機織物的熱傳遞與強熱條件下熱防護性能

楊孟想, 劉讓同,2,3, 李 亮,2,3, 劉淑萍,2,3, 李淑靜,2,3

(1. 中原工學院, 河南 鄭州 451191; 2. 先進紡織裝備技術省部共建協同創新中心, 河南 鄭州 451191;3. 鄭州市阻燃隔熱耐火功能性服裝與材料重點實驗室, 河南 鄭州 451191)

高低溫、熱輻射和烈火場是化工冶煉、消防安全、極地科考、軍事對抗、航空航天等領域經常出現的強熱物理場特殊場景,對服裝和材料提出阻燃、隔熱和耐火功能的要求,有的可能需要強化其中某種功能,如出艙航天服對隔熱要求極高,有的則三者兼而有之,對于消防服裝不僅要求阻燃、耐火,而且需要有極好的隔熱功能。開展服裝與材料在強熱條件下的熱傳遞規律研究,對于實現高效熱隔絕具有重要的理論意義,對于熱防護服裝的設計和人體熱防護具有實踐指導價值。Cai 等[1]探究了芳綸和鍍鋁芳綸織物的隔熱性能認為,鍍鋁芳綸織物的反射率、隔熱性能和保溫性能均優于不含鋁芳綸織物。Qi等[2]提出將氣凝膠用于消防員防護服(FPC)以提高其熱防護性能(TPP),在相同的熱暴露條件下,填充氣凝膠的樣品其背面溫度比未填充的樣品低 100 ℃,帶有氣凝膠的FPC具有更好的熱防護性能。Yu等[3]測試了防護服在外部熱輻射下的隔熱性認為,氣隙在總隔熱中起著積極作用。

由于織物結構的復雜性和多變性,用物理實驗描述熱量在織物內的瞬態傳遞過程很困難,而有限元模擬方法適合處理這類問題。鄭振榮等[4]利用有限元軟件研究碳纖維平紋織物在熱流沖擊下的熱傳遞性能,求解織物背面溫度的時變曲線,并通過實驗對模擬結果進行驗證。張鶴譽等[5]利用有限元軟件對玻璃纖維平紋織物的熱傳遞進行數值模擬,探究了織物組織結構對熱傳遞的影響。Ghazy等[6]建立了防護服系統中瞬態傳熱的數值模型,發現防潮層和隔熱層之間的氣隙影響大于外殼和防潮層之間的氣隙影響,氣隙寬度的增加使防護服熱防護功能迅速下降,忽略夾在衣服中的氣隙會大大低估衣服的防護性能。Venkataraman等[7]采用有限元軟件對有無氣凝膠處理的非織造布的傳熱過程進行模擬,經氣凝膠處理的織物熱行為得到改善,氣凝膠被認為是改善紡織品隔熱性的良好絕緣體。Zheng等[8]采用有限元法對5枚3飛緞紋、雙層平紋和雙層斜紋玻璃纖維織物的傳熱進行了預測,研究發現,5枚3飛緞紋織物的溫度升高比雙層平紋更快,雙層斜紋織物的升溫速率低于雙層平紋,且與實驗數據吻合良好。Siddiqui等[9]利用有限元方法在考慮傳熱各向異性前提下對平紋織物的導熱率進行預測,發現其更加接近實際情況。為此,本文通過有限元模擬,考慮織物傳熱各向異性,在材料、線密度、經緯密相同的條件下,模擬不同機織結構材料的瞬態熱傳遞過程,分析織物受熱后的溫升時變,從時間和溫度2個維度提出強熱條件下評價織物熱防護性能的5個指標,即下表面初始升溫滯后時間、上下表面的穩定溫度及其時間、下表面溫升速度、最大溫差和穩定溫差,探討浮長、熱源強度對織物熱防護性能的影響,為隔熱結構設計提供指導。

1 材料熱傳遞的各向異性與熱防護

1.1 材料熱傳遞的各向異性

機織物具有層級各向異性特征,從其組成材料看,纖維是由線型大分子長鏈構成的,大分子主要沿著纖維軸向排列,纖維的取向結構使得其各種性能如濕膨脹、電學、光學、聲學、熱學等呈現各向異性,正是因為纖維的取向結構,所以熱流沿著大分子排列的方向即纖維軸向傳遞時阻力較小,沿纖維徑向的傳導阻力較大,因此,纖維材料的熱傳遞存在明顯的各向異性;從其宏觀結構看,纖維取向排列成紗,紗線再按照一定的規律交織成機織物,熱流在其中的傳遞也具有明顯的取向性,機織物的浮長特征強化了熱傳遞的各向異性。

