灰色聚类分析在织物热学性能评价中的应用

蔡薇琦， 马崇启， 阚永葭， 杨金莲， 李君丽

(天津工业大学 纺织学院, 天津 300387)

灰色聚类分析在织物热学性能评价中的应用

蔡薇琦， 马崇启， 阚永葭， 杨金莲， 李君丽

(天津工业大学 纺织学院, 天津 300387)

为探讨酚醛纤维织物的热学性能，将酚醛纤维应用于消防领域，选取5种消防常用的织物聚酰亚胺织物、芳纶1313织物、芳纶1414织物、阻燃棉织物、碳纤维织物为研究对象，在相同条件下进行热学试验并将热导率、热扩散系数、比热、经向极限氧指数、纬向极限氧指数等作为研究指标，研究相同面密度的不同种类织物的热学性能。单一的指标对比不能综合评价出6种织物热学性能的优劣，利用灰色聚类分析理论对这5个指标进行聚类分析，对其热学性能进行综合评价。结果表明：酚醛纤维织物与聚酰亚胺织物具有较好的热学性能，芳纶1313织物的热学性能次之，芳纶1414织物、阻燃棉织物、碳纤维织物的热学性能最差。

酚醛纤维； 热学性能； 导热系数； 极限氧指数； 灰色聚类分析

酚醛纤维具有很好的耐燃烧性能[1-3]，可以用在消防领域，所以全面了解酚醛纤维织物的热学性能十分重要，然而织物热学性能是一个处于灰色地带的系统[4-5]，存在很多不可知或不确定的信息，所以对比单个指标很难综合分析和评价织物的热学性能。

本文以酚醛纤维织物、聚酰亚胺织物、芳纶1313织物、阻燃棉织物、芳纶1414织物、碳纤维织物6种织物为研究对象，测试表征其热学性能的各个指标，运用灰色聚类分析的方法进行综合整体评价，通过对比可以将酚醛纤维织物的优异性能表现出来，为以后应用酚醛纤维提供参考。

1 试样参数

为使测试结果具有可比性，织物面密度均为200 g/m2，织物经纬纱线细度一致，所选试样规格见表1。碳纤维织物是一种平纹织物；阻燃棉织物是经过XINXINGFR阻燃工艺处理的棉织物，该织物具有不续燃、不阴燃的效果；酚醛纤维织物是由本文实验纺纱织造而成。碳纤维织物是由天津工业大学复合材料研究所提供，其他织物均来自邦维普泰特种纺织品有限公司。

2 织物热学性能测试与结果

为了准确地反映6种织物的热学性能，降低其他参数对其的影响，减小织物表面油剂对实验的影响，用热水反复搓洗2～3次，晾干，然后在标准大气条件下调湿24 h，测试织物的各种性能[6]。测试6种织物的热学性能，结果见表2。

由表2可以得到：1)单项指标热导率：芳纶1414>碳纤维织物>聚酰亚胺织物>阻燃棉织物>酚醛纤维织物>芳纶1313。保温材料通常为热导率较低的材料(国家标准规定，凡导热系数小于等于0.12 W/(m·K)、平均温度低于或等于350 ℃时的材料称为保温材料)，而将热导率在0.05 W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。因此聚酰亚胺织物、芳纶1414织物与碳纤维织物不属于保温材料，酚醛纤维织物和芳纶1313织物接近于高效保温材料。2)热扩散系数：碳纤维织物>芳纶1414>阻燃棉织物>芳纶1313>酚醛纤维织物>聚酰亚胺织物。热扩散率也称为导温系数，它表示物体在升温或降温的过程中，温度趋向于一定均匀稳定值的能力。聚酰亚胺织物的热扩散系数为0.844 mm2/s，远小于其他5种织物，即在加热或冷却过程中，聚酰亚胺织物的温度趋于一致的能力最低。3)比热：芳纶1414>碳纤维织物>阻燃棉织物>聚酰亚胺织物>芳纶1313>酚醛纤维织物。比热指的是热容量，即单位质量的物质改变1个单位时，内能的吸收量或者是释放量。酚醛纤维织物的比热为7.748 MJ/(m3·K)，远小于其他5种织物，即单位质量物体改变温度时吸收或释放的内能最小。4)经纬向极限氧指数：碳布的≈聚酰亚胺织物的>酚醛纤维织物的>芳纶1414的>阻燃棉布的>芳纶1313的。

