風(fēng)速與含濕率對棉針織物熱濕傳遞性能的影響

史佳玲 王利君

摘 要：為了分析風(fēng)速、含濕率對棉針織物的具體影響程度，針對棉針織物的保暖性問題，選取12種常見的棉針織物以及棉/滌混紡針織物為研究對象，用KES織物風(fēng)格測試儀和平板保溫儀對不同含濕率、風(fēng)速下針織物的熱阻、熱傳導(dǎo)率、接觸冷暖感以及保暖率進(jìn)行了測試，利用方差分析和回歸分析法研究了風(fēng)速和含濕率對織物保暖性的影響程度。結(jié)果表明：含濕率對棉針織物熱學(xué)性能有顯著的影響；在含濕率和風(fēng)速同時變化的環(huán)境下，在棉纖維中混入一定的滌綸可使織物保暖率提高10%；含濕率、風(fēng)速以疊加的方式對織物保暖性產(chǎn)生影響，保暖率與風(fēng)速、含濕率、接觸冷暖感之間為多元線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速；含濕率；棉針織物；熱學(xué)性能

中圖分類號：TS941.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）04-0025-06

Abstract：In order to analyze the influence of wind speed and moisture content on the heat preservation of cotton knitted fabric， 12 common cotton knitted fabrics and cotton/polyester blended knitted fabrics were selected as the research object， and the thermal resistance， thermal conductivity， contact temperature and heat preservation rate of knitted fabrics were tested with KES fabric style tester and flat plate thermal insulation， then the effects of wind speed and moisture content on the warmth retention property of fabrics were studied by means of variance analysis and regression analysis. Results show：the moisture content has a significant effect on the thermal properties of cotton knitted fabric； under the condition of moisture content and wind speed changing，adding a certain amount of polyester fiber in the cotton fiber can improve the fabrics warmth retention by 10%； the moisture rate and wind speed affect fabric warmth retention property in the way of a superposition manner， and the warmth retention and wind speed， moisture content and temperature have a linear relationship.

Key words：wind speed； moisture content； cotton knitted fabric； thermal properties

棉針織物由于其優(yōu)良的吸濕性、良好的衛(wèi)生性與透氣性、以及松軟的質(zhì)地使其在緊身衣、內(nèi)衣、運(yùn)動服等方面得到了廣泛的應(yīng)用，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對影響針織物熱學(xué)性能的因素進(jìn)行了多方面的探討，纖維原料、紗線、組織結(jié)構(gòu)以及編織工藝條件都會對針織物的熱學(xué)性能造成影響[1-4]，同時不同潤濕狀態(tài)下織物的熱性能也有顯著的差別[5-6]，但少有學(xué)者對不同風(fēng)速下的汗?jié)襻樋椢餆嵝阅苓M(jìn)行探討。穿著狀態(tài)下的服裝并不總是處于一定風(fēng)速下的狀態(tài)，風(fēng)速、行走速度會使服裝外表面空氣層減小[7]。當(dāng)人體進(jìn)行劇烈的活動時，汗液會以液態(tài)水的形式遍及皮膚，從而使服裝潤濕[8]，擠出了紗線和纖維間隙之間的空氣，同時隨著外界風(fēng)速的變化，織物表面對流散熱發(fā)生變化的同時水分的蒸發(fā)也受到影響，從而改變熱傳遞狀態(tài)。本文結(jié)合人體不同運(yùn)動狀態(tài)下的出汗率確定織物的含濕率，在此基礎(chǔ)上增加風(fēng)速的劃分，以12種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的棉針織物為測試對象，對不同風(fēng)速、含濕率下織物的熱性能進(jìn)行了分析和探討。

1 實 驗

1.1 試 樣

選用12種棉針織物以及棉滌混紡針織物，試樣規(guī)格參數(shù)如表1所示。試驗在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行（溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%）。

1.2 不同含濕率、風(fēng)速下熱學(xué)性能的測試

1.2.1 含濕率與風(fēng)速的確定

首先邀請10名在校大學(xué)生（男生5名，女生5名）作為受測對象參與實驗。由于在相同的運(yùn)動強(qiáng)度下背溝出汗比較敏感[9]，所以將試樣貼覆于背溝處。