圖1示出織物中紗線熱傳遞模型。使用曲線坐標來表示織物內紗線熱傳遞的方向性,可以觀察熱流傳遞的各向異性。坐標系中的x、y、z分別代表紗線材料的3個主軸,用kx、ky、kz表示3個主軸方向的導熱系數,kx為沿紗線軸向導熱系數,ky與kz分別為垂直于紗線軸向的導熱系數。

圖1 紗線中熱傳遞各向異性的曲線坐標模型

針對構成織物的紗線材料,kx與ky、kz三者兩兩垂直,且ky、kz大小相等,kx、ky和kz共同決定織物的熱傳遞性能。由于熱流在織物中的傳遞具有各向異性,材料的導熱系數可定義為如下矩陣[10]:

1.2 材料熱防護評價

熱防護服裝可緩解環境中強熱對人體的灼傷,材料傳熱的各向異性可有效地將熱流按照材料本身的路徑(軸向傳遞為主)進行傳遞,化解熱載荷集中加載而造成對穿著者的傷害。

機織物(見圖2(a))碰到強熱條件時,首先使材料的上表面溫度上升,然后向材料內部進行傳遞,材料體溫度逐漸升高,帶動材料下表面開始升溫(見圖2(b)),最后使上、下表面溫度達到穩定并形成溫差(見圖2(c))。很顯然在此熱場中,材料下表面溫度的升高會滯后于上表面,達到穩定的時間也會慢于上表面,升溫速度低于上表面。在材料、熱場條件相同的情況下,從熱防護的角度看,這個熱傳遞過程就決定了熱防護的效果,下表面溫升滯后時間越大、升溫速度越低,上下表面形成的溫差越大,下表面形成的穩定溫度越低,就越有利于熱防護。

圖2 織物傳熱的三維模型與溫度時變關系

根據上述熱傳遞分析,可以從隔熱時間和隔熱溫度2個維度考慮機織結構材料的熱防護性,包括5個指標:下表面初始升溫的滯后時間t;上下表面升溫達到穩定的溫度T1、T2,及其分別達到穩定的時間t1、t2;下表面溫升速度v2=(T2-T0)/t2,式中T0為織物初始溫度;上下表面最大溫差值ΔTmax;上下表面穩定溫差值ΔT。

2 實驗部分

2.1 實驗材料和儀器

材料:分別用芳綸、滌綸長絲(江蘇東昉紡織科技有限公司)織制平紋和3上1下斜紋織物。經緯紗直徑均為0.32 mm,經緯紗線密度均為12.166 tex,經緯密均采用125根/(10 cm),面密度為309.04 g/m2,織物厚度為0.8 mm。芳綸、滌綸平紋織物分別編號為AA1、AP1,芳綸、滌綸斜紋織物分別編號為AA3、AP3。

儀器:根據BS EN ISO 6942—2002《防護服 對熱和火的防護試驗方法:在暴露于輻射熱源的材料和材料組件性能的評估》,采用T421型RPP熱防護性能測試儀(上海索彤儀器科技有限公司)、計算機、有限元模擬軟件;Y208W型小樣織機(江蘇南通三思機電科技有限公司)。

2.2 實驗流程

將織物試樣暴露于單一輻射熱源下,在熱作用時間內,記錄試樣上下表面溫度時變曲線和數據,并將數據導入Excel表中。熱防護測試儀的溫度采集間隔設置為1 s,滯后時間采集間隔設置為0.001 s。

2.3 有限元仿真

1)織物模型。為便于仿真模擬作如下假設:i)織物內紗線之間無摩擦、無拉伸;ii)構成織物的紗線是相同的,且為圓柱狀;iii)織物中紗線交織節點無擠壓、無變形;ⅳ)織物邊界是絕熱體,即和環境沒有熱交換,忽略紗線間空氣的傳熱。依據Peirce模型理論,通過建模軟件創建織物經緯密均為125 根/(10 cm)的平紋、2上1下到6上1下斜紋組織6種模型。經緯紗直徑均為0.32 mm,紗線間距為0.48 mm,織物厚度為0.8 mm。織物模型編號如表1所示。

