綜合測量紡織面料的紅外發射率及光熱吸收率

陳益松，張 悅

(東華大學 a.服裝與藝術設計學院；b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

紅外發射率和光熱吸收率是物體的兩個重要熱學指標。紅外發射率是標識物體向外輻射紅外波段能量的指標，光熱吸收率是標識物體在可見光波段和紅外波段對外界輻射能吸收能力的指標，兩者雖不相同卻又相互聯系。自然界的物體都會向外界輻射紅外光譜，同時也吸收來自外界的光熱輻射。紡織面料作為服裝的主要構成材料，夏季需要其光熱吸收率越低越好，而冬季相反。紡織面料在隱身領域，其紅外發射率則越小越好；而在海水淡化領域則需要覆蓋海水面料的光熱吸收率通常越高越好。因此，有效測量面料的紅外發射率和光熱吸收率是十分重要的。

紅外發射率可以使用以反射率法為基礎的光譜儀進行測量[1]，但全譜光譜儀價格昂貴、操作復雜并不普及。相對獨立的紅外發射率測量方法也有多種，其中以反射率法為基礎研制的IR-2型紅外發射率儀得到了廣泛應用[2-3]。反射率法是通過瞬間曝光進行測量的，在實際測量過程中還需考慮未曝光時熱源的影響。量熱法或能量比較法也是測量紅外發射率的常用方法，如Zhang等[4]使用黑體爐和輻射計對面料的發射率進行了測量，但試驗過程中面料存在透射以及面料內外表面溫度不相等都會導致測量誤差。徐軍等[5]則使用熱板儀測量面料的熱阻，并通過反算的方式獲得紅外發射率，解決了真實溫度測量的問題，但依然存在透射的不良影響。陳益松等[6]將反射率法和量熱法相結合開發了測量面料紅外發射率的新裝置和方法，能準確測量真實溫度且避免了透射的影響，然而這種測量以紅外傳感器為基礎建立輻射平衡關系，在概念上都局限在紅外計量儀所在的8～14 μm波段內，并沒有解決全譜段紅外發射率的測量問題。全譜段紅外平均發射率在工程熱學計算更具有實際意義。

光熱吸收率也可以使用光譜儀進行測量[7]，文獻 [8-10]使用光譜儀測量了織物的光熱吸收率。但除使用光譜儀之外的其他相對獨立的測量方法還未有報道。

縱觀上述，面料的紅外發射率及光熱吸收率在測量原理和測量方法方面的研究相對匱乏，本文依據光熱輻射及相關傳熱學的基本原理，探索了常規實驗室條件下全譜段紅外平均發射率和光熱吸收率的新測量方法，并結合自制的試驗裝置，對一組面料進行了測量并得到了可信的結果。

1 光譜分布與光譜儀

太陽輻射光譜能量主要集中于可見光(波長為0.36～0.72 μm)和近紅外區(波長為0.72～2.50 μm)[11-12]。根據普朗克定律，通常物體于0～50 ℃下的常溫熱輻射能量主要體現在中遠紅外波段(能量95%分布在波長為5.00～60.00 μm)。物體在吸收外部的光熱輻射后，內能增加并溫度升高，同時以中遠紅外輻射的方式釋放部分能量。

全光譜光熱吸收率是所有光譜段上吸收的能量與投射到物體上全部光譜的能量之比，通常是在0.3～2.5 μm可見光波段和紅外波段進行的[13]。利用光譜儀在全波段測量物體表面的反射率和透射率來計算全光譜光熱吸收率(β)；在被測物體為灰體且檢測波段為紅外波段時，紅外發射率等于紅外吸收率，因此，只需對紅外波段進行積分就可以得到物體的紅外發射率[1]：

(1)

式中：λ為光譜波長;λmax為光譜最大波長;λmin為光譜最小波長；R(λ)為光譜反射率分布；T(λ)為光譜透射率分布；G(λ)為光譜入射強度分布。

雖然在測量原理上紅外發射率和光熱吸收率都可以通過全譜光譜儀實現，但光敏傳感器的頻譜響應范圍通常是有限的，不能廣域兼顧可見光到遠紅外光譜，需要多種規格的傳感器聯合工作。因此，能夠全光譜測量的光譜儀是復雜且昂貴的，應用并不普及。

