酚醛纖維織物熱濕舒適性的灰色聚類分析

馬崇啟， 蔡薇琦， 闞永葭

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387)

酚醛纖維織物熱濕舒適性的灰色聚類分析

馬崇啟， 蔡薇琦， 闞永葭

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387)

為了解酚醛纖維織物的熱濕舒適性，將酚醛纖維織物應(yīng)用于消防領(lǐng)域，以酚醛纖維織物及消防服常用的阻燃棉布、芳綸1313織物、聚酰亞胺織物為研究對(duì)象，對(duì)隔熱性、保溫性、透濕性、透氣性和輸水性這5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，研究相同面密度的不同種類織物的熱濕舒適性。利用灰色聚類分析理論對(duì)5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，對(duì)這4種織物在不同環(huán)境下的熱濕舒適性能做了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在高溫條件下，酚醛纖維織物具有較好的熱濕舒適性，聚酰亞胺織物與阻燃棉布次之，芳綸1313織物最差；在低溫條件下，酚醛纖維織物也具有良好的熱濕舒適性，聚酰亞胺織物次之，芳綸1313織物與阻燃棉布最差。

酚醛纖維織物； 熱濕舒適性； 保溫性； 透濕性； 灰色聚類分析

酚醛纖維以其優(yōu)異的阻燃性、隔熱性、低毒、無煙、不變形等特點(diǎn)，被應(yīng)用在消防服、防護(hù)服等領(lǐng)域[1-2]，研究酚醛纖維織物的熱濕舒適性能十分必要[3]。本文以酚醛纖維織物為試樣，同時(shí)選擇用于消防領(lǐng)域的阻燃棉織物、芳綸1313織物、聚酰亞胺織物作為對(duì)比試樣，通過測(cè)試熱濕舒適性的相關(guān)性指標(biāo)[4]，進(jìn)行對(duì)比分析，以便對(duì)酚醛纖維織物的熱濕舒適性做出有意義的評(píng)價(jià)。選取試樣時(shí)，如果采用規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的織物，僅選用的纖維不同，這樣方便比較，但研究的現(xiàn)實(shí)意義不大，僅能說明纖維的性能優(yōu)劣。本文研究關(guān)于織物的服用性能，為此，選取面密度相同、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有差異的試樣來進(jìn)行比較試驗(yàn)，分析酚醛纖維織物的熱濕舒適性?；疑碚撝械幕疑垲惙ㄊ且环N根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)將一些觀測(cè)指標(biāo)或觀測(cè)對(duì)象聚集成若干個(gè)可定義類別的方法[5]，采用灰色聚類分析法對(duì)織物的熱濕舒適性能的好壞做出評(píng)價(jià)是比較合適的[6]。

1 試樣準(zhǔn)備與測(cè)試

1.1 試樣準(zhǔn)備

酚醛纖維織物為實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)織造，織物組織結(jié)構(gòu)為平紋，經(jīng)緯紗均采用酚醛纖維，織物面密度為200 g/m2，其他3種織物均是由邦維普泰有限公司提供的面密度為200 g/m2的織物，其組織結(jié)構(gòu)為斜紋，經(jīng)緯紗所用原料相同，阻燃棉織物后期通過XINXINGFR阻燃工藝處理達(dá)到阻燃的效果，試樣規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。所選織物雖然結(jié)構(gòu)有所差異，但面密度相同，因此具有可比性。

表1 試樣規(guī)格與結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Sample size and structure parameters