表2 织物热学性能测试结果Tab.2 Testing results of thermal of fabrics

表2单项指标逐一对比无法综合的评价织物的热学性能。

3 运用灰色聚类法的织物热性能评价

从表2可以看出，单项指标表征的织物热学性能各有差异，无法根据单项指标评价织物的热学性能，需要采用数据分析的方法对织物的热学性能进行综合评价。由于该系统采用指标来表征，相应指标的测试数据较少，不适宜采用数理统计的方法，而灰色聚类分析恰好是研究“小样本，贫信息”的不确定性系统，因此，采用灰色聚类分析法对织物热学性能进行综合评价是比较合理的[7-8]。

以要进行综合评价的6种织物记为聚类对象i， 以测试结果中的热导率、热扩散系、比热、经向极限氧指数、纬向极限氧指数为聚类指标j，将织物的综合性能档次分为好、中、差三档，记为K1、K2、K3，即聚类灰数s=3[5]。

3.1 矩阵的构建

矩阵中的行为分析时采用6种织物，列为相对应的表征织物热学性能的指标测试值，将表1中的相关数据构成一个6×5的矩阵dij，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为对应织物相应的测试指标值。

(2)

式中xij为经过均值化特征数处理的值。

3.2 将xij值作灰数白化区间

定义j指标对k个灰类(k=k1,k2,k3)的区间，方法定义[9]如下：

好的灰类区间为

中等灰类区间为

差的灰类区间为

表3示出灰数白化区间。

表3 灰数白化区间表Tab.3 Interval of whiting of grey number

(3)

3.3 功率函数的规定

(4)

(5)

(6)

3.4 标准权系数的确定

(7)

(8)

3.5 灰色聚类系数的确定

(9)

由计算出的灰色聚类权系数构造聚类系数矩阵，见式(10)。

(10)

影响评价结果的因素有很多，包括织物规格参数、纤维本身的热学性能。碳纤维与聚酰亚胺纤维均属于不燃纤维，但由于碳纤维织物是由化纤长丝织造而成，纤维表面光滑，织物结构较为松散，而聚酰亚胺织物的经纬密度较大，织物密实，因此聚酰亚胺织物的热学性能优于碳纤维织物。芳纶纤维与酚醛纤维同属难燃纤维，但是芳纶1414织物是由化纤长丝织造而成，织物结构较为松散，因此芳纶1414织物的热学性能最差。阻燃棉织物虽然经过阻燃工艺处理，但是棉纤维属于易燃纤维，同时说明阻燃工艺并不能有效地改善织物的各项热学性能。

4 结 语

1)6种织物中，热导率越小，织物保温性越好，聚酰亚胺织物、芳纶1414与碳纤维织物不属于保温材料，酚醛纤维织物和芳纶1313接近于高效保温材料；聚酰亚胺织物的热扩散系数为0.844 mm2/s，远小于其他5种织物，即在加热或冷却过程中，聚酰亚胺织物的温度趋于一致的能力最低；酚醛纤维织物的比热为7.748 MJ/(m3·K)远小于其他5种织物，即单位质量物体改变温度时吸收或释放的内能最小；芳纶1313的经纬向极限氧指数最小，碳纤维织物与聚酰亚胺织物的经纬向极限氧指数最大。

3)在6种常见的消防用织物中，酚醛纤维织物的综合评价最好，可以说明酚醛纤维织物在热学性能上具有明显的优势。

FZXB

[1] 刘春玲,郭全贵,史景利,等.酚醛纤维交联程度对炭纤维结构和性能的影响[J].材料研究学报，2006,20(3):245-249. LIU Chunling,GUO Quangui,SHI Jingli, et al.Effect of crosslinking of phenolic fibers on the structure and performance of carbon fibers[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2006, 20(3):245-249.

