灰色聚類分析在織物熱學性能評價中的應用

蔡薇琦， 馬崇啟， 闞永葭， 楊金蓮， 李君麗

(天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

灰色聚類分析在織物熱學性能評價中的應用

蔡薇琦， 馬崇啟， 闞永葭， 楊金蓮， 李君麗

(天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

為探討酚醛纖維織物的熱學性能，將酚醛纖維應用于消防領域，選取5種消防常用的織物聚酰亞胺織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物、阻燃棉織物、碳纖維織物為研究對象，在相同條件下進行熱學試驗并將熱導率、熱擴散系數、比熱、經向極限氧指數、緯向極限氧指數等作為研究指標，研究相同面密度的不同種類織物的熱學性能。單一的指標對比不能綜合評價出6種織物熱學性能的優劣，利用灰色聚類分析理論對這5個指標進行聚類分析，對其熱學性能進行綜合評價。結果表明：酚醛纖維織物與聚酰亞胺織物具有較好的熱學性能，芳綸1313織物的熱學性能次之，芳綸1414織物、阻燃棉織物、碳纖維織物的熱學性能最差。

酚醛纖維； 熱學性能； 導熱系數； 極限氧指數； 灰色聚類分析

酚醛纖維具有很好的耐燃燒性能[1-3]，可以用在消防領域，所以全面了解酚醛纖維織物的熱學性能十分重要，然而織物熱學性能是一個處于灰色地帶的系統[4-5]，存在很多不可知或不確定的信息，所以對比單個指標很難綜合分析和評價織物的熱學性能。

本文以酚醛纖維織物、聚酰亞胺織物、芳綸1313織物、阻燃棉織物、芳綸1414織物、碳纖維織物6種織物為研究對象，測試表征其熱學性能的各個指標，運用灰色聚類分析的方法進行綜合整體評價，通過對比可以將酚醛纖維織物的優異性能表現出來，為以后應用酚醛纖維提供參考。

1 試樣參數

為使測試結果具有可比性，織物面密度均為200 g/m2，織物經緯紗線細度一致，所選試樣規格見表1。碳纖維織物是一種平紋織物；阻燃棉織物是經過XINXINGFR阻燃工藝處理的棉織物，該織物具有不續燃、不陰燃的效果；酚醛纖維織物是由本文實驗紡紗織造而成。碳纖維織物是由天津工業大學復合材料研究所提供，其他織物均來自邦維普泰特種紡織品有限公司。

2 織物熱學性能測試與結果

為了準確地反映6種織物的熱學性能，降低其他參數對其的影響，減小織物表面油劑對實驗的影響，用熱水反復搓洗2～3次，晾干，然后在標準大氣條件下調濕24 h，測試織物的各種性能[6]。測試6種織物的熱學性能，結果見表2。

由表2可以得到：1)單項指標熱導率：芳綸1414>碳纖維織物>聚酰亞胺織物>阻燃棉織物>酚醛纖維織物>芳綸1313。保溫材料通常為熱導率較低的材料(國家標準規定，凡導熱系數小于等于0.12 W/(m·K)、平均溫度低于或等于350 ℃時的材料稱為保溫材料)，而將熱導率在0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。因此聚酰亞胺織物、芳綸1414織物與碳纖維織物不屬于保溫材料，酚醛纖維織物和芳綸1313織物接近于高效保溫材料。2)熱擴散系數：碳纖維織物>芳綸1414>阻燃棉織物>芳綸1313>酚醛纖維織物>聚酰亞胺織物。熱擴散率也稱為導溫系數，它表示物體在升溫或降溫的過程中，溫度趨向于一定均勻穩定值的能力。聚酰亞胺織物的熱擴散系數為0.844 mm2/s，遠小于其他5種織物，即在加熱或冷卻過程中，聚酰亞胺織物的溫度趨于一致的能力最低。3)比熱：芳綸1414>碳纖維織物>阻燃棉織物>聚酰亞胺織物>芳綸1313>酚醛纖維織物。比熱指的是熱容量，即單位質量的物質改變1個單位時，內能的吸收量或者是釋放量。酚醛纖維織物的比熱為7.748 MJ/(m3·K)，遠小于其他5種織物，即單位質量物體改變溫度時吸收或釋放的內能最小。4)經緯向極限氧指數：碳布的≈聚酰亞胺織物的>酚醛纖維織物的>芳綸1414的>阻燃棉布的>芳綸1313的。

