紡織面料熱阻和濕阻的回歸測量法

陳益松,張聰聰

(東華大學(xué) a.服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院; b.現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室,上海 200051)

紡織面料熱阻和濕阻依據(jù)ISO 11092—1993、ASTM-F1868和GB/T 11048—2008并使用出汗熱護式熱板儀(后簡稱出汗熱板儀)進(jìn)行測量。相對于其他保溫率和透濕率測試儀器,出汗熱板儀在面料的隔熱和透濕性能測量的適用性和統(tǒng)一性較高,因此在ISO 11092—1993發(fā)布后,其逐漸成為在國際上廣泛認(rèn)可的儀器[1-5]。 目前用于測量織物熱阻及濕阻的出汗熱板儀主要有美國西北測試技術(shù)公司生產(chǎn)的SGHP型出汗熱板儀和ADL Atlas公司生產(chǎn)的M259B型出汗熱板儀及國產(chǎn)YG 606G型出汗熱板儀。出汗熱板儀與干式熱板儀的區(qū)別在于是否加裝了出汗系統(tǒng)[6], 兩者在熱阻測量方面沒有區(qū)別。

在實際測量中由于儀器之間存在系統(tǒng)差異及穩(wěn)定性不同等原因,測量結(jié)果間仍存在較大誤差。文獻(xiàn)[7]對比了YG 606E型與YG 606D型干熱板儀依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)測量相同面料的熱阻值差異達(dá)21.5%; 文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)YG 606E型干熱板儀和SGHP型出汗熱板儀測得的熱阻值存在31%的差異; 對比文獻(xiàn)[6]和[9]發(fā)現(xiàn),在同一標(biāo)準(zhǔn)下使用SGHP型與M259B型出汗熱板儀測得的空板熱阻值和濕阻值,平均值差異分別達(dá)到54%和87%。

文獻(xiàn)[8,10]對熱護式熱板儀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和外風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行了剖析,指出系統(tǒng)設(shè)計問題對系統(tǒng)誤差的影響。除儀器本身的系統(tǒng)誤差和隨機誤差外,測量方法本身可能存在的缺陷或是造成測量不準(zhǔn)確的重要原因。

在熱板儀測量面料熱阻和濕阻時,環(huán)境風(fēng)速是重要的影響因素。文獻(xiàn)[11]試驗證明面料的總熱阻和總濕阻與風(fēng)速呈反比下降。 文獻(xiàn)[12-15]研究表明服裝在假人上的熱阻和濕阻測試結(jié)果與在熱板儀上相似。

本文在研究紡織面料熱阻和濕阻傳統(tǒng)測量法可能存在問題的基礎(chǔ)上,提出回歸測量法理論,設(shè)計了不同風(fēng)速條件來測量各環(huán)境條件下的面料熱阻與濕阻,并與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行比較,分析討論了回歸測量法的測量結(jié)果與傳統(tǒng)方法測量產(chǎn)生誤差的原因。

1 測量理論

1.1 傳統(tǒng)測量法

按照ISO11092—1993、ASTM-F1868及GB/T 11048—2008的相關(guān)定義, 面料的熱阻由熱板儀測量,而濕阻由具有出汗功能的出汗熱板儀測量。首先測量熱板儀空板熱阻或濕阻,再放置面料,測量面料及空氣層的總熱阻或總濕阻,之后再減去空板熱阻或濕阻值,即為面料的熱阻或濕阻值,其計算公式如(1)所示。

Rf=Rt-R0

(1)

式中:Rf為面料熱阻或濕阻;Rt為面料及空氣層的總熱阻或總濕阻;R0為空板時所測空氣層熱阻或濕阻。

然而,由于測量空板熱阻時測量表面是粗糙金屬,測量空板濕阻時測量表面為纖維素出汗薄膜,而面料表面則是多孔隙交錯的纖維表面,其向外的熱輻射力是不同的[16],傳導(dǎo)和對流也會因表面的形態(tài)不同而不同。因此,將熱板表面空氣層的熱阻或濕阻等同于面料表面空氣層熱阻或濕阻,這是一種假設(shè),在熱板儀測量薄型面料熱阻時,常出現(xiàn)負(fù)值,可能就是該原因?qū)е碌摹?/p>

