結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超高分子量聚乙烯織物導(dǎo)熱性的影響

包玉秀，肖 紅，王越平，孫 超，衣衛(wèi)京

(1.北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029； 2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100082； 3.中華女子學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，北京 100101； 4.北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029)

通常情況下，在室內(nèi)工作時(shí)人們通過(guò)調(diào)整建筑物空間的溫度來(lái)使人體感到舒適，這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的能量。根據(jù)美國(guó)能源部公布的建筑能源數(shù)據(jù)手冊(cè)，2006年建筑行業(yè)消耗了美國(guó)一次能源總量的38.9%,而在這種能源中，34.8%被建筑物用于空間供暖[1-2]。但大多數(shù)情況下，人體在整個(gè)溫度調(diào)整的空間里所占的體積很小，所以在能源緊張及可持續(xù)發(fā)展的大背景下，以調(diào)整服裝微環(huán)境的溫度來(lái)替代空間大環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)，可以節(jié)省大量的能源消耗[3]。在寒冷環(huán)境中，除了利用服裝材料及結(jié)構(gòu)本身被動(dòng)保暖以外，目前還有許多采用電加熱等主動(dòng)加熱方式[4],但由于電源容量的限制和使用時(shí)可移動(dòng)性的要求，所選用的加熱片尺寸通常較小，加熱區(qū)域有限，且加熱溫度高時(shí)容易對(duì)皮膚造成傷害。因此，通過(guò)研究織物的導(dǎo)熱性，在加熱尺寸受限的情況下盡量提高傳熱速度和加熱面積，以盡量少的能量消耗提供更好的加熱效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)織物的導(dǎo)熱性進(jìn)行了研究。大多數(shù)人處于久坐狀態(tài)，周?chē)h(huán)境相對(duì)封閉，且一般紡織品紗線(xiàn)之間或纖維之間的間距較小，對(duì)流的傳熱較熱傳導(dǎo)對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)小[5]，故可忽略對(duì)流對(duì)傳熱的影響。目前利用改變織物熱輻射率來(lái)調(diào)節(jié)溫度的研究較少，Cai等[6]設(shè)計(jì)了一種具有納米孔洞、外覆納米金屬涂層的聚乙烯織物, 還設(shè)計(jì)出由兩層不同厚度的納米聚乙烯夾著一個(gè)雙層輻射體(碳層和銅層)構(gòu)成的，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)保暖和降溫2種功能的人體輻射式加熱/制冷雙?？椢颷7]。然而這種技術(shù)還存在著一定問(wèn)題,如穿戴者的舒適感、如何與其他衣服搭配使用、極端條件下織物是否會(huì)發(fā)揮反作用等，且室內(nèi)條件下，人體皮膚和內(nèi)層、外層織物與環(huán)境之間的溫差較小，因此忽略輻射[8]，只考慮傳導(dǎo)對(duì)傳熱的影響。目前針對(duì)織物熱傳導(dǎo)方面的研究，主要采用熱傳導(dǎo)性能測(cè)試儀或KES織物多功能測(cè)試儀等[9]，測(cè)試影響織物導(dǎo)熱性的因素集中在導(dǎo)熱率、厚度、容重、回潮率等[10-12]。由于織物熱阻的影響因素較多，有時(shí)多種因素共同作用，造成分析織物熱阻時(shí)存在很多不確定因素。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是當(dāng)今世界最典型的三大高性能纖維之一，在汽車(chē)制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器械、建筑等領(lǐng)域有著非常廣泛的用途，其具備良好的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能[13-14]。本文采用加熱片提供熱源，以UHMWPE為主要的導(dǎo)熱材料設(shè)計(jì)不同規(guī)格參數(shù)的織物，通過(guò)鉑電阻測(cè)溫儀測(cè)試不同位置織物表面的溫度變化,以研究其導(dǎo)熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