2 新測量原理

采用外部光熱輻射源對貼于絕熱裝置的面料進行輻射加熱，由于面料背面方向絕熱，面料溫度升高只會向正面方向輻射紅外線，并與環境空氣發生對流達到熱平衡，通過測量面料的真實溫度、有效輻射溫度以及相應的環境溫度，可以計算出面料相應譜段的平均紅外發射率和光熱吸收率。

2.1 紅外發射率測量

光線在紡織面料表面一般呈漫反射狀態。因此面料歸屬于物理學“灰體”，而灰體的紅外發射率等于紅外吸收率[14]。當不考慮面料的透射時，則：

ρ=1-δ=1-ε

(2)

式中：ρ為面料的紅外反射率；δ為面料的紅外吸收率；ε為面料的紅外發射率。

當測量裝置放置在一個恒溫環境箱內，由于近距離測量，可以忽略空氣本身的影響，根據輻射能守恒定律，則面料向外有效輻射能計算如式(3)所示[15]。

(3)

式中：Er為面料向外的有效輻射能(即外界所能檢測到的輻射能)，W/m2；σ為黑體輻射常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tr為面料的有效輻射溫度，K；Tf為面料的實際溫度，K；Ta為環境溫度，K。

將式(2)和(3)變換，就得到面料表面的紅外發射率計算如式(4)所示。

(4)

式(3)與(4)是建立在整個紅外波段上的，其能夠實現全波段紅外發射率的測量。雖然在形式上與文獻[6]的公式相同，但物理含義是不同的。

2.2 光熱吸收率測量

根據物理定義，面料的光熱吸收率β計算方法如式(5)所示。

(5)

式中：Qf為面料吸收的光熱輻射量，W；Qin為入射光照量，W。

黑體則是一種理想化的物體，其沒有任何的反射與透射，能吸收外來的全部電磁輻射，即黑體吸收的光熱輻射量為入射光照量。以黑體作為參考標準進行比較，面料的光熱吸收率計算如式(6)所示。

(6)

式中：Qb為黑體吸收的光熱輻射量，W。

直接測量面料和黑體吸收的光熱輻射量較為困難，但面料吸收光熱輻射后通常會轉換為能量儲備，從而使自身的溫度升高，同時面料也會向外界散失更多的熱量。當面料與外界環境達到熱平衡時，面料吸收的光熱輻射量則為與外界對流和向外熱輻射散失的熱量(即非靜態空氣熱傳導基本不存在)，如式(7)所示。

Qf=Qc+Qr

(7)

式中：Qc為以熱對流傳遞的熱量，W；Qr為面料向外環境的熱輻射量，W。

如果面料正面接受光熱輻射而其背向絕熱，則沿面料正面豎直方向上的自然對流傳熱熱量為

Qc=hA(Tf-Ta)

(8)

式中：h為自然對流傳熱系數，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2。

在試驗中，面料試樣的面積相較于實驗室內空間表面的面積小很多，故面料與室內空間表面的相互輻射傳熱可簡化為式(9)[15]：

(9)

面料在吸熱和放熱平衡條件下，將面料光熱吸收率的計算式改寫為式(10)。

(10)

式中：Tb為黑體的表面溫度，K。

將式(4)代入到式(10)則得：

(11)

2.3 黑體溫度Tb的確定

在同一光熱源輻射的情況下，黑體的表面溫度可用黑漆銅板的表面溫度換算得到。假設黑體和黑漆銅板在受到光熱輻射后表面溫度分別上升至Tb和T0，兩者的關系可表示為

(12)

式中：ε0為黑漆銅板的紅外發射率，公認數值為0.95[16]；E0為黑漆銅板的輻射功率，W/m2；Eb為黑體的輻射功率，W/m2；T0為黑漆銅板的表面溫度，K。

將式(12)改寫為式(13)，得到黑體的表面溫度。

(13)

2.4 對流傳熱系數h的確定

在自然對流的情況下，用瑞利數Ra來判斷空氣的流動情況。當104≤Ra≤109時，空氣的流動狀態為層流；當109≤Ra≤1013，空氣的流動狀態為湍流。Ra計算方法如式(14)所示。

