農用日光溫室紡織復合保溫材料熱阻濕阻的測試研究*

(1. 西安工程大學紡織與材料學院，西安，710000；2. 浙江紡織服裝職業技術學院寧波市先進紡織技術與服裝CAD重點實驗室，寧波，315000)

保溫是我國北方地區日光溫室冬季生產的重要技術措施之一。目前在我國北方地區，傳統的日光溫室保溫覆蓋材料有草簾、蒲席等，這些材料笨重、卷放費時費工、防水性能很差，在遭遇連續的雨雪天氣后由于材料浸濕增加了重量使得卷放更為困難，保溫性能嚴重下降，同時磨損了的農膜嚴重影響透光性能，最終影響農民的經濟收入。開發新型保溫被是廣大農民十分關心和期待解決的問題。我國各地已研制開發出幾種日光溫室保溫被，主要有針刺氈保溫被、腈綸棉保溫被、棉氈保溫被、泡沫保溫被、復合保溫被等[1]。我國是一個農業大國，目前日光溫室的總數在1 000萬座以上，按照每座日光溫室需要保溫覆蓋700 m2計算，這是一個擁有上億元需求的潛在市場。所以，研發質輕、保溫效果好的保溫被是我國溫室發展的迫切需求。

農用日光溫室紡織復合保溫材料是由表層的覆蓋材料及保溫芯材構成的。保溫芯材必須選用合適的纖維，有最佳的面密度，膨松有彈性，才能達到最佳的保溫效果。濕度會嚴重影響保溫性能，所以為了更好地使芯材保持干燥，表層覆蓋材料必須具有防水作用[2]。

對于日光溫室紡織復合保溫材料的保溫性能評價一直是研究的重點。張義等[3]采用覆蓋材料傳熱測試臺測定了4種溫室內保溫幕的傳熱系數和熱節省率等保溫性能參數，并采用紅外分光光度計測定了這4種材料的紅外輻射透過性能，透過率越高的材料保溫性越差。馬承偉等[4]提出了一種園藝設施覆蓋材料傳熱分析以及傳熱系數的理論計算方法，即覆蓋層能量平衡法。該方法通過覆蓋層輻射傳熱和對流換熱的能量平衡, 建立了全面反映覆蓋材料傳熱各主要影響因素的傳熱模型, 得出了傳熱系數的理論解析計算方法。喬正衛等[5]分別選用噴膠棉、羊毛、PE(聚乙烯)發泡片和毛氈做保溫芯材，試制了4種保溫被，通過靜態熱箱試驗，以草簾為對照樣分析了4種保溫被的保溫性，認為噴膠棉和羊毛保溫被的性能良好，有望替代草簾成為日光溫室的新型高效保溫材料。陳永杰等[6]在模擬溫室環境條件下研究得出，連續晴天或連續陰天，化纖保溫被單位面積質量(厚度)對保溫效果影響顯著，但被雨淋過后，厚度不再是影響保溫效果的顯著因素。

本文采用熱阻濕阻測試儀對日光溫室紡織復合保溫被、表層覆蓋材料及保溫芯材的熱阻濕阻性能進行了測試，并對在相同測試條件下得到的熱工性能進行了比較分析。

1 材料與裝置

1.1 測試材料

測試的農用紡織復合保溫被由寧波中直農業科技有限公司提供。農用紡織復合保溫被由保溫芯材和分別復合在保溫芯材兩面的覆蓋層三層組成，如圖1所示。

圖1 農用紡織復合保溫被結構示意圖

1.1.1 表層覆蓋材料

(1)滌綸牛津布：采用保溫被專用滌綸長絲原料，同時降低緯向織造密度。

(2)滌綸牛津布復合PE膜：內層保溫主體與上下表層采用樹脂混合料通過熱熔工藝相互粘連在一起，在滌綸牛津布與內層保溫主體間形成0.4～1.5 mm的防水隔熱膜。

(3)滌綸牛津布復合涂層PE膜：采用自制涂層，抗紫外、耐候效果突出，且耐低溫，高溫下不回粘，并具有一定的阻燃、防霉作用。

(4)PP(聚丙烯)編織物：正面涂覆丙烯酸油膠，反面涂覆鋁粉。

1.1.2 保溫芯材(保暖體)

