通過三維經編床上用紡織品實現瞬態熱傳遞和質量傳遞

H. Herfert， M. Braun， A. Hantsch

1. 霍夫應用技術大學 材料科學研究(德國) 2. 薩克森紡織研究所(德國) 3. 空氣與制冷技術研究所(德國)

保證舒適睡眠的關鍵要求是具備良好的環境條件，主要指身體周圍溫度和濕度達到理想的平衡。德國薩克森紡織研究所(STFI)和空氣與制冷技術研究所(ILK)的研究提供了床上用品填充材料影響床被下方環境的相關信息，確定了良好睡眠的關鍵決定因素，包括睡眠狀態的人體溫度調節機制、常規床上用品填充材料的特性及床被的常規舒適性標準。研究結果表明，具有特殊結構參數的三維(3D)經編織物相比非織造布具有更好的透濕性能，尤其是在夏季。

可采用多種方式對3D結構的紡織品進行改進，使其最終產品具有廣泛的用途而應用于日常生活和各工業領域。由熱塑性聚合物制成的經編間隔織物(圖1)，在所有3D紡織品中需求量最大。這些經編間隔織物因具有特定的彎曲剛度、壓縮特性和熱生理舒適性，是用于床和椅子的裝飾、汽車座椅襯墊及羽絨被填充物的理想材料。盡管其作為氣候調節材料用途廣泛，但開發數學和數值模型以描述3D經編織物特性對其熱生理特性影響的工作目前鮮有開展，僅有的研究也只是個案。

圖1 經編間隔織物實例

STFI和ILK聯合實施該項目，確定并評估了不同用途的經編間隔織物材料和結構參數對其在常溫和低溫條件下熱傳遞和材料轉移行為的影響。其目的在于將研究結果用于數值模擬模型。該項目仍在進行中，本文將介紹研究的初步結果，試驗涉及經編間隔織物在羽絨被中的應用。傳統產品可提供適度的儲熱和高水平的導濕功能，本文比較研究了由間隔織物制成的床上用品與傳統產品的物理特性，如厚度和面密度。

3D紡織品的物理性質及環境生理性能可被改進和修正。紗線原料和紗線線密度、經編織物的結構、成圈方式、面組織的線圈密度、絨線層的設計及織物厚度均可調節和改變。針對睡眠進行相關研究可獲得優化的填充工藝參數。

1 睡眠相關研究概述

醫療人員對核心溫度(CBT)和皮膚溫度(ST)進行了區分。在人體中，CBT遵循24 h循環，會在20∶00左右達到最高溫度37.4 ℃，在4∶00左右達到最低溫度36.5 ℃。入睡后最初的幾個小時內，CBT會出現特別明顯的下降。更多的血液流向皮膚以排出身體核心的熱量，此時通過皮膚表面散發的熱量和水分會增加。皮膚表面和床體本身的部分水蒸氣的氣壓差異，促使汗液從人體內排出。如果羽絨被下方過于潮濕和溫暖，快速眼動(REM)和非快速眼動睡眠階段將發生異常，從而擾亂睡眠，甚至可能導致睡眠者醒來，睡眠質量受到不利影響。最終，人體將通過排汗以防止過熱。

2 床內理想條件

身體周圍區域的溫度處于27～31℃及相對濕度約為50%是良好睡眠的理想條件，具體數值取決于睡眠階段的類型。在相對濕度為60%及以上時，床內的微環境會使人感到不舒服，睡眠也將受到干擾。個人對濕度的感知極其相似。在一項汽車座椅使用者對環境氣候舒適性感知的研究中，不到50%的參與者對溫度的感知一致，超過80%的參與者一致認為評估過程中的不適由濕氣引起。

因此，在選擇羽絨被時，重點應放在對填充物水分運輸能力的評估上。每1 kg干燥空氣中水蒸氣的質量大于23 g的特定濕度水平會引起人體不適。

3 經編間隔織物的熱濕傳導測試

STFI進行的一系列綜合試驗研究了3D間隔織物的環境生理特性，并為此開發了一種特殊的測試儀器(圖2)，可模擬非穩態條件下的溫度和濕度狀態。其可設置最大濕度為70%，膜下最高溫度為40 ℃。為了模擬夏季床上的高溫和高濕水平，選擇了床內環境溫度和濕度的最大設定值進行試驗。

圖2 非穩態熱濕傳導測試儀

50種具有各種不同結構參數的經編間隔織物試樣被用于試驗。選用4種不同織物表面、2種不同厚度及2種不同單絲直徑的織物試樣。為改變織物表層之間的自由流動體積，加入了一些變形復絲用作絨線。

在選定的間隔織物上進行了時長10 h的試驗，以研究熱量和水分的普通傳輸模式。為了進行比較，加入2種市售羽絨被試樣，其纖維非織造布填料的用量和厚度均不同。

由纖維構成的非織造布具有與3D經編間隔織物完全不同的幾何結構，因此可預料它具有不同的熱量和物質傳輸模式。例如，對于非織造布填料，不會產生對流的導濕行為，但厚度為8 mm及以上的經編織物卻會發生對流導濕。基于這些試驗結果，設立了后續50個試樣的測試方案。

4 經編間隔織物——更好的熱濕導體

對濕度和溫度測量值進行無量綱標準化。試樣的濕度變化值達到圖1中的1.0時，表示物質傳遞完成。圖1表明，除了1個試樣，其他所有經編織物都具有比非織造布填充的羽絨被更好的導濕能力。6 h后，所有試樣的水分傳遞均完成。事實上，90%的水分早在初始1 h內就已逸出(圖3)，這證實了非穩態過程動力學。

圖3 濕度下降模式

6 h后熱傳輸大約完成90%(圖4)，經編間隔織物和非織造布填料之間的性能差異也較小，所有試樣的溫度下降趨勢相似且分布均勻。

圖4 溫度下降模式

總體而言，與傳統非織造布填料相比，經編間隔織物是更好的羽絨被填充物，二者熱量的傳輸相似，但經編間隔織物的水分傳輸更好。為研究水分如何通過經編間隔織物而進行的試驗證實了這一點(圖5)。人體睡眠期間的水汽最佳傳遞速率為27～115 g/h，水分的通過率應盡可能高以確保水汽傳遞速率達到此范圍，研究表明多數經編間隔織物達到該要求。

圖5 水分傳輸

5 結果——作為可能趨勢的指標

將測量結果與參考羽絨被的測量值進行比較(圖6)，可看到溫度下降模式不同。網眼織物試樣比高密度織物試樣溫度下降得更快。

圖7為水分下降模式，證實了經編間隔織物水分傳遞比參考羽絨被更加有效。然而，無法明確地描述結構參數對試樣溫度和水分降低的影響。圖7曲線顯示的水分下降模式表明網眼織物有促進水分傳輸的趨勢。然而，在得出任何具體結論之前，還需進行更多的調研。水分傳輸的研究亦是如此。

項目的后續階段將處理所有間隔織物試樣的測量結果，并進行結構參數對間隔織物的熱傳輸和物質傳輸特性影響的評估。

圖6 與參考羽絨被相比的溫度下降模式

圖7 與參考羽絨被相比的水分下降模式