綜合測(cè)量紡織面料的紅外發(fā)射率及光熱吸收率

陳益松，張 悅

(東華大學(xué) a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

紅外發(fā)射率和光熱吸收率是物體的兩個(gè)重要熱學(xué)指標(biāo)。紅外發(fā)射率是標(biāo)識(shí)物體向外輻射紅外波段能量的指標(biāo)，光熱吸收率是標(biāo)識(shí)物體在可見(jiàn)光波段和紅外波段對(duì)外界輻射能吸收能力的指標(biāo)，兩者雖不相同卻又相互聯(lián)系。自然界的物體都會(huì)向外界輻射紅外光譜，同時(shí)也吸收來(lái)自外界的光熱輻射。紡織面料作為服裝的主要構(gòu)成材料，夏季需要其光熱吸收率越低越好，而冬季相反。紡織面料在隱身領(lǐng)域，其紅外發(fā)射率則越小越好；而在海水淡化領(lǐng)域則需要覆蓋海水面料的光熱吸收率通常越高越好。因此，有效測(cè)量面料的紅外發(fā)射率和光熱吸收率是十分重要的。

紅外發(fā)射率可以使用以反射率法為基礎(chǔ)的光譜儀進(jìn)行測(cè)量[1]，但全譜光譜儀價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜并不普及。相對(duì)獨(dú)立的紅外發(fā)射率測(cè)量方法也有多種，其中以反射率法為基礎(chǔ)研制的IR-2型紅外發(fā)射率儀得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。反射率法是通過(guò)瞬間曝光進(jìn)行測(cè)量的，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中還需考慮未曝光時(shí)熱源的影響。量熱法或能量比較法也是測(cè)量紅外發(fā)射率的常用方法，如Zhang等[4]使用黑體爐和輻射計(jì)對(duì)面料的發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量，但試驗(yàn)過(guò)程中面料存在透射以及面料內(nèi)外表面溫度不相等都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。徐軍等[5]則使用熱板儀測(cè)量面料的熱阻，并通過(guò)反算的方式獲得紅外發(fā)射率，解決了真實(shí)溫度測(cè)量的問(wèn)題，但依然存在透射的不良影響。陳益松等[6]將反射率法和量熱法相結(jié)合開(kāi)發(fā)了測(cè)量面料紅外發(fā)射率的新裝置和方法，能準(zhǔn)確測(cè)量真實(shí)溫度且避免了透射的影響，然而這種測(cè)量以紅外傳感器為基礎(chǔ)建立輻射平衡關(guān)系，在概念上都局限在紅外計(jì)量?jī)x所在的8～14 μm波段內(nèi)，并沒(méi)有解決全譜段紅外發(fā)射率的測(cè)量問(wèn)題。全譜段紅外平均發(fā)射率在工程熱學(xué)計(jì)算更具有實(shí)際意義。

光熱吸收率也可以使用光譜儀進(jìn)行測(cè)量[7]，文獻(xiàn) [8-10]使用光譜儀測(cè)量了織物的光熱吸收率。但除使用光譜儀之外的其他相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量方法還未有報(bào)道。

縱觀上述，面料的紅外發(fā)射率及光熱吸收率在測(cè)量原理和測(cè)量方法方面的研究相對(duì)匱乏，本文依據(jù)光熱輻射及相關(guān)傳熱學(xué)的基本原理，探索了常規(guī)實(shí)驗(yàn)室條件下全譜段紅外平均發(fā)射率和光熱吸收率的新測(cè)量方法，并結(jié)合自制的試驗(yàn)裝置，對(duì)一組面料進(jìn)行了測(cè)量并得到了可信的結(jié)果。

1 光譜分布與光譜儀

太陽(yáng)輻射光譜能量主要集中于可見(jiàn)光(波長(zhǎng)為0.36～0.72 μm)和近紅外區(qū)(波長(zhǎng)為0.72～2.50 μm)[11-12]。根據(jù)普朗克定律，通常物體于0～50 ℃下的常溫?zé)彷椛淠芰恐饕w現(xiàn)在中遠(yuǎn)紅外波段(能量95%分布在波長(zhǎng)為5.00～60.00 μm)。物體在吸收外部的光熱輻射后，內(nèi)能增加并溫度升高，同時(shí)以中遠(yuǎn)紅外輻射的方式釋放部分能量。