(1)噴膠棉：噴膠棉結構形成的原理是將黏合劑噴灑在蓬松纖維層的兩面，由于在噴淋時有一定的壓力，以及下部真空吸液時的吸力作用，所以在纖維層的內部也能滲入黏合劑。噴灑黏合劑后的纖維層再經過烘燥、固化，使纖維間的交接點被粘接，而彼此未粘接的纖維仍有相當大的自由度。同時，在三維網狀結構中仍保留有許多空隙。因此，纖維層具有多孔性、高蓬松性的保暖作用。

(2)無膠棉：又稱為熱熔絮棉，將低熔點纖維代替噴膠棉。

(3)毛氈：采用廢舊纖維制成，利用加工粘合而成。

(4)PP發泡板：以PP為原料制作的一種發泡板，有隔熱效果。

1.1.3 不同類型紡織復合保溫被

本文試制了8種復合保溫被，其結構見表1。

表1 紡織復合保溫被結構

1.2 熱阻濕阻測試設備及裝置

本文利用ASTM-511型熱阻濕阻儀對幾種不同類型的表層覆蓋材料、芯材及其組合而成的保溫被分別進行熱阻和濕阻測試。采用熱阻值、濕阻值作為評價材料在熱濕環境下熱工性能的指標。

1.3 測試原理

材料的熱阻Rct是指試樣兩面的溫差與垂直通過試樣單位面積的熱流量之比，這與電流通過導體的電阻類似，該干熱流量可能由傳導、對流、輻射中的一種或者多種形式傳遞。熱阻Rct表示紡織品處于穩定的溫度梯度條件下通過規定面積的干熱流量。熱阻值越大代表被測材料的導熱性能越差，即保溫效果越好。而且織物熱阻的測量使得織物的熱阻值可以參與熱環境的熱損耗等計算，因為熱阻串聯后其總熱阻等于各部分熱阻之和。

(1)

式中：Rct——熱阻，m2·K/W；

Tm、Ta——試驗板兩面的溫度，K；

A——試驗板的面積，m2；

Hc——提供給測試板的加熱功率，W；

ΔHc——熱阻測定中加熱功率的修正值，W；

Rct0——空白試驗測定的儀器常數，m2·K/W。

材料的濕阻是指材料兩面的水蒸氣壓力差與垂直通過試樣單位面積蒸發的熱流量之比。蒸發熱流量可能由于擴散和對流的一種或多種形式傳遞。濕阻Ret表示紡織品處于穩定的水蒸氣壓力梯度條件下通過一定面積的蒸發熱流量。

(2)

式中：Ret——濕阻，m2·Pa/W；

pm——試驗板的表面溫度為Tm時的水蒸氣壓力，Pa；

pa——試驗板的表面溫度為Ta時的水蒸氣壓力，Pa；

A——試驗板的面積，m2；

He——提供給測試板的加熱功率，W；

ΔHe——濕阻測定中加熱功率的修正值，W；

Ret0——空白試驗測定的儀器常數，m2·Pa/W。

測試熱阻時將試樣覆蓋在電熱試驗板上，試驗板及其周圍和底部的保護板都能保持相同的恒溫，以使電熱試驗板的熱量只能通過試樣散失，調濕的空氣可平行于試樣上表面流動。在試驗條件達到穩態后，測定通過試樣的熱流量來計算試樣的熱阻。

對于濕阻的測定，需在多孔電熱試驗板上覆蓋透氣但不透水的薄膜，進入電熱板的水蒸發后以水蒸氣的形式通過薄膜，所以沒有液態水接觸試樣。試樣放在薄膜上后，測定在一定水分蒸發率下保持試驗板恒溫所需的熱流量，與通過試樣的水蒸氣壓力一起計算試樣的濕阻。