人體在不同運(yùn)動狀態(tài)下的出汗率不同，從而導(dǎo)致面料的含濕率發(fā)生變化。本文選擇靜止、慢跑、快跑3種狀態(tài)下的棉針織物含濕率作為分析的梯度。靜止?fàn)顟B(tài)：將試樣在恒溫恒濕實驗室放置24 h以上進(jìn)行調(diào)試后測試其含濕率；慢跑：將跑步機(jī)速度設(shè)定為1.5 m/s，人體感覺到微微出汗時測試試樣含濕率，此時為潛汗；快跑：將跑步機(jī)速度設(shè)定為2.5 m/s，運(yùn)動到人體大量出汗時（后背面料有一定面積被浸濕時）測試試樣含濕率，此時為顯汗。整個實驗均在溫度為（20±2） ℃，相對濕度（65±2）%的環(huán)境下進(jìn)行，10名學(xué)生在不同狀態(tài)下的織物含濕率以及偏差值如表2所示。

根據(jù)以上測試結(jié)果將研究過程中試樣的含濕率定為8%、15%、30%。為了得到不同含濕率的織物，首先將準(zhǔn)備好的試樣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下稱量，然后將烘箱溫度設(shè)為105 ℃，并對試樣進(jìn)行烘干，經(jīng)1 h后對試樣進(jìn)行稱量并記錄，之后每過20 min重復(fù)稱量、記錄。當(dāng)2次時間間隔內(nèi)，稱重質(zhì)量之差與后一次質(zhì)量之比小于0.05%時，取后一次質(zhì)量為干重，并算出回潮率。通過干重計算出不同含濕率下各個樣品的質(zhì)量作為依據(jù)，然后根據(jù)以上確定的含濕率計算水的含量，用特定含量的水均勻浸濕試樣，即可得到含濕率不同的棉針織物試樣。

在得到不同含濕率試樣的基礎(chǔ)上，為分析風(fēng)速對熱濕傳遞性能的影響，選取0、0.7、1.5、2.5、3 m/s 5種風(fēng)速作為劃分梯度。

1.2.2 熱學(xué)性能測試

測試儀器有KES織物風(fēng)格測試F7系列、YG606D型平板式保溫儀、YG（B）461D-Ⅱ型透氣量儀。所測性能指標(biāo)有熱阻、接觸冷暖感、熱傳導(dǎo)系數(shù)、保暖率。

2 結(jié)果與分析

2.1 含濕率對織物熱性能的影響

在風(fēng)速一定的基礎(chǔ)上，通過方差分析可以得出含濕率對織物的熱性能均有顯著的影響，結(jié)果如表3-表5所示。

為了分析含濕率對棉針織物熱學(xué)性能的具體影響程度，在風(fēng)速為0 m/s的環(huán)境下對不同含濕率下12種棉針織物的熱阻、熱傳導(dǎo)系數(shù)、接觸冷暖感的變化進(jìn)行了統(tǒng)計與分析。

2.1.1 不同含濕率下的織物熱阻

對不同含濕率下的12種織物的熱阻進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1所示。

織物熱阻與材料的組織結(jié)構(gòu)、密度、厚度、含濕率等因素有關(guān)[10]，對于不同的織物來說，含濕率對織物熱阻的影響程度有差異。從圖1中可以看出，12種織物的熱阻在不同的含濕率下，其變化趨勢大體相同，隨著含濕率的增大，織物的熱阻均呈下降趨勢，不同織物受含濕率影響顯著的區(qū)間有明顯的差別。在含濕率增大的同時12種織物的熱阻差異性也增強(qiáng)。但當(dāng)含濕率達(dá)到30%時，從圖1中可以看出線段波動的幅度減小，說明12種棉織物的熱阻在含濕率較高時差異性減小，這是由于織物在高含濕狀態(tài)下，織物紗線內(nèi)部大量的孔隙被水分子占據(jù)，而水分的導(dǎo)熱系數(shù)最小，因此織物內(nèi)水分的多少直接影響織物的熱阻。

2.1.2 不同含濕率下的織物熱傳導(dǎo)系數(shù)

對不同含濕狀態(tài)下12種織物的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2所示。

總體上看，織物的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含濕率的增大而增大，這是由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣以及織物的導(dǎo)熱系數(shù)大，隨著含水量的增加，織物傳導(dǎo)的熱量也會增大。和圖1進(jìn)行對比可以得出，12種織物導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢與熱阻相反。含濕纖維的導(dǎo)熱系數(shù)可用式（1）表示[11]：

