玻璃纖維織物組織結(jié)構(gòu)對其隔熱性能的影響*

孫曉軍 鄭振榮 趙曉明

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387;2.先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津，300387)

近年來，熱防護材料的發(fā)展十分迅速［1-2］，在高性能纖維［3-4］(如玻璃纖維、陶瓷纖維、石英纖維等)上涂覆含有云母粉、白炭黑、硅灰石粉等隔熱填料的耐高溫涂料可提高基材的隔熱性能［5-8］，因此這種材料具有廣泛的應(yīng)用前景。除了隔熱涂料本身外，基材織物的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)，如織物組織、織物密度等對織物的熱傳遞性能也有顯著影響［9-14］，國內(nèi)外對這方面的研究并不多見。玻璃纖維本身不燃燒，具有強度高、耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且相比于碳纖維價格較低，所以，玻璃纖維在產(chǎn)業(yè)用紡織材料領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。但是，目前鮮見玻璃纖維織物的組織結(jié)構(gòu)與其隔熱性能之間關(guān)系的相關(guān)文獻或者報道，本文重點探究玻璃纖維織物的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物熱傳遞性能的關(guān)系，這對進一步開發(fā)高性能玻璃纖維熱防護材料具有重要意義。

為了探究玻璃纖維織物的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物熱傳遞性能的影響規(guī)律，采用單因子試驗方法，在劍桿織機上織造了一系列不同組織、經(jīng)密、紗線線密度的機織物樣品，利用平板保溫儀及燒蝕試驗等方法探討了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括織物組織、織物密度、紗線線密度、織物厚度等對織物在常溫和高溫條件下熱傳遞性能的影響。

1 試驗

1.1 材料與儀器

玻璃纖維紗線，江蘇恒州特種玻璃纖維材料有限公司;ASL2300型劍桿織機，天津工業(yè)大學(xué);YG606型平板式保溫儀，溫州市大榮儀器有限公司;YG461H型全自動透氣量儀，寧波紡織儀器廠;YG141D型數(shù)字式織物厚度儀，萊州市電子儀器有限公司;酒精噴燈，天津;DM6801A型數(shù)字溫度表，深圳市勝利高電子科技有限公司;A1100型數(shù)碼相機，天津佳能有限公司。

1.2 織物織造

本文使用的劍桿織機可織制幅寬40 cm的織物，緯紗顏色為8種。在織造過程中能夠精確地控制緯密，避免了在半自動小樣織機上手動打緯所造成的誤差。

織物織造過程分整經(jīng)→穿綜→穿筘→織造四個步驟。需要注意的是，玻璃纖維的耐磨性較差，在織造時由于紗線之間的摩擦?xí)共ＡЪ喥鹈粌H會大大降低紗線的強力，還會影響布面的平整度和手感，所以織造環(huán)境要保持一定的濕度，需要不間斷地往地面上噴水。

1.3 隔熱性能測試

1.3.1 常溫?zé)醾鬟f性能測試

采用YG606型平板式保溫儀對織物在常溫條件下的熱傳遞性能進行測試，測試指標(biāo)為傳熱系數(shù)。測試方法參照GB/T11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測試》［15］，測試條件為：空氣溫度21℃，相對濕度60%～65%，試驗板溫度36℃。

1.3.2 高溫?zé)醾鬟f性能測試

采用酒精噴燈燒蝕試驗對織物在高溫條件下的隔熱性能進行測試。具體操作為：將織物試樣剪成直徑為4 cm的圓片，用酒精噴燈外焰(溫度為1 300℃左右)燒蝕試樣圓片的中心位置，并且將數(shù)字溫度表的觸點接觸圓片的背部中心位置，記錄溫度變化并繪制出織物背部溫度-時間曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物組織對其隔熱性能的影響

