單位質(zhì)量體積對羽絨集合體熱阻性能的影響

戴有剛 王立新 狄宏靜 趙艷艷 彭文娟

（1.江蘇省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇南京，210000；2.中紡標檢驗認證有限責任公司，北京，100025）

羽絨是冬季保暖制品的重要填充原料，而填充物的類別、填充量和蓬松性能是影響材料熱阻性能的主要因素。羽絨類別和蓬松性是材料的固有特性，增加填充量是增加產(chǎn)品熱阻的主要手段。而何雨等研究表明，當充絨量增加到一定程度后，熱阻的增加值不再顯著［1］。這表明，隨著充絨量的增加，材料的導熱性能發(fā)生了變化。充絨量增加后，單位質(zhì)量體積減小。因此，研究單位質(zhì)量體積對羽絨集合體熱阻性能的影響至關重要。

本研究通過羽絨壓縮裝置控制標準狀態(tài)下羽絨集合體單位質(zhì)量體積，并測定羽絨集合體熱阻性能的變化，研究單位質(zhì)量體積對羽絨集合體熱阻性能的影響。

1 試驗

1.1 原理

利用熱傳遞原理，當物體兩面存在溫度差時，熱量從溫度較高的一面向較低一面?zhèn)鬟f。對于紡織品，織物正反兩面的溫差與垂直通過試樣的單位面積熱流量之比稱為熱阻，單位為m2·K/W。采用可升降的設備平臺調(diào)整載樣器體積，通過壓縮調(diào)整羽絨集合體的體積改變其單位質(zhì)量體積，并測定羽絨集合體在不同體積時的熱阻性能。

1.2 方案

為了分析單位質(zhì)量體積對羽絨集合體熱阻性能的影響，通過調(diào)整升降平臺的高度，以0.5 cm為調(diào)整間隔調(diào)整載樣器高度，控制相同質(zhì)量羽絨集合體的體積變化，測試羽絨集合體在不同體積時的熱阻。調(diào)整單位質(zhì)量體積裝置如圖1 所示。

圖1 羽絨集合體蓬松調(diào)整裝置

1.3 方法與標準

采用熱阻濕阻測試儀（美國西北測試科技公司），按照GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》測試熱阻［2］。試驗參數(shù)：試驗板表面溫度（35±0.1）℃；氣候室溫度（20±0.1）℃，相對濕度（65±3）%；空氣流速（1±0.05）m/s。熱阻可以通過公式（1）得出：

式中：Rct為熱阻，單位m2·K/W；Tm為測試板表面溫度，單位℃；Ta為環(huán)境溫度，單位℃；A為測試板面積，單位m2；H為提供給測試板的加熱功率，單位W。

1.4 樣品

選取實驗室留存的含絨量90%白鴨絨、70%白鴨絨、320T 滌綸平紋膽布（經(jīng)密208 根/10 cm，緯密112 根/10 cm，經(jīng)、緯紗線密度44.4 dtex）為材料，分別稱取不同質(zhì)量的羽絨制成60 cm×60 cm 的正方形試樣，試驗參數(shù)見表1。試樣袋高度為3 cm～9 cm，面料能提供空間以保證羽絨處于自然松散的狀態(tài)。

表1 試樣制備參數(shù)

2 結(jié)果與討論

分別測試初始高度下試樣的熱阻。分別減少0.5 cm 的厚度，測試試樣序列。由于試樣1、試樣4 的充絨量較大，試驗用儀器難以將其壓縮至2 cm 以下，因此只能測試厚度為2 cm 時的熱阻。測試3 次，取其平均值。試驗結(jié)果見表2。

