農(nóng)用保溫被材料在非穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的保溫性能研究

陳海珍+王玉娟+樓杰+張方軍

【摘要】農(nóng)用保溫被由紡織復(fù)合保溫材料構(gòu)成，一般具有質(zhì)量輕、蓬松多孔等特點(diǎn)。由于戶外使用的紡織復(fù)合保溫材料，始終存在環(huán)境溫差，內(nèi)部傳熱通常處于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，需要使用非穩(wěn)態(tài)測試法評價(jià)材料的保溫性。在前期研究基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究環(huán)境因素對保溫性能的影響，通過傳熱方向、溫差調(diào)控和濕度調(diào)節(jié)，測試分析了材料熱導(dǎo)率的變化，發(fā)現(xiàn)保溫材料從芯層到覆蓋層的密度變化，直接導(dǎo)致了材料吸放熱過程熱導(dǎo)率的差異；另一方面，在公定回潮率1下，保溫被材料熱導(dǎo)率仍急劇上升，且在環(huán)境溫度是0℃時(shí)，保溫被熱導(dǎo)率出現(xiàn)變化拐點(diǎn)；而且環(huán)境濕度使得農(nóng)用保溫材料熱導(dǎo)率驟然上升?；诖?，提出應(yīng)盡量使用低回潮率的纖維材料，并采用憎水表層和防水結(jié)構(gòu)，結(jié)合多密度變化芯層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高效農(nóng)用保溫被。

隨著科技的發(fā)展，各種高性能纖維及復(fù)合技術(shù)相繼出現(xiàn)，紡織復(fù)合保溫材料的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從服裝拓展到了各類工程領(lǐng)域。農(nóng)用保溫被是紡織復(fù)合保溫材料的重要出口[1-2]。

在傳熱學(xué)中將熱導(dǎo)率作為評價(jià)材料保溫效果的參數(shù)[3-4]，數(shù)值上，熱導(dǎo)率等于在單位梯度作用下物體內(nèi)熱流密度矢量的模。服裝及工程產(chǎn)業(yè)用保溫材料一般作為蓬松結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，具有質(zhì)量輕、蓬松多孔的特點(diǎn)。目前對于保溫材料導(dǎo)熱性能測試的方法基本可以分為2類：即穩(wěn)態(tài)測試法與非穩(wěn)態(tài)測試法[3，5-6]。由于戶外使用的紡織復(fù)合保溫材料，環(huán)境溫差始終存在，內(nèi)部傳熱通常處于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，使用非穩(wěn)態(tài)測試法評價(jià)材料保溫性。

筆者在前期研究中是以農(nóng)用紡織復(fù)合保溫材料為研究對象，通過搭建非穩(wěn)態(tài)測試平臺、采用MATLAB數(shù)值解析程序，測試分析研究了測試方法的穩(wěn)定性，材料結(jié)構(gòu)因素對材料的導(dǎo)熱性能的影響?；诜欠€(wěn)態(tài)無限大平板導(dǎo)熱模型推導(dǎo)出計(jì)算熱導(dǎo)率的溫度時(shí)間函數(shù)，通過MATLAB編程擬合計(jì)算得到材料熱導(dǎo)率，此程序可以簡單快捷處理內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)[3，7-8]。

本文中系統(tǒng)的研究環(huán)境因素對保溫性能的影響，通過傳熱方向、溫差調(diào)控和濕度調(diào)節(jié)，測試分析了材料熱導(dǎo)率的變化規(guī)律，及該變化對保溫性能的影響。

材料準(zhǔn)備及測試條件

農(nóng)用紡織復(fù)合保溫材料由寧波中直農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，厚度為10 mm，氣孔率51%，密度67 kg/m3，其結(jié)構(gòu)見圖1。測試前材料放入設(shè)定的起始溫濕度中達(dá)到恒溫恒濕平衡后備用。

