織物含塵量對其熱濕傳遞性能的影響

吳佳佳，唐 虹，何姍姍

(南通大學紡織服裝學院，江蘇南通 226019)

織物的傳熱導(dǎo)濕性能對服裝舒適性影響很大，是服裝研究領(lǐng)域的熱點問題［1］。目前對織物熱濕傳遞性能的研究主要圍繞在測試方法、指標及織物結(jié)構(gòu)對熱濕性能變化的影響因素上［2］，鮮有對粉塵環(huán)境下服裝熱濕傳遞性能的分析。然而在粉塵濃度高的煤礦生產(chǎn)環(huán)境中，粉塵不斷在織物表面附著，慢慢通過織物中的孔隙滲入內(nèi)部，含塵織物與人體皮膚摩擦，引起皮膚紅腫過敏，粉塵還可以通過皮膚滲入人體。采煤、掘進、運輸?shù)却筮\動量作業(yè)產(chǎn)生的熱量和排出的汗液必須通過織物排出才能維持人體的熱濕平衡［3］，因此用于高濃度粉塵環(huán)境的織物必須具有優(yōu)良的熱濕舒適性能。

本文模擬煤礦井下作業(yè)環(huán)境制備含塵量穩(wěn)定的織物，測試織物含塵量及其含塵前后的熱濕傳遞性能，找出含塵量與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，分析含塵量對熱濕傳遞性能的影響。

1 含塵織物制備

在溫濕度、風速和粉塵顆粒濃度一致的前提下，研究織物含塵量與結(jié)構(gòu)參數(shù)及含塵前后熱濕傳遞性能變化的關(guān)系。

1.1 試樣結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文選用10種純棉織物，均由江蘇華業(yè)紡織有限公司織造。為避免漿料影響織物的潤濕性能，將坯布經(jīng)過統(tǒng)一退漿處理:坯布→浸軋堿液(燒堿質(zhì)量濃度10 g/L，溫度80～85℃，二浸二軋，帶液率70%左右)→汽蒸(PS-JS連續(xù)式還原汽蒸箱，100～102℃，20～25 min)→熱水洗(70～80℃，5 min)→冷水洗→拉幅熱定型處理(KY2000定型機，190～200℃，30 s)，達到類似成品的效果。織物規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 試樣規(guī)格及含塵量Tab.1 Sample Specifications and dust contents of samples

1.2 含塵織物制備

采用自制的實驗裝置，模擬地下600 m的礦井環(huán)境中織物含塵過程，溫度為(22±2)℃，相對濕度為(67±3)%。將AW6708微型空壓機與密封透明箱體連接，箱體底層均勻鋪滿碳粉顆粒80 g，碳粉粒徑為49～150 μm，粒徑大小介于纖維和紗線孔隙分布范圍內(nèi)［4］，箱體中間放置試樣。空壓機壓強設(shè)為0.05 MPa，這個壓力條件下碳粉顆粒隨著氣流運動緩慢上升，碳粉顆粒在箱體內(nèi)逐漸形成穩(wěn)定懸浮分布，當它接觸織物表面時，可附著或嵌入織物，實驗時間為150 s。然后將織物平移取出，將含塵面朝下靜置1 h，使附著在織物表面結(jié)合較松的碳粉浮塵掉落，而附著緊密的碳粉顆粒或穩(wěn)定嵌入在纖維或紗線結(jié)構(gòu)中的碳粉顆粒得以保留，再將織物另一面朝下靜置30 min，使穿透面料后沉降的碳粉浮塵掉落，從而制成穩(wěn)定的含塵織物。圖1示出含塵織物制備裝置示意圖。

1.3 織物含塵量測試

用電子天平分別測試試樣含塵前后的質(zhì)量，含塵后試樣的質(zhì)量增加量即為試樣的含塵量，g/m2。10種織物的含塵量如表1所示。

圖1 含塵織物制備裝置Fig.1 Manufacturing device of dusty fabric

1.4 含塵量與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

在相同環(huán)境下，織物含塵量主要取決于織物和紗線的結(jié)構(gòu)設(shè)計。有研究表明，機織物的過濾性能受織物組織、孔徑、厚度、織物密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合影響［5］。本文厚實緊密織物的含塵量較高，輕薄松散織物的含塵量較低。