1.2 回歸測量法

熱板儀常采用標(biāo)樣多層疊加測量進(jìn)行校準(zhǔn),若每層的熱阻或濕阻都是獨立的,那么多層標(biāo)樣的熱阻或濕阻串聯(lián)相加符合傳熱傳質(zhì)學(xué)中熱阻或濕阻的串聯(lián)原理。文獻(xiàn)[4]也證實多層疊加標(biāo)準(zhǔn)面料的熱阻與面料層數(shù)基本成線性變化,線性擬合度大于0.9。

根據(jù)熱阻串聯(lián)原則,在測量面料熱阻的過程中,通過各層面料的熱流量相同。另外,當(dāng)多層面料自然平鋪疊加時,受重力影響,面料之間空氣層基本為零,多層面料熱阻值近似等于各層面料熱阻和最上層靜止空氣層熱阻之和。根據(jù)傳熱傳質(zhì)相似原理,濕阻的測量也與熱阻測量相似。因此,多層疊加面料的熱阻或濕阻的計算如式(2)所示。

Rtn=nRf+Rf0

(2)

式中:Rtn為相應(yīng)層數(shù)面料及空氣層的總熱阻或濕阻;n為面料層數(shù),n=1,2,3,…;Rf為單層面料熱阻或濕阻;Rf0為面料上方空氣層的熱阻或濕阻。

回歸測量法測量面料熱阻及濕阻的原理如圖1所示,其核心在于1～n層的總熱阻或總濕阻測量。根據(jù)面料層數(shù)n以及各層面料所測得的總熱阻及總濕阻值Rtn進(jìn)行回歸,得到的回歸系數(shù)即為單層面料的熱阻或濕阻Rf,回歸常數(shù)即為面料上表面空氣層的熱阻或濕阻Rf0。從理論上講,回歸測量法解決了傳統(tǒng)方法中空板空氣層熱阻及濕阻和面料上方空氣層熱阻及濕阻不同的問題,可以精確測量面料的熱阻、濕阻及面料上方空氣層的熱阻、濕阻。

圖1 回歸測量法測量面料熱阻或濕阻的原理Fig.1 Principle of fabric thermal or evaporative resistance’s regression measurement method

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

ISO 11092—1993、GB/T 11048—2008及ASTM-F1868對熱阻和等溫濕阻的測量方法基本相同,但ASTM-F1868-02 Part C因涉及非等溫濕阻的測量與該標(biāo)準(zhǔn)下的熱阻相關(guān)聯(lián),同時此熱阻的測量環(huán)境溫度比ISO 11902—1993及GB/T 11048—2008中的熱阻測量環(huán)境溫度高5 ℃,但文獻(xiàn)[6]研究表明5 ℃的環(huán)境溫度差異對熱阻的測量結(jié)果影響不大。因此綜合考慮后采用表1的試驗條件,即熱阻和非等溫濕阻參照ASTM-F1868-02 Part C,而等溫濕阻參照ASTM-F1868-02 Part B。本試驗使用美國西北測試技術(shù)公司生產(chǎn)的SGHP-10.5型出汗熱板儀。

表1 熱阻和濕阻測量試驗條件Table 1 Thermal and evaporative resistance experiment conditions

熱阻是由溫差引起的,其基本計算式為

(3)

式中:Rct為面料總熱阻;Ts和Ta分別為測試板和環(huán)境溫度;Q為通過測試板的熱流量;A為測試板的面積。

在等溫濕阻測量中,由于環(huán)境溫度與熱板溫度一致,不需要考慮干熱散失的影響,其測量所得測試板的所有熱損失都是由蒸發(fā)造成,其計算式為

(4)

