相變紡織品調溫性能的檢測與分析

張海霞，張喜昌

(河南工程學院，河南鄭州 450007)

相變材料(簡稱PCM)是一種能夠在特定溫度下發(fā)生可逆相態(tài)轉變的材料，它在相轉變過程中可從周圍環(huán)境吸收或釋放大量的熱量，并保持自身溫度基本恒定［1－3］。將相變材料應用到紡織品中，可以開發(fā)品種多樣的相變調溫紡織品，用其制成的服裝能保持在一個舒適的溫度范圍，為人體提供舒適的衣內微氣候環(huán)境［4－6］。

調溫性能是相變紡織品非常重要的一項性能。目前，通常采用保溫儀法、暖體假人法、微氣候儀法等進行紡織品熱性能的測試，這些方法主要測試紡織品在平衡狀態(tài)下的熱量傳遞性能，指標也大多為傳統(tǒng)的熱性能指標，不適用于測試動態(tài)條件下相變紡織品的熱性能［7－9］。關于相變紡織品調溫性能的檢測，諶玉紅等［10］研制了一種相變紡織品調溫性能測試裝置，目前國內尚無統(tǒng)一的測試方法與標準;美國材料與試驗協(xié)會發(fā)布了ASTMD7024—2004《紡織材料的恒穩(wěn)態(tài)和動態(tài)熱性能的試驗方法》，該標準適用于測定紡織材料在干態(tài)下的熱阻和溫度調節(jié)系數(shù)，但需要在專門的測試儀上進行。本文根據(jù)相變紡織品的性能特點，利用現(xiàn)有儀器設備，提出了一種測試相變紡織品調溫性能的方法，并對幾種相變紡織品的調溫性能進行了對比測試分析。

1 實驗部分

1.1 材料

采用自行設計織制的4種相變紡織品，包括2種Outlast粘膠纖維混紡織物和2種Outlast腈綸纖維混紡織物，并選用2種普通的粘膠和腈綸織物作為對比樣，試樣編號和部分規(guī)格參數(shù)見表1。相變紡織品與各自對比樣在規(guī)格參數(shù)方面存在一定差異，這種差異對實驗結果會有一定影響但對實驗結論影響不大。

1.2 實驗方法

相變紡織品溫度調節(jié)的機制源于纖維內部的相變材料，它能根據(jù)外界環(huán)境的溫度變化發(fā)生固液態(tài)可逆相轉變，從而實現(xiàn)雙向調溫功能，因此，本文自行設計了降溫和升溫2個實驗方案，以衡量相變紡織品在降溫和升溫2個過程中的溫度調節(jié)能力。

表1 試樣編號和規(guī)格Tab.1 Sam p le numbers and specifications

降溫實驗采用YG741C型縮水率烘箱，烘箱設定溫度為60℃，試樣在烘箱中加熱平衡30 min后取出，用WSC-01C型數(shù)字測溫儀測試試樣表面溫度，通過2次實驗分別得到降溫速率和降溫時間。測試降溫速率時，從40℃開始計時，每隔10 s記錄1次試樣表面溫度，實驗時間為300 s;測試降溫時間時，測量并記錄試樣表面溫度從33℃下降到23℃所需時間。

升溫實驗采用YG606型平板式保溫儀，將試樣平鋪在實驗板上，試樣初始溫度為20℃，用WSC-01C型數(shù)字測溫儀測試試樣表面溫度，通過2次實驗分別得到升溫速率和升溫時間。升溫速率測試時，從20℃開始計時，每隔10 s記錄1次試樣表面溫度，共測量24個數(shù)據(jù);升溫時間測試時，測量并記錄試樣表面溫度從20℃上升到33℃所需時間。

WSC-01C型數(shù)字測溫儀分辨率為0.1℃，試樣表面溫度的測試均在1個標準大氣壓狀態(tài)下進行。

2 結果與討論

2.1 降溫實驗

首先進行降溫速率實驗，6種試樣的降溫曲線分別見圖1所示。由圖可知，隨著降溫時間的延長，6種試樣的表面溫度均近似呈指數(shù)規(guī)律下降。在降溫初期，織物表面溫度下降較快，當溫度下降到23℃左右時，織物表面溫度下降速率逐漸變慢并趨于平衡。

