機(jī)織物熱阻的理論模型研究

劉讓同，李 亮，張 忠，鄭賢宏

（中原工學(xué)院 河南省功能性紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450007）

服裝作為人體的第二皮膚，人們希望它在寒冷的冬天具有保暖性，在炎熱的夏天具有涼爽功能，這都與服裝面料的導(dǎo)熱性有關(guān).熱阻是表征材料導(dǎo)熱性的重要指標(biāo)，它與材料的種類、結(jié)構(gòu)、組成等因素有關(guān).國(guó)內(nèi)外研究者從不同角度對(duì)服裝面料的熱阻展開(kāi)研究，F(xiàn)amworth B在研究服裝保暖性過(guò)程中闡述了其中的熱流機(jī)制［1］，姚穆、劉讓同等通過(guò)對(duì)毛型織物［2—3］、毛氈［4］的導(dǎo)熱性研究，提出了毛型織物和無(wú)規(guī)纖維集合體的熱阻模型，認(rèn)為織物熱阻是原料、厚度、容重三者的多元函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了織物接觸熱阻的基本概念［5］.由于織物熱阻的影響因素較多，有時(shí)還存在著多種因素的組合作用，這就使得分析時(shí)存在很多不確定因素，織物結(jié)構(gòu)對(duì)織物熱阻的影響可能更大.鑒于此，有必要對(duì)織物熱阻的理論進(jìn)行進(jìn)一步研究.

1 織物熱傳導(dǎo)的宏觀、微觀機(jī)理

1.1 織物熱傳導(dǎo)的宏觀機(jī)理

織物為纖維和空氣的混合物，其熱傳遞方式包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和水汽傳輸發(fā)生的潛熱傳遞.對(duì)于緊密織物，由于紗線中纖維間和紗線間縫隙孔洞較小，對(duì)流和輻射對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)較小，熱流在織物中的傳遞主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行.

垂直流過(guò)織物的熱流在織物內(nèi)會(huì)形成等溫面，等溫面的走勢(shì)趨于平行織物平面，實(shí)際上是一個(gè)曲折的曲面，織物內(nèi)的熱流方向并不總是沿著織物平面的法向，也不總是與等溫面垂直，更多是沿著纖維軸向傳遞，并在適當(dāng)?shù)牡胤睫D(zhuǎn)移到另一根纖維上，接力進(jìn)行.

在織物內(nèi)部，存在著纖維—纖維界面與纖維—空氣界面.在纖維—空氣界面上，熱流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加熱阻.這就是接觸熱阻.纖維—纖維界面存在這樣的附加熱阻，在織物的兩側(cè)也存在這些接觸熱阻，熱流進(jìn)入和流出織物時(shí)都會(huì)受到接觸熱阻的阻礙.織物的總熱阻值是接觸熱阻和織物本體熱阻之和，如式（1）所示.

式中：Rt為紡織品的總熱阻；R1為熱流進(jìn)入紡織品的接觸熱阻；R2為織物的本體熱阻；R3為熱流流出時(shí)織物的接觸熱阻.

1.2 織物熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理

熱流在材料中的傳遞本質(zhì)上都是由微觀粒子實(shí)現(xiàn)的，氣體通過(guò)分子碰撞實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱，金屬通過(guò)自由電子導(dǎo)熱，絕大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬和纖維高聚物材料是通過(guò)晶格的振動(dòng)導(dǎo)熱，即聲子導(dǎo)熱［6］，在透明或者半透明的固體電解質(zhì)中還存在著光子導(dǎo)熱.

由于纖維是由線型大分子長(zhǎng)鏈構(gòu)成的，并且大部分沿著纖維軸向排列，纖維的取向結(jié)構(gòu)使得纖維各種性能如濕膨脹、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等性能呈現(xiàn)各向異性.正是因?yàn)槔w維的取向結(jié)構(gòu)，所以聲子沿著大分子排列的方向即纖維軸向傳遞時(shí)阻力較小，沿纖維徑向傳導(dǎo)阻力較大，因此纖維材料的熱傳導(dǎo)存在明顯的各向異性.川端季雄對(duì)羊毛等多種纖維進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)橫向熱阻與軸向熱阻的比值為2.91～41.67［7］，纖維的橫向熱阻遠(yuǎn)大于纖維的軸向熱阻，熱流在織物中的傳遞勢(shì)必沿著阻力最小的路徑傳遞.因此，熱流在纖維中主要沿軸向傳遞，在織物中主要沿紗線軸向傳遞.

