单位质量体积对羽绒集合体热阻性能的影响

2021-03-11戴有刚王立新狄宏静赵艳艳彭文娟

棉纺织技术 2021年2期

戴有刚王立新狄宏静赵艳艳彭文娟

（1.江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京，210000；2.中纺标检验认证有限责任公司，北京，100025）

羽绒是冬季保暖制品的重要填充原料，而填充物的类别、填充量和蓬松性能是影响材料热阻性能的主要因素。羽绒类别和蓬松性是材料的固有特性，增加填充量是增加产品热阻的主要手段。而何雨等研究表明，当充绒量增加到一定程度后，热阻的增加值不再显著［1］。这表明，随着充绒量的增加，材料的导热性能发生了变化。充绒量增加后，单位质量体积减小。因此，研究单位质量体积对羽绒集合体热阻性能的影响至关重要。

本研究通过羽绒压缩装置控制标准状态下羽绒集合体单位质量体积，并测定羽绒集合体热阻性能的变化，研究单位质量体积对羽绒集合体热阻性能的影响。

1 试验

1.1 原理

利用热传递原理，当物体两面存在温度差时，热量从温度较高的一面向较低一面传递。对于纺织品，织物正反两面的温差与垂直通过试样的单位面积热流量之比称为热阻，单位为m2·K/W。采用可升降的设备平台调整载样器体积，通过压缩调整羽绒集合体的体积改变其单位质量体积，并测定羽绒集合体在不同体积时的热阻性能。

1.2 方案

为了分析单位质量体积对羽绒集合体热阻性能的影响，通过调整升降平台的高度，以0.5 cm为调整间隔调整载样器高度，控制相同质量羽绒集合体的体积变化，测试羽绒集合体在不同体积时的热阻。调整单位质量体积装置如图1 所示。

图1 羽绒集合体蓬松调整装置

1.3 方法与标准

采用热阻湿阻测试仪（美国西北测试科技公司），按照GB/T 11048—2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定（蒸发热板法）》测试热阻［2］。试验参数：试验板表面温度（35±0.1）℃；气候室温度（20±0.1）℃，相对湿度（65±3）%；空气流速（1±0.05）m/s。热阻可以通过公式（1）得出：

式中：Rct为热阻，单位m2·K/W；Tm为测试板表面温度，单位℃；Ta为环境温度，单位℃；A为测试板面积，单位m2；H为提供给测试板的加热功率，单位W。

1.4 样品

选取实验室留存的含绒量90%白鸭绒、70%白鸭绒、320T 涤纶平纹胆布（经密208 根/10 cm，纬密112 根/10 cm，经、纬纱线密度44.4 dtex）为材料，分别称取不同质量的羽绒制成60 cm×60 cm 的正方形试样，试验参数见表1。试样袋高度为3 cm～9 cm，面料能提供空间以保证羽绒处于自然松散的状态。

表1 试样制备参数

2 结果与讨论

分别测试初始高度下试样的热阻。分别减少0.5 cm 的厚度，测试试样序列。由于试样1、试样4 的充绒量较大，试验用仪器难以将其压缩至2 cm 以下，因此只能测试厚度为2 cm 时的热阻。测试3 次，取其平均值。试验结果见表2。

上述试验中，高度每下降0.5 cm，热阻的下降量变化曲线如图2 所示。

图2 等量体积压缩热阻下降量变化曲线

羽绒集合体由羽绒材质和羽绒之间包含的空气构成，羽绒集合体热阻由羽绒本身材质和羽绒所含空气构成。羽绒本身材质具有一定的导热性能，其导热性能与羽绒本身材质和形态结构有关。由试验过程可知，试样可从初始的3 cm～9 cm 压缩至1 cm～2 cm。从微观方面看，羽绒在自然状态下呈现树枝状分叉结构，绒呈发射状三维立体状态，纤维之间包含有相当比例的空隙，能留存大量空气［3］。本试验中的试样所含的空气体积在羽绒本身的3 倍以上，静止空气形成的热阻远大于固体材料的热阻。由此可见，羽绒集合体所含静止空气是其具有良好热阻的主要原因。

