酚醛纤维织物热湿舒适性的灰色聚类分析

马崇启， 蔡薇琦， 阚永葭

(天津工业大学 纺织学院, 天津 300387)

酚醛纤维织物热湿舒适性的灰色聚类分析

马崇启， 蔡薇琦， 阚永葭

(天津工业大学 纺织学院, 天津 300387)

为了解酚醛纤维织物的热湿舒适性，将酚醛纤维织物应用于消防领域，以酚醛纤维织物及消防服常用的阻燃棉布、芳纶1313织物、聚酰亚胺织物为研究对象，对隔热性、保温性、透湿性、透气性和输水性这5个指标进行测试，研究相同面密度的不同种类织物的热湿舒适性。利用灰色聚类分析理论对5个指标进行聚类分析，对这4种织物在不同环境下的热湿舒适性能做了综合评价。结果表明：在高温条件下，酚醛纤维织物具有较好的热湿舒适性，聚酰亚胺织物与阻燃棉布次之，芳纶1313织物最差；在低温条件下，酚醛纤维织物也具有良好的热湿舒适性，聚酰亚胺织物次之，芳纶1313织物与阻燃棉布最差。

酚醛纤维织物； 热湿舒适性； 保温性； 透湿性； 灰色聚类分析

酚醛纤维以其优异的阻燃性、隔热性、低毒、无烟、不变形等特点，被应用在消防服、防护服等领域[1-2]，研究酚醛纤维织物的热湿舒适性能十分必要[3]。本文以酚醛纤维织物为试样，同时选择用于消防领域的阻燃棉织物、芳纶1313织物、聚酰亚胺织物作为对比试样，通过测试热湿舒适性的相关性指标[4]，进行对比分析，以便对酚醛纤维织物的热湿舒适性做出有意义的评价。选取试样时，如果采用规格与结构参数完全相同的织物，仅选用的纤维不同，这样方便比较，但研究的现实意义不大，仅能说明纤维的性能优劣。本文研究关于织物的服用性能，为此，选取面密度相同、其他结构参数有差异的试样来进行比较试验，分析酚醛纤维织物的热湿舒适性。灰色理论中的灰色聚类法是一种根据灰色关联矩阵或灰数的白化权函数将一些观测指标或观测对象聚集成若干个可定义类别的方法[5]，采用灰色聚类分析法对织物的热湿舒适性能的好坏做出评价是比较合适的[6]。

1 试样准备与测试

1.1 试样准备

酚醛纤维织物为实验室样机织造，织物组织结构为平纹，经纬纱均采用酚醛纤维，织物面密度为200 g/m2，其他3种织物均是由邦维普泰有限公司提供的面密度为200 g/m2的织物，其组织结构为斜纹，经纬纱所用原料相同，阻燃棉织物后期通过XINXINGFR阻燃工艺处理达到阻燃的效果，试样规格与结构参数如表1所示。所选织物虽然结构有所差异，但面密度相同，因此具有可比性。

表1 试样规格与结构参数Tab.1 Sample size and structure parameters

1.2 织物性能测试与结果

对于织物热湿舒适性的测试，相应的指标比较多。本文以传热系数为指标测试织物的隔热性能，以保温率为指标测试织物的保温性，这2项指标参照GB/T 11048—1989《纺织品保温性能试验方法》测试；以透湿率为指标测试织物的透湿性，参照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》测试；以透气率为指标测试织物的透气性，参照GB/T 5453—1997《织物透气性测试》测试；以芯吸高度为指标测试织物的输水性，参照FZ/T 01071—2008 《纺织品 毛细效应试验方法》测试。为使测量结果较为准确，减小织物表面油剂对测试结果的影响，实验前先将织物用热水洗2～3次，晾干后放置在标准大气条件下48 h进行平衡[7]。4种织物的相关性能测试结果见表2。

表2 织物性能测试结果Tab.2 Results of fabric performance test

2 热湿舒适性的灰色聚类分析

由表2可看出：1)酚醛纤维织物具有较好的保温性，保温性能明显优于阻燃棉布和芳纶1313织物，但其与聚酰亚胺织物保温性相差不是很大；酚醛纤维织物的传热系数是4种织物中最低的，阻燃棉织物的传热性较好，芳纶1313与聚酰亚胺织物次之。2)酚醛纤维织物具有较好的透气性与透湿性，聚酰亚胺织物次之，芳纶1313与阻燃棉织物较差；阻燃棉织物的芯吸性较好，聚酰亚胺与酚醛纤维织物次之，二者的芯吸性相差不大，芳纶1313织物的芯吸性最差。

