陳 萌， 朱方龍

(中原工學(xué)院 服裝學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

暴露于高濕度環(huán)境中，多孔隔熱織物易于吸收水分，高溫受熱后其水分蒸發(fā)過程的潛熱會影響到織物整體的隔熱防護(hù)性能，因此，有必要研究熱作用下織物內(nèi)水分遷移過程及特性[1-3]。Rossi等[4]分析了熱蒸氣在不同類型織物層中的傳遞過程，得出水蒸氣在織物內(nèi)傳遞取決于樣品的厚度、滲透能力及其隔熱能力；Weder 等[5]使用X射線斷層攝影術(shù)研究了不同織物層的組合對水分分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分水分累積在接近皮膚的2層織物中；文獻(xiàn)[6]采用實(shí)驗(yàn)方法對直接接觸火焰的濕態(tài)多孔介質(zhì)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)顯示，適量的水分蒸發(fā)可略微增強(qiáng)其熱防護(hù)能力；Schneider 等[7]采用瞬態(tài)測試技術(shù)測量了不同水分含量的紡織品的有效導(dǎo)熱系數(shù)，其值隨含水量增加而增加，同時(shí)纖維本身的吸附性能也影響其有效導(dǎo)熱系數(shù)值。

同時(shí)，已有的研究工作也提出了熱流作用下多孔織物內(nèi)熱濕傳遞行為數(shù)學(xué)模型，解析濕分在織物中的遷移機(jī)制：Li 等[8]發(fā)展了水分吸附作用、凝結(jié)作用與熱傳遞相耦合的熱濕傳遞模型，其模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；文獻(xiàn)[9]介紹了涵蓋液態(tài)水和水蒸氣傳遞的濕分傳遞模型，并包含了多孔介質(zhì)內(nèi)液態(tài)水傳輸?shù)拿?xì)管效應(yīng)；Zhu 等[10]首次應(yīng)用一步式阿倫尼烏斯化學(xué)反應(yīng)速率方程模擬了火場環(huán)境下織物水分干燥過程，建立了考慮織物熱參數(shù)隨溫度變化的模型本構(gòu)方程。

食品及生物質(zhì)材料的干燥過程研究已相當(dāng)成熟，很多文獻(xiàn)提出了不同模擬條件下的干燥曲線模型[11-13]，研究了固體干燥過程參數(shù)和水分傳遞參數(shù)[14-17]，大部分生物質(zhì)材料由纖維素纖維構(gòu)成，因此，已經(jīng)提出的干燥模型可借鑒用于描述纖維素纖維織物甚至是化學(xué)纖維織物的干燥曲線。本文采用干燥動力學(xué)理論來描述較低輻射熱暴露下織物水分傳遞特性，并以織物表面的溫度變化來評價(jià)織物整體隔熱性能與水分之間的關(guān)系。對合適的多孔織物干燥動力學(xué)模型進(jìn)行評估，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與等溫干燥模型的匹配程度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣與性能測試

實(shí)驗(yàn)采用3種常用消防服外層織物，由上海圣歐同安防護(hù)用品開發(fā)有限公司提供，其基本參數(shù)如表1 所示。每種織物準(zhǔn)備3塊樣品 (130 mm× 130 mm)，將樣品放至于溫度為105 ℃的烘箱中干燥 2 h，確定樣品的干態(tài)質(zhì)量(F-1、F-2、F-3分別為 3.28、5.91、3.54 g)，然后將與織物干態(tài)質(zhì)量相同的水分均勻噴灑至樣品上，獲得初始含水率100%的織物。為模擬消防員在火場救援過程中消防服被噴濕的情形，在到達(dá)設(shè)定含水率為100%后即刻開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)織物中同時(shí)存在3種形式的水：吸附水、毛細(xì)水和自由水。3種水的比例因織物樣品吸濕性的不同而不同。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Fabric specification parameters