將含塵量與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相關(guān)分析，結(jié)果顯示含塵量與織物面密度的相關(guān)性最顯著，與厚度、總緊度、經(jīng)紗捻度、緯紗線密度的相關(guān)性較顯著，與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)無顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與含塵量的相關(guān)性Tab.2 Correlation of structural parameters and dust content

含塵量與面密度的回歸曲線如圖2所示。由圖可見，含塵量隨面密度的增大而增加，面密度越大，單位面積織物內(nèi)纖維含量越多，碳粉顆粒易與纖維碰撞被捕集，不易滲透，穩(wěn)定吸附在纖維表面及被截留在織物孔隙中的粉塵量多。

圖2 面密度與含塵量的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of fabric density and dust content

織物厚度、總緊度與含塵量成正相關(guān)，厚度越厚則提供容塵的場所越多;緊度越大，纖維覆蓋率越大，織物的通透性越差，對粉塵的攔截效率高。含塵量與經(jīng)紗捻度呈弱負相關(guān)，與緯紗線密度呈弱正相關(guān)，低捻較粗紗線相對蓬松，毛羽較多，對碳粉顆粒起到滯留作用并能提高織物的容塵能力［6］。

2 含塵前后熱濕傳遞性能比較分析

在溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±2)%的條件下測試。測試儀器為YG606平板式保溫儀、YG(B)461E全自動織物透氣性能測試儀、YGB871毛細管效應(yīng)測定儀。

測量透氣率時，將試樣含塵面朝上夾持在透氣儀的進氣孔上，試樣中附著或嵌入的碳粉顆粒已穩(wěn)定，測試過程中的含碳量損失率均小于5%。每種含塵織物測試結(jié)束后用吹耳球吹拂清潔透氣儀的試樣定值圈和噴嘴等部件，以免測試過程中有少量微塵逸散，影響儀器的精度。

2.1 透氣性分析

織物含塵前后透氣率的變化如圖3所示。含塵后10種織物的透氣率都有所下降，平均下降率為23.0%。氣體通過織物有2條途徑:一是織物經(jīng)緯紗線間的交織孔隙，二是纖維間的空隙，一般以交織孔隙為主要途徑。影響紗線交織孔隙大小與數(shù)量的顯著因素是織物的緊密度［7］。當氣流通過交織孔隙時，阻力來源于黏滯阻力與慣性力［8］。由于粉塵顆粒吸附在織物表面或嵌入織物結(jié)構(gòu)中，堵塞并擠壓紗線與纖維間的孔隙，使得紗線之間構(gòu)成的氣流通道變小，空氣垂直于織物流動的黏滯阻力增大，導(dǎo)致透氣量減小，含塵后織物的透氣率明顯下降。

圖3 含塵前后透氣率變化Fig.3 Changes of ventilation rate between dusty and clean samples

2.2 傳熱系數(shù)分析

織物含塵前后傳熱系數(shù)的變化如圖4所示。含塵后織物的傳熱系數(shù)增大，平均增大率為21.6%。織物的導(dǎo)熱性能主要取決于材料內(nèi)部死腔空氣的含量［2］，碳粉顆粒是固體材料，導(dǎo)熱系數(shù)大于纖維和空氣，且碳粉顆粒阻塞織物中的孔隙，孔隙中靜止空氣被擠壓掉，使得織物的隔熱性能降低，且2種材料的混合導(dǎo)致局部的熱流發(fā)生相對短路，從而使得傳熱系數(shù)增大［9］。

2.3 芯吸高度分析

總體來看，含塵后織物經(jīng)緯向的芯吸高度均比含塵前低，30 min后10種試樣的經(jīng)緯平均芯吸高度下降16.6%。圖5示出含塵前后織物經(jīng)緯向的平均芯吸高度變化。以5號試樣為例，芯吸初始階段含塵前后的芯吸高度差較小，隨著時間推移，含塵前后的芯吸高度差逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。

圖4 含塵前后傳熱系數(shù)變化Fig.4 Changes of heat transfer coefficients between dusty and clean samples

圖5 試樣5含塵前后經(jīng)緯平均芯吸高度變化Fig.5 Average wicking height changes of warp and weft between clean and dusty samples of sample 5