(14)

式中：g為重力加速度,g=9.8 m/s2；γ為熱膨脹系數，對于理想氣體，其數值為定性溫度的倒數，K-1；l為特征長度，m；ν為運動黏度，m2/s；D為熱擴散率，m2/s。

(15)

因為空氣可看作理想氣體，則熱膨脹系數γ可表示為

(16)

在試驗中，面料的特征長度l為0.30 m，Tf與Ta的溫差為14.80～18.40 K。穩態下計算出的定性溫度為301.25～302.65 K，則定性溫度可取300.00 K，在該溫度下空氣的物性參數的具體情況如表1所示。

表1 溫度300.00 K下空氣的物性參數Table 1 Physical parameters of air at 300.00 K

根據式(14)計算出瑞利數Ra為3.65×107～4.54×107，空氣流動狀態為層流。對于垂直平板且空氣流動為層流時，可根據努塞爾數Nu來計算對流系數h[18],如式(17)所示。

(17)

則根據式(17)可計算出對流傳熱系數h為3.56～3.76 W/(m·K)，本次試驗中對流傳熱系數取3.60 W/(m·K)。

3 試驗設計

3.1 試驗裝置構成

采用兩盞功率為500 W的新聞碘鎢燈作為光熱輻射源，并使用穩壓電源供電，以保證光熱輻射功率的穩定性。燈色溫約3 000 K，95%的輻射能量分布在波段0.55～5.50 μm，光熱比例為3∶7，用來模擬與地面呈25°～45°夾角的太陽光照。面料溫度為0～60 ℃，其向外輻射的95%能量集中在波段6～60 μm，與碘鎢燈的輻射波段基本沒有交集，即兩者并不相互干擾。兩盞燈呈60°夾角對面料進行輻射加熱，可以使面料更均勻地接受光熱輻射，同時也可以使紅外熱像儀(或測溫槍)居中測量。熱像儀通常檢測的波段為8～14 μm，其主要感知面料常溫波段的紅外輻射，而對光熱燈不敏感。因此試驗采用IHT600型測溫槍，分辨率為0.1 ℃，當內置發射率ε設置為1時，所測量溫度則為面料的有效輻射溫度Tr。

1—水銀溫度計； 2—面料； 3—KT板+泡沫板；4—光熱輻射源； 5—紅外測溫儀或測溫槍。圖1 面料發射率的測量裝置Fig.1 Fabric infrared emissivity measuring equipment

將面料直接貼附于由高反射率(白色)的KT板和泡沫板構成的近似“絕熱”的裝置上。KT板上制作凹槽用于放置水銀溫度計。KT板+泡沫板的厚度為3 cm，熱阻實測為0.98 (m2·K)/W，是普通面料的50倍左右，由此可以認為相對于面料而言，KT板+泡沫板是“絕熱”的。由于面料背面與“絕熱”裝置沒有熱流傳遞，面料正反面的溫差為0，則面料后面的水銀溫度計測得的溫度為面料正面的真實溫度。水銀溫度計的量程為0～50 ℃，精度為-0.1～0.1 ℃。

面料的光與紅外線透射率為5%左右[4,19]。采用高反射率表面的KT板可使穿透面料的光熱再次反射回面料，當反透射回的光和紅外線再次透射的比例下降到0.25%或更少，可忽略此項影響。圖2為試驗紅外熱像圖。由圖2可知，紅線位置為KT板及泡沫板隔熱裝置，面料吸收熱量升溫后呈深紅色，而未覆蓋面料部分KT板的溫度基本和周邊環境一致，這說明KT板對光熱輻射的吸收率很低。

圖2 試驗紅外圖像Fig.2 Infrared image of the test

3.2 試驗環境

本次試驗均在恒溫、恒濕的實驗室中進行，試驗環境參數如表2所示。

表2 試驗環境參數設置Table 2 Test environment parameter setting

3.3 試驗面料

試驗面料選用了黑、紫、藍、綠、紅、黃(橙)、白等7種顏色的棉機織物、色丁織物和棉針織物，不同材質面料相應的色彩之間稍有差異。其中色丁織物因織造結構因素，其正面光滑，反光率高于反面。表3為試樣成分及其組織結構。本次試驗還將對黑漆銅板進行測量，從而計算得到黑體的光熱吸收功率。