實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的自制設(shè)備，由石英燈管輻射熱源、電子天平(精度為±0.01 g)、紅外熱像儀及數(shù)據(jù)采集模塊4部分組成。實(shí)驗(yàn)在0.4 kW/m2和0.8 kW/m22種輻射熱源下進(jìn)行，織物與熱源表面距離為23 cm，織物質(zhì)量和溫度的變化分別用WT2102型紡織天平和Fluke Ti32 型紅外熱像儀測量。

織物含水率和干燥速率分別由式(1)、 (2)計(jì)算得到。

M=(mw-md)/md

(1)

N=-dM/dt

(2)

式中：M為干基含水率，%；mw為濕態(tài)質(zhì)量，g；md為干態(tài)質(zhì)量，g；N為干燥速率，%/s；t為時(shí)間，s。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置整體示意圖Fig.1 Overall sketch of experimental installation

織物的相對含水率R(無因次含水率) 由式(3)計(jì)算：

R=(Mt-Meq)/(M0-Meq)

(3)

式中：Mt為任意時(shí)刻t的回潮率，%；M0為樣品初始含水率，%；Meq為樣品平衡含水率，%?？椢镌诟稍镒詈鬆顟B(tài)其Meq值為0，那么式(3) 可簡化為

R=Mt/M0

(4)

1.2 數(shù)學(xué)模型

干燥過程中水分?jǐn)U散可由Fick方程描述，為簡化方程，給出如下假設(shè)：1) 織物層中水分的初始分布是均勻的，并假定濕潤織物層在纖維排列和材料性能上是各向同性的；2) 織物層中水分的流動阻力分布均勻；3) 擴(kuò)散系數(shù)與部分含水率無關(guān)；4) 忽略纖維體積因含水率變化而產(chǎn)生的變化?；谝陨蠗l件Fick第二定律可寫成式(5)[18]:

(5)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；x為擴(kuò)散距離，m。

因?yàn)榧俣椢锏乃趾吭诔跏茧A段分布均勻，且質(zhì)量輸運(yùn)是一維的，織物表面的水分可以與周圍瞬間達(dá)到平衡，因此，薄層織物的初始和邊界條件可描述為：

(6)

然后求出式(3)的級數(shù)解，即

(7)

式中，L為材料層厚度的一半,m。

假設(shè)干燥時(shí)間足夠長，第1項(xiàng)就可準(zhǔn)確地預(yù)測無因次含水率，即

(8)

式(8)可進(jìn)一步被簡化成線性方程

(9)

式中，Deff為有效濕汽擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

另有研究者也基于式(8)提出了修正方程。選取表2所示的已有模型，用于干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，優(yōu)選適合于描述織物干燥過程的預(yù)測模型。

表2 干燥模型

2 結(jié)果與討論

2.1 織物的干燥曲線

將織物的質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化為其干基含水率(后文簡稱為“含水率”)的變化，然后繪制“時(shí)間-含水率”變化曲線，圖2～4分別示出2種不同強(qiáng)度輻射熱源下的3種織物的含水率與溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖2 輻射熱暴露下的F-1試樣含水率及溫度變化Fig.2 Moisture content and temperature variations of F-1 under radiant heat exposures

由圖2～4可看出，在2種不同的熱輻射條件下，3種織物的含水率均隨時(shí)間的延長而下降，所有的干燥曲線包括3個(gè)階段(見圖5)：第1階段，水分含量變化不大，溫度迅速上升，輻射熱主要用于加熱織物；第2階段，水分含量迅速下降，溫度緩慢上升，在該階段輻射熱主要用于織物中的水分蒸發(fā)；第3階段，水分含量緩慢下降，當(dāng)含水率下降到20%后，溫度突然升高，然后慢慢上升。3個(gè)階段的劃分如圖5所示。這說明當(dāng)織物含水率大于20%時(shí)，水分蒸發(fā)所消耗的能量延遲了織物溫度的升高；然而當(dāng)水分含量降低至20%時(shí)，這種能量消耗就會明顯下降，導(dǎo)致溫度迅速上升。在此階段，一部分輻射熱流量將用于水分蒸發(fā)，另一部分熱量被織物吸收，導(dǎo)致織物表面溫度上升。