芯吸初始階段，液體上升較快，但受到液體重力的影響，芯吸速率表現(xiàn)出由快速逐漸趨于平衡［10］。產(chǎn)生芯吸效應(yīng)的原因是織物中存在的大小和形狀各異的孔隙形成毛細壓差，且毛細管彎曲面附加引力的作用能自動引導(dǎo)液體向上流動［11］，碳粉顆粒阻塞部分毛細孔，阻隔了液體在毛細管內(nèi)的自然流動和液體沿著經(jīng)緯紗方向在纖維內(nèi)部的浸潤鋪展，影響了液態(tài)水的流動過程，降低了芯吸速率。

3 含塵量對熱濕傳遞性能的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，含塵量隨吸附時間延長而逐漸增大并趨于穩(wěn)定。為進一步分析粉塵吸附過程中含塵量與熱濕傳遞性能的關(guān)系，以10號試樣為例，以30 s為時間節(jié)點，分析150 s內(nèi)吸附過程中含塵量與熱濕指標的變化趨勢。

3.1 含塵量對透氣率的影響

圖6示出10號試樣含塵量及透氣率與吸附時間的關(guān)系。在150 s吸附時間內(nèi)含塵量逐漸增加并趨于穩(wěn)定，織物透氣率由大到小逐漸減少。由于織物表面的凹凸結(jié)構(gòu)，粉塵顆粒主要在織物表面凹槽內(nèi)、纖維空隙、紗線交織點處積聚，阻塞了織物的透氣通道，引起透氣率的下降。當含塵量的增加趨勢減緩，透氣率的下降速率也減小，直至150 s后含塵量與透氣率都趨于穩(wěn)定。

圖6 10號試樣的含塵量及透氣率與吸附時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between dust content and ventilation rate and adsorption time of sample 10

3.2 含塵量對傳熱系數(shù)的影響

圖7示出10號試樣含塵量及傳熱系數(shù)與吸附時間的關(guān)系。可知，在150 s吸附時間內(nèi)織物的傳熱系數(shù)隨含塵量的增加而增大并趨于穩(wěn)定，且增大趨勢更平緩。當含塵量逐漸增多時，碳粉顆粒擠占了織物中原來的空氣使織物的含氣率下降，由于碳粉顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣和棉纖維大，導(dǎo)致傳熱系數(shù)增大。但另一方面織物中的粉塵使織物板結(jié)，熱對流不易形成，使傳熱系數(shù)的增加趨勢變緩。

圖7 10號試樣的含塵量及傳熱系數(shù)與吸附時間的關(guān)系Fig.7 Relationship between dust content and heat transfer coefficients and adsorption time of sample 10

3.3 含塵量對芯吸高度的影響

圖8示出10號試樣含塵量及芯吸高度與吸附時間的關(guān)系。可知，在150 s吸附過程內(nèi)織物的芯吸高度隨含塵量的增加逐漸減少并趨于穩(wěn)定。含塵量較少時，芯吸高度變化不明顯。當含塵量增多后，芯吸高度下降，由于粉塵顆粒填充了棉纖維和織物表面的溝槽，阻塞了紗線和纖維中的孔隙，毛細管數(shù)量減少，芯吸效應(yīng)減弱［12］，所以織物上的粉塵較多時，織物的導(dǎo)濕性變差，不利于汗液及時排出。

圖8 10號試樣的含塵量及芯吸高度與吸附時間的關(guān)系Fig.8 Relationship between dust content and wicking height and adsorption time of sample 10

4 結(jié)論

1)選取10種不同組織結(jié)構(gòu)和規(guī)格的棉織物，通過含塵織物制備實驗，在環(huán)境條件一致的前提下，織物的含塵量與面密度呈正相關(guān)，與厚度、總緊度、經(jīng)紗捻度、緯紗線密度的相關(guān)性較顯著。

2)10種織物含塵后，透氣率平均下降23%，芯吸高度下降16.6%，傳熱系數(shù)上升21.6%，引起織物熱濕傳遞性能的顯著變化，對高粉塵環(huán)境下作業(yè)服的熱濕舒適性破壞明顯。

3)含塵量隨吸附時間的延長引起織物熱濕傳遞性能的變化。在150 s吸附時間內(nèi)，織物的含塵量逐漸增加并趨于穩(wěn)定，透氣率下降，傳熱系數(shù)持續(xù)增加，芯吸高度逐漸減小。

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