紡織面料熱阻和濕阻的回歸測量法

陳益松,張聰聰

(東華大學 a.服裝與藝術設計學院; b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051)

紡織面料熱阻和濕阻依據ISO 11092—1993、ASTM-F1868和GB/T 11048—2008并使用出汗熱護式熱板儀(后簡稱出汗熱板儀)進行測量。相對于其他保溫率和透濕率測試儀器,出汗熱板儀在面料的隔熱和透濕性能測量的適用性和統一性較高,因此在ISO 11092—1993發布后,其逐漸成為在國際上廣泛認可的儀器[1-5]。 目前用于測量織物熱阻及濕阻的出汗熱板儀主要有美國西北測試技術公司生產的SGHP型出汗熱板儀和ADL Atlas公司生產的M259B型出汗熱板儀及國產YG 606G型出汗熱板儀。出汗熱板儀與干式熱板儀的區別在于是否加裝了出汗系統[6], 兩者在熱阻測量方面沒有區別。

在實際測量中由于儀器之間存在系統差異及穩定性不同等原因,測量結果間仍存在較大誤差。文獻[7]對比了YG 606E型與YG 606D型干熱板儀依據國際標準測量相同面料的熱阻值差異達21.5%; 文獻[8]發現YG 606E型干熱板儀和SGHP型出汗熱板儀測得的熱阻值存在31%的差異; 對比文獻[6]和[9]發現,在同一標準下使用SGHP型與M259B型出汗熱板儀測得的空板熱阻值和濕阻值,平均值差異分別達到54%和87%。

文獻[8,10]對熱護式熱板儀的基礎結構和外風道系統進行了剖析,指出系統設計問題對系統誤差的影響。除儀器本身的系統誤差和隨機誤差外,測量方法本身可能存在的缺陷或是造成測量不準確的重要原因。

在熱板儀測量面料熱阻和濕阻時,環境風速是重要的影響因素。文獻[11]試驗證明面料的總熱阻和總濕阻與風速呈反比下降。 文獻[12-15]研究表明服裝在假人上的熱阻和濕阻測試結果與在熱板儀上相似。

本文在研究紡織面料熱阻和濕阻傳統測量法可能存在問題的基礎上,提出回歸測量法理論,設計了不同風速條件來測量各環境條件下的面料熱阻與濕阻,并與傳統測量方法進行比較,分析討論了回歸測量法的測量結果與傳統方法測量產生誤差的原因。

1 測量理論

1.1 傳統測量法

按照ISO11092—1993、ASTM-F1868及GB/T 11048—2008的相關定義, 面料的熱阻由熱板儀測量,而濕阻由具有出汗功能的出汗熱板儀測量。首先測量熱板儀空板熱阻或濕阻,再放置面料,測量面料及空氣層的總熱阻或總濕阻,之后再減去空板熱阻或濕阻值,即為面料的熱阻或濕阻值,其計算公式如(1)所示。

Rf=Rt-R0

(1)

式中:Rf為面料熱阻或濕阻;Rt為面料及空氣層的總熱阻或總濕阻;R0為空板時所測空氣層熱阻或濕阻。

然而,由于測量空板熱阻時測量表面是粗糙金屬,測量空板濕阻時測量表面為纖維素出汗薄膜,而面料表面則是多孔隙交錯的纖維表面,其向外的熱輻射力是不同的[16],傳導和對流也會因表面的形態不同而不同。因此,將熱板表面空氣層的熱阻或濕阻等同于面料表面空氣層熱阻或濕阻,這是一種假設,在熱板儀測量薄型面料熱阻時,常出現負值,可能就是該原因導致的。

1.2 回歸測量法

熱板儀常采用標樣多層疊加測量進行校準,若每層的熱阻或濕阻都是獨立的,那么多層標樣的熱阻或濕阻串聯相加符合傳熱傳質學中熱阻或濕阻的串聯原理。文獻[4]也證實多層疊加標準面料的熱阻與面料層數基本成線性變化,線性擬合度大于0.9。

根據熱阻串聯原則,在測量面料熱阻的過程中,通過各層面料的熱流量相同。另外,當多層面料自然平鋪疊加時,受重力影響,面料之間空氣層基本為零,多層面料熱阻值近似等于各層面料熱阻和最上層靜止空氣層熱阻之和。根據傳熱傳質相似原理,濕阻的測量也與熱阻測量相似。因此,多層疊加面料的熱阻或濕阻的計算如式(2)所示。

Rtn=nRf+Rf0

(2)

