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涼感織物測試的影響因素分析

2020/07/06

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高于環境溫度的人體和織物接觸時,人體熱量經織物散失,使得人體產生涼爽的感覺[1]。前期研究中,對人體接觸織物的瞬態和穩態傳熱過程、傳熱量的理論計算公式、熱流密度-時間曲線、織物熱吸收量、織物涼感的影響因素、熱流式織物涼感測試儀器的研制及原理等進行了系統研究,并提出采用接觸瞬間熱流密度最大值qmax(W/m2)、接觸瞬間織物吸熱量Qs(J/m2)、穩態熱流密度qbal(W/m2)作為織物涼感的評價指標。
從織物樣品自身而言,織物表面狀態、高導熱絲的含量和細度、組織結構[2-3]、接觸熱阻等是決定涼感的根本因素[4]。從測試條件而言,同一試樣,環境溫濕度、風速、測試試樣面積、探頭溫度、穩態傳熱平衡時間的確定條件、絕熱保溫板類型等不同,也會導致涼感測試結果的差異。因此,為了形成通用的織物涼感測試方法標準,還需進一步明確測試條件和參數對測試結果的影響。
 
1 試驗部分
1.1 測試原理
1.1.1 原理
如圖1所示,將試樣放置于絕熱保溫板上。將內置有恒溫熱源和熱流傳感器且具有一定壓強的測試探頭加熱至規定溫度后,迅速放在試樣表面。由于溫差的存在,模擬人體溫度的測試探頭內恒溫熱源的熱量將以一定的熱流密度通過熱流傳感器傳導到試樣,被試樣吸收并傳遞出去[5-6]。記錄通過熱流傳感器的熱流密度q隨時間t變化的曲線,如圖2所示。
 
1.1.2 理論計算
根據前期研究,圖2中曲線下方面積為恒溫熱源通過織物散失的總熱量Q,包括織物作為一個熱容吸收的熱量Q1、接觸瞬間由織物傳導出的熱量Q2和平衡態由織物持續傳導到外界的熱量Q3,即Q=Q1+Q2+Q3。
式中:A為人體和織物的接觸面積(cm2),ρ為織物的體積質量(g/m2),d為織物厚度(cm),c為紗線比熱容[J/(g·℃)],m為織物質量(g),a為人體和織物試樣接觸的矩形長邊(cm),kf為高導熱長絲的熱導率[W/(m·K)],df為高導熱長絲的直徑(cm),ρf為紗線的體積質量(g/cm3),T0為織物初始溫度(℃),Ts為皮膚溫度(℃),lx為熱流傳遞的距離(cm),t1為傳熱達到平衡的時間(s)。
 
1.2 評價指標
瞬時熱流密度最大值qmax為接觸瞬間獲得的熱流密度峰值,即圖2曲線上的熱流密度峰值,表示接觸瞬間涼感。接觸瞬間總傳熱量為通過積分計算獲得單位面積初始傳熱量Qs,即Q1+Q2。穩態熱流密度qbal是傳熱達到平衡時的熱流密度,即圖2曲線上時間t1對應的熱流密度值,表征織物的穩態傳熱能力。
 
2 織物涼感測試的影響因素
2.1 試驗樣品
測試儀器為FFZ415型熱流式涼感測試儀[7]。測試前,所有試樣均在溫度(20±2)℃、相對濕度(65±5)%的條件下預平衡24 h。試樣及其參數如表1所示。
打開儀器進行預熱。當測試探頭的溫度穩定在35 ℃時,將試樣放在絕熱保溫板上,將測試探頭置于試樣正中央,開始測試。聯機軟件可以設置測試參數、探頭溫度、終止條件、測試時間以及平衡變化率,采集熱流密度隨時間的變化數據,并顯示熱流密度-時間曲線。
 
2.2 試驗方案
在探討下列測試參數對測試結果的影響時,穩態傳熱平衡時間的確定需要通過大量試驗確定,因而針對穩態平衡時間這一參數進行選擇時,需要有厚薄不同的機織物和針織物,各試樣的組織結構、單位面積質量等應不同。
對于其他影響因素,試驗發現不同試樣測試所反映的結果類似。故為減少變量的影響,方便討論,選擇其中一種試樣進行分析與討論,以下統一選擇試樣1。
 
2.2.1 測試環境溫濕度
將試樣1分別放在溫度27 ℃、相對濕度43%和溫度21 ℃、相對濕度63%兩種溫濕度條件下進行測試。通過比較以確定合適的環境溫濕度。
 
2.2.2 試樣面積
試樣面積要由探頭尺寸以及實現試樣和環境充分熱量交換所需要的傳導距離(lx)來確定[8-9]。測試儀的探頭面積為100 mm×50 mm。將試樣1分別裁成尺寸為100 mm×50 mm 、200 mm×100mm、200 mm×200 mm、400 mm×200 mm大小進行測試比較,以確定合適的試樣尺寸。
 