式中: B-Ret為面料等溫總濕阻;ps和pa分別為面料下方和面料上方水蒸氣壓。

等溫濕阻的測量消除了單純的干熱傳遞損耗,但現(xiàn)實中的大部分情況符合非等溫濕阻測量的條件,既要考慮干熱傳遞損耗,又要考慮蒸發(fā)熱損耗, ASTM-F 1868-02 Part C就采用了非等溫濕阻測試方法,其計算式為

(5)

式中: C-Ret為面料非等溫總濕阻。

2.2 試驗方法

預(yù)試驗在風(fēng)速為0.5和1.5 m/s條件下，隨機選擇2種面料進(jìn)行多層疊加面料熱阻和濕阻的測量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)面料在疊加至5層時出現(xiàn)嚴(yán)重潤濕情況,導(dǎo)致測量結(jié)果難以穩(wěn)定,因此確定正式試驗的面料層數(shù)為1～4。

正式試驗選擇包含標(biāo)準(zhǔn)面料在內(nèi)的9種不同厚度紡織面料,使用YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀對試驗面料進(jìn)行厚度測量,使用精確到毫克的天平秤進(jìn)行織物的面密度測量,結(jié)合使用燃燒法、化學(xué)溶解法進(jìn)行纖維成分的判斷,得到面料基本信息如表2所示。

表2 織物規(guī)格參數(shù)表Table 2 Fabric specification parameters

依據(jù)傳統(tǒng)測量方法在各風(fēng)速條件下測量3次單層面料總熱阻、等溫總濕阻和非等溫總濕阻,以及對應(yīng)空板的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻。將所得到的面料總熱阻、等溫濕阻及非等溫濕阻減去對應(yīng)空板熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻,所得面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻記為Rcf、B-Ref、C-Ref,空板熱阻、等溫濕阻及非等溫濕阻記為Rcf0、B-Ref0、C-Ref0。

在不同風(fēng)速條件下測量1至4層疊加面料的總熱阻、等溫總濕阻及非等溫總濕阻。將所得數(shù)據(jù)與面料層數(shù)進(jìn)行線性回歸,所得回歸系數(shù)即為回歸測量法所得單層面料的熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻,記為Rcf*、B-Ref*、C-Ref*,所得回歸常數(shù)即為回歸測量法所得面料上方空氣層熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻,記為Rcf0*、B-Ref0*、C-Ref0*。

需要指出的是,傳統(tǒng)測量法測量一塊面料的熱阻或濕阻連同空板值需要進(jìn)行4次試驗,而回歸測量法無需測量空板值,4次疊加也僅需要進(jìn)行4次試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)面料回歸圖

對9種面料的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻分別進(jìn)行回歸擬合,三者的回歸擬合度均值分別為0.99、0.98、0.99，均屬于高度擬合。

1#面料是美國西北測試技術(shù)公司隨SGHP-10.5型出汗熱板儀一起提供的標(biāo)準(zhǔn)面料,緊度和厚度均為中等的腈綸平紋織物,經(jīng)測試可知其經(jīng)過拒水處理。在風(fēng)速為1 m/s條件下1#面料熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻回歸如圖2所示。

(a) 熱阻

(b) 等溫濕阻

(c) 非常溫濕阻

圖2在風(fēng)速為1m/s條件下標(biāo)準(zhǔn)面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻的回歸圖

Fig.2Thermalresistance,isothermalandnon-isothermalevaporativeresistance’sregressionofstandardfabricunderwindspeedof1m/s

3.2 面料及空氣層測量結(jié)果分析

在3種風(fēng)速條件下傳統(tǒng)測量法和回歸測量法測得的面料熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的對比如圖3所示。

(a)熱阻

(b)等溫濕阻

(c)非等溫濕阻圖3 面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻兩種測量方法比較Fig.3 Comparison of two methods for measuring fabric thermal resistance, isothermal and non-isothermal evaporative resistance

在3種風(fēng)速下回歸測量法與傳統(tǒng)測量法所測得各面料上方空氣層熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的對比如圖4所示。

(a)熱阻

(b)等溫濕阻

(c)非等溫濕阻圖4 空氣層熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻兩種測量方法比較Fig.4 Comparison of two methods for measuring air layer thermal resistance, isothermal and non-isothermal evaporative resistance

