結構參數對超高分子量聚乙烯織物導熱性的影響

包玉秀，肖 紅，王越平，孫 超，衣衛京

(1.北京服裝學院 材料設計與工程學院，北京 100029； 2.軍事科學院 系統工程研究院，北京 100082； 3.中華女子學院 藝術學院，北京 100101； 4.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院，北京 100029)

通常情況下，在室內工作時人們通過調整建筑物空間的溫度來使人體感到舒適，這個過程需要耗費大量的能量。根據美國能源部公布的建筑能源數據手冊，2006年建筑行業消耗了美國一次能源總量的38.9%,而在這種能源中，34.8%被建筑物用于空間供暖[1-2]。但大多數情況下，人體在整個溫度調整的空間里所占的體積很小，所以在能源緊張及可持續發展的大背景下，以調整服裝微環境的溫度來替代空間大環境的溫度調節，可以節省大量的能源消耗[3]。在寒冷環境中，除了利用服裝材料及結構本身被動保暖以外，目前還有許多采用電加熱等主動加熱方式[4],但由于電源容量的限制和使用時可移動性的要求，所選用的加熱片尺寸通常較小，加熱區域有限，且加熱溫度高時容易對皮膚造成傷害。因此，通過研究織物的導熱性，在加熱尺寸受限的情況下盡量提高傳熱速度和加熱面積，以盡量少的能量消耗提供更好的加熱效果。

國內外學者從不同角度對織物的導熱性進行了研究。大多數人處于久坐狀態，周圍環境相對封閉，且一般紡織品紗線之間或纖維之間的間距較小，對流的傳熱較熱傳導對傳熱的貢獻小[5]，故可忽略對流對傳熱的影響。目前利用改變織物熱輻射率來調節溫度的研究較少，Cai等[6]設計了一種具有納米孔洞、外覆納米金屬涂層的聚乙烯織物, 還設計出由兩層不同厚度的納米聚乙烯夾著一個雙層輻射體(碳層和銅層)構成的，可以同時實現保暖和降溫2種功能的人體輻射式加熱/制冷雙模織物[7]。然而這種技術還存在著一定問題,如穿戴者的舒適感、如何與其他衣服搭配使用、極端條件下織物是否會發揮反作用等，且室內條件下，人體皮膚和內層、外層織物與環境之間的溫差較小，因此忽略輻射[8]，只考慮傳導對傳熱的影響。目前針對織物熱傳導方面的研究，主要采用熱傳導性能測試儀或KES織物多功能測試儀等[9]，測試影響織物導熱性的因素集中在導熱率、厚度、容重、回潮率等[10-12]。由于織物熱阻的影響因素較多，有時多種因素共同作用，造成分析織物熱阻時存在很多不確定因素。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是當今世界最典型的三大高性能纖維之一，在汽車制造、醫療器械、體育運動器械、建筑等領域有著非常廣泛的用途，其具備良好的力學性能和導熱性能[13-14]。本文采用加熱片提供熱源，以UHMWPE為主要的導熱材料設計不同規格參數的織物，通過鉑電阻測溫儀測試不同位置織物表面的溫度變化,以研究其導熱性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

常用纖維的導熱率見表1[15]。可以看出，常用紡織纖維的導熱率范圍0.042～0.337 W/(m·℃)，略高于空氣的導熱率，遠低于水的導熱率，而超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的導熱率可以達 0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，導熱性很好。本文選用UHMWPE纖維、滌綸、錦綸作為原料，織造不同組織、密度的交織物，并測試其導熱性能。

表1 常用纖維的導熱率

1.2 實驗設備及儀器

SL8900全自動劍桿織機，織物密度鏡，16通道鉑電阻測溫儀(精度為0.2%；交流電壓85～264 V，50/60 Hz)，環境溫濕度記錄儀，石墨烯電加熱片(13.4 cm×6.5 cm)等。

1.3 實驗方法

采用SL8900全自動劍桿織機織造布樣，織物規格參數見表2。

表2 織物規格參數

采用鉑電阻測溫儀測量距離熱源邊界不同位置處織物表面溫度隨時間的變化。為防止織物覆蓋對實驗結果的影響，減小接觸面對溫度的影響，在工作臺上放置一個帶有支架的亞克力板邊框將織物導熱面朝上并夾在邊框上，在中心位置標記出加熱片位置。測溫頭放置位置示意圖見圖1。沿緯向距離加熱片一定距離固定2個測溫鉑電阻頭(間距2 cm/個)，待加熱片和織物溫度穩定后，將加熱片加熱面朝下放到待測織物上標定的位置，記錄各測試點溫度隨時間的變化。為避免環境對織物導熱性的影響，實驗在恒溫恒濕實驗室(溫度(27±0.2) ℃，相對濕度50%±2%)中進行。