2.2.3 穩態傳熱平衡時間
在大量的試驗中,發現絕大部分試樣的熱流密度-時間曲線的峰值發生在接觸瞬間,之后迅速回落[2]25。對于輕薄的試樣,基本在60 s之內就達到了平衡時間t1;對于竹塊涼席這種極為厚重的試樣,時間會更長一點,大約在300 s時也基本達到平衡。因此,擬定測試終止時間為300 s。如何確定達到平衡傳熱的時間t1,將影響最后的測試計算結果。定義,平衡傳熱時間t1時刻的熱流密度值為qt1,t1時刻后的第一次記錄的熱流密度為q(t1+1),則平衡傳熱時間t1時刻的熱流密度變化率為(q(t1+1)-qt1)/qt1,又稱為平衡熱流密度變化率。
為了盡可能在短時間內獲得準確的平衡熱流密度,測試當t1時刻的熱流密度變化率不大于0.5%時和測試時間達到300 s時的平衡熱流密度,比較兩種終止條件下的數據差異,以確定適宜的穩態傳熱平衡時間。對試樣1~試樣8,均在兩種不同終止條件下進行測試。
 
2.2.4 絕熱保溫板
在探頭與測試試樣接觸的瞬間,熱流會沿著x、y、z三個方向傳遞,如圖1所示,其中z方向為樣品臺(即絕熱保溫板)垂直方向。由于涼感織物一般用于夏季,織物較輕薄,除了接觸瞬間織物自身作為一個熱容體吸收熱量外,織物會沿x、y方向繼續傳導熱量并與環境實現熱量交換。由此,放置試樣的測試臺的熱學性能將對測試結果產生顯著影響。如果樣品臺為熱的良導體,則測試過程中,熱量會大部分沿z方向傳遞,探頭內的熱流傳感器獲得的熱流密度反映的是樣品臺的傳熱性能。因此,需要具有較好絕熱作用的樣品臺,才能夠反映出試樣沿平面方向的傳熱性能。比較在不同絕熱保溫板測試得到的qmax、qbal值,以確定合適的絕熱保溫板。
 
2.2.5 風速
分別在風速為0.25 m/s、1.25 m/s和2.75 m/s的條件下對試樣1進行測試,探討風速大小對熱流密度的影響,確定合適的風速條件。
 
2.2.6 探頭穩定時與試樣的垂直距離
測試過程中發現,探頭達到設定溫度并移動到試樣表面的過程中,由于和環境溫度存在溫差,在移動過程中,探頭的熱流密度會發生較大變化,待熱流密度穩定后,將探頭快速放置到試樣1上。為明確探頭熱流密度穩定后探頭和試樣的垂直距離對測試結果的影響,將探頭分別在距離試樣3 cm和7 cm時暫停,待測試探頭的熱流密度值穩定后,測試試樣的qmax、qbal值,對比測試結果以確定探頭穩定時與試樣合適的距離。
 
3 結果與討論
3.1 環境溫濕度
試樣1在不同溫濕度條件下的測試結果為:溫度27 ℃、相對濕度43%時,qmax平均值為268.5 W/m2,qbal平均值為53.7 W/m2;溫度21 ℃、相對濕度63%時,qmax平均值為434.7 W/m2,qbal平均值為74.0 W/m2。不同的溫濕度環境測得的試驗數據有明顯差異,尤其是環境溫度的影響十分明顯。根據理論計算公式(1)、公式(2)和公式(3)可知,探頭和試樣溫差對qmax和qbal有顯著影響,環境溫度越低,影響越顯著。這與試驗結果相符。
 
3.2 試樣面積
同一規格、不同尺寸試樣的測試結果如表2所示。
當試樣尺寸與探頭尺寸相同時,試樣溫度在和探頭達到平衡后,試樣不能繼續通過聚乙烯長絲向環境傳遞熱量,導致qmax、Qs偏低,且qbal大幅度低于其他三個尺寸試樣。由公式(1)、公式(2)和公式(3)可知,熱流傳遞距離(lx)對總傳熱量Qs和穩態傳熱量qbal均有顯著影響。隨著試樣尺寸的增加,qmax、qbal均增加,當試樣尺寸為200 mm×100 mm,有足夠的傳導距離實現由探頭傳導給織物的熱量和環境的熱交換,此時,qmax、qbal基本穩定。由表2可知,試樣尺寸超過200 mm×100 mm,試樣的qmax和qbal值相差無異。結合樣品臺和儀器成臺尺寸,最終確定試樣的測試面積為400 mm×200 mm。
 
3.3 穩態傳熱平衡時間
同一試樣在300 s終止時和熱流密度變化率不大于0.5%的平衡時間t1終止時,得到的qmax、qbal值如表3所示。從表3中看出,試樣2在熱流密度變化率不大于0.5%時得到的qbal值為64.6 W/m2,比測試終止時間為300 s時得到的qbal值62.7 W/m2略大,熱流密度變化率不大于0.5%時測得的Qs的值比測試終止時間為300 s測得的Qs值小,這是因為測試會在熱流密度變化率不大于0.5%時終止,測試時間很短,即t1數值較小,由82熱流密度曲線的積分面積Qs=width=14,height=23,dpi=110qtdt可知,當t1較小時,Qs值相應降低。試驗結果和理論分析一致。
圖5;
 