為組合體中水的有效導(dǎo)熱系數(shù)；VW為在整個組合體系中水所占的體積分?jǐn)?shù)。隨著含濕量的增加，結(jié)合水、中間水、自由水的比例也會發(fā)生變化。

從無汗到潛汗階段織物含濕率比較低，以結(jié)合水和中間水為主，自由水所占的比例幾乎為零，此時織物的熱傳導(dǎo)由織物的厚度、組織結(jié)構(gòu)等參數(shù)以及含濕率共同決定，含濕率的增加對導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，從圖2中可以看出含濕率從潛汗到顯汗階段所有織物的熱傳導(dǎo)系數(shù)變化范圍控制在3 W/m·K以內(nèi)。在顯汗階段，自由水的比例逐漸增加，水分對導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸占主導(dǎo)作用，織物含濕率對織物導(dǎo)熱系數(shù)的影響也越顯著。

2.1.3 不同含濕率下的織物冷暖感

12種織物的接觸冷暖感測試結(jié)果如圖3所示。

含濕率對接觸冷暖感的影響與導(dǎo)熱系數(shù)規(guī)律一致，織物冷感的強(qiáng)弱由瞬間傳導(dǎo)的熱量多少決定，織物含濕率越高，瞬間導(dǎo)走的熱量越多，感受到的冷感就越強(qiáng)，但接觸冷暖感受含濕率的影響程度低于熱傳導(dǎo)系數(shù)。不同含濕率下的12種織物的冷暖感分布趨勢保持一致，這說明織物組織、紗線等內(nèi)部因素對冷暖感的影響程度不會受到含濕率的影響。含濕率達(dá)到15%左右，織物接觸冷暖感受含濕率影響程度逐漸減弱，隨著含濕率的增加，接觸冷暖感增加的幅度逐漸減少。

2.2 風(fēng)速對汗?jié)窨椢锉Ｅ实挠绊?/p>

不同風(fēng)速下棉針織物保暖性能的描述指標(biāo)為織物的保暖率。織物的干熱散失為傳導(dǎo)散熱、對流散熱、輻射散熱之和，而在含濕狀態(tài)下織物的濕熱散失相較干熱散失多了由水分蒸發(fā)而散失的熱量[12]，輻射散熱與周圍環(huán)境無關(guān)，所以濕度和速度的變化對輻射散熱沒有影響，織物含濕率及風(fēng)速的變化會使對流散熱和傳導(dǎo)散熱及由水分蒸發(fā)而散失的熱量發(fā)生變化。

風(fēng)速的變化一方面會擾亂服裝表面的空氣層，使邊界層變薄，從而導(dǎo)致對流散熱增加，影響服裝邊界層隔熱性；另一方面會加速水汽的擴(kuò)散與蒸發(fā)，帶走人體的熱量。因此在含濕率和風(fēng)速綜合的作用下織物的保暖性具有一定的復(fù)雜性。為考察風(fēng)速、含濕率對織物保暖率的影響，對不同風(fēng)速、含濕率下的12種織物保暖率進(jìn)行了測試。本文選擇組織結(jié)構(gòu)相近的5號棉針織物和8號棉/滌針織物進(jìn)行對比分析。不同含濕率下風(fēng)速對織物保暖率的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，在3種不同含濕率下，隨著風(fēng)速的增加，兩種織物的保暖率都呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為風(fēng)速的增加會使織物表面的空氣層變薄，對流散熱量和蒸發(fā)水分的散熱量增加，干、濕熱散失越多，導(dǎo)致保暖性下降。整體上保暖率下降的速率無明顯差別，這是由于織物在風(fēng)速和含濕率的同時作用下，織物本身對保暖性的影響程度大大減小。滌/棉織物的保暖率始終高于棉織物，差值保持在10%左右，因為風(fēng)速較大時，織物以對流散熱為主，平方米質(zhì)量小的織物在含濕率較大時，風(fēng)速的增大會使空氣流動，使得水分蒸發(fā)帶走更多的熱量，同時由于滌綸表面光滑，內(nèi)部分子排列緊密，導(dǎo)致其受風(fēng)速的影響要小于純棉織物。因此在風(fēng)速和含濕率同時變化的情況下，滌/棉織物比棉織物保暖性要好。