1.2 織物性能測(cè)試與結(jié)果

對(duì)于織物熱濕舒適性的測(cè)試，相應(yīng)的指標(biāo)比較多。本文以傳熱系數(shù)為指標(biāo)測(cè)試織物的隔熱性能，以保溫率為指標(biāo)測(cè)試織物的保溫性，這2項(xiàng)指標(biāo)參照GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》測(cè)試；以透濕率為指標(biāo)測(cè)試織物的透濕性，參照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分：蒸發(fā)法》測(cè)試；以透氣率為指標(biāo)測(cè)試織物的透氣性，參照GB/T 5453—1997《織物透氣性測(cè)試》測(cè)試；以芯吸高度為指標(biāo)測(cè)試織物的輸水性，參照FZ/T 01071—2008 《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》測(cè)試。為使測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，減小織物表面油劑對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)前先將織物用熱水洗2～3次，晾干后放置在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下48 h進(jìn)行平衡[7]。4種織物的相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 織物性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of fabric performance test

2 熱濕舒適性的灰色聚類分析

由表2可看出：1)酚醛纖維織物具有較好的保溫性，保溫性能明顯優(yōu)于阻燃棉布和芳綸1313織物，但其與聚酰亞胺織物保溫性相差不是很大；酚醛纖維織物的傳熱系數(shù)是4種織物中最低的，阻燃棉織物的傳熱性較好，芳綸1313與聚酰亞胺織物次之。2)酚醛纖維織物具有較好的透氣性與透濕性，聚酰亞胺織物次之，芳綸1313與阻燃棉織物較差；阻燃棉織物的芯吸性較好，聚酰亞胺與酚醛纖維織物次之，二者的芯吸性相差不大，芳綸1313織物的芯吸性最差。

4種織物的性能在各指標(biāo)下的表征不相同,很難根據(jù)織物的某一項(xiàng)指標(biāo)做出織物性能的綜合評(píng)價(jià)，測(cè)試數(shù)據(jù)量少，數(shù)據(jù)分布規(guī)律不整齊，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)難以得到有效的結(jié)論。不同的外界環(huán)境，對(duì)服裝織物的舒適性要求亦不相同[8-9]，為此，本文采用灰色聚類分析理論，對(duì)5個(gè)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，通過對(duì)高溫和低溫2種環(huán)境進(jìn)行分析，分別對(duì)這4種織物的熱濕舒適性做出綜合評(píng)價(jià)[10-12]。

本文以1#～4#織物為聚類對(duì)象i，以測(cè)試結(jié)果中的傳熱系數(shù)U、保溫率W、透氣率Q、透濕率S、芯吸高度G為聚類指標(biāo)j，將織物的熱濕舒適性能分為好、中、差3檔，記為K1、K2、K33檔，即聚類灰數(shù)為S=3[13]。

2.1 矩陣構(gòu)建

以聚類對(duì)象編號(hào)為行、相應(yīng)的聚類指標(biāo)值為列，將表2中數(shù)據(jù)組成一個(gè)4×5矩陣，如式(1)所示。

(1)

式中：i為聚類對(duì)象編號(hào)；j為聚類指標(biāo)編號(hào)；dij為各對(duì)應(yīng)織物相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)值組成的矩陣。

2.2 無量綱處理

進(jìn)行無量綱處理，使之映射到[0,1]區(qū)域。對(duì)于越大越好的聚類指標(biāo)，按式(2)處理，對(duì)于越小越好的聚類指標(biāo)，按式(3)處理，從而得到聚類白化矩陣[Xij]。

(2)

(3)

式中：Xij為經(jīng)過式(2)或式(3)處理的聚類對(duì)象i，聚類指標(biāo)j測(cè)試值；dij為各對(duì)應(yīng)織物相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)值；Sj為聚類指標(biāo)j值域的左邊界值；Bj為聚類指標(biāo)j值域的右邊界值。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得知，式(1)中傳熱系數(shù)U∈[0,1]，保溫率W∈[10,40]，透氣率Q∈[300,1500]，透濕率S∈[60,80]，芯吸高度G∈[0,9]，高溫條件下，保溫率要越小越好，數(shù)據(jù)按式(3)進(jìn)行處理，其余指標(biāo)越大越好，按式(2)進(jìn)行處理，得到式(4)；低溫條件下，傳熱系數(shù)要越小越好，數(shù)據(jù)按式(3)進(jìn)行處理，其余指標(biāo)均按式(2)進(jìn)行處理，得到式(5)[14]。