為了探究織物組織對其熱傳遞性能的影響，織造了5種不同組織結(jié)構(gòu)的織物：平紋、2/1斜紋、2/2斜紋、2/3斜紋和3/3斜紋?？椢锼媒?jīng)緯紗的線密度均為280 tex，經(jīng)密均為120根/10 cm，緯密均為100根/10 cm。各織物的隔熱性能測試結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可知，將玻璃纖維織物的傳熱系數(shù)按照由低到高的順序排列為：3/3斜紋＜2/3斜紋＜2/2斜紋＜2/1斜紋＜平紋。傳熱系數(shù)越小，織物的隔熱性能越好，所以3/3斜紋組織織物的隔熱性能最好。由于織物組織不同，紗線會連續(xù)出現(xiàn)在織物的正反面而形成長度不同的浮長線，其他條件相同的情況下，在一定范圍內(nèi)，織物的平均浮長線越長，在相同的長度內(nèi)經(jīng)緯紗交織的次數(shù)越少，織物越松軟，這樣織物中就會有較多的空間來容納靜止空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比纖維小很多，所以就使得織物的傳熱系數(shù)較小。圖1(b)表明平紋織物的透氣性最小，因為平紋織物結(jié)構(gòu)緊密，含有的靜止空氣少，所以其傳熱系數(shù)最大，即隔熱性能最差;而斜紋織物的透氣性較大，相比于平紋織物傳熱系數(shù)明顯減小，即隔熱性能較好。

圖1 織物組織對玻璃纖維織物隔熱性能的影響

2.2 織物厚度對其隔熱性能的影響

在其他條件相同的情況下，不同織物組織得到的織物厚度不同。5種不同組織玻璃纖維織物的厚度對其隔熱性能的影響見圖2。

由圖2(a)可知，織物厚度對織物傳熱系數(shù)的影響顯著。隨著織物厚度的增加，織物的傳熱系數(shù)減小，而傳熱系數(shù)越小織物的保暖性越好，即織物的隔熱性越好。這是因為不同的組織形態(tài)會影響織物的構(gòu)成，從而導(dǎo)致織物的厚度不同，織物越厚所含的靜止空氣越多，其保溫作用也越好。由圖2(b)可知，在高溫?zé)g條件下，平紋織物的厚度最薄，其背部升溫最快;而其他幾種斜紋織物比較厚，織物內(nèi)靜止空氣的含量較多，所以隔熱性能明顯優(yōu)于平紋織物。

圖2 織物厚度對玻璃纖維織物隔熱性能的影響

2.3 織物經(jīng)密對其傳熱系數(shù)的影響

為了探討不同經(jīng)密對玻璃纖維織物傳熱性能的影響，將織物的組織定為3/3斜紋，緯密固定為100根/10 cm，紗線線密度為280 tex，改變織物的經(jīng)密織造織物。織物的經(jīng)密與傳熱系數(shù)的關(guān)系見圖3。

由圖3可知，隨著經(jīng)密的增加織物的傳熱系數(shù)減小，到達(dá)臨界點以后又有增加的趨勢。這是因為經(jīng)緯密度會改變連續(xù)的相同組織所形成的浮線長度，經(jīng)密從110根/10 cm增大至160根/10 cm，織物表面的浮線長度和織物厚度均會增加，因此傳熱系數(shù)呈減小趨勢。但是當(dāng)織物的密度達(dá)到一定程度后，織物的密度越大，在單位體積內(nèi)纖維所占的比例越大，織物的隔熱性能越差，表現(xiàn)為織物的經(jīng)密從160根/10 cm增大到180根/10 cm時傳熱系數(shù)又呈增加的趨勢。

圖3 織物經(jīng)密與傳熱系數(shù)的關(guān)系

圖4為織物在高溫(1 300℃)下燒蝕時的背溫-時間曲線。由圖4可見，織物的隔熱性能隨著織物經(jīng)密的增大而增大，這是因為在酒精噴燈火焰燒蝕下，火焰能直接穿透織物的空隙到達(dá)織物背面;織物密度越大，織物結(jié)構(gòu)越緊密，阻隔火焰穿透織物的能力越強。因此，在本試驗中玻璃纖維織物經(jīng)密的最優(yōu)取值為160根/10 cm。

圖4 不同經(jīng)密織物的燒蝕背溫-時間曲線

2.4 織物的紗線線密度對其傳熱系數(shù)的影響

紗線線密度不同，將會對織物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。為研究紗線線密度對織物隔熱性能的影響，在劍桿織機上織制組織為3/3斜紋，經(jīng)密為160根/10 cm，緯密為100根/10 cm，紗線線密度分別為129、198、280 tex的織物。測得織物的傳熱系數(shù)如圖5所示。

