酚醛纖維織物熱濕舒適性的灰色聚類分析

馬崇啟， 蔡薇琦， 闞永葭

(天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

酚醛纖維織物熱濕舒適性的灰色聚類分析

馬崇啟， 蔡薇琦， 闞永葭

(天津工業大學 紡織學院, 天津 300387)

為了解酚醛纖維織物的熱濕舒適性，將酚醛纖維織物應用于消防領域，以酚醛纖維織物及消防服常用的阻燃棉布、芳綸1313織物、聚酰亞胺織物為研究對象，對隔熱性、保溫性、透濕性、透氣性和輸水性這5個指標進行測試，研究相同面密度的不同種類織物的熱濕舒適性。利用灰色聚類分析理論對5個指標進行聚類分析，對這4種織物在不同環境下的熱濕舒適性能做了綜合評價。結果表明：在高溫條件下，酚醛纖維織物具有較好的熱濕舒適性，聚酰亞胺織物與阻燃棉布次之，芳綸1313織物最差；在低溫條件下，酚醛纖維織物也具有良好的熱濕舒適性，聚酰亞胺織物次之，芳綸1313織物與阻燃棉布最差。

酚醛纖維織物； 熱濕舒適性； 保溫性； 透濕性； 灰色聚類分析

酚醛纖維以其優異的阻燃性、隔熱性、低毒、無煙、不變形等特點，被應用在消防服、防護服等領域[1-2]，研究酚醛纖維織物的熱濕舒適性能十分必要[3]。本文以酚醛纖維織物為試樣，同時選擇用于消防領域的阻燃棉織物、芳綸1313織物、聚酰亞胺織物作為對比試樣，通過測試熱濕舒適性的相關性指標[4]，進行對比分析，以便對酚醛纖維織物的熱濕舒適性做出有意義的評價。選取試樣時，如果采用規格與結構參數完全相同的織物，僅選用的纖維不同，這樣方便比較，但研究的現實意義不大，僅能說明纖維的性能優劣。本文研究關于織物的服用性能，為此，選取面密度相同、其他結構參數有差異的試樣來進行比較試驗，分析酚醛纖維織物的熱濕舒適性?；疑碚撝械幕疑垲惙ㄊ且环N根據灰色關聯矩陣或灰數的白化權函數將一些觀測指標或觀測對象聚集成若干個可定義類別的方法[5]，采用灰色聚類分析法對織物的熱濕舒適性能的好壞做出評價是比較合適的[6]。

1 試樣準備與測試

1.1 試樣準備

酚醛纖維織物為實驗室樣機織造，織物組織結構為平紋，經緯紗均采用酚醛纖維，織物面密度為200 g/m2，其他3種織物均是由邦維普泰有限公司提供的面密度為200 g/m2的織物，其組織結構為斜紋，經緯紗所用原料相同，阻燃棉織物后期通過XINXINGFR阻燃工藝處理達到阻燃的效果，試樣規格與結構參數如表1所示。所選織物雖然結構有所差異，但面密度相同，因此具有可比性。

表1 試樣規格與結構參數Tab.1 Sample size and structure parameters

1.2 織物性能測試與結果

對于織物熱濕舒適性的測試，相應的指標比較多。本文以傳熱系數為指標測試織物的隔熱性能，以保溫率為指標測試織物的保溫性，這2項指標參照GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》測試；以透濕率為指標測試織物的透濕性，參照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發法》測試；以透氣率為指標測試織物的透氣性，參照GB/T 5453—1997《織物透氣性測試》測試；以芯吸高度為指標測試織物的輸水性，參照FZ/T 01071—2008 《紡織品 毛細效應試驗方法》測試。為使測量結果較為準確，減小織物表面油劑對測試結果的影響，實驗前先將織物用熱水洗2～3次，晾干后放置在標準大氣條件下48 h進行平衡[7]。4種織物的相關性能測試結果見表2。

表2 織物性能測試結果Tab.2 Results of fabric performance test

2 熱濕舒適性的灰色聚類分析

由表2可看出：1)酚醛纖維織物具有較好的保溫性，保溫性能明顯優于阻燃棉布和芳綸1313織物，但其與聚酰亞胺織物保溫性相差不是很大；酚醛纖維織物的傳熱系數是4種織物中最低的，阻燃棉織物的傳熱性較好，芳綸1313與聚酰亞胺織物次之。2)酚醛纖維織物具有較好的透氣性與透濕性，聚酰亞胺織物次之，芳綸1313與阻燃棉織物較差；阻燃棉織物的芯吸性較好，聚酰亞胺與酚醛纖維織物次之，二者的芯吸性相差不大，芳綸1313織物的芯吸性最差。