全光譜光熱吸收率是所有光譜段上吸收的能量與投射到物體上全部光譜的能量之比，通常是在0.3～2.5 μm可見(jiàn)光波段和紅外波段進(jìn)行的[13]。利用光譜儀在全波段測(cè)量物體表面的反射率和透射率來(lái)計(jì)算全光譜光熱吸收率(β)；在被測(cè)物體為灰體且檢測(cè)波段為紅外波段時(shí)，紅外發(fā)射率等于紅外吸收率，因此，只需對(duì)紅外波段進(jìn)行積分就可以得到物體的紅外發(fā)射率[1]：

(1)

式中：λ為光譜波長(zhǎng);λmax為光譜最大波長(zhǎng);λmin為光譜最小波長(zhǎng)；R(λ)為光譜反射率分布；T(λ)為光譜透射率分布；G(λ)為光譜入射強(qiáng)度分布。

雖然在測(cè)量原理上紅外發(fā)射率和光熱吸收率都可以通過(guò)全譜光譜儀實(shí)現(xiàn)，但光敏傳感器的頻譜響應(yīng)范圍通常是有限的，不能廣域兼顧可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外光譜，需要多種規(guī)格的傳感器聯(lián)合工作。因此，能夠全光譜測(cè)量的光譜儀是復(fù)雜且昂貴的，應(yīng)用并不普及。

2 新測(cè)量原理

采用外部光熱輻射源對(duì)貼于絕熱裝置的面料進(jìn)行輻射加熱，由于面料背面方向絕熱，面料溫度升高只會(huì)向正面方向輻射紅外線，并與環(huán)境空氣發(fā)生對(duì)流達(dá)到熱平衡，通過(guò)測(cè)量面料的真實(shí)溫度、有效輻射溫度以及相應(yīng)的環(huán)境溫度，可以計(jì)算出面料相應(yīng)譜段的平均紅外發(fā)射率和光熱吸收率。

2.1 紅外發(fā)射率測(cè)量

光線在紡織面料表面一般呈漫反射狀態(tài)。因此面料歸屬于物理學(xué)“灰體”，而灰體的紅外發(fā)射率等于紅外吸收率[14]。當(dāng)不考慮面料的透射時(shí)，則：

ρ=1-δ=1-ε

(2)

式中：ρ為面料的紅外反射率；δ為面料的紅外吸收率；ε為面料的紅外發(fā)射率。

當(dāng)測(cè)量裝置放置在一個(gè)恒溫環(huán)境箱內(nèi)，由于近距離測(cè)量，可以忽略空氣本身的影響，根據(jù)輻射能守恒定律，則面料向外有效輻射能計(jì)算如式(3)所示[15]。

(3)

式中：Er為面料向外的有效輻射能(即外界所能檢測(cè)到的輻射能)，W/m2；σ為黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tr為面料的有效輻射溫度，K；Tf為面料的實(shí)際溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K。

將式(2)和(3)變換，就得到面料表面的紅外發(fā)射率計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式(3)與(4)是建立在整個(gè)紅外波段上的，其能夠?qū)崿F(xiàn)全波段紅外發(fā)射率的測(cè)量。雖然在形式上與文獻(xiàn)[6]的公式相同，但物理含義是不同的。

2.2 光熱吸收率測(cè)量

根據(jù)物理定義，面料的光熱吸收率β計(jì)算方法如式(5)所示。

(5)

式中：Qf為面料吸收的光熱輻射量，W；Qin為入射光照量，W。

黑體則是一種理想化的物體，其沒(méi)有任何的反射與透射，能吸收外來(lái)的全部電磁輻射，即黑體吸收的光熱輻射量為入射光照量。以黑體作為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，面料的光熱吸收率計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中：Qb為黑體吸收的光熱輻射量，W。