運用Origin分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行負指數(shù)擬合，得到6種試樣在降溫過程中溫度T對時間t的回歸方程;對溫度-時間回歸方程求導，可得到降溫速率V對時間t的回歸方程;根據(jù)降溫速率-時間回歸方程V(t)，通過公式，可計算得到降溫速率，表2降溫速率和降溫時間實驗中測得的平均降溫時間。

表2 降溫速率和降溫時間Tab.2 Cooling velocity and cooling time

由表2可知，試樣V1、V2的降溫速率低于試樣V3，降溫時間大于試樣V3，同時，試樣A1、A2的降溫速率低于試樣A3，降溫時間大于試樣A3，說明試樣V1、V2和試樣A1、A2在降溫過程中具有較好的溫度調節(jié)能力，這主要是由于試樣V1、V2中含有Outlast粘膠纖維，試樣 A1、A2中含有Outlast腈綸纖維，2種空調纖維中的相變材料對溫度變化起到一定的緩沖作用。

比較試樣V1、V2、A1、A2的降溫速率和降溫時間可知，在降溫過程中，試樣V1的調溫性能略優(yōu)于V2，試樣A2的調溫性能略優(yōu)于A1，同時試樣A1、A2的調溫性能略優(yōu)于試樣V1、V2，這主要是由于試樣間厚度、緊度等規(guī)格參數(shù)的差異，可見織物規(guī)格參數(shù)對其調溫性能也有一定的影響。

降溫實驗中采用的2種測試方法，即降溫速率測試法和降溫時間測試法，得到的實驗結果和規(guī)律基本一致，降溫速率低的試樣，其降溫時間較長，但調溫性能較好。在2種方法中，降溫時間測試法較簡便快速，易于操作;降溫速率測試法操作較復雜，數(shù)據(jù)處理有一定難度，但可以得到降溫過程中布面溫度的變化規(guī)律，有助于更深入細致地分析相變紡織品的調溫性能。2種方法各有特點，可根據(jù)情況選用。

2.2 升溫實驗

升溫速率實驗中，6種試樣的升溫曲線分別見圖2。

圖2 升溫曲線Fig.2 Heating curves.(a)Viscose fabrics;(b)Acrylic fabrics

由圖2可知，隨著時間的延長，6種試樣的表面溫度均近似呈線性規(guī)律上升。在升溫初期，試樣升溫速率相近，曲線難以區(qū)分，當溫度升高到28℃左右后才有一定的區(qū)別。

運用Origin分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到6種試樣在升溫過程中溫度T對時間t的回歸方程;對溫度-時間回歸方程求導可得到升溫速率，表3列出升溫速度和升溫時間實驗中測得的平均升溫時間。

表3 升溫速率和升溫時間Tab.3 Heating velocity and heating time

由表3可知，試樣V1、V2和試樣A1、A2的升溫速率分別低于試樣V3和A3，同時升溫時間分別大于試樣V3和 A3，說明試樣 V1、V2和試樣 A1、A2在升溫過程中溫度變化相對較為緩慢，調溫性能較好，這主要是由于試樣V1、V2和試樣A1、A2均為相變紡織品，所含相變材料對溫度變化起到一定的緩沖作用。比較試樣V1、V2、A1、A2的升溫速率和升溫時間可知，在升溫過程中，試樣V1的調溫性能略優(yōu)于V2，試樣A2的調溫性能略優(yōu)于A1，同時試樣A1、A2的調溫性能略優(yōu)于試樣V1、V2，這主要是由于試樣厚度、緊度等規(guī)格參數(shù)的影響。升溫實驗與降溫實驗得到的實驗結果基本一致。

升溫實驗中采用的2種測試方法，即升溫速率測試法和升溫時間測試法，得到的實驗結果和規(guī)律基本一致，具體應用時可根據(jù)需要選用。

3 結論

1)相變紡織品調溫性能的檢測設計了降溫和升溫2種實驗方案，每個實驗又可以采用溫度變化速率(降溫、升溫速率)和溫度變化時間(降溫、升溫時間)2種測試方法。這2種方法各有特點，但測試結果與規(guī)律基本一致，可視需要選用。

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2)相變紡織品的表面溫度在降溫過程中呈指數(shù)規(guī)律減小，在升溫過程中呈線性規(guī)律增加，溫度變化速率均較普通織物緩慢，具有較好的調溫性能。

3)厚度、緊度等織物規(guī)格參數(shù)對相變紡織品的調溫性能有一定影響。FAN Ying.Study on thermal performance of temperature-adjustable fiber and nonwovens ［J］.Technical Textiles，2010(5):12 －16.

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