Xij∈[0,1]，Xij值越大，說明相應(yīng)織物的指標(biāo)性能越好。

高溫條件下，對(duì)式(1)處理得式(4)：

(4)

低溫條件下，對(duì)式(1)處理得式(5)：

(5)

式中Xij為各織物指標(biāo)經(jīng)過無量綱處理后的值。

2.3 灰類白化函數(shù)確定

確定灰類白化函數(shù)，即確定織物處于某一檔的概率分布函數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，可認(rèn)為織物舒適性好差各占30%，中等占40%，定出各項(xiàng)指標(biāo)的相應(yīng)灰類白化函數(shù)為：k1∈[0.7,1]、k2∈[0.5-ε,0.5+ε]、k3∈[0,0.3]，則k1的灰類白化函數(shù)見下式。

(6)

同理，k2的灰類白化函數(shù)為

(7)

同理，k3的灰類白化函數(shù)為

(8)

2.4 標(biāo)準(zhǔn)權(quán)系數(shù)確定

(9)

2.5 聚類權(quán)系數(shù)確定

(10)

高溫條件下灰色聚類系數(shù)矩陣為

(11)

低溫條件下灰色聚類系數(shù)矩陣為

(12)

從式中可看出：1)在高溫條件下，熱濕舒適性能處在好這一檔的織物有1#、2#、4#織物，但1#織物的灰色聚類系數(shù)比2#、4#織物大，說明1#織物落在第1檔的概率比較大，即酚醛纖維織物的熱濕舒適性能好。3#織物處在第3檔的概率較大，說明熱濕舒適性能差的織物有3#；2)在低溫條件下，熱濕舒適性能好的織物有1#、4#織物，但1#織物的灰色聚類系數(shù)比4#織物大，說明1#織物落在第1檔的概率比較大，即酚醛纖維織物的熱濕舒適性更好，熱濕舒適性差的織物有2#、3#，3#織物處在第3檔的概率比2#織物大，說明3#織物的熱濕舒適性能更差。

3 結(jié) 語

用灰色聚類分析對(duì)酚醛、阻燃棉，芳綸1313、聚酰亞胺4種織物的熱濕舒適性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，在高溫條件或低溫條件下，酚醛纖維的熱濕舒適性均優(yōu)于其他織物，具有良好的服用性能，分析結(jié)果為酚醛纖維的應(yīng)用提供了依據(jù)。

FZXB

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Gray clustering analysis on thermal-moisture comfort of phenolic fiber fabrics

MA Chongqi, CAI Weiqi, KAN Yongjia

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

The phenolic fiber fabrics and the flame retardant cotton, aramid 1313 and polyimide fabric which are commonly used in the fire-fighting suit field were taken as research objectives with a view to understand the thermal-moisture comfort of phenolic fiber fabrics and apply it in the fire fighting field. The heat insulation, thermal insulation, moisture permeability, air permeability and water permeability of fabrics were tested, and the thermal-moisture comfort of fabrics with same weight and different kinds were studied. By using the gray cluster analysis, the integrated evaluation of thermal-moisture comfort of the four fabrics under different environmental conditions were conducted. The results show that: under the high temperature conditions, the phenolic fiber fabric has good thermal-moisture comfort, the polyimide fabric and flame retardant cotton fabric are the second, and the aramid 1313 fabric is the worst; and under the low temperature condition, the phenolic fiber fabric has good thermal-moisture comfort, the polyimide fabric is the second, and the flame retardant cotton fabric and the aramid 1313 fabric are the worst.

phenolic fiber fabric; thermal-moisture comfort; thermal insulation; moisture permeability; gray clustering analysis

10.13475/j.fzxb.20150904104

2015-09-18

2016-08-10

馬崇啟(1964—)，男，教授。主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)電一體化與紡織復(fù)合材料。E-mail: tjmcq@tjpu.edu.cn。

TS 102

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