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        通過三維經(jīng)編床上用紡織品實現(xiàn)瞬態(tài)熱傳遞和質量傳遞

        2020-06-19 06:53:54HerfertBraunHantsch
        國際紡織導報 2020年4期
        關鍵詞:羽絨被經(jīng)編織造布

        H. Herfert, M. Braun, A. Hantsch

        1. 霍夫應用技術大學 材料科學研究(德國) 2. 薩克森紡織研究所(德國) 3. 空氣與制冷技術研究所(德國)

        保證舒適睡眠的關鍵要求是具備良好的環(huán)境條件,主要指身體周圍溫度和濕度達到理想的平衡。德國薩克森紡織研究所(STFI)和空氣與制冷技術研究所(ILK)的研究提供了床上用品填充材料影響床被下方環(huán)境的相關信息,確定了良好睡眠的關鍵決定因素,包括睡眠狀態(tài)的人體溫度調節(jié)機制、常規(guī)床上用品填充材料的特性及床被的常規(guī)舒適性標準。研究結果表明,具有特殊結構參數(shù)的三維(3D)經(jīng)編織物相比非織造布具有更好的透濕性能,尤其是在夏季。

        可采用多種方式對3D結構的紡織品進行改進,使其最終產(chǎn)品具有廣泛的用途而應用于日常生活和各工業(yè)領域。由熱塑性聚合物制成的經(jīng)編間隔織物(圖1),在所有3D紡織品中需求量最大。這些經(jīng)編間隔織物因具有特定的彎曲剛度、壓縮特性和熱生理舒適性,是用于床和椅子的裝飾、汽車座椅襯墊及羽絨被填充物的理想材料。盡管其作為氣候調節(jié)材料用途廣泛,但開發(fā)數(shù)學和數(shù)值模型以描述3D經(jīng)編織物特性對其熱生理特性影響的工作目前鮮有開展,僅有的研究也只是個案。

        圖1 經(jīng)編間隔織物實例

        STFI和ILK聯(lián)合實施該項目,確定并評估了不同用途的經(jīng)編間隔織物材料和結構參數(shù)對其在常溫和低溫條件下熱傳遞和材料轉移行為的影響。其目的在于將研究結果用于數(shù)值模擬模型。該項目仍在進行中,本文將介紹研究的初步結果,試驗涉及經(jīng)編間隔織物在羽絨被中的應用。傳統(tǒng)產(chǎn)品可提供適度的儲熱和高水平的導濕功能,本文比較研究了由間隔織物制成的床上用品與傳統(tǒng)產(chǎn)品的物理特性,如厚度和面密度。

        3D紡織品的物理性質及環(huán)境生理性能可被改進和修正。紗線原料和紗線線密度、經(jīng)編織物的結構、成圈方式、面組織的線圈密度、絨線層的設計及織物厚度均可調節(jié)和改變。針對睡眠進行相關研究可獲得優(yōu)化的填充工藝參數(shù)。

        1 睡眠相關研究概述

        醫(yī)療人員對核心溫度(CBT)和皮膚溫度(ST)進行了區(qū)分。在人體中,CBT遵循24 h循環(huán),會在20∶00左右達到最高溫度37.4 ℃,在4∶00左右達到最低溫度36.5 ℃。入睡后最初的幾個小時內,CBT會出現(xiàn)特別明顯的下降。更多的血液流向皮膚以排出身體核心的熱量,此時通過皮膚表面散發(fā)的熱量和水分會增加。皮膚表面和床體本身的部分水蒸氣的氣壓差異,促使汗液從人體內排出。如果羽絨被下方過于潮濕和溫暖,快速眼動(REM)和非快速眼動睡眠階段將發(fā)生異常,從而擾亂睡眠,甚至可能導致睡眠者醒來,睡眠質量受到不利影響。最終,人體將通過排汗以防止過熱。

        2 床內理想條件

        身體周圍區(qū)域的溫度處于27~31℃及相對濕度約為50%是良好睡眠的理想條件,具體數(shù)值取決于睡眠階段的類型。在相對濕度為60%及以上時,床內的微環(huán)境會使人感到不舒服,睡眠也將受到干擾。個人對濕度的感知極其相似。在一項汽車座椅使用者對環(huán)境氣候舒適性感知的研究中,不到50%的參與者對溫度的感知一致,超過80%的參與者一致認為評估過程中的不適由濕氣引起。