3 織物保暖率的多元回歸分析

織物的保暖性由內(nèi)部因素和外部因素共同決定，影響織物保暖效果的內(nèi)部原因有織物的組織結(jié)構(gòu)、織物單位面積重量以及含濕率等，影響織物保暖性的外部環(huán)境因素有環(huán)境溫度、風(fēng)速和氣壓。本文考慮到人總是處于不同的運(yùn)動狀態(tài)中，所以將人在不同出汗程度下織物的含濕率作為外界因素來考慮，同時設(shè)定風(fēng)速和含濕率，將其他外界環(huán)境控制在一定范圍內(nèi)。

3.1 影響針織物保暖性的主要因素分析

為了比較包括風(fēng)速、含濕率在內(nèi)的因素對保暖性的影響權(quán)重，本文對不同風(fēng)速、含濕率下測得的保暖率與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)、外界環(huán)境（風(fēng)速與含濕率）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。

從相關(guān)性分析結(jié)果可得出在風(fēng)速和含濕率同時變化的情況下，各因素對織物保暖性的影響程度為：含濕率>風(fēng)速>縱密>橫密>平方米質(zhì)量>厚度。在風(fēng)速和含濕率變化幅度較大且同時作用于織物時，棉針織物的保暖性與面料本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)等性能相關(guān)性比較小，而與含濕率在0.01水平上呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速在0.05水平上呈負(fù)相關(guān)。

3.2 保暖率的多元回歸分析

由于單個內(nèi)部因素對織物保暖性的影響程度比較小，而保暖率與接觸冷暖感呈線性相關(guān)，因此在建立模型過程中將織物本身接觸冷暖感（各內(nèi)部因素的綜合）也作為變量分析，接觸冷暖感受織物組織結(jié)構(gòu)和密度的影響。

風(fēng)速、含濕率與保暖率的三維關(guān)系圖如圖6所示，可以看出隨著風(fēng)速的不斷增加，保暖率緩慢下降，棉針織物的保暖效果逐漸變差，這是由于風(fēng)速的增加使織物表面的對流散熱也逐漸增大，人也感覺越寒冷，風(fēng)速與保暖率基本呈線性關(guān)系；隨著織物含濕率的增加，保暖率逐漸減小，含濕率與保暖率近似呈線性關(guān)系。

3.2.1 多元回歸模型的建立

選擇試樣在不同風(fēng)速和含濕率下的測試值來建立模型。利用SPSS軟件進(jìn)行模型的建立，選擇進(jìn)入法建立全回歸模型，得到的多元回歸模型如式（2）。

從服裝本身因素來講，接觸冷暖感主要與織物組織結(jié)構(gòu)、單位面積重量有關(guān)，所以在進(jìn)行面料開發(fā)時，考慮到風(fēng)速和含濕率的影響，必須重點對織物組織結(jié)構(gòu)以及單位面積質(zhì)量兩者進(jìn)行設(shè)計與組合，從而提高保暖性。

3.2.2 回歸模型的檢驗

通過殘差分析，可以得出殘差基本符合正態(tài)分布。其次進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗、方程及系數(shù)的顯著性檢驗。模型調(diào)整系數(shù)2=0.873，說明模型擬合優(yōu)度較好，回歸方程和回歸系數(shù)均通過檢驗。綜上所述，說明該模型具有實際意義。

4 結(jié) 論

a）含濕率對織物的熱阻、熱傳導(dǎo)系數(shù)、接觸冷暖感有顯著的影響，熱阻與含濕率呈負(fù)相關(guān)，而熱傳導(dǎo)系數(shù)、接觸冷暖感均與含濕率呈正相關(guān)，不同織物受含濕率影響顯著的區(qū)間存在明顯的差距。

b）含濕率、風(fēng)速的變化會對棉針織物熱性能產(chǎn)生顯著的影響，在兩個因素的綜合作用下，織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對保暖性的影響程度減小。

c）風(fēng)速、含濕率同時作用下，滌綸與棉混紡可有效抑制水分的蒸發(fā)，滌/棉針織物的保暖性優(yōu)于棉針織物。

d）風(fēng)速與織物含濕率以疊加的形式對織物的保暖性造成影響，隨著風(fēng)速、含濕率的增加，織物保暖性逐漸下降，呈線性關(guān)系。棉織物在風(fēng)速和含濕率同時變化下的保暖率數(shù)學(xué)模型可以為企業(yè)提高和改善織物保暖性提供給一定的參考。但由于實驗條件的限制，設(shè)定的梯度范圍較小，所以該模型僅適用于風(fēng)速小于3 m/s，含濕率小于30%的環(huán)境下。

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