常用纖維的導(dǎo)熱率見(jiàn)表1[15]?？梢钥闯?，常用紡織纖維的導(dǎo)熱率范圍0.042～0.337 W/(m·℃)，略高于空氣的導(dǎo)熱率，遠(yuǎn)低于水的導(dǎo)熱率，而超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的導(dǎo)熱率可以達(dá) 0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，導(dǎo)熱性很好。本文選用UHMWPE纖維、滌綸、錦綸作為原料，織造不同組織、密度的交織物，并測(cè)試其導(dǎo)熱性能。

表1 常用纖維的導(dǎo)熱率

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

SL8900全自動(dòng)劍桿織機(jī)，織物密度鏡，16通道鉑電阻測(cè)溫儀(精度為0.2%；交流電壓85～264 V，50/60 Hz)，環(huán)境溫濕度記錄儀，石墨烯電加熱片(13.4 cm×6.5 cm)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用SL8900全自動(dòng)劍桿織機(jī)織造布樣，織物規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 織物規(guī)格參數(shù)

采用鉑電阻測(cè)溫儀測(cè)量距離熱源邊界不同位置處織物表面溫度隨時(shí)間的變化。為防止織物覆蓋對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，減小接觸面對(duì)溫度的影響，在工作臺(tái)上放置一個(gè)帶有支架的亞克力板邊框?qū)⒖椢飳?dǎo)熱面朝上并夾在邊框上，在中心位置標(biāo)記出加熱片位置。測(cè)溫頭放置位置示意圖見(jiàn)圖1。沿緯向距離加熱片一定距離固定2個(gè)測(cè)溫鉑電阻頭(間距2 cm/個(gè))，待加熱片和織物溫度穩(wěn)定后，將加熱片加熱面朝下放到待測(cè)織物上標(biāo)定的位置，記錄各測(cè)試點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。為避免環(huán)境對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響，實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室(溫度(27±0.2) ℃，相對(duì)濕度50%±2%)中進(jìn)行。

圖1 測(cè)溫頭放置位置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維種類(lèi)對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響

選擇緯紗線(xiàn)密度相同，組織結(jié)構(gòu)為平紋，且織物密度接近的1#、2#、3#織物，測(cè)試織物表面溫度隨時(shí)間的變化，纖維種類(lèi)對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，在加熱片溫度近似相等時(shí)，3#織物在距離加熱片2 cm處的溫度達(dá)到31.5 ℃，而1#和2#織物在相同位置處的溫度分別為29.0 ℃和29.5 ℃，明顯低于含UHMWPE織物。這是因?yàn)椴煌w維的導(dǎo)熱率不同，導(dǎo)熱率越高，橫向?qū)嵝栽胶?，滌綸的導(dǎo)熱率為0.084 W/(m·℃),錦綸的導(dǎo)熱率為0.244～0.337 W/(m·℃)，而UHMWPE纖維由于具有高取向度、高結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱率可以達(dá)0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，有很好的導(dǎo)熱性，故含UHMWPE的織物導(dǎo)熱性明顯好于滌綸/滌綸和滌綸/錦綸交織物。

注：0、2、4 cm表示鉑電阻測(cè)溫頭在緯向上與加熱片邊緣的距離。下同。

2.2 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱性的影響

選擇緯紗線(xiàn)密度相同、織物密度接近且緯紗為UHMWPE纖維的3#、4#、5#織物，測(cè)試織物表面溫度隨時(shí)間的變化，組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響見(jiàn)圖3。

圖3 組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響

從圖3可以看出，溫度從低到高依次為平紋(3#)、斜紋(4#)、緞紋(5#)織物，說(shuō)明緞紋織物的導(dǎo)熱性最好。一個(gè)組織循環(huán)單元的織物熱阻可以用下式進(jìn)行描述：

(1)

式中：Runit為一個(gè)組織單元的總熱阻；λ1為纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)；λα為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；λτ為纖維橫向的導(dǎo)熱系數(shù)；bj、bw和dj、dw分別為機(jī)織物的經(jīng)、緯紗的中心距和直徑；n為織物單元組織循環(huán)紗線(xiàn)數(shù)[17]。