綜合分析圖3和4可知:

(1)將回歸法得到的面料熱阻或濕阻分別與對應(yīng)空氣層的熱阻或濕阻相加得到面料的總熱阻或總濕阻,與傳統(tǒng)測量法所得到面料的總熱阻或總濕阻相似,均隨風(fēng)速的增加而下降,與文獻(xiàn)[11]的測量結(jié)果相似。

(2)在面料的總熱阻及總濕阻隨風(fēng)速增加而下降的同時,面料本身的熱阻及濕阻也應(yīng)同步下降,這是多孔介質(zhì)紡織面料的基本特性。然而,使用熱板儀按傳統(tǒng)方法測量的結(jié)果卻并非如此,特別是針對面料熱阻的測量。雖然空氣層熱阻隨風(fēng)速增加而下降,但9種面料中有7種面料的熱阻隨風(fēng)速的增大而增大,還有一種較薄面料(7#)在風(fēng)速為0.5 m/s條件下，其熱阻出現(xiàn)負(fù)值,這都與空板空氣層熱阻值不正常變化有關(guān),導(dǎo)致測試結(jié)果與實際情況不符。文獻(xiàn)[11]中僅公布了面料總熱阻和濕阻隨風(fēng)速增加而下降的情況,卻沒有公布面料本身的熱阻和濕阻值,或許碰到了相似難以解釋的情況(其使用的出汗熱板儀和本文相同)。由此說明，出汗熱板儀在使用過程中將空板熱阻值來代替面料上表面空氣層熱阻值存在較大問題。而回歸法測量的大部分面料上方空氣層熱阻比傳統(tǒng)測量的空板熱阻小,使面料熱阻隨風(fēng)速增加而大幅增加的不正?，F(xiàn)象得到基本遏制,同時消除了測量熱阻時出現(xiàn)負(fù)值的情況。因此回歸法能有效修正熱阻測量的系統(tǒng)誤差。

(3)傳統(tǒng)方法測量的等溫濕阻并未像熱阻一樣出現(xiàn)隨風(fēng)速增大而增大的情況,多數(shù)面料的非等溫濕阻隨風(fēng)速增加而下降。相比熱阻而言,同一面料不同風(fēng)速下的等溫濕阻值相對差異較小,推測面料等溫濕阻隨風(fēng)速的變化較小,而這種變化又被掩蓋在隨機誤差之下。 相對于傳統(tǒng)空板測量法，回歸法測量的空氣層等溫濕阻波動較大, 可能由于不同面料表面與熱板儀出汗纖維膜表面的差異所造成,但也包含了隨機誤差。

(4)非等溫濕阻的測量由于帶入了干熱阻的測量值,其誤差也一并帶入,因此面料及空氣層的非等溫濕阻值的波動也比等溫濕阻大。

4 結(jié) 語

本文提出了面料熱阻和濕阻的回歸測量法,該方法通過測量逐層疊加面料的總熱阻和總濕阻,進(jìn)行線性回歸直接得到單層面料的熱阻和濕阻及其上方空氣層的熱阻、濕阻,從原理上解決了傳統(tǒng)測量法中空板上方空氣層熱阻和濕阻與面料上方空氣層熱阻和濕阻并不一致的問題。

回歸測量法試驗充分發(fā)揮了熱板儀在測量面料總熱阻和總濕阻方面靈敏度高的優(yōu)勢,在面料的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的回歸中均得到了很高的線性擬合度。

試驗結(jié)果表明: 在熱阻測量方面,回歸法大大改善了測量的準(zhǔn)確度,使面料的熱阻基本呈現(xiàn)隨風(fēng)速增加而下降,完全克服了薄型面料常出現(xiàn)的熱阻為負(fù)值情況; 在等溫濕阻測量方面，相對于傳統(tǒng)測量法，回歸法的測量結(jié)果改善不明顯；非等溫濕阻由于兩級運算導(dǎo)致數(shù)值波動較大,還特別涉及出汗蒸發(fā)傳遞機制,有待于進(jìn)一步研究。