式中:Rtn為相應層數面料及空氣層的總熱阻或濕阻;n為面料層數,n=1,2,3,…;Rf為單層面料熱阻或濕阻;Rf0為面料上方空氣層的熱阻或濕阻。

回歸測量法測量面料熱阻及濕阻的原理如圖1所示,其核心在于1～n層的總熱阻或總濕阻測量。根據面料層數n以及各層面料所測得的總熱阻及總濕阻值Rtn進行回歸,得到的回歸系數即為單層面料的熱阻或濕阻Rf,回歸常數即為面料上表面空氣層的熱阻或濕阻Rf0。從理論上講,回歸測量法解決了傳統方法中空板空氣層熱阻及濕阻和面料上方空氣層熱阻及濕阻不同的問題,可以精確測量面料的熱阻、濕阻及面料上方空氣層的熱阻、濕阻。

圖1 回歸測量法測量面料熱阻或濕阻的原理Fig.1 Principle of fabric thermal or evaporative resistance’s regression measurement method

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

ISO 11092—1993、GB/T 11048—2008及ASTM-F1868對熱阻和等溫濕阻的測量方法基本相同,但ASTM-F1868-02 Part C因涉及非等溫濕阻的測量與該標準下的熱阻相關聯,同時此熱阻的測量環境溫度比ISO 11902—1993及GB/T 11048—2008中的熱阻測量環境溫度高5 ℃,但文獻[6]研究表明5 ℃的環境溫度差異對熱阻的測量結果影響不大。因此綜合考慮后采用表1的試驗條件,即熱阻和非等溫濕阻參照ASTM-F1868-02 Part C,而等溫濕阻參照ASTM-F1868-02 Part B。本試驗使用美國西北測試技術公司生產的SGHP-10.5型出汗熱板儀。

表1 熱阻和濕阻測量試驗條件Table 1 Thermal and evaporative resistance experiment conditions

熱阻是由溫差引起的,其基本計算式為

(3)

式中:Rct為面料總熱阻;Ts和Ta分別為測試板和環境溫度;Q為通過測試板的熱流量;A為測試板的面積。

在等溫濕阻測量中,由于環境溫度與熱板溫度一致,不需要考慮干熱散失的影響,其測量所得測試板的所有熱損失都是由蒸發造成,其計算式為

(4)

式中: B-Ret為面料等溫總濕阻;ps和pa分別為面料下方和面料上方水蒸氣壓。

等溫濕阻的測量消除了單純的干熱傳遞損耗,但現實中的大部分情況符合非等溫濕阻測量的條件,既要考慮干熱傳遞損耗,又要考慮蒸發熱損耗, ASTM-F 1868-02 Part C就采用了非等溫濕阻測試方法,其計算式為

(5)

式中: C-Ret為面料非等溫總濕阻。

2.2 試驗方法

預試驗在風速為0.5和1.5 m/s條件下，隨機選擇2種面料進行多層疊加面料熱阻和濕阻的測量,發現當面料在疊加至5層時出現嚴重潤濕情況,導致測量結果難以穩定,因此確定正式試驗的面料層數為1～4。

正式試驗選擇包含標準面料在內的9種不同厚度紡織面料,使用YG(B)141D型數字式織物厚度儀對試驗面料進行厚度測量,使用精確到毫克的天平秤進行織物的面密度測量,結合使用燃燒法、化學溶解法進行纖維成分的判斷,得到面料基本信息如表2所示。

表2 織物規格參數表Table 2 Fabric specification parameters

依據傳統測量方法在各風速條件下測量3次單層面料總熱阻、等溫總濕阻和非等溫總濕阻,以及對應空板的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻。將所得到的面料總熱阻、等溫濕阻及非等溫濕阻減去對應空板熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻,所得面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻記為Rcf、B-Ref、C-Ref,空板熱阻、等溫濕阻及非等溫濕阻記為Rcf0、B-Ref0、C-Ref0。

在不同風速條件下測量1至4層疊加面料的總熱阻、等溫總濕阻及非等溫總濕阻。將所得數據與面料層數進行線性回歸,所得回歸系數即為回歸測量法所得單層面料的熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻,記為Rcf*、B-Ref*、C-Ref*,所得回歸常數即為回歸測量法所得面料上方空氣層熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻,記為Rcf0*、B-Ref0*、C-Ref0*。

需要指出的是,傳統測量法測量一塊面料的熱阻或濕阻連同空板值需要進行4次試驗,而回歸測量法無需測量空板值,4次疊加也僅需要進行4次試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 標準面料回歸圖

對9種面料的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻分別進行回歸擬合,三者的回歸擬合度均值分別為0.99、0.98、0.99，均屬于高度擬合。