從式(1)可以看出，任何組織的織物熱阻組成是類(lèi)似的，不同的是熱流通過(guò)織物時(shí)纖維通道和空氣通道的個(gè)數(shù)。不同的織物組織其交織長(zhǎng)度不同，決定了熱流的通道長(zhǎng)度是不相等的，所以熱流在織物中所走的路徑長(zhǎng)度不同，熱流通道越長(zhǎng)其熱阻越大[17-18]。而緞紋組織交織長(zhǎng)度最小，熱流通道最短導(dǎo)致其織物熱阻最小。

2.3 紗線(xiàn)線(xiàn)密度對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響

選擇組織結(jié)構(gòu)為平紋、織物密度接近且緯紗為UHMWPE纖維的6#、7#、8#織物，測(cè)試織物表面溫度隨時(shí)間的變化，紗線(xiàn)線(xiàn)密度對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響見(jiàn)圖4。

圖4 紗線(xiàn)線(xiàn)密度對(duì)織物導(dǎo)熱性的影響

從圖4可以看出，隨著紗線(xiàn)線(xiàn)密度的增加，織物溫度依次升高，說(shuō)明UHMWPE紗線(xiàn)越粗，其導(dǎo)熱性越好。這是因?yàn)榭椢飪?nèi)的熱流方向更多是沿著纖維軸向傳遞，并在適當(dāng)?shù)奈恢棉D(zhuǎn)移到另一根纖維上，接力進(jìn)行。熱流在纖維間傳遞的過(guò)程中，靜止空氣起著不可忽視的作用。由于靜止空氣的導(dǎo)熱率(0.026 W/(m·℃))遠(yuǎn)低于常見(jiàn)纖維材料的導(dǎo)熱率(0.042～0.337 W/(m·℃))，織物中所含空氣越少，織物的導(dǎo)熱性越好。因此在織物密度近似相等時(shí)，紗線(xiàn)越粗，織物內(nèi)所含空氣越少，織物的導(dǎo)熱性越好。

2.4 織物密度對(duì)導(dǎo)熱性的影響

選擇紗線(xiàn)線(xiàn)密度相同、組織為平紋且緯紗為UHMWPE纖維的3#、9#、10#織物，測(cè)試織物表面溫度隨時(shí)間的變化，織物密度對(duì)導(dǎo)熱性的影響見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯m然加熱片溫度在織物緯向密度最大時(shí)較低，但仍可以看出隨著密度的增大，織物溫度越高，導(dǎo)熱性越好。這是因?yàn)楫?dāng)紗線(xiàn)線(xiàn)密度相同時(shí)，織物密度越大，織物中所含空氣越少，故導(dǎo)熱性越好。

圖5 織物密度對(duì)導(dǎo)熱性的影響

3 結(jié) 論

本文研究分析了織物參數(shù)對(duì)含UHMWPE纖維交織物及滌綸/滌淪、滌綸/錦綸交織物導(dǎo)熱性的影響，結(jié)果表明，含UHMWPE纖維織物有較好的導(dǎo)熱性，且紗線(xiàn)線(xiàn)密度、織物密度和組織結(jié)構(gòu)均對(duì)織物導(dǎo)熱性有一定的影響。得出：

①超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的導(dǎo)熱性明顯好于滌綸和錦綸。

②通過(guò)對(duì)含UHMWPE織物的比較可以看出，紗線(xiàn)越粗，織物導(dǎo)熱性越好，反之越差。

③通過(guò)對(duì)不同密度織物的比較可以看出，含UHMWPE織物的密度越大，導(dǎo)熱性越好。

④通過(guò)對(duì)不同組織結(jié)構(gòu)織物的比較可以看出，織物組織的交織次數(shù)越多，熱流通道越長(zhǎng)，熱阻就越大，緞紋組織結(jié)構(gòu)織物的導(dǎo)熱性較平紋和斜紋好。

綜上所述，對(duì)于加熱服織物的設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足基本服用性能的前提下，可使UHMWPE紗線(xiàn)配比高、紗線(xiàn)盡量粗、浮長(zhǎng)盡量長(zhǎng)，且織物密度盡可能大，這樣能在加熱尺寸受限的情況下盡可能地提高織物導(dǎo)熱速度和加熱面積，從而減少能源消耗提供更大的加熱面積。