表1 織物模型編號

2)材料屬性。考慮熱流在材料中傳遞的各向異性,模擬分析中用到的材料有芳綸、滌綸和靜止空氣,其相關屬性參數[11-13]如表2所示。

表2 材料的物性參數

3)施加溫度載荷及邊界條件。為觀察不同組織芳綸、滌綸機織材料的瞬態熱傳遞過程,在織物模型上表面施加0.8 kW/m2的邊界熱源,在上下表面設置輻射換熱及對流熱通量,芳綸織物表面的熱發射率設為0.85,滌綸織物表面的熱發射率設為0.7,換熱系數設定為8 W/(m2·K),織物和環境初始溫度為293.15 K,選用瞬態加載法,芳綸、滌綸的模擬時間分別為300、200 s,步長為1 s。為探討熱源對熱傳遞的影響,以3上1下斜紋為例,在織物模型上表面施加恒定的不同強度的邊界熱源,大小分別為0.8、1.6、2.4、3.2和4.0 kW/m2。

3 仿真結果與分析

3.1 材料熱傳遞的動態觀察

3.1.1 溫度云圖的時變觀察

以VA3為例,運用有限元軟件對織物進行瞬態熱傳遞模擬,圖3示出VA3沿厚度方向在1、20、80、300 s時刻的溫度分布云圖。可以看出,織物模型的溫度沿熱量傳遞方向逐漸降低,隨著受熱時間的延長,織物上表面的高溫熱量逐漸向下表面傳遞,模型整體顏色逐漸變淡,溫度升高。織物剛遭遇熱源經過1 s的傳熱,上表面的溫度有升高(見圖3(a)),但整體仍處于低溫狀態;經過20 s的熱傳遞,熱流沿著紗線浮長進行傳遞,使織物表面紗線體的溫度升高,織物體的溫度有序提高(見圖3(b)),且下表面溫度也有提高,紗線交織區域有升溫優先跡象;經過80 s的熱傳遞,織物體中溫度較高的部分越來越多,上表面溫度基本趨于穩定,下表面溫度繼續提高,紗線交織區域的升溫明顯快于其它位置(見圖3(c));由300 s時刻的云圖可知,織物體的溫度普遍升高,上下表面溫度趨于穩定,形成穩定的溫差(見圖3(d))。從熱傳遞溫度云圖看,熱傳遞的變化與織物組織結構密切相關。

圖3 VA3沿厚度方向不同時刻溫度分布云圖

3.1.2 溫度的時變觀察

運用有限元軟件對6種組織模型織物進行瞬態熱傳遞模擬,可以分別得到芳綸、滌綸織物上下表面溫度時變曲線和上下表面溫差時變曲線。其中VA1、VA3、VA6和VP1、VP3、VP6織物分別受熱300、200 s內上下表面溫度時變曲線如圖4所示。

圖4 芳綸和滌綸織物上下表面溫度時變曲線

從圖4的曲線形態特征可看出,織物從被加熱開始到結束這個過程表現出以下特征。一是織物上表面溫度迅速上升至下表面感知到溫度變化,在此階段下表面升溫存在一定的滯后。二是傳熱初始階段,上表面溫度時變斜率表現出先增大后逐漸減小的趨勢,芳綸上表面在前30 s內升溫較快,滌綸上表面在前25 s內升溫較快;而下表面溫度時變斜率則一直增加,芳綸下表面在前60 s內升溫較快,滌綸下表面在前40 s內升溫較快,會出現上下表面的最大溫差。三是傳熱平衡階段,上下表面溫度時變斜率基本表現為一種不變的狀態,說明傳熱達到一種穩定狀態,這時形成的上表面溫度:VA1VA2>VA3>VA4>VA5>VA6;VP1>VP2>VP3>VP4>VP5>VP6。

6種組織芳綸、滌綸模型織物分別受熱300、200 s內,上下表面溫差時變曲線如圖5所示。可以看出,在熱流傳遞的初始階段,織物上下表面溫差迅速上升,其溫差時變斜率迅速增大,芳綸、滌綸織物分別在40、30 s附近達到最大溫差后呈現逐漸減小的趨勢,然后隨著時間的延長,上下表面溫差時變逐漸表現為一種不變的狀態,這時形成的上下表面溫差存在:VA1