表3 試樣成分和組織結構Table 3 Composition and structure of the samples

3.4 試驗時長

通過預試驗發現面料系統在試驗30 min后即達到平衡且保持穩定，試驗總時間為60 min，取后3次數據，求均值。試驗過程中，各溫度參數隨時間變化的典型曲線如圖3所示。

圖3 各溫度參數隨時間變化的典型曲線Fig.3 Typical curve of each temperature parameter changing with time

4 結果與分析

在試驗達到平衡后分別記錄面料的有效輻射溫度Tr和面料的真實溫度Tf，其中，發射率為0.95的黑漆銅板的表面溫度為318.25 K。根據式(13)計算黑體的表面溫度為322.36 K。表4為試樣的試驗數據及相應的測算值。由表4可知，不同面料之間的光熱吸收率和紅外發射率均存在差異。

表4 試樣的試驗數據Table 4 Test data of specimens

試驗面料的紅外發射率為0.736～0.901，紅外發射率由大到小的順序為棉機織物>棉針織面料>色丁織物反面>色丁織物正面。其中，深色面料的紅外發射率略高于淺色，但差異不大。

試驗面料的光熱吸收率為41.96%～58.96%，與文獻[21]表明的無涂層面料的光熱吸收率(40%～50%)基本相符，光熱吸收率由大到小的順序為棉機織物>棉針織物>色丁織物反面>色丁織物正面。其中，色丁織物正面的光熱吸收率要小于反面，這是因為色丁織物組織結構的差異導致正面的光熱反射能力高于反面。由此可知，面料正面吸收和透射熱的能力較弱，其溫度低，即光熱吸收能力差。

為驗證試驗裝置檢測的可信度，本文對黑漆亞光銅板(漆面為高分子材料，按灰體來對待)、不銹鋼板的紅外發射率和光熱吸收率進行了測量，結果如表5所示。由表5可知：亞光黑漆銅板的發射率約為0.934，與文獻[20]中黑漆發射率0.880～0.960的參考值差別不大；不銹鋼板(因久置而表面較暗淡)所測的發射率約為0.251，在0.170～0.300的參考值[20]范圍內。亞光黑漆銅板的光熱吸收率為80.74%，光面不銹鋼板的光熱吸收率為37.84%，兩者數值差異明顯要高于面料。由此可知，本文試驗裝置的檢測結果具有較高可信度。

表5 參考物的試驗數據Table 5 Test data of reference materials

總體而言，黑色面料的光熱吸收率最高，而淺色(黃或白)的光熱吸收率相對較低，中間一些顏色的光熱吸收率差異不明顯，這是因為在本次試驗中光源的光熱比為3∶7，可見光的占比較小。若今后試驗采用高色溫的光熱源，即增加可見光的占比，則顏色間的光熱吸收率差異會增大。

5 結 語

本文以單向傳熱為基礎推演確立了紡織面料的紅外發射率及光熱吸收率的測量原理，并借助自制的試驗裝置，在一般實驗室條件下實現了面料紅外發射率和光熱吸收率的同步測量。

試驗面料的紅外發射率為0.736～0.901，不同顏色的紅外發射率差異不大。試驗中面料的光熱吸收率為41.96%～58.96%，與現有的無涂層織物光熱吸收率的數據范圍基本相符，深色面料的光熱吸收率要高于淺色面料。利用自制的試驗裝置檢測黑漆銅板和不銹鋼板的紅外發射率，測量結果與相關文獻中的數據相符，且黑漆表面和拋光不銹鋼面的光熱吸收率間的差異遠大于不同顏色面料間的差異，與實際情況相符，因此試驗結果具有較高可信度。

此外，試驗中所測的是全紅外波段的平均紅外發射率，與光熱輻射源的光譜基本沒有重合，即測量結果與所使用的光熱輻射源的類型基本無關；但光熱吸收率與光熱輻射源頻譜處于高度重合范圍，即與輻射源光譜分布直接相關，使用不同色溫的光熱源會得到不同的結果。