳熱。他們把這種兩個方向都存在傳熱現象的模型稱為二維傳熱模型。在二維穩態下,由導熱的微分方程可得到傳熱模型,并利用計算機求解溫度梯度,繪制溫度梯度曲線圖。對于織物傳熱系數的表達,需要考慮織物的細化結構,將織物的導熱系數看作纖維與空氣導熱系數之和。在纖維與空氣的邊界,運用調和平均法計算織物的傳熱系數。
此模型突出了織物的結構是決定其傳熱的主導因素,但只考慮了熱傳導方式,對對流和輻射方式的傳熱未加討論,也沒有考慮熱濕結合的情況。同時,此模型將織物視為二維傳熱模型進行考慮,而纖維集合體排列無序屬于三維模型范疇,所以結構化傳熱模型對于纖維集合體不適用。
3 結論
紡織品熱傳遞性能的評價方法對研究產品的舒適性極其重要,人們對此提出了不同的測試方法和理論模型,但大多數的評價測試方法都是針對織物的。纖維集合體與織物不同,所以若將針對織物的測量儀器以及方法應用在纖維集合體的測量上,那么在試樣的放置、控制試樣厚度等方面均會出現問題,必須對測試儀器進行改裝或進行特殊的制樣。對于紡織材料熱傳遞性能的理論模型,大多數均從材料整體的溫濕度方面進行考慮,因此適用于任何形態的紡織材料,包括纖維集合體。
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[12] Nordon P,David H G.Coupled diffusion of moisture and heat in hygroscopic textile materials[J].International Journal of Heat Mass Transfer,1967,10(2):853-866.
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