上述試驗中，高度每下降0.5 cm，熱阻的下降量變化曲線如圖2 所示。

圖2 等量體積壓縮熱阻下降量變化曲線

羽絨集合體由羽絨材質(zhì)和羽絨之間包含的空氣構(gòu)成，羽絨集合體熱阻由羽絨本身材質(zhì)和羽絨所含空氣構(gòu)成。羽絨本身材質(zhì)具有一定的導熱性能，其導熱性能與羽絨本身材質(zhì)和形態(tài)結(jié)構(gòu)有關。由試驗過程可知，試樣可從初始的3 cm～9 cm 壓縮至1 cm～2 cm。從微觀方面看，羽絨在自然狀態(tài)下呈現(xiàn)樹枝狀分叉結(jié)構(gòu)，絨呈發(fā)射狀三維立體狀態(tài)，纖維之間包含有相當比例的空隙，能留存大量空氣［3］。本試驗中的試樣所含的空氣體積在羽絨本身的3 倍以上，靜止空氣形成的熱阻遠大于固體材料的熱阻。由此可見，羽絨集合體所含靜止空氣是其具有良好熱阻的主要原因。

表2 不同厚度時試樣的熱阻

由表2 可以看出，隨著壓縮的不斷進行，體積分數(shù)不斷減小，試樣的熱阻值不斷下降。這是由于，當試樣體積被壓縮時，羽絨集合體中的靜止空氣被不斷排出。由于密閉的空氣是良好的絕熱體，因此試樣的熱阻不斷降低?？梢?，單位質(zhì)量體積是影響羽絨集合體熱阻測試結(jié)果的主要因素。

由圖2 可以看出，曲線前段趨于水平，表明前期體積在被等量壓縮時，熱阻下降量亦相同。這是由于，羽絨為三維結(jié)構(gòu)，其間空隙被羽絨絨枝分割成相對穩(wěn)定的空間，且上述空間相對較小。試驗結(jié)果表明，空氣的對流、輻射以及熱傳遞特性在該空間范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

由圖2 還可以看出，試樣曲線后段的熱阻減少量較前段熱阻增加明顯。如試樣1 的厚度大于5.5 cm 時，厚度每下降0.5 cm 熱阻下降量約為71×10-3m2·K/W；而當高度被壓至2 cm 時，熱阻下降量迅速增至168×10-3m2·K/W。試樣2～試樣6 具有相同的變化趨勢，熱阻下降速度的變化點分別約為4 cm、3 cm、3 cm、2.5 cm、1.5 cm。由此可見，當試樣厚度壓縮約為初始厚度的一半時，熱阻的下降速率顯著增加。試樣2～試樣6 對應的體積分數(shù)分別為198 cm3/g、192 cm3/g、216 cm3/g、108 cm3/g、120 cm3/g、108 cm3/g。試樣1～試樣3 和試樣4～試樣6 熱阻變化點分別具有接近的體積分數(shù)，變化特性與羽絨集合體含絨量等材料特性有關，與填充質(zhì)量無關。

物體傳熱方式根據(jù)傳熱機理不同，分為導熱、對流和輻射3 種，對于空氣來說，對流是影響其熱阻性能的決定因素。本研究認為，羽絨集合體中包含的空氣導熱性質(zhì)不相同，根據(jù)熱阻隨單位質(zhì)量體積的變化規(guī)律，按與羽絨結(jié)合的程度，可將羽絨集合體中所含空氣分為未黏附的空氣層和緊密黏附的空氣層兩種類型。根據(jù)羽絨分形理論模型作圖，如圖3 所示［4］。

圖3 羽絨分型模型和兩種空氣示意圖

羽絨非常蓬松，在羽絨間隙中留存的大量空氣與羽絨的結(jié)合程度較低，當產(chǎn)生溫度差或者體積發(fā)生變化時，以上空氣容易發(fā)生熱對流，使得未緊密附著的空氣具有較小的熱阻；而絨子的空間結(jié)構(gòu)使得羽絨具有較大的比表面積，能附著大量的空氣。大量絨枝阻礙附近空氣的流動，緊密附著在羽絨絨枝的空氣處于相對靜止狀態(tài)，由它形成的空氣層具有更高的熱阻性能。緊密黏附的空氣層中，越接近絨枝的熱阻越大。

