紡織品吸濕發熱測量不確定度分析

葛傳兵， 錢曉明， 趙曉明， 單學蕾, 王曉梅

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天紡標檢測認證股份有限公司， 天津 300193)

紡織品吸濕發熱測量不確定度分析

葛傳兵1， 錢曉明1， 趙曉明1， 單學蕾2, 王曉梅2

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天紡標檢測認證股份有限公司， 天津 300193)

為提高紡織品吸濕發熱性能測試結果的準確性，對紡織品吸濕發熱性能測試的不確定度進行評估，采用FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》附錄A的方法測試針織面料的吸濕發熱性能，對測試過程中的影響因素，包括溫度傳感器、計時器、測試過程的隨機效應等進行逐一分析、計算，找出影響測量最高升溫值和30 min平均升溫值2個重要評價指標的不確定度分量，進而評估合成不確定度及擴展不確定度。結果表明，測量最高升溫值的合成不確定度為0.35 ℃，測量30 min平均升溫值的合成不確定度為0.19 ℃，其中，溫度傳感器和計時器引起的不確定度均小于測試過程中隨機效應所引起的不確定度，即樣品組成的均一性和取樣位置等隨機性因素是影響測試重復性的主要因素。

紡織品； 吸濕發熱； 不確定度； 升溫值

傳統服裝的保暖方式通常為控制熱傳導、對流、輻射所導致的熱散失[1]，而吸濕發熱纖維是通過捕捉空氣中含有較高動能的水分子，變動能為熱能[2]，或者是液體汽化吸收熱量，氣體液化放出熱量。國內對于吸濕發熱纖維的研究起步較晚，而國際上對這種纖維的研究主要集中在日本[3]，通過多種途徑和方法對纖維進行高親水化處理，制得具有吸濕發熱功能的纖維[4-6]。一般來說，吸濕發熱纖維的發熱性能與其回潮率有關，回潮率越高，則吸濕發熱性能越好，反之亦差[7-8]。相對于纖維制造，對于吸濕發熱性能檢測方法的研究較少，且國內外對吸濕發熱性能的測試方法或標準尚未統一[9-10]。FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》標準就是在此背景下應運而生，成為國內首批檢測此項指標的標準之一。標準中對吸濕發熱內衣評定有明確的規定。日本也有類似的測試方法，但是在取樣方法上和測試環境條件的規定與我國標準不盡相同。

FZ/T 73036—2010標準中，吸濕發熱項目的檢測主要通過吸濕發熱儀，它是一種智能設備，自帶控制軟件，可實時記錄樣品的溫度和時間，測試時將樣品干燥處理，再放到一定溫度和濕度的環境中，由探針探測織物表面溫度的變化。通過軟件過濾可疑數據，并自動報出最高升溫值和平均升溫值，且能自動輸出結果。

紡織品的吸濕發熱值是客觀存在的一個確定值，但由于檢測手段的不完善及人們認知的局限性，導致系統誤差的存在，使結果以某個概率的形式落在某個區間范圍內。測量不確定度是用來表征合理賦予被測量值分散性的一個指標，它與測量結果息息相關[12-13]。本文依據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》對FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》附錄A的吸濕發熱性能測試進行了不確定度評估和分析，以期找出影響該試驗結果不確定度的最大分量，進而對產生這些分量的測試要素加以控制，使測試結果更加準確、可靠。通常測量結果的準確性可用測量誤差來衡量，但是檢測測量誤差只能表現測量的短期質量，測量過程是否持續受控，測量結果能否保持穩定一致，測量能力是否符合標準和客戶的要求，就需要用測量不確定度來衡量。

1 試驗原理與方法

1.1原理

將經過烘干的試樣放在溫度為20 ℃和濕度為90%的恒溫恒濕環境中，用溫度傳感器記錄30 min內試樣因吸濕而發生的溫度變化，與空白值相比較得出試樣的最高升溫值和30 min平均升溫值，并據此結果來評判試樣吸濕發熱性能。

1.2設備

本文試驗中使用的吸濕發熱箱，配備日本大榮公司的平板保溫測試儀，寧波紡織儀器公司開發的熱阻、濕阻儀和透濕箱，日本ESPEC公司的恒溫恒濕箱，如圖1所示。

圖1 吸濕發熱箱Fig.1 Equipment of moisture-absorption and heat-generating test

運算系統采用SCAN吸濕發熱測試系統(天津市協力自動化工程有限公司)。該系統具有風速調節和顯示裝置，數據由軟件進行自動采集和計算，可完成FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》和GB/T 29866—2013《紡織品吸濕發熱性能試驗方法》2種標準方法測試。