        因此,在選擇羽絨被時,重點應放在對填充物水分運輸能力的評估上。每1 kg干燥空氣中水蒸氣的質量大于23 g的特定濕度水平會引起人體不適。

        3 經(jīng)編間隔織物的熱濕傳導測試

        STFI進行的一系列綜合試驗研究了3D間隔織物的環(huán)境生理特性,并為此開發(fā)了一種特殊的測試儀器(圖2),可模擬非穩(wěn)態(tài)條件下的溫度和濕度狀態(tài)。其可設置最大濕度為70%,膜下最高溫度為40 ℃。為了模擬夏季床上的高溫和高濕水平,選擇了床內環(huán)境溫度和濕度的最大設定值進行試驗。

        圖2 非穩(wěn)態(tài)熱濕傳導測試儀

        50種具有各種不同結構參數(shù)的經(jīng)編間隔織物試樣被用于試驗。選用4種不同織物表面、2種不同厚度及2種不同單絲直徑的織物試樣。為改變織物表層之間的自由流動體積,加入了一些變形復絲用作絨線。

        在選定的間隔織物上進行了時長10 h的試驗,以研究熱量和水分的普通傳輸模式。為了進行比較,加入2種市售羽絨被試樣,其纖維非織造布填料的用量和厚度均不同。

        由纖維構成的非織造布具有與3D經(jīng)編間隔織物完全不同的幾何結構,因此可預料它具有不同的熱量和物質傳輸模式。例如,對于非織造布填料,不會產(chǎn)生對流的導濕行為,但厚度為8 mm及以上的經(jīng)編織物卻會發(fā)生對流導濕?;谶@些試驗結果,設立了后續(xù)50個試樣的測試方案。

        4 經(jīng)編間隔織物——更好的熱濕導體

        對濕度和溫度測量值進行無量綱標準化。試樣的濕度變化值達到圖1中的1.0時,表示物質傳遞完成。圖1表明,除了1個試樣,其他所有經(jīng)編織物都具有比非織造布填充的羽絨被更好的導濕能力。6 h后,所有試樣的水分傳遞均完成。事實上,90%的水分早在初始1 h內就已逸出(圖3),這證實了非穩(wěn)態(tài)過程動力學。

        圖3 濕度下降模式

        6 h后熱傳輸大約完成90%(圖4),經(jīng)編間隔織物和非織造布填料之間的性能差異也較小,所有試樣的溫度下降趨勢相似且分布均勻。

        圖4 溫度下降模式

        總體而言,與傳統(tǒng)非織造布填料相比,經(jīng)編間隔織物是更好的羽絨被填充物,二者熱量的傳輸相似,但經(jīng)編間隔織物的水分傳輸更好。為研究水分如何通過經(jīng)編間隔織物而進行的試驗證實了這一點(圖5)。人體睡眠期間的水汽最佳傳遞速率為27~115 g/h,水分的通過率應盡可能高以確保水汽傳遞速率達到此范圍,研究表明多數(shù)經(jīng)編間隔織物達到該要求。

        圖5 水分傳輸

        5 結果——作為可能趨勢的指標

        將測量結果與參考羽絨被的測量值進行比較(圖6),可看到溫度下降模式不同。網(wǎng)眼織物試樣比高密度織物試樣溫度下降得更快。

        圖7為水分下降模式,證實了經(jīng)編間隔織物水分傳遞比參考羽絨被更加有效。然而,無法明確地描述結構參數(shù)對試樣溫度和水分降低的影響。圖7曲線顯示的水分下降模式表明網(wǎng)眼織物有促進水分傳輸?shù)内厔?。然而,在得出任何具體結論之前,還需進行更多的調研。水分傳輸?shù)难芯恳嗍侨绱恕?/p>

        項目的后續(xù)階段將處理所有間隔織物試樣的測量結果,并進行結構參數(shù)對間隔織物的熱傳輸和物質傳輸特性影響的評估。

        圖6 與參考羽絨被相比的溫度下降模式

        圖7 與參考羽絨被相比的水分下降模式

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