因此，試樣在被壓縮的初期具有大量的未緊密結(jié)合的空氣，空氣的排出造成熱阻小幅下降。隨著羽絨集合體被進一步壓縮，具有較大熱阻的空氣不斷被排除，熱阻值降幅越來越大。

羽絨集合體的填充量與產(chǎn)品保暖性能正相關，即充絨量越大保暖性能越好。由于羽絨集合體中所含空氣是羽絨熱阻性能的主要因素，充絨量增加導致羽絨材質(zhì)的增加不是熱阻增加的主要原因。本研究認為，一方面，羽絨集合體的保暖性與羽絨集合體的絕對厚度有關，即厚度越大，熱量傳遞的時間越長，熱阻越大；另一方面，還與羽絨集合體單位體積的熱阻有關，單位質(zhì)量體積不同熱阻也會發(fā)生變化。在實際產(chǎn)品中，羽絨填充在由面料構(gòu)成的一個固定的空間中，面料對羽絨具有“制約”作用。隨著羽絨的增多，當面料的變形不足以增加等量空間時，面料對羽絨的壓縮作用增加，羽絨之間的空隙隨之減少，其單位體積的羽絨集合體熱阻逐漸降低。

可見，增加羽絨填充量會導致相互矛盾的兩方面：一方面，隨著羽絨集合體中靜止空氣的減少，單位體積的羽絨集合體熱阻也逐漸減?。涣硪环矫?，羽絨量的增加會導致厚度的增加，厚度的增加又使得熱傳遞的路徑變長，而使熱阻增加。在填充量增加的初期，羽絨集合體單位體積的熱阻降幅較小，厚度的增加起到了顯著的作用；而隨著填充量的不斷增加，由于面料的束縛，厚度的增速放緩，而單位體積羽絨集合體含有的靜止空氣不斷減少，導致羽絨產(chǎn)品的熱阻增幅并不明顯。因此，羽絨制品保暖性能的提高不但與羽絨充絨量有關，還與容納羽絨所需空間有關。在產(chǎn)品設計時，在提高羽絨集合體充絨量同時，應相應增加羽絨集合體所需的空間，避免過度壓縮羽絨，以發(fā)揮羽絨最佳性能。

綜上所述，羽絨立體空間結(jié)構(gòu)賦予羽絨集合體較高的單位質(zhì)量體積，使羽絨集合體含有數(shù)倍于羽絨的靜止空氣，羽絨集合體的體積分數(shù)決定所含靜止空氣的數(shù)量，從而決定熱阻性能的大小。在低壓縮程度的情況下，羽絨集合體熱阻值以相對恒定的速度下降；當單位質(zhì)量體積低于原體積的一半時，熱阻降幅迅速增大。在設計羽絨產(chǎn)品時，要注重羽絨所處面料的空間結(jié)構(gòu)，避免因羽絨集合體單位質(zhì)量體積的減小而引起其熱阻的降低。

3 結(jié)論

（1）單位質(zhì)量體積決定羽絨集合體中靜止空氣的數(shù)量，羽絨集合體熱阻隨單位質(zhì)量體積的減小而減小。

（2）羽絨集合體熱阻隨單位質(zhì)量體積變化，其變化速率不是恒定的，當高于某一值時，熱阻以相對穩(wěn)定的速度小幅變化；當?shù)陀谀骋恢禃r，熱阻變化速度迅速增加。此單位質(zhì)量體積數(shù)值與羽絨含絨量、蓬松度等特性相關，與充絨量無關。

（3）羽絨集合體所含的空氣中，絨枝附近的空氣比較遠的空氣對熱阻的貢獻更大。

（4）隨著產(chǎn)品填充量的增加，羽絨集合體單位體積的熱阻降低，需增加羽絨所需空間來提高產(chǎn)品熱阻性能。