根據(jù)傳熱學(xué)非穩(wěn)態(tài)測試法中無限大平板模型[3，5-6]，記錄測試材料中心厚度方向的1/2處溫度時(shí)間變化數(shù)據(jù)。在農(nóng)用紡織復(fù)合保溫材料中心處放入溫度傳感器（HCT-1型數(shù)顯溫濕度計(jì)，星瀚儀器儀表公司），移入可程式恒溫恒濕箱（型號CK，廣東勤卓環(huán)境測試有限公司），測試裝置如圖2所示。在一維非穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)入正規(guī)化階段，每隔10 s記錄材料中心溫度，直至材料內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度一致。

在MATLAB程序中，將測試材料中心變化溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)做線性擬合，求得斜率k，并代入公式，利用二分法求得μ1，代入公式求得熱導(dǎo)率λ。（h：表面對流換熱系數(shù)；ρ：材料體積密度；c：材料比熱；δ：材料1/2厚度；μ1：特征值。）

材料放熱過程測試：設(shè)定材料溫度為25℃，濕度為0，材料初定溫度逐次為10、0、-10、

-20、-30、-40℃，每隔10 s記錄一次材料中心溫度，連續(xù)記錄600 s。

材料吸熱過程測試：設(shè)定材料初定溫度為-40℃，濕度為0，環(huán)境溫度逐次為25、15、5、

-5、-10、-25℃，記錄600 s內(nèi)材料中心溫度變化。

材料濕度和環(huán)境濕度影響測試：參照滌綸纖維的回潮率5%，將同一樣品放置在恒溫恒濕箱內(nèi)達(dá)到材料公定回潮率，初始溫度平衡在25℃。然后置入10、0、-10、-20、-30、-40℃環(huán)境溫度中，記錄材料中心溫度變化。隨后，仍選用同一批試樣進(jìn)行環(huán)境濕度測試分析，材料初始溫度設(shè)定為25℃，環(huán)境箱溫度為-10℃，環(huán)境濕度設(shè)置為0、26%、35%、55%、74%和95%，依次測試溫度變化過程。

結(jié)果與討論

材料吸熱和放熱對農(nóng)用保溫被材料保溫性能影響

農(nóng)用保溫被材料在使用過程中，常常處于溫差變化的環(huán)境。一方面是由天氣環(huán)境溫度變化引起的，另一方面是由于材料在白天吸收太陽光后升溫造成的保溫被溫度變化。該試驗(yàn)采用環(huán)境變溫和材料變溫改變材料熱傳遞方向，測試材料熱導(dǎo)率，評價(jià)材料熱傳遞效率，見圖3。

圖3中以材料與環(huán)境溫差絕對值作為橫坐標(biāo)，溫差相同但熱傳遞方向不同。隨著材料與環(huán)境溫差不斷變化，熱導(dǎo)率測試會發(fā)生波動，這可能是保溫材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)造成不均勻的熱阻導(dǎo)致的。對比圖3中保溫材料吸熱和放熱兩條曲線可知，材料熱導(dǎo)率在環(huán)境變溫即材料吸熱過程中平均值高于其在材料散熱過程中平均值。結(jié)合圖1保溫材料由高密度的聚酯類覆蓋材料和蓬松低密度的纖維芯層組成，材料吸熱中熱從高密度表層向芯層傳遞，而放熱過程中熱從低密度芯層向高密度表層傳遞，如圖4。這種材料結(jié)構(gòu)密度變化，直接導(dǎo)致了材料熱導(dǎo)率測試的差異，說明結(jié)構(gòu)密度變化會影響保溫被材料熱傳遞效率，這與很多研究者進(jìn)行多密度層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保溫層研究的結(jié)論一致，即材料放熱過程中材料結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為從中心到外部由低密度向高密度層疊過渡，從而增加保溫效率。

材料濕度和環(huán)境濕度對農(nóng)用保溫被保溫性能影響

在上述試驗(yàn)中驗(yàn)證了材料熱阻與結(jié)構(gòu)相關(guān)性。實(shí)際使用中的農(nóng)用保溫被材料是多孔材料，與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換時(shí)，總是伴隨著水分的遷移，這種水分遷移既存在于材料內(nèi)部也存在于材料表面。依據(jù)非穩(wěn)態(tài)熱傳遞理論，研究者們認(rèn)為當(dāng)表面對流換熱熱阻（1/h）與平板內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻（δ/λ）的比值為有限大小時(shí)，表面對流換熱熱阻和材料熱阻對材料熱傳遞有著重要影響[3-4，7]，即材料吸熱放熱發(fā)生時(shí)，材料表面結(jié)構(gòu)及屬性對熱傳遞有著重要作用。