4種織物的性能在各指標下的表征不相同,很難根據織物的某一項指標做出織物性能的綜合評價，測試數據量少，數據分布規律不整齊，利用數理統計難以得到有效的結論。不同的外界環境，對服裝織物的舒適性要求亦不相同[8-9]，為此，本文采用灰色聚類分析理論，對5個測試指標進行聚類分析，通過對高溫和低溫2種環境進行分析，分別對這4種織物的熱濕舒適性做出綜合評價[10-12]。

本文以1#～4#織物為聚類對象i，以測試結果中的傳熱系數U、保溫率W、透氣率Q、透濕率S、芯吸高度G為聚類指標j，將織物的熱濕舒適性能分為好、中、差3檔，記為K1、K2、K33檔，即聚類灰數為S=3[13]。

2.1 矩陣構建

以聚類對象編號為行、相應的聚類指標值為列，將表2中數據組成一個4×5矩陣，如式(1)所示。

(1)

式中：i為聚類對象編號；j為聚類指標編號；dij為各對應織物相應的測試指標值組成的矩陣。

2.2 無量綱處理

進行無量綱處理，使之映射到[0,1]區域。對于越大越好的聚類指標，按式(2)處理，對于越小越好的聚類指標，按式(3)處理，從而得到聚類白化矩陣[Xij]。

(2)

(3)

式中：Xij為經過式(2)或式(3)處理的聚類對象i，聚類指標j測試值；dij為各對應織物相應的測試指標值；Sj為聚類指標j值域的左邊界值；Bj為聚類指標j值域的右邊界值。

經統計得知，式(1)中傳熱系數U∈[0,1]，保溫率W∈[10,40]，透氣率Q∈[300,1500]，透濕率S∈[60,80]，芯吸高度G∈[0,9]，高溫條件下，保溫率要越小越好，數據按式(3)進行處理，其余指標越大越好，按式(2)進行處理，得到式(4)；低溫條件下，傳熱系數要越小越好，數據按式(3)進行處理，其余指標均按式(2)進行處理，得到式(5)[14]。

Xij∈[0,1]，Xij值越大，說明相應織物的指標性能越好。

高溫條件下，對式(1)處理得式(4)：

(4)

低溫條件下，對式(1)處理得式(5)：

(5)

式中Xij為各織物指標經過無量綱處理后的值。

2.3 灰類白化函數確定

確定灰類白化函數，即確定織物處于某一檔的概率分布函數。在實際生產中，可認為織物舒適性好差各占30%，中等占40%，定出各項指標的相應灰類白化函數為：k1∈[0.7,1]、k2∈[0.5-ε,0.5+ε]、k3∈[0,0.3]，則k1的灰類白化函數見下式。

(6)

同理，k2的灰類白化函數為

(7)

同理，k3的灰類白化函數為

(8)

2.4 標準權系數確定

(9)

2.5 聚類權系數確定

(10)

高溫條件下灰色聚類系數矩陣為

(11)

低溫條件下灰色聚類系數矩陣為

(12)

從式中可看出：1)在高溫條件下，熱濕舒適性能處在好這一檔的織物有1#、2#、4#織物，但1#織物的灰色聚類系數比2#、4#織物大，說明1#織物落在第1檔的概率比較大，即酚醛纖維織物的熱濕舒適性能好。3#織物處在第3檔的概率較大，說明熱濕舒適性能差的織物有3#；2)在低溫條件下，熱濕舒適性能好的織物有1#、4#織物，但1#織物的灰色聚類系數比4#織物大，說明1#織物落在第1檔的概率比較大，即酚醛纖維織物的熱濕舒適性更好，熱濕舒適性差的織物有2#、3#，3#織物處在第3檔的概率比2#織物大，說明3#織物的熱濕舒適性能更差。

3 結 語

用灰色聚類分析對酚醛、阻燃棉，芳綸1313、聚酰亞胺4種織物的熱濕舒適性進行綜合評價，結果表明，在高溫條件或低溫條件下，酚醛纖維的熱濕舒適性均優于其他織物，具有良好的服用性能，分析結果為酚醛纖維的應用提供了依據。

FZXB

[1] 任蕊，皇甫慧君，王燕，等.酚醛纖維高性能化改性研究[J].應用化工,2013，42(1):152-155. REN Rui，HUANGPU Huijun，WANG Yan，et al.Modification performance of phenolic fibers[J]. Applied Chemical Industry，2013，42(1):152-155.

[2] LIU Chunling，GUO Quangui， SHI Jingli，et al.A study on cross-linking of phenolic fibers[J].Materials Chemistry and Physics，2004，90 (2): 315-321.

[3] 漆政昆，張和平.消防服用織物材料熱濕舒適性綜合評價[J].中國安全科學學報，2012，22(4):132-138. QI Zhengkun，ZHANG Heping.Fire taking fabric the-rmal and moisture comfort comprehensive evalua-tion [J]. Chinese Journal of Safety Science，2012，22(4): 132-138.