圖3 輻射熱暴露下的F-2試樣含水率及溫度變化Fig.3 Moisture content and temperature variations of F-2 under radiant heat exposures

圖4 輻射熱暴露下的F-3試樣含水率及溫度變化Fig.4 Moisture content and temperature variations of F-3 under radiant heat exposures

圖5 3個(gè)干燥階段的劃分Fig.5 Division of three drying stages

3種織物試樣在2種輻射熱條件下的干燥曲線如圖6所示。可知，織物試樣的干燥速率在開始階段上升，很快進(jìn)入相對穩(wěn)定階段，但穩(wěn)定時(shí)間較短；最后，干燥速率下降。這與含水率變化的3個(gè)階段是吻合的。比較圖6(a)、(b)知，3種織物在 0.8 kW/m2的熱源下干燥速率高于0.4 kW/m2熱源下的干燥速率。

圖6 3種織物樣品的干燥速率Fig.6 Drying curves of three kinds of fabric specimens

2.2 干燥動力學(xué)模型

圖7示出3種織物試樣在2種不同輻射熱流量下的ln (-lnR)與lnt關(guān)系圖?？梢钥闯觯琹n (-lnR) 和 lnt之間存在確定的線性關(guān)系，假設(shè)其線性關(guān)系如式(10)所示：

ln(-lnR)=lnk+nlnt

(10)

即：

R=exp(-kn)

(11)

式中，k和n為待定系數(shù)。

圖7 ln (-ln R) 與 lnt的關(guān)系圖Fig.7 Relation diagram of ln (-ln R) and lnt

干燥動力學(xué)參數(shù)由SPSS 17.0軟件計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同輻射熱流量時(shí)的干燥動力學(xué)參數(shù)Tab.3 Drying kinetic parameters at different radiation heat flow

圖8示出2種不同輻射熱條件下試樣的- lnR與t的關(guān)系?？梢?，t和lnR之間不存在線性關(guān)系，因此，Newton 模型和 Henderson 模型不能應(yīng)用于織物的干燥動力學(xué)研究。

圖8 不同輻射熱流時(shí)lnR與 t 的關(guān)系圖Fig.8 Relation between lnR and t at different radiation heat flow

為驗(yàn)證根據(jù)Page模型所獲得模型的準(zhǔn)確性， 將F-2在0.8 kW/m2的干燥條件下的無因次含水率的實(shí)驗(yàn)值和Page模型計(jì)算值在同一張圖中繪制，如圖9所示。根據(jù)得到的模型，實(shí)驗(yàn)值和所獲得模型的計(jì)算值有很好的一致性，表明Page方程可準(zhǔn)確地預(yù)測織物的無因次含水率和熱輻射時(shí)間的關(guān)系。

圖9 無因次含水率的實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值的比較Fig.9 Comparison of experimental value and calculated value according to obtained model

3 結(jié) 論

在低熱輻射條件下，濕態(tài)單層織物的干燥過程分為3個(gè)階段：第1階段，干燥速率和織物的溫度快速上升，含水率緩慢下降；第2階段，干燥速率保持穩(wěn)定，織物溫度緩慢上升，含水率快速下降；第3階段，干燥速率下降，含水率緩慢下降。另外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率大于20%時(shí)，水分蒸發(fā)要消耗大部分的能量，這延遲了織物的溫度上升，但是一旦含水率下降到20%，水分蒸發(fā)所需要的能量消耗明顯下降，導(dǎo)致織物溫度快速上升。

織物F-2在0.8 kW/m2的干燥條件下的無因次含水率的實(shí)驗(yàn)值和Page模型的計(jì)算值之間有很好的一致性，表明Page模型可以通過選擇合適的參數(shù)來預(yù)測低水平輻射熱暴露下的潤濕的多孔織物的“質(zhì)量-時(shí)間”變化，研究結(jié)果對在低熱輻射條件下水分?jǐn)U散的預(yù)測具有一定的參考價(jià)值。