直接測(cè)量面料和黑體吸收的光熱輻射量較為困難，但面料吸收光熱輻射后通常會(huì)轉(zhuǎn)換為能量?jī)?chǔ)備，從而使自身的溫度升高，同時(shí)面料也會(huì)向外界散失更多的熱量。當(dāng)面料與外界環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)，面料吸收的光熱輻射量則為與外界對(duì)流和向外熱輻射散失的熱量(即非靜態(tài)空氣熱傳導(dǎo)基本不存在)，如式(7)所示。

Qf=Qc+Qr

(7)

式中：Qc為以熱對(duì)流傳遞的熱量，W；Qr為面料向外環(huán)境的熱輻射量，W。

如果面料正面接受光熱輻射而其背向絕熱，則沿面料正面豎直方向上的自然對(duì)流傳熱熱量為

Qc=hA(Tf-Ta)

(8)

式中：h為自然對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2。

在試驗(yàn)中，面料試樣的面積相較于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空間表面的面積小很多，故面料與室內(nèi)空間表面的相互輻射傳熱可簡(jiǎn)化為式(9)[15]：

(9)

面料在吸熱和放熱平衡條件下，將面料光熱吸收率的計(jì)算式改寫(xiě)為式(10)。

(10)

式中：Tb為黑體的表面溫度，K。

將式(4)代入到式(10)則得：

(11)

2.3 黑體溫度Tb的確定

在同一光熱源輻射的情況下，黑體的表面溫度可用黑漆銅板的表面溫度換算得到。假設(shè)黑體和黑漆銅板在受到光熱輻射后表面溫度分別上升至Tb和T0，兩者的關(guān)系可表示為

(12)

式中：ε0為黑漆銅板的紅外發(fā)射率，公認(rèn)數(shù)值為0.95[16]；E0為黑漆銅板的輻射功率，W/m2；Eb為黑體的輻射功率，W/m2；T0為黑漆銅板的表面溫度，K。

將式(12)改寫(xiě)為式(13)，得到黑體的表面溫度。

(13)

2.4 對(duì)流傳熱系數(shù)h的確定

在自然對(duì)流的情況下，用瑞利數(shù)Ra來(lái)判斷空氣的流動(dòng)情況。當(dāng)104≤Ra≤109時(shí)，空氣的流動(dòng)狀態(tài)為層流；當(dāng)109≤Ra≤1013，空氣的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。Ra計(jì)算方法如式(14)所示。

(14)

式中：g為重力加速度,g=9.8 m/s2；γ為熱膨脹系數(shù)，對(duì)于理想氣體，其數(shù)值為定性溫度的倒數(shù)，K-1；l為特征長(zhǎng)度，m；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；D為熱擴(kuò)散率，m2/s。

(15)

因?yàn)榭諝饪煽醋骼硐霘怏w，則熱膨脹系數(shù)γ可表示為

(16)

在試驗(yàn)中，面料的特征長(zhǎng)度l為0.30 m，Tf與Ta的溫差為14.80～18.40 K。穩(wěn)態(tài)下計(jì)算出的定性溫度為301.25～302.65 K，則定性溫度可取300.00 K，在該溫度下空氣的物性參數(shù)的具體情況如表1所示。

表1 溫度300.00 K下空氣的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of air at 300.00 K

根據(jù)式(14)計(jì)算出瑞利數(shù)Ra為3.65×107～4.54×107，空氣流動(dòng)狀態(tài)為層流。對(duì)于垂直平板且空氣流動(dòng)為層流時(shí)，可根據(jù)努塞爾數(shù)Nu來(lái)計(jì)算對(duì)流系數(shù)h[18],如式(17)所示。

(17)

則根據(jù)式(17)可計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)h為3.56～3.76 W/(m·K)，本次試驗(yàn)中對(duì)流傳熱系數(shù)取3.60 W/(m·K)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置構(gòu)成