1.3檢測方法

1.3.1試驗準備

每個樣品至少剪取0.5 m以上的全幅織物，取樣時避開布端2 m以上，在成品上均勻裁取3個組合試樣，每組試樣由2塊60 mm×100 mm的試樣組成，試樣里層相貼合，沿三邊縫合成一袋狀插入口，形成一個組合試樣，如圖2所示；安裝后的效果如圖3所示。

圖2 組合試樣縫制方法示意圖Fig.2 Sketch of sewing method of combined sample

圖3 組合試樣安裝圖Fig.3 Installation diagram of combined sample

1.3.2試樣干燥

將組合試樣和稱量瓶(打開蓋子)一同放入烘箱內，于(105±2)℃烘至恒態質量，迅速將試樣放入稱量瓶，蓋上蓋子，然后放入干燥器于溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±4)%的環境中平衡1 h。

1.3.3試驗步驟

啟動恒溫恒濕試驗箱和溫度記錄儀，待儀器穩定后，讀取3個溫度傳感器測試值，作為T0。

將平衡后的試樣從稱量瓶中取出，打開恒溫恒濕箱，在30 s內將3塊試樣按要求套在3個溫度傳感器上，關閉恒溫恒濕試驗箱，同時開啟溫度記錄儀，試驗時間為30 min。

記錄最高升溫值Tmax(b點)和10、20、30 min的升溫值(c、d、e點)并繪圖，如圖4所示。

圖4 組合試樣升溫值與時間的關系圖Fig.4 Relationship between temperature rise valueand time of composite sample

Y軸：△T為在某個時間點上，試樣的溫度減去溫度傳感器的空白溫度值。X軸：t為試驗時間。a點：放入試樣后，在溫度記錄儀開始記錄的那一時刻傳感器的溫度與初始空白溫度的變化值。f點：放置試樣到開啟溫度記錄儀使傳感器溫度發生變化的時間。b點：試樣升至最高溫時與空白值的差值，從溫度記錄儀軟件中直接讀取，為試樣的最高溫度變化值。c點、d點、e點：分別為在試驗10、20、30 min時試樣溫度與空白值的差值。t1點：產生最高溫度變化值的時間。

由圖4可看出，面料的吸濕發熱過程主要有2個溫度的變化階段：第1個階段為纖維吸附水分子，逐漸放出熱量，隨著熱量的放出，溫度逐漸升高，最后達到最高值；第2階段隨著纖維吸濕的逐漸飽和，不再放出熱量，當溫度達到最高值后，由于面料與周圍環境(測試環境中溫度為20 ℃)存在溫度差，熱量逐漸擴散到空氣中，使面料的溫度逐漸降低，隨著時間的推移，最終會與環境溫度達到平衡。由此可知，吸濕發熱纖維產品采用的蓄熱調溫技術發揮了作用：它在人體與衣物、衣物與外界環境之間能起到“調節器”的作用，可緩沖外界環境溫度的變化[3,14]。

1.4數學模型

升溫值(△T)即為每塊組合試樣的溫度值減去溫度傳感器的空白值所得結果，即

△T=T-T0

30 min平均升溫值(△T30)為三角形S1和梯形S2～S4的面積總和除以總時間30，即

△T30=(S1+S2+S3+S4)/30

2 不確定度來源及分析

最高升溫值(△Tmax)的不確定度來源主要是2次溫度傳感器測量引起的不確定度u(T)，以及測試過程中隨機效應引起的不確定度u(frep)。

30 min平均升溫值(△T30)的不確定度來源主要是4次計時器引起的不確定度u(t)，4次溫度傳感器測量u(T)，以及測試過程中隨機效應引起的不確定度u(frep)。

同一個樣品，按照1.3方法，取10組測試樣，分別測試其最高升溫值和30 min平均升溫值，測試數據見表1。

2.1溫度傳感器引起的不確定度

測試最大升溫值時，由溫度傳感器引起的不確定度為

表1 重復測試10次的結果Tab.1 Repeated test results for 10 times

相對不確定度為

uref(Tmax)=u(Tmax)/△Tmax=

0.040 825/5.41=0.007 546

式中，△Tmax見表1，取平均值5.41。

測試30 min平均升溫值時，溫度傳感器引起的不確定度為

相對不確定度為

uref(T30)=u(T30)/△T30=

0.057 735/2.76=0.020 918

式中，△T30見表1，取平均值2.76。

由以上計算結果可知，溫度傳感器引起的不確定度在0.040 825～0.057 735 ℃之間，相對不確定度在0.007 546～0.020 918之間，數值較小，即試驗設備精度較高，對整體試驗的不確定度貢獻不大。