在試驗(yàn)中要控制材料內(nèi)的濕度和環(huán)境空氣的濕度，研究水對材料的表面對流換熱熱阻和材料熱阻的影響。參照滌綸纖維的回潮率5%，將同一個(gè)樣品放在恒溫恒濕箱內(nèi)達(dá)到材料公定回潮率，初始溫度平衡在25℃，環(huán)境溫度變化從-40～10℃，測試材料的熱傳遞效率，見圖5。

圖5中的2條曲線對比顯示了材料濕度促使了熱導(dǎo)率的顯著增大。特別是在5%濕度下，保溫被材料在環(huán)境溫度0℃時(shí)，熱導(dǎo)率出現(xiàn)拐點(diǎn)。參照圖4，材料傳熱方向沒有發(fā)生改變，熱導(dǎo)率拐點(diǎn)是由于材料濕度產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的原因可能是水分遇冷結(jié)冰，加快了熱量的傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率增大。因此，冬季降溫天氣中環(huán)境溫度在0℃左右時(shí)，材料保溫性能下降最多。基于此，設(shè)計(jì)農(nóng)用保溫被材料應(yīng)盡量設(shè)計(jì)使用低回潮率的纖維材料。

環(huán)境空氣濕度是影響紡織復(fù)合保溫材料表面對流換熱熱阻的重要因素。試驗(yàn)中仍選用同一批表層防水試樣進(jìn)行測試分析，材料初始溫度設(shè)定為25℃，環(huán)境箱溫度為-40℃，測試不同環(huán)境濕度下熱傳遞過程，見圖6。隨著環(huán)境相對濕度的增加，材料的熱導(dǎo)率整體呈現(xiàn)遞增趨勢，這是因?yàn)檗r(nóng)用保溫材料表層由聚酯纖維組成，環(huán)境水分潤濕降低了材料表層的比表面能，使得粗糙表面覆蓋上光滑水層，表面對流換熱熱阻大大降低。因此，材料表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要使用防水結(jié)構(gòu)，還應(yīng)盡量使用憎水材料。

結(jié)論

（1）通過材料和環(huán)境的變溫模擬材料散熱、放熱過程，發(fā)現(xiàn)隨著材料與環(huán)境溫差的不斷變化，熱導(dǎo)率也會發(fā)生波動，而且材料熱導(dǎo)率在吸熱過程中平均值高于其在放熱過程中的平均值，這是由保溫材料結(jié)構(gòu)密度變化引起的。研究認(rèn)為，高效的保溫材料從中心到外部結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為低密度向高密度層疊過渡型。

（2）材料在公定回潮率下，保溫被材料熱導(dǎo)率仍急劇上升，尤其在材料溫度是25℃，環(huán)境溫度是0℃時(shí)，公定回潮率下保溫被熱導(dǎo)率出現(xiàn)拐點(diǎn)。研究認(rèn)為，冬季降溫天氣中環(huán)境溫度在0℃左右時(shí)，材料保溫性能下降最多?；诖?，設(shè)計(jì)農(nóng)用保溫被材料應(yīng)使用低回潮率的纖維材料。

（3）環(huán)境濕度使得農(nóng)用保溫材料熱導(dǎo)率驟然上升，材料表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要使用防水結(jié)構(gòu)，還應(yīng)盡量使用憎水材料。因此，高效保溫被材料應(yīng)設(shè)計(jì)憎水表層和多密度變化芯層結(jié)構(gòu)。

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*項(xiàng)目支持：寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2012B82014）。

作者簡介：陳海珍（1978-），湖北人，副教授，研究方向：功能性紡織復(fù)合材料。