采用兩盞功率為500 W的新聞碘鎢燈作為光熱輻射源，并使用穩(wěn)壓電源供電，以保證光熱輻射功率的穩(wěn)定性。燈色溫約3 000 K，95%的輻射能量分布在波段0.55～5.50 μm，光熱比例為3∶7，用來(lái)模擬與地面呈25°～45°夾角的太陽(yáng)光照。面料溫度為0～60 ℃，其向外輻射的95%能量集中在波段6～60 μm，與碘鎢燈的輻射波段基本沒(méi)有交集，即兩者并不相互干擾。兩盞燈呈60°夾角對(duì)面料進(jìn)行輻射加熱，可以使面料更均勻地接受光熱輻射，同時(shí)也可以使紅外熱像儀(或測(cè)溫槍)居中測(cè)量。熱像儀通常檢測(cè)的波段為8～14 μm，其主要感知面料常溫波段的紅外輻射，而對(duì)光熱燈不敏感。因此試驗(yàn)采用IHT600型測(cè)溫槍?zhuān)直媛蕿?.1 ℃，當(dāng)內(nèi)置發(fā)射率ε設(shè)置為1時(shí)，所測(cè)量溫度則為面料的有效輻射溫度Tr。

1—水銀溫度計(jì)； 2—面料； 3—KT板+泡沫板；4—光熱輻射源； 5—紅外測(cè)溫儀或測(cè)溫槍。圖1 面料發(fā)射率的測(cè)量裝置Fig.1 Fabric infrared emissivity measuring equipment

將面料直接貼附于由高反射率(白色)的KT板和泡沫板構(gòu)成的近似“絕熱”的裝置上。KT板上制作凹槽用于放置水銀溫度計(jì)。KT板+泡沫板的厚度為3 cm，熱阻實(shí)測(cè)為0.98 (m2·K)/W，是普通面料的50倍左右，由此可以認(rèn)為相對(duì)于面料而言，KT板+泡沫板是“絕熱”的。由于面料背面與“絕熱”裝置沒(méi)有熱流傳遞，面料正反面的溫差為0，則面料后面的水銀溫度計(jì)測(cè)得的溫度為面料正面的真實(shí)溫度。水銀溫度計(jì)的量程為0～50 ℃，精度為-0.1～0.1 ℃。

面料的光與紅外線透射率為5%左右[4,19]。采用高反射率表面的KT板可使穿透面料的光熱再次反射回面料，當(dāng)反透射回的光和紅外線再次透射的比例下降到0.25%或更少，可忽略此項(xiàng)影響。圖2為試驗(yàn)紅外熱像圖。由圖2可知，紅線位置為KT板及泡沫板隔熱裝置，面料吸收熱量升溫后呈深紅色，而未覆蓋面料部分KT板的溫度基本和周邊環(huán)境一致，這說(shuō)明KT板對(duì)光熱輻射的吸收率很低。

圖2 試驗(yàn)紅外圖像Fig.2 Infrared image of the test

3.2 試驗(yàn)環(huán)境

本次試驗(yàn)均在恒溫、恒濕的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 2 Test environment parameter setting

3.3 試驗(yàn)面料

試驗(yàn)面料選用了黑、紫、藍(lán)、綠、紅、黃(橙)、白等7種顏色的棉機(jī)織物、色丁織物和棉針織物，不同材質(zhì)面料相應(yīng)的色彩之間稍有差異。其中色丁織物因織造結(jié)構(gòu)因素，其正面光滑，反光率高于反面。表3為試樣成分及其組織結(jié)構(gòu)。本次試驗(yàn)還將對(duì)黑漆銅板進(jìn)行測(cè)量，從而計(jì)算得到黑體的光熱吸收功率。

表3 試樣成分和組織結(jié)構(gòu)Table 3 Composition and structure of the samples

3.4 試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)面料系統(tǒng)在試驗(yàn)30 min后即達(dá)到平衡且保持穩(wěn)定，試驗(yàn)總時(shí)間為60 min，取后3次數(shù)據(jù)，求均值。試驗(yàn)過(guò)程中，各溫度參數(shù)隨時(shí)間變化的典型曲線如圖3所示。

圖3 各溫度參數(shù)隨時(shí)間變化的典型曲線Fig.3 Typical curve of each temperature parameter changing with time