[2] 柳春燕，吕华，吕虎,等.酚醛纤维的研究进展及应用[J].广州化工，2011,39(2):40-42. LIU Chunyan, LÜ Hua, LÜ Hu, et al. Research progress and application of phenolic fiber[J].Guangzhou Chemical Industry,2011,39(2):40-42.

[3] 任蕊，皇甫慧君，王燕,等.酚醛纤维高性能化改性研究[J].应用化工，2013,42:152-155. REN Rui, HUANGFU Huijun, WANG Yan, et al. Modification performance of phenolic fibers[J]. Applied Chemical Industry, 2013,42:152-155.

[4] 邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉：华中理工大学出版社，1990：27-33. DENG Jülong. The Course of Grey System Theory[M]. Wuhan:Press of Huazhong University of Science and Technology,1990:27-33.

[5] 汪学骞.模糊数学在纺织工业中的应用[M].香港：开益出版社,1992:195-202.

WANG Xueqian.Application of Fuzzy Mathematics in the Textile Industry[M].Hongkong:Maison d′Edition Quaille, 1992: 195-202.

[6] 马顺彬.竹浆/棉交织力学性能的灰色聚类分析[J].现代丝绸科学与技术，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.

[7] 鲁立娜，任参军，徐军,等.睡衣舒适性能主观评价的灰色聚类分析[J].西安工程大学学报，2010,24(2):176-179. LU Lina, REN Canjun, XU Jun,et al. Grey clustering analysis of comfortable performance subjective evaluation of pajamas[J].Journal of Xi′an Polytechnic University, 2010, 24(2):176-179.

[8] 周彬,王慧玲.服装压力舒适性的灰色聚类分析[J].现代纺织技术，2007(6):5-8. ZHOU Bin, WANG Huiling. Grey clustering analysis of pressure comfort of clothing[J]. Advance Textile Technology, 2007(6):5-8.

[9] 王厉冰，胡心怡，齐素祯.灰色聚类分析在纺织材料性能综合评价中的应用[J].天津工业大学学报(自然学报)，2006,25(3):23-26. WANG Libing,HU Xinyi,QI Suzhen.The application of grey clustering analysis in textile material performance comprehensive evaluation[J].Journal of Tianjin Polytechnic University (The Journal Nature),2006,25(3):23-26.

[10] 汪学骞，王智，谢维源.针织物透湿性能的灰色聚类分析[J].纺织学报，1991，12(2):60-62,79. WANG Xueqian,WANG Zhi,XIE Weiyuan.Grey clustering analysis of knitted fabric moisture permeabi-lity[J].Journal of textile research,1991,12(2)：60-62,79.

Application of grey clustering analysis in evaluation of fabric thermal performance

CAI Weiqi， MA Chongqi， KAN Yongjia， YANG Jinlian， LI Junli

(School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

To investigate the thermal properties of the phenolic fiber fabrics and apply them to the field of fire, five common used fire-fighting fabrics including polyimide fabric, aramid 1313 fabric, aramid 1414 fabric,BA cotton fabric and carbon fabric were selected as the research objects. The thermal test was carried out under the same conditions. The indexes including coefficient of thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat capacity, vertical limiting oxygen index and zonal limiting oxygen index were tested. The thermal properties of different kinds of fabrics with the same weight were studied. A single index can′t evaluate synthetically merits of the thermal properties of these five kinds of fabrics. Therefore, the grey clustering analysis method was used to make a comprehensive evaluation on the thermal performance of the five indexes. Results indicate that the phenolic fiber fabric and polyimide fabric have better thermal performance, aramid 1313 fabric is medium, and aramid 1414 fabric, BA cotton fabric and carbon cloth are the worst.

phenolic fiber; thermal property; coefficient of thermal conductivity; limiting oxygen index; grey clustering

10.13475/j.fzxb.20150804105

2015-08-24

2016-07-21

蔡薇琦(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为纺纱工艺与织物性能。马崇启，通信作者，E-mail: tjmcq@tjpu.edu.cn。

TS 156

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