表2 織物熱學性能測試結果Tab.2 Testing results of thermal of fabrics

表2單項指標逐一對比無法綜合的評價織物的熱學性能。

3 運用灰色聚類法的織物熱性能評價

從表2可以看出，單項指標表征的織物熱學性能各有差異，無法根據單項指標評價織物的熱學性能，需要采用數據分析的方法對織物的熱學性能進行綜合評價。由于該系統采用指標來表征，相應指標的測試數據較少，不適宜采用數理統計的方法，而灰色聚類分析恰好是研究“小樣本，貧信息”的不確定性系統，因此，采用灰色聚類分析法對織物熱學性能進行綜合評價是比較合理的[7-8]。

以要進行綜合評價的6種織物記為聚類對象i， 以測試結果中的熱導率、熱擴散系、比熱、經向極限氧指數、緯向極限氧指數為聚類指標j，將織物的綜合性能檔次分為好、中、差三檔，記為K1、K2、K3，即聚類灰數s=3[5]。

3.1 矩陣的構建

矩陣中的行為分析時采用6種織物，列為相對應的表征織物熱學性能的指標測試值，將表1中的相關數據構成一個6×5的矩陣dij，如式(1)所示。

(1)

式中：i為聚類對象編號；j為聚類指標編號；dij為對應織物相應的測試指標值。

(2)

式中xij為經過均值化特征數處理的值。

3.2 將xij值作灰數白化區間

定義j指標對k個灰類(k=k1,k2,k3)的區間，方法定義[9]如下：

好的灰類區間為

中等灰類區間為

差的灰類區間為

表3示出灰數白化區間。

表3 灰數白化區間表Tab.3 Interval of whiting of grey number

(3)

3.3 功率函數的規定

(4)

(5)

(6)

3.4 標準權系數的確定

(7)

(8)

3.5 灰色聚類系數的確定

(9)

由計算出的灰色聚類權系數構造聚類系數矩陣，見式(10)。

(10)

影響評價結果的因素有很多，包括織物規格參數、纖維本身的熱學性能。碳纖維與聚酰亞胺纖維均屬于不燃纖維，但由于碳纖維織物是由化纖長絲織造而成，纖維表面光滑，織物結構較為松散，而聚酰亞胺織物的經緯密度較大，織物密實，因此聚酰亞胺織物的熱學性能優于碳纖維織物。芳綸纖維與酚醛纖維同屬難燃纖維，但是芳綸1414織物是由化纖長絲織造而成，織物結構較為松散，因此芳綸1414織物的熱學性能最差。阻燃棉織物雖然經過阻燃工藝處理，但是棉纖維屬于易燃纖維，同時說明阻燃工藝并不能有效地改善織物的各項熱學性能。

4 結 語

1)6種織物中，熱導率越小，織物保溫性越好，聚酰亞胺織物、芳綸1414與碳纖維織物不屬于保溫材料，酚醛纖維織物和芳綸1313接近于高效保溫材料；聚酰亞胺織物的熱擴散系數為0.844 mm2/s，遠小于其他5種織物，即在加熱或冷卻過程中，聚酰亞胺織物的溫度趨于一致的能力最低；酚醛纖維織物的比熱為7.748 MJ/(m3·K)遠小于其他5種織物，即單位質量物體改變溫度時吸收或釋放的內能最小；芳綸1313的經緯向極限氧指數最小，碳纖維織物與聚酰亞胺織物的經緯向極限氧指數最大。

3)在6種常見的消防用織物中，酚醛纖維織物的綜合評價最好，可以說明酚醛纖維織物在熱學性能上具有明顯的優勢。

FZXB

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Application of grey clustering analysis in evaluation of fabric thermal performance

CAI Weiqi， MA Chongqi， KAN Yongjia， YANG Jinlian， LI Junli

(School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

To investigate the thermal properties of the phenolic fiber fabrics and apply them to the field of fire, five common used fire-fighting fabrics including polyimide fabric, aramid 1313 fabric, aramid 1414 fabric,BA cotton fabric and carbon fabric were selected as the research objects. The thermal test was carried out under the same conditions. The indexes including coefficient of thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat capacity, vertical limiting oxygen index and zonal limiting oxygen index were tested. The thermal properties of different kinds of fabrics with the same weight were studied. A single index can′t evaluate synthetically merits of the thermal properties of these five kinds of fabrics. Therefore, the grey clustering analysis method was used to make a comprehensive evaluation on the thermal performance of the five indexes. Results indicate that the phenolic fiber fabric and polyimide fabric have better thermal performance, aramid 1313 fabric is medium, and aramid 1414 fabric, BA cotton fabric and carbon cloth are the worst.

phenolic fiber; thermal property; coefficient of thermal conductivity; limiting oxygen index; grey clustering

10.13475/j.fzxb.20150804105

2015-08-24

2016-07-21

蔡薇琦(1991—)，女，碩士生。主要研究方向為紡紗工藝與織物性能。馬崇啟，通信作者，E-mail: tjmcq@tjpu.edu.cn。

TS 156

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