除竹條涼席外,其余試樣在熱流密度變化率不大于0.5%時得到的qbal值都比測試時間為300 s得到的qbal值大。以在較短時間內獲得較準確數據為原則,將熱流密度變化率不大于0.5%時所對應的時間作為穩態傳熱平衡時間。
 
3.4 絕熱保溫板
不同保溫板的測試結果如表4所示。從表4中可以看出,不同材質不同厚度的絕熱保溫板qbal值在21 W/m2左右,試驗數據差異較小。在測試時,由于操作上產生的誤差,b-1和b-6絕熱保溫板的qmax值出現偏離平均水平的情況,但在可接受范圍內。聚氨酯泡沫板的密度40 kg/m3比聚苯乙烯的密度38 kg/m3大,但是聚苯乙烯的導熱系數0.029 W/(m·K)比聚氨酯的導熱系數0.025 W/(m·K)大,絕熱性能差異小。用手掌觸摸兩種泡沫板的表面發現,聚苯乙烯泡沫板表面光滑,聚氨酯泡沫板表面粗糙,為避免試樣和泡沫板之間不能緊密貼合造成不必要的誤差,選擇表面光滑的聚苯乙烯泡沫板進行試驗。為確保試驗數據的準確性并結合儀器尺寸,考慮攜帶方便性等,最后選用厚度為2 cm的聚苯乙烯泡沫板作為絕熱保溫板。表4中,編號b-1至b-6的泡沫板均為聚苯乙烯泡沫板,導熱系數為0.029 W/(m·K),厚度分別為2 cm、3 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm;b-1和b-2泡沫板密度為38 kg/m3;b-3至b-6泡沫板密度為33 kg/m3;b-7為聚氨酯泡沫板,導熱系數為0.025 W/(m·K),厚度為2 cm,密度為40 kg/m3。
 
3.5 風速
在風速分別為0.25 m/s、1.25 m/s和2.75 m/s的環境下測得試樣1的qmax值分別為437.4 W/m2、462.7 W/m2、493.1 W/m2,qbal值分別為76.2 W/m2、85.4 W/m2、90.1 W/m2。結果表明,風速對qmax、qbal均有一定程度的影響,在測試環境風速較大的情況下,會加速熱量沿試樣傳導到環境中和試樣與環境的對流散熱,使得qmax、qbal值略大,由公式(1)、(3)知,風速不是影響qmax、qbal值的主要因素。
由前期儀器的靈敏性試驗中可以看出,外界空氣的流動變化就會導致試驗數據偏離,造成試驗誤差,所以測試時需確保外界空氣流動速度不超過0.25 m/s,參考國標GB/T 6529—2008《紡織品調濕和試驗用標準大氣》[10],以保證試驗數據的準確性。
 
3.6 探頭穩定時與面料的垂直距離
由于探頭靈敏度較高,在拿起探頭到將其放在試樣上的移動過程中,通過探頭的熱流密度會發生變化。
在探頭和試樣垂直距離分別為3 cm和7 cm時,qmax的大小在450 W/m2左右,qbal的值在75 W/m2左右,兩種垂直距離測得平均值間的差值分別為11.1 W/m2和1.1 W/m2,探頭垂直距離試樣為7 cm時的qmax、qbal值比探頭垂直距離試樣3 cm時的qmax、qbal值略大,由此,只要探頭在移動過程中有一定的穩定時間,探頭垂直距離試樣的遠近對測試結果影響略小??紤]到探頭垂直距離試樣較近時,會有部分熱量通過熱輻射傳遞到試樣上,影響最終測試結果,可以選擇垂直距離較遠時(7 cm左右)進行測試。
 
4 結論
采用熱流式涼感測試儀對織物進行涼感評價時,環境溫濕度對測試結果影響顯著;風速越大,熱量就越易通過試樣向外界環境散熱;測試試樣應能夠提供足夠的傳導距離,通過聚乙烯長絲和環境實現熱量交換;達到穩態傳熱的時間應該使測試在較短時間內獲得準確的熱流密度數據;應選用沿試樣厚度方向無熱量傳導的泡沫板作為絕熱保溫板試樣臺。通過試驗確定了上述各因素的具體指標,其中,環境溫濕度為標準大氣壓下的溫濕度,風速(空氣流動速度)不超過0.25 m/s,測試試樣尺寸400 mm×200 mm或以上,探頭溫度35 ℃,測試臺使用的絕熱保溫板為聚苯乙烯泡沫板,以熱流密度變化率不大于0.5%時到達的時間為穩態傳熱平衡時間。

 


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