农用保温被材料在非稳态传热条件下的保温性能研究

陈海珍+王玉娟+楼杰+张方军

【摘要】农用保温被由纺织复合保温材料构成，一般具有质量轻、蓬松多孔等特点。由于户外使用的纺织复合保温材料，始终存在环境温差，内部传热通常处于非稳态传热过程，需要使用非稳态测试法评价材料的保温性。在前期研究基础上系统研究环境因素对保温性能的影响，通过传热方向、温差调控和湿度调节，测试分析了材料热导率的变化，发现保温材料从芯层到覆盖层的密度变化，直接导致了材料吸放热过程热导率的差异；另一方面，在公定回潮率1下，保温被材料热导率仍急剧上升，且在环境温度是0℃时，保温被热导率出现变化拐点；而且环境湿度使得农用保温材料热导率骤然上升。基于此，提出应尽量使用低回潮率的纤维材料，并采用憎水表层和防水结构，结合多密度变化芯层结构设计高效农用保温被。

随着科技的发展，各种高性能纤维及复合技术相继出现，纺织复合保温材料的应用领域已经从服装拓展到了各类工程领域。农用保温被是纺织复合保温材料的重要出口[1-2]。

在传热学中将热导率作为评价材料保温效果的参数[3-4]，数值上，热导率等于在单位梯度作用下物体内热流密度矢量的模。服装及工程产业用保温材料一般作为蓬松结构的形式出现，具有质量轻、蓬松多孔的特点。目前对于保温材料导热性能测试的方法基本可以分为2类：即稳态测试法与非稳态测试法[3，5-6]。由于户外使用的纺织复合保温材料，环境温差始终存在，内部传热通常处于非稳态传热过程，使用非稳态测试法评价材料保温性。

笔者在前期研究中是以农用纺织复合保温材料为研究对象，通过搭建非稳态测试平台、采用MATLAB数值解析程序，测试分析研究了测试方法的稳定性，材料结构因素对材料的导热性能的影响。基于非稳态无限大平板导热模型推导出计算热导率的温度时间函数，通过MATLAB编程拟合计算得到材料热导率，此程序可以简单快捷处理内部温度随时间变化的数据[3，7-8]。

本文中系统的研究环境因素对保温性能的影响，通过传热方向、温差调控和湿度调节，测试分析了材料热导率的变化规律，及该变化对保温性能的影响。

材料准备及测试条件

农用纺织复合保温材料由宁波中直农业科技有限公司提供，厚度为10 mm，气孔率51%，密度67 kg/m3，其结构见图1。测试前材料放入设定的起始温湿度中达到恒温恒湿平衡后备用。

根据传热学非稳态测试法中无限大平板模型[3，5-6]，记录测试材料中心厚度方向的1/2处温度时间变化数据。在农用纺织复合保温材料中心处放入温度传感器（HCT-1型数显温湿度计，星瀚仪器仪表公司），移入可程式恒温恒湿箱（型号CK，广东勤卓环境测试有限公司），测试装置如图2所示。在一维非稳态传热进入正规化阶段，每隔10 s记录材料中心温度，直至材料内部温度与环境温度一致。

在MATLAB程序中，将测试材料中心变化温度和时间数据做线性拟合，求得斜率k，并代入公式，利用二分法求得μ1，代入公式求得热导率λ。（h：表面对流换热系数；ρ：材料体积密度；c：材料比热；δ：材料1/2厚度；μ1：特征值。）

材料放热过程测试：设定材料温度为25℃，湿度为0，材料初定温度逐次为10、0、-10、

-20、-30、-40℃，每隔10 s记录一次材料中心温度，连续记录600 s。

材料吸热过程测试：设定材料初定温度为-40℃，湿度为0，环境温度逐次为25、15、5、

-5、-10、-25℃，记录600 s内材料中心温度变化。

材料湿度和环境湿度影响测试：参照涤纶纤维的回潮率5%，将同一样品放置在恒温恒湿箱内达到材料公定回潮率，初始温度平衡在25℃。然后置入10、0、-10、-20、-30、-40℃环境温度中，记录材料中心温度变化。随后，仍选用同一批试样进行环境湿度测试分析，材料初始温度设定为25℃，环境箱温度为-10℃，环境湿度设置为0、26%、35%、55%、74%和95%，依次测试温度变化过程。

结果与讨论

材料吸热和放热对农用保温被材料保温性能影响

农用保温被材料在使用过程中，常常处于温差变化的环境。一方面是由天气环境温度变化引起的，另一方面是由于材料在白天吸收太阳光后升温造成的保温被温度变化。该试验采用环境变温和材料变温改变材料热传递方向，测试材料热导率，评价材料热传递效率，见图3。