圖1 測溫頭放置位置示意圖

2 結果與討論

2.1 纖維種類對織物導熱性的影響

選擇緯紗線密度相同，組織結構為平紋，且織物密度接近的1#、2#、3#織物，測試織物表面溫度隨時間的變化，纖維種類對織物導熱性的影響見圖2。可以看出，在加熱片溫度近似相等時，3#織物在距離加熱片2 cm處的溫度達到31.5 ℃，而1#和2#織物在相同位置處的溫度分別為29.0 ℃和29.5 ℃，明顯低于含UHMWPE織物。這是因為不同纖維的導熱率不同，導熱率越高，橫向導熱性越好，滌綸的導熱率為0.084 W/(m·℃),錦綸的導熱率為0.244～0.337 W/(m·℃)，而UHMWPE纖維由于具有高取向度、高結晶度的結構，其導熱率可以達0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，有很好的導熱性，故含UHMWPE的織物導熱性明顯好于滌綸/滌綸和滌綸/錦綸交織物。

注：0、2、4 cm表示鉑電阻測溫頭在緯向上與加熱片邊緣的距離。下同。

2.2 織物組織結構對導熱性的影響

選擇緯紗線密度相同、織物密度接近且緯紗為UHMWPE纖維的3#、4#、5#織物，測試織物表面溫度隨時間的變化，組織結構對織物導熱性的影響見圖3。

圖3 組織結構對織物導熱性的影響

從圖3可以看出，溫度從低到高依次為平紋(3#)、斜紋(4#)、緞紋(5#)織物，說明緞紋織物的導熱性最好。一個組織循環單元的織物熱阻可以用下式進行描述：

(1)

式中：Runit為一個組織單元的總熱阻；λ1為纖維軸向的導熱系數；λα為空氣的導熱系數；λτ為纖維橫向的導熱系數；bj、bw和dj、dw分別為機織物的經、緯紗的中心距和直徑；n為織物單元組織循環紗線數[17]。

從式(1)可以看出，任何組織的織物熱阻組成是類似的，不同的是熱流通過織物時纖維通道和空氣通道的個數。不同的織物組織其交織長度不同，決定了熱流的通道長度是不相等的，所以熱流在織物中所走的路徑長度不同，熱流通道越長其熱阻越大[17-18]。而緞紋組織交織長度最小，熱流通道最短導致其織物熱阻最小。

2.3 紗線線密度對織物導熱性的影響

選擇組織結構為平紋、織物密度接近且緯紗為UHMWPE纖維的6#、7#、8#織物，測試織物表面溫度隨時間的變化，紗線線密度對織物導熱性的影響見圖4。

圖4 紗線線密度對織物導熱性的影響

從圖4可以看出，隨著紗線線密度的增加，織物溫度依次升高，說明UHMWPE紗線越粗，其導熱性越好。這是因為織物內的熱流方向更多是沿著纖維軸向傳遞，并在適當的位置轉移到另一根纖維上，接力進行。熱流在纖維間傳遞的過程中，靜止空氣起著不可忽視的作用。由于靜止空氣的導熱率(0.026 W/(m·℃))遠低于常見纖維材料的導熱率(0.042～0.337 W/(m·℃))，織物中所含空氣越少，織物的導熱性越好。因此在織物密度近似相等時，紗線越粗，織物內所含空氣越少，織物的導熱性越好。

2.4 織物密度對導熱性的影響

選擇紗線線密度相同、組織為平紋且緯紗為UHMWPE纖維的3#、9#、10#織物，測試織物表面溫度隨時間的變化，織物密度對導熱性的影響見圖5。可以看出，雖然加熱片溫度在織物緯向密度最大時較低，但仍可以看出隨著密度的增大，織物溫度越高，導熱性越好。這是因為當紗線線密度相同時，織物密度越大，織物中所含空氣越少，故導熱性越好。

圖5 織物密度對導熱性的影響

3 結 論

本文研究分析了織物參數對含UHMWPE纖維交織物及滌綸/滌淪、滌綸/錦綸交織物導熱性的影響，結果表明，含UHMWPE纖維織物有較好的導熱性，且紗線線密度、織物密度和組織結構均對織物導熱性有一定的影響。得出：

①超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的導熱性明顯好于滌綸和錦綸。

②通過對含UHMWPE織物的比較可以看出，紗線越粗，織物導熱性越好，反之越差。

③通過對不同密度織物的比較可以看出，含UHMWPE織物的密度越大，導熱性越好。

④通過對不同組織結構織物的比較可以看出，織物組織的交織次數越多，熱流通道越長，熱阻就越大，緞紋組織結構織物的導熱性較平紋和斜紋好。

綜上所述，對于加熱服織物的設計，在滿足基本服用性能的前提下，可使UHMWPE紗線配比高、紗線盡量粗、浮長盡量長，且織物密度盡可能大，這樣能在加熱尺寸受限的情況下盡可能地提高織物導熱速度和加熱面積，從而減少能源消耗提供更大的加熱面積。