2.2計時器引起的不確定度

根據檢定證書，計時器的不確定度[16]為

在10 s時，u(t10)=0.004 s(k=2);

在600 s時，u(t600)=0.004 s(k=2);

在1 200 s時，u(t1 200)=0.02 s(k=2);

在1 800 s時，u(t1 800)=0.02 s(k=2)。

測試30 min平均升溫值時由計時器引起的相對不確定度為

式中：最高升溫值t1的時間往往出現在0～600 s以內，因而ut1按0.004 s計算。

由以上計算結果可知，計時器對測試30 min平均升溫值引起的不確定度為0.02 s，相對不確定度為0.028 844，數值較小，即計時器精度較高時，對試驗的不確定度貢獻很小。

此外，由于測試最大升溫值是從溫度記錄儀軟件直接讀取，不需要計時器測量，因此，不必考慮此項對試驗不確定度的貢獻。

2.3測試過程中隨機效應引起的不確定度

根據文獻[17]，采用下式計算重復性測量引入的相對不確定度：

測試最大升溫值時，由重復性測量引入的不確定度為

ufrep(Tmax)=0.064 040

測試30 min平均升溫值時，由重復性測量引入的不確定度為

ufrep(T30)=0.059 988

由以上計算結果可看出，重復性測量引起的相對不確定度的是溫度傳感器、計時器引起的相對不確定度最大值的3倍，因此，重復性測量所導致的試驗偏差最大，其對整體試驗的不確定度貢獻最大。

2.4不確定度分量的合成

測試最大升溫值時，其不確定度來源為溫度傳感器和隨機效應，因此，其標準不確定度為

u(△Tmax)=5.41×

測試30 min平均升溫值時，其不確定度來源為溫度傳感器、計時器和隨機效應，因此，其標準不確定度為

u(T30)=2.76×

2.5擴展不確定度

取擴展因子k=2,則最大升溫值的擴展不確定度為0.70 ℃，30 min平均升溫值的擴展不確定度為0.38 ℃。

3 結 語

從紡織品吸濕發熱測量不確定度的評定過程中可以發現，當試驗設備的溫度傳感器、計時裝置精度很高，且環境溫度濕度相對穩定的情況下，試驗過程的隨機性所導致的偏差對不確定度的貢獻最大。這種隨機性可能來自被測對象的組成均一性，或取樣部位代表性或人員操作等等。

FZXB

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Evaluationofuncertaintyformeasurementofmoisture-absorptionandheat-generatedoftextiles

GE Chuanbing1, QIAN Xiaoming1, ZHAO Xiaoming1, SHAN Xuelei2, WANG Xiaomei2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387,China; 2.TianfangStandardizationCertification&TestingCo.,Ltd.,Tianjin300193,China)

In order to improve the accuracy of testing results of moisture-absorption and heat-generation properties of textiles, the uncertainty for moisture-absorption and heat-generation properties test of textiles was assessed, using the method of FZ/T 73036—2010 Moisture-Absorption and Heat-Generated Knitted Underwear Appendix A to test the moisture-absorption and heat-generation properties of knitted fabric. Analyzing and calculating the influencing factors including temperature sensor, timer, random effect during the test procedure, the uncertainty component of two important evaluation indexes which affect the maximum temperature rise value and average temperature rise value in 30 min was found out . And then the combined uncertainty and extended uncertainty were assessed. The results show that the combined uncertainty of the maximum temperature rise value is 0.35 ℃, and the combined uncertainty of the average temperature rise value in 30 min is 0.19 ℃. The uncertainties caused by temperature sensor and timer are less than that caused by the random effects during the testing process.The uniformity of the sample composition, the sampling position and other random factors are the main factors affecting the repeatability of testing.

textiles; moisture-absorption and heat-generated; uncertainty; heating value

TS 101.4

：A

2016-11-09

：2017-06-05

葛傳兵(1976—)，男，博士生。主要從事紡織檢測方面的研究。E-mail：gcbgcb@163.com。

10.13475/j.fzxb.20161102805