[4] 黃淑平，馬崇啟，周衡書.竹原纖維織物熱濕舒適性的灰色關聯評價模型[J].紡織學報，2009，30(9): 33-36. HUANG Shuping，MA Chongqi，ZHOU Hengshu. Bamboo fiber fabric thermal and moisture comfort of gray correlation evaluation model [J]. Journal of Textile Research，2009，30(9): 33-36.

[5] 孔令劍，晏雄.灰色理論在麻織物熱濕舒適性研究中的應用[J].紡織學報，2007，28(4):41-44. KONG Lingjian，YAN Xiong.Application of gray system theory in evaluation of thermal and moisture comfort[J].Journal of Textile Research，2007，28(4):41-44.

[6] 陸麗婭，張輝.服裝熱濕舒適性評價指標與方法概述[J]. 紡織科技進展，2014(4):58-61. LU Liya，ZHANG Hui.Clothing heat-moisture comfort evaluation and methods summary [J]. Progress in Textile Technology，2014(4):58-61.

[7] 馬順彬.竹漿/棉交織力學性能的灰色聚類分析[J].現代絲綢科學與技術，2011(3):84-87. MA Shunbin.Grey clustering analysis of mechanical property of bamboo pulp/cotton mixed fabric[J].Modern Silk Science & Technology，2011(3):84-87.

[8] 李東平，尹洪偉，趙艷霞.珍珠纖維針織物的熱濕舒適性[J].紡織學報，2007，28(11):29-31. LI Dongping，YIN Hongwei，ZHAO Yanxia.Thermal wet comfort property of pearl fiber knitted fabric[J].Journal of Textile Research，2007，28(11):29-31.

[9] 李翠玉，羅岳文，楊雪.織物導濕性能的試驗研究[J]. 棉紡織技術，2015，43(1):25-28. LI Cuiyu，LUO Yuewen，YANG Xue.Experimental study on the performance wicking fabric [J]. Textile Technology，2015，43(1):25-28.

[10] 汪學騫，王智，謝維源，等.針織物透濕性能的灰色聚類分析[J].紡織學報，1991，12(2):60-62,79. WANG Xueqian，WANG Zhi，XIE Weiyuan，et al.Grey clustering analysis of knitted fabric moisture[J]. Journal of Textile Research，1991，12(2):60-62, 79.

[11] SONG Xiaolei， WEI Li ， GE Mingqiao.Electromagnetic shielding effectiveness and wearing comfort of radiation protection fabrics based on gray clustering analysis[J].The Journal of the Textile Institute，2015，106 (10):1089-1094.

[12] 王厲冰，胡心怡.大豆蛋白纖維織物熱濕舒適性的灰色聚類評價[J].天津工業大學學報，2003，22(4):26-29. WANG Libing，HU Xinyi.Soybean protein fiber fabric thermal and moisture comfort evaluation of gray clustering [J]. Journal of Tianjin Polytechnic University，2003，22(4):26-29.

[13] 陳志華.Coolmax/棉交織物舒適性的灰色聚類分析[J].江蘇絲綢，2013(2):26-28,34. CHEN Zhihua.Grey clustering analysis on the comfort of Coolmax/ cotton mixture[J].Jiangsu Silk，2013(2):26-28,34.

[14] 魏安方，許德生，汪學騫，等.Coolmax 織物濕舒適性的灰色聚類分析[J]. 紡織科學研究，2008(2):40-54. WEI Anfang，XU Desheng，WANG Xueqian，et al.Coolmax fabric wet comfort of gray clustering analysis [J]. Textile Science Research，2008(2):40-54.

Gray clustering analysis on thermal-moisture comfort of phenolic fiber fabrics

MA Chongqi, CAI Weiqi, KAN Yongjia

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

The phenolic fiber fabrics and the flame retardant cotton, aramid 1313 and polyimide fabric which are commonly used in the fire-fighting suit field were taken as research objectives with a view to understand the thermal-moisture comfort of phenolic fiber fabrics and apply it in the fire fighting field. The heat insulation, thermal insulation, moisture permeability, air permeability and water permeability of fabrics were tested, and the thermal-moisture comfort of fabrics with same weight and different kinds were studied. By using the gray cluster analysis, the integrated evaluation of thermal-moisture comfort of the four fabrics under different environmental conditions were conducted. The results show that: under the high temperature conditions, the phenolic fiber fabric has good thermal-moisture comfort, the polyimide fabric and flame retardant cotton fabric are the second, and the aramid 1313 fabric is the worst; and under the low temperature condition, the phenolic fiber fabric has good thermal-moisture comfort, the polyimide fabric is the second, and the flame retardant cotton fabric and the aramid 1313 fabric are the worst.

phenolic fiber fabric; thermal-moisture comfort; thermal insulation; moisture permeability; gray clustering analysis

10.13475/j.fzxb.20150904104

2015-09-18

2016-08-10

馬崇啟(1964—)，男，教授。主要研究方向為紡織機電一體化與紡織復合材料。E-mail: tjmcq@tjpu.edu.cn。

TS 102

A