4种织物的性能在各指标下的表征不相同,很难根据织物的某一项指标做出织物性能的综合评价，测试数据量少，数据分布规律不整齐，利用数理统计难以得到有效的结论。不同的外界环境，对服装织物的舒适性要求亦不相同[8-9]，为此，本文采用灰色聚类分析理论，对5个测试指标进行聚类分析，通过对高温和低温2种环境进行分析，分别对这4种织物的热湿舒适性做出综合评价[10-12]。

本文以1#～4#织物为聚类对象i，以测试结果中的传热系数U、保温率W、透气率Q、透湿率S、芯吸高度G为聚类指标j，将织物的热湿舒适性能分为好、中、差3档，记为K1、K2、K33档，即聚类灰数为S=3[13]。

2.1 矩阵构建

以聚类对象编号为行、相应的聚类指标值为列，将表2中数据组成一个4×5矩阵，如式(1)所示。

(1)

式中：i为聚类对象编号；j为聚类指标编号；dij为各对应织物相应的测试指标值组成的矩阵。

2.2 无量纲处理

进行无量纲处理，使之映射到[0,1]区域。对于越大越好的聚类指标，按式(2)处理，对于越小越好的聚类指标，按式(3)处理，从而得到聚类白化矩阵[Xij]。

(2)

(3)

式中：Xij为经过式(2)或式(3)处理的聚类对象i，聚类指标j测试值；dij为各对应织物相应的测试指标值；Sj为聚类指标j值域的左边界值；Bj为聚类指标j值域的右边界值。

经统计得知，式(1)中传热系数U∈[0,1]，保温率W∈[10,40]，透气率Q∈[300,1500]，透湿率S∈[60,80]，芯吸高度G∈[0,9]，高温条件下，保温率要越小越好，数据按式(3)进行处理，其余指标越大越好，按式(2)进行处理，得到式(4)；低温条件下，传热系数要越小越好，数据按式(3)进行处理，其余指标均按式(2)进行处理，得到式(5)[14]。

Xij∈[0,1]，Xij值越大，说明相应织物的指标性能越好。

高温条件下，对式(1)处理得式(4)：

(4)

低温条件下，对式(1)处理得式(5)：

(5)

式中Xij为各织物指标经过无量纲处理后的值。

2.3 灰类白化函数确定

确定灰类白化函数，即确定织物处于某一档的概率分布函数。在实际生产中，可认为织物舒适性好差各占30%，中等占40%，定出各项指标的相应灰类白化函数为：k1∈[0.7,1]、k2∈[0.5-ε,0.5+ε]、k3∈[0,0.3]，则k1的灰类白化函数见下式。

(6)

同理，k2的灰类白化函数为

(7)

同理，k3的灰类白化函数为

(8)

2.4 标准权系数确定

(9)

2.5 聚类权系数确定

(10)

高温条件下灰色聚类系数矩阵为

(11)

低温条件下灰色聚类系数矩阵为

(12)

从式中可看出：1)在高温条件下，热湿舒适性能处在好这一档的织物有1#、2#、4#织物，但1#织物的灰色聚类系数比2#、4#织物大，说明1#织物落在第1档的概率比较大，即酚醛纤维织物的热湿舒适性能好。3#织物处在第3档的概率较大，说明热湿舒适性能差的织物有3#；2)在低温条件下，热湿舒适性能好的织物有1#、4#织物，但1#织物的灰色聚类系数比4#织物大，说明1#织物落在第1档的概率比较大，即酚醛纤维织物的热湿舒适性更好，热湿舒适性差的织物有2#、3#，3#织物处在第3档的概率比2#织物大，说明3#织物的热湿舒适性能更差。

3 结 语

用灰色聚类分析对酚醛、阻燃棉，芳纶1313、聚酰亚胺4种织物的热湿舒适性进行综合评价，结果表明，在高温条件或低温条件下，酚醛纤维的热湿舒适性均优于其他织物，具有良好的服用性能，分析结果为酚醛纤维的应用提供了依据。

FZXB

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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

马崇启(1964—)，男，教授。主要研究方向为纺织机电一体化与纺织复合材料。E-mail: tjmcq@tjpu.edu.cn。

TS 102

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