2 不同組織機(jī)織物的熱阻模型

熱流在機(jī)織物中的傳遞是通過(guò)其中的傳熱通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)于不同的織物組織，其傳熱通道會(huì)有區(qū)別，傳熱通道數(shù)和每個(gè)通道的長(zhǎng)度都不同.下面將以平紋、斜紋和5枚2飛緯面緞織物為對(duì)象研究機(jī)織物的熱阻模型.

2.1 平紋機(jī)織物

對(duì)于平紋織物，其經(jīng)、緯向截面圖如圖1所示.設(shè)機(jī)織物的經(jīng)、緯紗的中心距和直徑分別為bj、bw和dj、dw，一個(gè)組織單元中紗線的交織長(zhǎng)度分別為lj、lw，其傳熱通道包括8條纖維通道、4條空氣通道.

圖1 平紋織物經(jīng)向、緯向截面圖

（1）空氣通道共有4條，其中每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為（bj－dj）（bw－dw）；

（2）沿纖維軸向傳遞的通道共有4條，其中由dj／2＋lj＋dj／2路徑構(gòu)成的通道有2條，每條通道的長(zhǎng)度為dj／2＋lj＋dj／2，傳熱面積為經(jīng)紗的截面積；由dw／2＋lw＋dw／2路徑構(gòu)成的通道也有2條，每條通道的長(zhǎng)度為dw／2＋lw＋dw／2，傳熱面積為緯紗的截面積.

（3）沿纖維徑向傳導(dǎo)的通道共有4條，其中由dj＋dw路徑構(gòu)成的通道有2條，每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積；由dw＋dj路徑構(gòu)成的通道也有2條，每條通道的長(zhǎng)度為dw＋dj，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積.

織物熱阻就是這些通道熱阻的并聯(lián)，織物熱阻表達(dá)如式（2）所示.

式中：Runit為一個(gè)組織單元的總熱阻；λl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).

2.2 1／2斜紋織物

對(duì)于斜紋織物，設(shè)織物的經(jīng)、緯紗的中心距和直徑分別為bj、bw和dj、dw，一個(gè)組織單元中交織長(zhǎng)度分別為lj、lw.

（1）空氣通道共有9條，其中每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為（bj－dj）（bw－dw）.

（2）沿纖維軸向傳導(dǎo)的通道共有6條，其中由dj／2＋lj＋dj／2路徑構(gòu)成的通道有3條，每條通道的長(zhǎng)度為dj／2＋lj＋dj／2，傳熱面積為經(jīng)紗的截面積；由dw／2＋lw＋dw／2路徑構(gòu)成的通道也是3條，每條通道的長(zhǎng)度為dw／2＋lw＋dw／2，傳熱面積為緯紗的截面積.

（3）沿紗線徑向傳導(dǎo)的通道共有9條，其中由dj＋dw路徑構(gòu)成的通道有6條，每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積；由dw＋dj路徑構(gòu)成的通道有3條，每條通道的長(zhǎng)度為dw＋dj，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積.

所以，斜紋織物一個(gè)組織單元的熱阻如式（3）所示.

2.3 5枚2飛緯面緞織物

對(duì)于5枚2飛緯面緞織物，設(shè)織物的經(jīng)、緯紗的中心距和直徑分別為bj、bw和dj、dw，一個(gè)組織單元中交織長(zhǎng)度分別為lj、lw.

（1）空氣通道共有25條，其中每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為（bj－dj）（bw－dw）.

（2）沿纖維軸向傳導(dǎo)的通道共有10條，其中由dj／2＋lj＋dj／2路徑構(gòu)成的通道有5條，每條通道的長(zhǎng)度為dj／2＋lj＋dj／2，傳熱面積為經(jīng)紗的截面積；由dw／2＋lw＋dw／2路徑構(gòu)成的通道也有5條，每條通道的長(zhǎng)度為dw／2＋lw＋dw／2，傳熱面積為緯紗的截面積.

（3）沿紗線徑向傳導(dǎo)的通道共有25條，其中由dj＋dw路徑構(gòu)成的通道有20條，每條通道的長(zhǎng)度為dj＋dw，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積；由dw＋dj路徑構(gòu)成的通道有5條，每條通道的長(zhǎng)度為dw＋dj，傳熱面積為經(jīng)、緯紗直徑的乘積.

所以，5枚2飛緯面緞一個(gè)組織單元的熱阻表達(dá)式如式（4）所示.