4 結(jié)果與分析

在試驗(yàn)達(dá)到平衡后分別記錄面料的有效輻射溫度Tr和面料的真實(shí)溫度Tf，其中，發(fā)射率為0.95的黑漆銅板的表面溫度為318.25 K。根據(jù)式(13)計(jì)算黑體的表面溫度為322.36 K。表4為試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的測(cè)算值。由表4可知，不同面料之間的光熱吸收率和紅外發(fā)射率均存在差異。

表4 試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of specimens

試驗(yàn)面料的紅外發(fā)射率為0.736～0.901，紅外發(fā)射率由大到小的順序?yàn)槊迿C(jī)織物>棉針織面料>色丁織物反面>色丁織物正面。其中，深色面料的紅外發(fā)射率略高于淺色，但差異不大。

試驗(yàn)面料的光熱吸收率為41.96%～58.96%，與文獻(xiàn)[21]表明的無(wú)涂層面料的光熱吸收率(40%～50%)基本相符，光熱吸收率由大到小的順序?yàn)槊迿C(jī)織物>棉針織物>色丁織物反面>色丁織物正面。其中，色丁織物正面的光熱吸收率要小于反面，這是因?yàn)樯】椢锝M織結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致正面的光熱反射能力高于反面。由此可知，面料正面吸收和透射熱的能力較弱，其溫度低，即光熱吸收能力差。

為驗(yàn)證試驗(yàn)裝置檢測(cè)的可信度，本文對(duì)黑漆亞光銅板(漆面為高分子材料，按灰體來(lái)對(duì)待)、不銹鋼板的紅外發(fā)射率和光熱吸收率進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表5所示。由表5可知：亞光黑漆銅板的發(fā)射率約為0.934，與文獻(xiàn)[20]中黑漆發(fā)射率0.880～0.960的參考值差別不大；不銹鋼板(因久置而表面較暗淡)所測(cè)的發(fā)射率約為0.251，在0.170～0.300的參考值[20]范圍內(nèi)。亞光黑漆銅板的光熱吸收率為80.74%，光面不銹鋼板的光熱吸收率為37.84%，兩者數(shù)值差異明顯要高于面料。由此可知，本文試驗(yàn)裝置的檢測(cè)結(jié)果具有較高可信度。

表5 參考物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Test data of reference materials

總體而言，黑色面料的光熱吸收率最高，而淺色(黃或白)的光熱吸收率相對(duì)較低，中間一些顏色的光熱吸收率差異不明顯，這是因?yàn)樵诒敬卧囼?yàn)中光源的光熱比為3∶7，可見(jiàn)光的占比較小。若今后試驗(yàn)采用高色溫的光熱源，即增加可見(jiàn)光的占比，則顏色間的光熱吸收率差異會(huì)增大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以單向傳熱為基礎(chǔ)推演確立了紡織面料的紅外發(fā)射率及光熱吸收率的測(cè)量原理，并借助自制的試驗(yàn)裝置，在一般實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了面料紅外發(fā)射率和光熱吸收率的同步測(cè)量。

試驗(yàn)面料的紅外發(fā)射率為0.736～0.901，不同顏色的紅外發(fā)射率差異不大。試驗(yàn)中面料的光熱吸收率為41.96%～58.96%，與現(xiàn)有的無(wú)涂層織物光熱吸收率的數(shù)據(jù)范圍基本相符，深色面料的光熱吸收率要高于淺色面料。利用自制的試驗(yàn)裝置檢測(cè)黑漆銅板和不銹鋼板的紅外發(fā)射率，測(cè)量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)相符，且黑漆表面和拋光不銹鋼面的光熱吸收率間的差異遠(yuǎn)大于不同顏色面料間的差異，與實(shí)際情況相符，因此試驗(yàn)結(jié)果具有較高可信度。

此外，試驗(yàn)中所測(cè)的是全紅外波段的平均紅外發(fā)射率，與光熱輻射源的光譜基本沒(méi)有重合，即測(cè)量結(jié)果與所使用的光熱輻射源的類(lèi)型基本無(wú)關(guān)；但光熱吸收率與光熱輻射源頻譜處于高度重合范圍，即與輻射源光譜分布直接相關(guān)，使用不同色溫的光熱源會(huì)得到不同的結(jié)果。