圖5 紗線線密度對織物傳熱系數(shù)的影響

由圖5可知，隨著紗線線密度的增加，傳熱系數(shù)下降，說明織物的保溫性提高。由上述分析可知，一般來說厚織物的保暖性好，紗線越粗，織物的厚度越大，織造交織時所留空間越大，使得織物中的靜止空氣較多，所以保暖性越好。因此紡織材料的保暖性能除了與材料本身的性能有關(guān)外，還與纖維夾層中的空氣量及狀態(tài)有很大關(guān)系。在靜態(tài)條件下，纖維層中的空氣含量越多，隔熱性能越好。

2.5 不同紗線線密度織物的燒蝕隔熱性能

同組織、同密度、不同紗線線密度的玻璃纖維織物在1 300℃火焰燒蝕下的背部升溫-時間曲線如圖6所示。

圖6 不同紗線線密度織物的燒蝕背溫-時間曲線

由圖6可知，紗線線密度為280 tex的織物的隔熱性能最好。這是因為在織物的組織和經(jīng)緯密相同的情況下，紗線線密度越小，織物越薄，單位面積內(nèi)紗線交織所留下的空洞越多(孔隙率越大)，在燒蝕試驗的條件下，空氣被高溫火焰加熱后，流速明顯加快，相較于紗線線密度大的織物，空氣更容易透過紗線線密度小的織物，增強空氣的對流傳熱作用，從而導(dǎo)致織物的背溫升高加快。所以，在織物的其他參數(shù)相同的條件下，紗線線密度大的織物隔熱性能比較好。

3 結(jié)語

(1)玻璃纖維具有強度高、耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，制成織物的隔熱性也較好。

(2)當(dāng)紗線的線密度以及織物的經(jīng)密和緯密相同時，在一定范圍內(nèi)，織物的組織結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，平均浮長線越長，織物結(jié)構(gòu)越松軟，透氣率越大，織物內(nèi)含有的靜止空氣就越多，該織物的隔熱性越好。

(3)在相同的紗線線密度和織物組織結(jié)構(gòu)、不同經(jīng)密的情況下，由于經(jīng)緯密度改變了連續(xù)的浮線長度，使織物中的含氣量不同，織物表面的平整度不同，導(dǎo)致織物的傳熱性能不同。

(4)不同規(guī)格的玻璃纖維機織物的傳熱系數(shù)隨著織物厚度的增加呈減小的趨勢。

本文所得到的試驗結(jié)果可以為熱防護材料基材的選擇提供參考，有助于提高熱防護材料的研發(fā)水平。

［1］范真祥，程海峰，張長瑞，等.熱防護材料的研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2005，19(1)：13-16.

［2］胡良全.輕質(zhì)防/隔熱功能材料現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.功能材料信息，2010，7(2)：19-23.

［3］戚敏.Nomex纖維及其在個人防護領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國個體防護裝備，2006(3)：16-20.

［4］王曙中.高科技纖維在柔性防護材料中的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2006，24(11)：1-4.

［5］賈志剛.樹脂基復(fù)合材料隔熱涂層的研究進展［J］.材料保護，2002，35(2)：7-8.

［6］孫振紅，周曉紅，孫玲，等.耐高溫有機硅涂料的研制［J］.上海涂料，2011，49(3)：14-17.

［7］楊凱，王賢明，萬眾，等.特種耐高溫涂層的研制［J］.技術(shù)研發(fā)，2010，25(3)：30-33.

［8］王海僑，李營，荀國立，等.有機硅耐高溫涂料的研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，2006，33(1)：59-67.

［9］吳海軍，錢坤，曹海建.織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱傳遞性能的影響［J］.紡織學(xué)報，2007，28(2)：21-23.

［10］沈艷琴，萬明，本德萍.織物的熱濕舒適性探討［J］.廣西紡織科技，2001，30(3)：47-49.

［11］陳雁，續(xù)駿.織物結(jié)構(gòu)對其干熱傳遞性能的影響［J］.蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報，1990，10(3)：50-59.

［12］宋蘭霞，陳昀.織物結(jié)構(gòu)密度對織物導(dǎo)熱性能影響的研究［J］.中國纖檢，2005(3)，24-27.

［13］胡海霞，孟家光.織物熱傳導(dǎo)機理的分析和探討［J］.北京紡織，2005，26(5)：28-31.

［14］吳月琴，武江彬.織物熱傳遞性能研究［J］.北京紡織，2005，26(6)：7-10.

［15］中國紡織工業(yè)協(xié)會.GB/T11048—2008紡織品 生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測試［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.