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国际通用织物热阻湿阻测试实验方法

2015-04-13 点击:

    热阻值是衡量材料及产品隔热性能的重要指标之一,也是评价由絮状材料及由絮状材料制成的产品的隔热性能的重要参数。一般来说高蓬松的絮状纤维集合体材料或絮状材料,其强度低、易变形。高蓬松的絮状纤维集合体材料是线形纤维或朵状羽绒等纤维材料随机排列形成的具有一定厚度的平面状纤维集合体,使用时需要有面料和夹里包裹。高蓬松絮状材料中的纤维呈现离散状随机排列,纤维之间包含有相当比例的孔隙,蕴含着大量的静止空气,从而具有较高的保暖性。同时由于纤维的随机排列造成了传热通道的错综复杂,使其与纤维紧密排列的普通织物的热传导机理产生了很大的差异。对于普通织物而言,由于厚度较薄、上下表面间或纱线间的垂直孔隙明显,当上下表面存在温差时,垂直传输的热流是主体。而对于高蓬松絮状纤维集合体材料,由于存在大量的复杂形态的细小缝隙和孔洞,蓬松度较高,厚度较厚,热量的传输通常是二维或三维的。所以目前国内外测试普通织物的仪器和测试方法并不适合测试絮状材料及其产品的热阻值。本文将考察目前存在的热阻测试方法和仪器及其缺点,总结国内外关于测试热阻的标准、操作方法和测试指标。

  1 现有纺织品传热测试方法和仪器

  1.1 恒温法

  将织物放在恒温热板的一侧,恒温热板其他各面均有绝热保护,测定在不放试样和放试样时保持热板恒温所需的热量,由此来计算织物的保温率来说明织物的隔热保温性能。试验时首先在不放试样的情况下测试维持试验板恒温所需的功率,然后再测试放上试样后维持试验板恒温所需的功率,通过公式(1)进行计算:

  Wr=(1-b/a )×100% (1)

  式中:Wr为保温率,%;a 为不放试样时试验板消耗的热功率,W;b 为放试样时试验板消耗的热功率, W。

  目前国内外用来测试评价平面状材料保温隔热性能的单平板法就是采用了这种测试方法。

  但是单平板法上方无保护罩,因此试样上表面的空气流动会引起一定量的对流散热量,测试结果成为对流散热和传导散热的综合值。由于恒温恒湿室内的气流不稳定,导致试样上部的气流流速高时测得保温率偏低,并且保温材料通常比较厚,被裁剪的试样边缘散热明显等因素,使得现有单平板仪的测试稳定性有限。此外, GB 11048—89《纺织品保温性能试验方法》[1]和FZ/T 01029—93《纺织品稳态条件下热阻和湿阻的测定中热阻的测试》[2],都属于恒温法。

  1.2 冷却速率法

  冷却速率法是在将热体加热到一定温度后停止供电,在其他各面绝热的情况下将织物覆盖到热体的一面或者用织物将热体全部包覆,然后让其自然冷却,测量热体冷却至一定温度所需的时间,或测量热体在一定时间内的温度降低值,用冷却速率表示织物的隔热性能[3]。福特(Fount)还在装置上设置了加压装置,测定织物在一定压力下的隔热性能。这种方法比恒温法测定快,但只可以定性比较服装材料的保温性能,却不能定量确定织物的热阻[4]。

  1.3 蒸发热板法

  蒸发热板法即出汗防护热板仪,也称为“皮肤模型”,能够模拟紧贴人体皮肤所发生的传热传湿过程,是测量纺织品热阻和湿阻的最准确的装置[5]。出汗防护热板仪包括温度和水蒸气控制及测定装置和热护环及温度控制装置,如图1所示[6]。

 

 

  对试样进行测试前需要首先测试仪器热阻常数R cto和湿阻常数Reto,即仪器的空板值。计算公式如下所示:

  式中:Tm为试验板上表面温度(35℃);Ta为空气层温度(20℃);Pm为空气的相对湿度为40%时的水蒸气压力(2250Pa);Pa为饱和水蒸气压力(5620Pa);A 为试验板面积(0.04m2);H 为耗散在试验板的功率,W;ΔHc 和ΔHe 为修正值。

  进行完空板测试后,在实际测试时将被测试样平置于测试板上,将实际使用时与人体皮肤接触的织物面朝向测试板,多层织物也是如此。整个测试装置置于气候箱内,箱内的温度和湿度严格控制,不受外面环境的影响。使用

  公式(4)和(5)对试样的热阻和湿阻进行计算:

  式中:Rct和Ret分别为所测得的试样的热阻和湿阻。

  通过公式换算,该仪器还可以计算得到透湿指数、透湿率、克罗值和热导率,使用该测试方法精度高,重复性好[7-8],但是蒸发热板法数据采集系统成本高,使用和维护费用昂贵,且测试时间长。

  1.4 平板法

  将织物夹在两个温度不同的恒温热板和冷板之间,用薄的平板热流传感器测定流过织物的热流量,即热板法。通过计算热阻和织物的导热系数来评判热传递性能的好坏。但是使用该种方法测试织物的保温隔热性能时,试样边界会存在明显的边缘效应[9]。为了消除边缘效应,减小试验误差,需要测量一种已知导热系数的材料来进行校准,得到校准因子。该方法不适合测试导热系数低于0.15W/(m×k)的材料,因为此时校准误差会被放大,故仪器的精度降低。

  在此方法的基础上,研究者又在其试验板外部加装了保护板和底板,即保护热板法。试验板、保护板和底板都能维持在恒定的35℃。试验板面积至少为0.04m2,一般为铝或铜制金属板。保护板呈环状包围着试验板,其宽度至少为60mm,其厚度及构成与试验板相同并与测试板共面,两板之间用大约3mm宽的软木条或其他绝热材料相互隔热,保护板用于防止试验板横向热损失。底板的厚度及构成与测试板和保护板相同,底板与试验板和保护板平行,并保持一定距离使上下板之间形成气室,底板的作用是阻止测试板和保护板向下的热量损失。保护板与底板将测试板包围并维持相同的温度,使其和测试板之间没有温差,以保证测试板的所有热量都从试样表面垂直通过。该方法不需要校准,使用方便。

  上述两种方法都属于平板法。测试保温性能时,测试区域空气的流动越快,风速越大,测试结果中试样本身的热阻所占的比例越大,测试的精度越高,灵敏度也越高[10]。由于平板式织物保温仪采用静止空气层,空气流速较小,因此这种方法测试的精度差、灵敏度低,试验板的温度易受周围环境的影响,造成测试结果的重复性差,且该方法需要较长的时间才能达到稳定状态,所以测试时间长。


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