2 試驗結果及分析

2.1 表層覆蓋材料的熱工性能

4種表層覆蓋材料的熱阻、濕阻值見表2。

表2 表層覆蓋材料的熱阻、濕阻

由表2可知，滌綸牛津布復合涂層PE膜的保溫效果最好，PP編織物次之，滌綸牛津布復合PE膜再次，沒有經過任何處理的滌綸牛津布最差。滌綸牛津布復合涂層PE膜和PP編織物的濕阻性能相當，滌綸牛津布復合PE膜的濕阻性能較差，沒有經過任何處理的滌綸牛津布的濕阻性能最差。

2.2 保溫芯材的熱工性能

4種保溫芯材的熱阻、濕阻值見表3。

表3 保溫芯材的熱阻、濕阻

由表3可知，噴膠棉和無膠棉+10%中空纖維的熱阻值相同，而PP發泡板的熱阻值最小。純PET中空纖維作為保溫芯材時其熱阻值最大，即保溫性能最好。這是因為在中空纖維中包含了很多靜止空氣，而靜止空氣的導熱系數僅為0.025 W/(m·K)，在選用合適保溫芯材的基礎上應當增加靜止空氣的含量，從而增加其保溫性能。無膠棉+10%中空纖維的濕阻值最大，PET中空纖維次之，PP發泡板再次，噴膠棉的濕阻值最小。

2.3 不同類型保溫被的熱工性能

8種保溫被的熱阻、濕阻值見表4。

表4 不同類型保溫被的熱阻、濕阻

由表4可知，滌綸牛津布復合PE膜再經過涂層處理的覆蓋材料與噴膠棉結合而成的保溫被的熱阻小于相同工藝條件下的無膠棉保溫被，即保溫效果不如后者，同時濕阻也較小；由牛津布復合PE膜再經過涂層處理的覆蓋材料與保溫芯材為無膠棉的保溫被中加入中空纖維后，材料的熱阻增加、濕阻減小，且隨中空纖維含量的增加其熱阻增加、濕阻減小，即保溫效果較好，但抗滲水性能變差，這是由于中空纖維特有的結構使得其吸水性能增強所致；而對于單層PP編織物+毛氈、鋁膜+PP發泡板、PU+毛氈這三種常見的日光溫室保溫被，其熱阻相對較小，即保溫效果較差，但由于其獨特的表層覆蓋材料使其濕阻較大。

3 結語

(1)在滌綸牛津布上復合PE膜具有很好的防水作用，這層PE膜可以有效地將內層保溫芯材與上下表層覆蓋材料相互粘結在一起，起到防水保溫作用。復合抗老化涂層不僅使表層覆蓋材料具有抗紫外、耐候等效果，而且也起到了防水保溫作用。

(2)在選用合適保溫芯材的基礎上，應當增加靜止空氣的含量，從而提高其保溫性能。

(3)相同厚度下噴膠棉的保溫性能不及無膠棉，且在無膠棉中添加的中空纖維越多，紡織復合保溫被的保溫性能越好。采用無膠棉作為保溫芯材、滌綸牛津布復合PE膜為表層覆蓋材料的復合保溫被，在溫室產業的農業設施應用中符合溫室產業節能、低碳的發展趨勢，具有廣泛的應用前景。

[1] 張放軍,陳海珍.日光溫室保溫被的發展現狀分析與進展[J].紡織導報,2011(1):73-76.

[2] 陳海珍,張放軍,樓杰.新型農用保溫被結構設計與保溫性能研究[J].產業用紡織品,2010,28(12):12-16.

[3] 張義,馬承偉,柴立龍,等.幾種溫室內保溫幕保溫效果的測試研究[C].2008 中國設施園藝工程學術年會論文集,2008:30-35.

[4] 馬承偉,張俊芳,覃密道,等.基于覆蓋層能量平衡法的園藝設施覆蓋材料傳熱系數理論解析與驗證[J].農業工程學報,2006,22(4):1-5.

[5] 喬正衛,鄒志榮,張立明,等.4 種日光溫室保溫被室內的試驗性能測試[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2008,36(6):153-158.

[6] 陳永杰,梁明珠,賈強生,等.不同厚度化纖保溫被對溫室保溫性能的影響[J].山西農業科學,2013,41(5):491-494.