張海霞，張喜昌

(河南工程學(xué)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(zhuǎn)變的材料，它在相轉(zhuǎn)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(yīng)用到紡織品中，可以開發(fā)品種多樣的相變調(diào)溫紡織品，用其制成的服裝能保持在一個(gè)舒適的溫度范圍，為人體提供舒適的衣內(nèi)微氣候環(huán)境［4－6］。

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

采用自行設(shè)計(jì)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(duì)比樣，試樣編號(hào)和部分規(guī)格參數(shù)見表1。相變紡織品與各自對(duì)比樣在規(guī)格參數(shù)方面存在一定差異，這種差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定影響但對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論影響不大。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

相變紡織品溫度調(diào)節(jié)的機(jī)制源于纖維內(nèi)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(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)溫功能，因此，本文自行設(shè)計(jì)了降溫和升溫2個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，以衡量相變紡織品在降溫和升溫2個(gè)過程中的溫度調(diào)節(jié)能力。

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

降溫實(shí)驗(yàn)采用YG741C型縮水率烘箱，烘箱設(shè)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(cè)溫儀測(cè)試試樣表面溫度，通過2次實(shí)驗(yàn)分別得到降溫速率和降溫時(shí)間。測(cè)試降溫速率時(shí)，從40℃開始計(jì)時(shí)，每隔10 s記錄1次試樣表面溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為300 s;測(cè)試降溫時(shí)間時(shí)，測(cè)量并記錄試樣表面溫度從33℃下降到23℃所需時(shí)間。

升溫實(shí)驗(yàn)采用YG606型平板式保溫儀，將試樣平鋪在實(shí)驗(yàn)板上，試樣初始溫度為20℃，用WSC-01C型數(shù)字測(cè)溫儀測(cè)試試樣表面溫度，通過2次實(shí)驗(yàn)分別得到升溫速率和升溫時(shí)間。升溫速率測(cè)試時(shí)，從20℃開始計(jì)時(shí)，每隔10 s記錄1次試樣表面溫度，共測(cè)量24個(gè)數(shù)據(jù);升溫時(shí)間測(cè)試時(shí)，測(cè)量并記錄試樣表面溫度從20℃上升到33℃所需時(shí)間。

WSC-01C型數(shù)字測(cè)溫儀分辨率為0.1℃，試樣表面溫度的測(cè)試均在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 降溫實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行降溫速率實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(dāng)溫度下降到23℃左右時(shí)，織物表面溫度下降速率逐漸變慢并趨于平衡。

運(yùn)用Origin分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)指數(shù)擬合，得到6種試樣在降溫過程中溫度T對(duì)時(shí)間t的回歸方程;對(duì)溫度-時(shí)間回歸方程求導(dǎo)，可得到降溫速率V對(duì)時(shí)間t的回歸方程;根據(jù)降溫速率-時(shí)間回歸方程V(t)，通過公式，可計(jì)算得到降溫速率，表2降溫速率和降溫時(shí)間實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的平均降溫時(shí)間。

表2 降溫速率和降溫時(shí)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(shí)間大于試樣V3，同時(shí)，試樣A1、A2的降溫速率低于試樣A3，降溫時(shí)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(diào)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(diào)纖維中的相變材料對(duì)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(shí)間可知，在降溫過程中，試樣V1的調(diào)溫性能略優(yōu)于V2，試樣A2的調(diào)溫性能略優(yōu)于A1，同時(shí)試樣A1、A2的調(diào)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(duì)其調(diào)溫性能也有一定的影響。

降溫實(shí)驗(yàn)中采用的2種測(cè)試方法，即降溫速率測(cè)試法和降溫時(shí)間測(cè)試法，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律基本一致，降溫速率低的試樣，其降溫時(shí)間較長，但調(diào)溫性能較好。在2種方法中，降溫時(shí)間測(cè)試法較簡便快速，易于操作;降溫速率測(cè)試法操作較復(fù)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(xì)致地分析相變紡織品的調(diào)溫性能。2種方法各有特點(diǎn)，可根據(jù)情況選用。

2.2 升溫實(shí)驗(yàn)

升溫速率實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dāng)溫度升高到28℃左右后才有一定的區(qū)別。

運(yùn)用Origin分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到6種試樣在升溫過程中溫度T對(duì)時(shí)間t的回歸方程;對(duì)溫度-時(shí)間回歸方程求導(dǎo)可得到升溫速率，表3列出升溫速度和升溫時(shí)間實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的平均升溫時(shí)間。

表3 升溫速率和升溫時(shí)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(shí)升溫時(shí)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(duì)較為緩慢，調(diào)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(duì)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(shí)間可知，在升溫過程中，試樣V1的調(diào)溫性能略優(yōu)于V2，試樣A2的調(diào)溫性能略優(yōu)于A1，同時(shí)試樣A1、A2的調(diào)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(shí)驗(yàn)與降溫實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

升溫實(shí)驗(yàn)中采用的2種測(cè)試方法，即升溫速率測(cè)試法和升溫時(shí)間測(cè)試法，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律基本一致，具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要選用。

3 結(jié)論

1)相變紡織品調(diào)溫性能的檢測(cè)設(shè)計(jì)了降溫和升溫2種實(shí)驗(yàn)方案，每個(gè)實(shí)驗(yàn)又可以采用溫度變化速率(降溫、升溫速率)和溫度變化時(shí)間(降溫、升溫時(shí)間)2種測(cè)試方法。這2種方法各有特點(diǎn)，但測(cè)試結(jié)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(diào)溫性能。

3)厚度、緊度等織物規(guī)格參數(shù)對(duì)相變紡織品的調(diào)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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