圖5 織物上下表面溫差時變曲線

3.2 材料的熱防護評價

3.2.1 隔熱時間評價

運用有限元軟件對6種組織芳綸、滌綸織物進行瞬態熱傳遞模擬,得到不同組織織物下表面溫升滯后時間和溫升速度,進行隔熱時間評價。熱流到達下表面的滯后時間越長,下表面的溫升速度就越慢,對穿著者的防護效果就越好。

6種組織芳綸、滌綸模型織物下表面初始升溫的滯后時間如圖6所示。可以看出,隨著織物結構浮長的增加,滯后時間增加,浮長越長意味著沿織物厚度方向的傳熱通道越少,強化了熱傳遞的各向異性,初始傳熱時熱流主要沿浮長進行平面傳遞,只有當熱流已在浮長部分紗線傳遞后,再通過交織部分紗線向下表面傳遞,形成下表面溫升的滯后時間。雖然6種組織織物下表面初始升溫的滯后時間有差異,但差別不大,芳綸織物在1.5 s內,滌綸織物在1.4 s內。說明單層織物作為隔熱防護的載體能夠有效阻止熱流滯后的時間在1.5 s左右,需要增加防護厚度或疊加其它材料以增加隔熱時間。

圖6 織物下表面溫升滯后時間和溫升速度

從圖6可看出,6種組織芳綸、滌綸織物下表面溫升速度隨著織物結構浮長的增加而下降,浮長越長意味著交織密度小,沿織物厚度方向的傳熱通道少,不利于熱流向下表面傳遞,使下表面溫升速度下降,有利于提高隔熱能力,因此,在模型織物中浮長較短的VA1、VP1織物下表面溫升速度最大,而VA6、VP6織物的溫升速度最小。

3.2.2 隔熱溫度評價

通過對6種組織芳綸、滌綸織物的瞬態熱傳遞模擬,得到上下表面的穩定溫度、最大溫差和穩定溫差,對織物進行隔熱溫度評價。在強熱條件下,織物能夠維持下表面溫度越低、上下表面最大溫差和穩定溫差越大,對穿著者的防護效果就越好。

在熱場作用下,6種組織芳綸、滌綸模型織物上下表面的穩定溫度如表3所示。可以看出,隨著織物浮長的增加,織物上表面的穩定溫度逐漸增大,下表面的穩定溫度逐漸減小。引起這個現象的主要原因是在織物經緯紗線密度與密度相同的條件下,浮長越長,織物單元組織結構內的交織點越少,沿織物厚度方向的傳熱通道越少,熱流可能聚集在織物表面導致上表面儲熱越多,向織物下表面傳遞的熱流減少,導致上表面的穩定溫度相對提高,下表面達到的穩定溫度相對下降。

6種組織芳綸、滌綸模型織物上下表面穩定溫差和最大溫差如表4所示。可以看出,隨著織物浮長的增加,最大溫差和穩定溫差逐漸增大。其中最大溫差的形成與上下表面升溫的不同時性有關,對于二者隨浮長逐漸增大的趨勢與織物上下表面的穩定溫度變化趨勢相似,原因也是相同的。

表4 織物上下表面的最大溫差和穩定溫差

綜上所述,6種織物組織的隔熱性能由低到高為:平紋、2上1下斜紋、3上1下斜紋、4上1下斜紋、5上1下斜紋、6上1下斜紋,織物浮長越大、交織點越少越有利于織物的隔熱性能。

3.2.3 熱源強度對隔熱性能的影響

不同熱源強度時VA3、VP3織物下表面初始升溫的滯后時間如表5所示。可知,隨著熱源強度的增加,滯后時間逐漸縮短。說明在熱流強度較大時,單層織物不足以延緩熱流的傳遞,熱流很快就透過材料達到下表面,進一步說明需要增加織物厚度或疊加其它材料以提高傳熱延緩能力。