1#面料是美國西北測試技術公司隨SGHP-10.5型出汗熱板儀一起提供的標準面料,緊度和厚度均為中等的腈綸平紋織物,經測試可知其經過拒水處理。在風速為1 m/s條件下1#面料熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻回歸如圖2所示。

(a) 熱阻

(b) 等溫濕阻

(c) 非常溫濕阻

圖2在風速為1m/s條件下標準面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻的回歸圖

Fig.2Thermalresistance,isothermalandnon-isothermalevaporativeresistance’sregressionofstandardfabricunderwindspeedof1m/s

3.2 面料及空氣層測量結果分析

在3種風速條件下傳統測量法和回歸測量法測得的面料熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的對比如圖3所示。

(a)熱阻

(b)等溫濕阻

(c)非等溫濕阻圖3 面料熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻兩種測量方法比較Fig.3 Comparison of two methods for measuring fabric thermal resistance, isothermal and non-isothermal evaporative resistance

在3種風速下回歸測量法與傳統測量法所測得各面料上方空氣層熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的對比如圖4所示。

(a)熱阻

(b)等溫濕阻

(c)非等溫濕阻圖4 空氣層熱阻、等溫濕阻、非等溫濕阻兩種測量方法比較Fig.4 Comparison of two methods for measuring air layer thermal resistance, isothermal and non-isothermal evaporative resistance

綜合分析圖3和4可知:

(1)將回歸法得到的面料熱阻或濕阻分別與對應空氣層的熱阻或濕阻相加得到面料的總熱阻或總濕阻,與傳統測量法所得到面料的總熱阻或總濕阻相似,均隨風速的增加而下降,與文獻[11]的測量結果相似。

(2)在面料的總熱阻及總濕阻隨風速增加而下降的同時,面料本身的熱阻及濕阻也應同步下降,這是多孔介質紡織面料的基本特性。然而,使用熱板儀按傳統方法測量的結果卻并非如此,特別是針對面料熱阻的測量。雖然空氣層熱阻隨風速增加而下降,但9種面料中有7種面料的熱阻隨風速的增大而增大,還有一種較薄面料(7#)在風速為0.5 m/s條件下，其熱阻出現負值,這都與空板空氣層熱阻值不正常變化有關,導致測試結果與實際情況不符。文獻[11]中僅公布了面料總熱阻和濕阻隨風速增加而下降的情況,卻沒有公布面料本身的熱阻和濕阻值,或許碰到了相似難以解釋的情況(其使用的出汗熱板儀和本文相同)。由此說明，出汗熱板儀在使用過程中將空板熱阻值來代替面料上表面空氣層熱阻值存在較大問題。而回歸法測量的大部分面料上方空氣層熱阻比傳統測量的空板熱阻小,使面料熱阻隨風速增加而大幅增加的不正常現象得到基本遏制,同時消除了測量熱阻時出現負值的情況。因此回歸法能有效修正熱阻測量的系統誤差。

(3)傳統方法測量的等溫濕阻并未像熱阻一樣出現隨風速增大而增大的情況,多數面料的非等溫濕阻隨風速增加而下降。相比熱阻而言,同一面料不同風速下的等溫濕阻值相對差異較小,推測面料等溫濕阻隨風速的變化較小,而這種變化又被掩蓋在隨機誤差之下。 相對于傳統空板測量法，回歸法測量的空氣層等溫濕阻波動較大, 可能由于不同面料表面與熱板儀出汗纖維膜表面的差異所造成,但也包含了隨機誤差。

(4)非等溫濕阻的測量由于帶入了干熱阻的測量值,其誤差也一并帶入,因此面料及空氣層的非等溫濕阻值的波動也比等溫濕阻大。

4 結 語

本文提出了面料熱阻和濕阻的回歸測量法,該方法通過測量逐層疊加面料的總熱阻和總濕阻,進行線性回歸直接得到單層面料的熱阻和濕阻及其上方空氣層的熱阻、濕阻,從原理上解決了傳統測量法中空板上方空氣層熱阻和濕阻與面料上方空氣層熱阻和濕阻并不一致的問題。

回歸測量法試驗充分發揮了熱板儀在測量面料總熱阻和總濕阻方面靈敏度高的優勢,在面料的熱阻、等溫濕阻和非等溫濕阻的回歸中均得到了很高的線性擬合度。

試驗結果表明: 在熱阻測量方面,回歸法大大改善了測量的準確度,使面料的熱阻基本呈現隨風速增加而下降,完全克服了薄型面料常出現的熱阻為負值情況; 在等溫濕阻測量方面，相對于傳統測量法，回歸法的測量結果改善不明顯；非等溫濕阻由于兩級運算導致數值波動較大,還特別涉及出汗蒸發傳遞機制,有待于進一步研究。