图3中以材料与环境温差绝对值作为横坐标，温差相同但热传递方向不同。随着材料与环境温差不断变化，热导率测试会发生波动，这可能是保温材料內部孔隙结构造成不均匀的热阻导致的。对比图3中保温材料吸热和放热两条曲线可知，材料热导率在环境变温即材料吸热过程中平均值高于其在材料散热过程中平均值。结合图1保温材料由高密度的聚酯类覆盖材料和蓬松低密度的纤维芯层组成，材料吸热中热从高密度表层向芯层传递，而放热过程中热从低密度芯层向高密度表层传递，如图4。这种材料结构密度变化，直接导致了材料热导率测试的差异，说明结构密度变化会影响保温被材料热传递效率，这与很多研究者进行多密度层叠结构设计保温层研究的结论一致，即材料放热过程中材料结构应设计为从中心到外部由低密度向高密度层叠过渡，从而增加保温效率。

材料湿度和环境湿度对农用保温被保温性能影响

在上述试验中验证了材料热阻与结构相关性。实际使用中的农用保温被材料是多孔材料，与外界环境产生热交换时，总是伴随着水分的迁移，这种水分迁移既存在于材料内部也存在于材料表面。依据非稳态热传递理论，研究者们认为当表面对流换热热阻（1/h）与平板内部导热热阻（δ/λ）的比值为有限大小时，表面对流换热热阻和材料热阻对材料热传递有着重要影响[3-4，7]，即材料吸热放热发生时，材料表面结构及属性对热传递有着重要作用。

在试验中要控制材料内的湿度和环境空气的湿度，研究水对材料的表面对流换热热阻和材料热阻的影响。参照涤纶纤维的回潮率5%，将同一个样品放在恒温恒湿箱内达到材料公定回潮率，初始温度平衡在25℃，环境温度变化从-40～10℃，测试材料的热传递效率，见图5。

图5中的2条曲线对比显示了材料湿度促使了热导率的显著增大。特别是在5%湿度下，保温被材料在环境温度0℃时，热导率出现拐点。参照图4，材料传热方向没有发生改变，热导率拐点是由于材料湿度产生的，其产生的原因可能是水分遇冷结冰，加快了热量的传导，从而导致热导率增大。因此，冬季降温天气中环境温度在0℃左右时，材料保温性能下降最多。基于此，设计农用保温被材料应尽量设计使用低回潮率的纤维材料。

环境空气湿度是影响纺织复合保温材料表面对流换热热阻的重要因素。试验中仍选用同一批表层防水试样进行测试分析，材料初始温度设定为25℃，环境箱温度为-40℃，测试不同环境湿度下热传递过程，见图6。随着环境相对湿度的增加，材料的热导率整体呈现递增趋势，这是因为农用保温材料表层由聚酯纤维组成，环境水分润湿降低了材料表层的比表面能，使得粗糙表面覆盖上光滑水层，表面对流换热热阻大大降低。因此，材料表面结构设计中不仅需要使用防水结构，还应尽量使用憎水材料。

结论

（1）通过材料和环境的变温模拟材料散热、放热过程，发现随着材料与环境温差的不断变化，热导率也会发生波动，而且材料热导率在吸热过程中平均值高于其在放热过程中的平均值，这是由保温材料结构密度变化引起的。研究认为，高效的保温材料从中心到外部结构应设计为低密度向高密度层叠过渡型。

（2）材料在公定回潮率下，保温被材料热导率仍急剧上升，尤其在材料温度是25℃，环境温度是0℃时，公定回潮率下保温被热导率出现拐点。研究认为，冬季降温天气中环境温度在0℃左右时，材料保温性能下降最多。基于此，设计农用保温被材料应使用低回潮率的纤维材料。

（3）环境湿度使得农用保温材料热导率骤然上升，材料表面结构设计中不仅需要使用防水结构，还应尽量使用憎水材料。因此，高效保温被材料应设计憎水表层和多密度变化芯层结构。

参考文献

[1] 韦雪松.温室覆盖材料热学性质研究[D].天津：天津大学，2005.

[2] 中华人民共和国工业和信息化部.复合保温材料 化纤复合絮片：FZ/T 64020-2011[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：4-37.

[4] 田明伟.非稳态条件下多相多孔纤维材料热传递性能分析[D].上海：东华大学，2012.

[5] Salmon D. Thermal conductivity of insulation using guarded hot plates， including recent developmentsand sources of reference materials [J].Measurement Science and Technology，2001（12）：12.

[6] 王補宣，任泽霈.利用“平板导热仪”测定热绝缘材料导温系数α的探讨[J].工程热物理学报，1981（03）：262-268.

[7] 王玉娟，王进美，陈海珍.农用日光温室纺织复合保温材料热阻湿阻的测试研究[J].产业用纺织品，2014（06）：38-41.

[8] Wang Y，Wang J，Chen H. Heat-transfer stability ofporous fibrous composition under different condition[J].Advanced Materials Research，2014（08）：557-561.

*项目支持：宁波市科技创新团队项目（2012B82014）。

作者简介：陈海珍（1978-），湖北人，副教授，研究方向：功能性纺织复合材料。