3 分析與討論

3.1 織物熱阻的一般模型

由上述平紋、斜紋、緞紋織物熱阻的實(shí)例分析可知，織物熱阻的影響因素主要有纖維材料的導(dǎo)熱系數(shù)、紗線直徑、織物組織、織物經(jīng)緯密和容重等.纖維材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，織物的熱阻越小；紗線直徑直接影響織物熱阻；不同經(jīng)緯密的織物其紗線中心距影響織物熱阻.

織物組織是影響織物熱阻的重要因素.從式（2）、式（3）和式（4）可以看出，平紋、斜紋、緞紋織物的熱阻從組成上看是相似的，區(qū)別就在于通道個(gè)數(shù)，而通道個(gè)數(shù)又與織物單元組織循環(huán)紗線數(shù)有關(guān).因此，對(duì)于不同織物的熱阻，可以用通用模型式（5）進(jìn)行描述.

式中：n為織物一個(gè)組織單元的循環(huán)紗線數(shù).

不同的織物組織其交織長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致熱流在織物中所走的路徑不同，熱流通道越長(zhǎng)，其熱阻越大.由上述3種組織的一個(gè)組織單元的熱阻表達(dá)式可知，緞紋織物一個(gè)組織單元通道數(shù)目為60條，斜紋織物熱流通道數(shù)目為24條，平紋織物共有12條通道，各組織的熱阻為各條通道的并聯(lián).因?yàn)闊嶙柙讲⒃叫〔⑶冶绕渲凶钚〉臒嶙柽€小，所以從織物本體熱阻考慮，在其他條件一定的條件下，平紋織物熱阻大于斜紋，斜紋織物熱阻大于緞紋；再?gòu)慕佑|熱阻考慮，平紋織物交織次數(shù)多，紗線的屈曲程度大，接觸熱阻大.兩點(diǎn)綜合考慮，平紋織物熱阻最大，斜紋大于緞紋.

3.2 熱阻與織物厚度的關(guān)系

織物的厚度與紗線直徑、經(jīng)緯密的配置、織物組織等因素有關(guān).但對(duì)于具體織物來(lái)說(shuō)，紗線的直徑和織物的經(jīng)緯密是一定的，織物的厚度增加就意味著組織單元中紗線的交織長(zhǎng)度lj、lw的增加.在式（5）中，等式右邊的第一項(xiàng)是減小的，后兩項(xiàng)保持不變，也就是說(shuō)，織物厚度增加會(huì)使織物熱阻增加.

為了進(jìn)一步說(shuō)明，假設(shè)織物的經(jīng)、緯紗直徑相同，經(jīng)、緯紗的交織長(zhǎng)度相同，那么式（5）就變成了式（6）.

對(duì)式（6）兩邊的厚度t同時(shí)求偏導(dǎo)，可以得到

3.3 熱阻與織物容重的關(guān)系

織物容重也是影響織物熱阻的重要因素.經(jīng)、緯紗交織長(zhǎng)度以及經(jīng)、緯紗中心距均為容重的函數(shù).對(duì)式（6）兩邊的容重δ同時(shí)求偏導(dǎo)，可以得到

當(dāng)容重增大時(shí)，經(jīng)、緯紗交織長(zhǎng)度lj、lw減小，經(jīng)、緯紗中心距bj、bw減小，即同時(shí)紗線之間會(huì)互相擠緊，（bj－dj）會(huì)越來(lái)越趨近于零，空氣通道消失.這時(shí)，，可見(jiàn)，即織物熱阻隨容重的增加而減小.

織物熱阻的最終影響因素是織物中的空氣含量.織物容重（體積密度）會(huì)直接影響織物中空氣含量.

影響織物熱阻的因素有許多，有時(shí)還存在著交互作用，共同影響織物熱阻，因此織物熱阻分析具有不確定性.已有研究結(jié)果顯示，對(duì)于緊密織物而言，織物熱阻實(shí)際上是原料、厚度、容重的多元函數(shù).

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）分析了織物熱傳導(dǎo)的宏觀、微觀機(jī)理，認(rèn)為熱流在織物中的傳遞具有各向異性，熱流在纖維中主要沿軸向傳遞，在織物中主要沿紗線軸向傳遞.

（2）織物的熱阻是與織物的傳熱通道數(shù)目、通道長(zhǎng)度密切相關(guān)的.通過(guò)對(duì)平紋、斜紋、緞紋織物熱阻的實(shí)例分析，建立了織物熱阻的理論模型.

（3）在織物熱阻理論模型的基礎(chǔ)上，分析了織物組織、厚度和容重對(duì)織物熱阻的影響規(guī)律，豐富了織物熱傳遞理論.

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