表5 不同熱源強度時織物下表面溫升滯后時間

不同熱源強度下,VA3、VP3織物上下表面穩定溫度如表6所示。可以看出,隨著熱源強度的增加,織物上下表面的穩定溫度逐漸提高,在4.0 kW/m2熱源強度下,芳綸、滌綸下表面溫度分別穩定在345.26、350.47 K(為72.11、77.32 ℃),均超過了人體恒定生理溫度37 ℃[14],在這種熱流強度下可能會對人體造成熱傷害,進一步說明單層織物作為隔熱防護的載體其能力是有限的。

表6 不同熱源強度時織物上下表面穩定溫度

同一熱源強度下,針對相同的3上1下織物,芳綸織物下表面溫升滯后時間和上表面穩定溫度均高于滌綸,下表面穩定溫度均低于滌綸。隨著熱源強度的增大,上述差異越來越明顯,說明芳綸織物有效延緩了下表面溫度的升高,比滌綸更有利于隔熱應用。

4 實驗驗證

為驗證模擬結果的正確性,采用RPP熱防護性能測試實驗對模擬結果進行驗證。圖7分別示出芳綸平紋、3上1下斜紋織物在熱源強度為0.8 kW/m2情況下,上下表面溫度的模擬和實驗溫度時變曲線。對比模擬溫升曲線與實驗條件下獲得的溫度時變曲線可知,織物上下表面溫度上升趨勢是一致的,下表面相對上表面而言存在升溫滯后,上下表面升溫的不同時性也導致了最大溫差的形成(見圖8)。由圖7、8可知,模擬結果與實驗結果具有很好的一致性,經計算上下表面溫度的模擬值與實驗值平均誤差分別在6.37%、6.49%以內,最大溫差和穩定溫差的模擬值與實驗值平均誤差分別在6.93%、6.87%以內,說明所建模型能較好地反映織物的動態傳熱過程。

圖7 芳綸織物上下表面的模擬和實驗溫度時變曲線

圖8 芳綸織物上下表面的模擬和實驗溫差時變曲線

表7～10分別示出不同熱源強度下,3上1下芳綸、滌綸織物下表面初始升溫的滯后時間、下表面穩定溫度、最大溫差和穩定溫差的模擬值與實驗值。可知,模擬結果與實驗結果具有很好的一致性,說明有限元仿真具有可行性。

表7 不同熱源強度時芳綸與滌綸織物下表面的模擬和實驗溫升滯后時間

表8 不同熱源強度時芳綸與滌綸織物下表面的模擬和實驗穩定溫度

表9 不同熱源強度時芳綸織物上下表面的模擬和實驗最大溫差和穩定溫差

表10 不同熱源強度時滌綸織物上下表面的模擬和實驗最大溫差和穩定溫差

綜上所述,織物熱傳遞模擬結果與實驗結果非常接近,但還是存在一定的差異。產生誤差的原因:一方面是由于模擬過程中假設織物模型的邊界是絕熱的,即和外界環境沒有熱交換,而實驗過程中織物內的空氣會和外界產生熱交換;另一方面是模擬中將紗線視為圓柱體,紗線交織節點無擠壓、無變形,未考慮織物受熱后的變化,因此導致模擬結果與實驗結果存在一定的誤差,但誤差在可接受范圍內,說明有限元仿真具有可行性。

5 結 論

1) 通過三維建模構建了6種機織物的幾何模型,在考慮材料熱傳遞各向異性的前提下,對其瞬態熱傳遞過程進行模擬,探究材料結構對熱傳遞的影響。機織物具有層級各向異性特征,浮長越長意味著沿織物厚度方向的傳熱通道少,強化了熱傳遞的各向異性。

2) 從隔熱時間和隔熱溫度2個維度提出強熱條件下評價織物熱防護性能的五大指標。在其它條件相同時,浮長越長,下表面初始升溫的滯后時間越長,溫升速度越小,上下表面形成的最大溫差和穩定溫差越大,下表面形成的穩定溫度越低,織物熱防護性能越好,6種組織的隔熱防護性能由低到高為:平紋、2上1下斜紋、3上1下斜紋、4上1下斜紋、5上1下斜紋、6上1下斜紋;在常規熱源強度條件下,單層織物能夠有效阻止熱流滯后約1.5 s,在強熱條件下,需增加防護厚度或疊加其它材料以提高隔熱能力。

3) 通過實驗驗證了模擬結果與實驗結果具有很好的一致性,說明利用有限元仿真模擬織物瞬態熱傳遞過程是可行的、有效的。