表2 不同厚度时试样的热阻

由表2 可以看出，随着压缩的不断进行，体积分数不断减小，试样的热阻值不断下降。这是由于，当试样体积被压缩时，羽绒集合体中的静止空气被不断排出。由于密闭的空气是良好的绝热体，因此试样的热阻不断降低。可见，单位质量体积是影响羽绒集合体热阻测试结果的主要因素。

由图2 可以看出，曲线前段趋于水平，表明前期体积在被等量压缩时，热阻下降量亦相同。这是由于，羽绒为三维结构，其间空隙被羽绒绒枝分割成相对稳定的空间，且上述空间相对较小。试验结果表明，空气的对流、辐射以及热传递特性在该空间范围内是稳定的。

由图2 还可以看出，试样曲线后段的热阻减少量较前段热阻增加明显。如试样1 的厚度大于5.5 cm 时，厚度每下降0.5 cm 热阻下降量约为71×10-3m2·K/W；而当高度被压至2 cm 时，热阻下降量迅速增至168×10-3m2·K/W。试样2～试样6 具有相同的变化趋势，热阻下降速度的变化点分别约为4 cm、3 cm、3 cm、2.5 cm、1.5 cm。由此可见，当试样厚度压缩约为初始厚度的一半时，热阻的下降速率显著增加。试样2～试样6 对应的体积分数分别为198 cm3/g、192 cm3/g、216 cm3/g、108 cm3/g、120 cm3/g、108 cm3/g。试样1～试样3 和试样4～试样6 热阻变化点分别具有接近的体积分数，变化特性与羽绒集合体含绒量等材料特性有关，与填充质量无关。

物体传热方式根据传热机理不同，分为导热、对流和辐射3 种，对于空气来说，对流是影响其热阻性能的决定因素。本研究认为，羽绒集合体中包含的空气导热性质不相同，根据热阻随单位质量体积的变化规律，按与羽绒结合的程度，可将羽绒集合体中所含空气分为未黏附的空气层和紧密黏附的空气层两种类型。根据羽绒分形理论模型作图，如图3 所示［4］。

图3 羽绒分型模型和两种空气示意图

羽绒非常蓬松，在羽绒间隙中留存的大量空气与羽绒的结合程度较低，当产生温度差或者体积发生变化时，以上空气容易发生热对流，使得未紧密附着的空气具有较小的热阻；而绒子的空间结构使得羽绒具有较大的比表面积，能附着大量的空气。大量绒枝阻碍附近空气的流动，紧密附着在羽绒绒枝的空气处于相对静止状态，由它形成的空气层具有更高的热阻性能。紧密黏附的空气层中，越接近绒枝的热阻越大。

因此，试样在被压缩的初期具有大量的未紧密结合的空气，空气的排出造成热阻小幅下降。随着羽绒集合体被进一步压缩，具有较大热阻的空气不断被排除，热阻值降幅越来越大。

羽绒集合体的填充量与产品保暖性能正相关，即充绒量越大保暖性能越好。由于羽绒集合体中所含空气是羽绒热阻性能的主要因素，充绒量增加导致羽绒材质的增加不是热阻增加的主要原因。本研究认为，一方面，羽绒集合体的保暖性与羽绒集合体的绝对厚度有关，即厚度越大，热量传递的时间越长，热阻越大；另一方面，还与羽绒集合体单位体积的热阻有关，单位质量体积不同热阻也会发生变化。在实际产品中，羽绒填充在由面料构成的一个固定的空间中，面料对羽绒具有“制约”作用。随着羽绒的增多，当面料的变形不足以增加等量空间时，面料对羽绒的压缩作用增加，羽绒之间的空隙随之减少，其单位体积的羽绒集合体热阻逐渐降低。

可见，增加羽绒填充量会导致相互矛盾的两方面：一方面，随着羽绒集合体中静止空气的减少，单位体积的羽绒集合体热阻也逐渐减小；另一方面，羽绒量的增加会导致厚度的增加，厚度的增加又使得热传递的路径变长，而使热阻增加。在填充量增加的初期，羽绒集合体单位体积的热阻降幅较小，厚度的增加起到了显著的作用；而随着填充量的不断增加，由于面料的束缚，厚度的增速放缓，而单位体积羽绒集合体含有的静止空气不断减少，导致羽绒产品的热阻增幅并不明显。因此，羽绒制品保暖性能的提高不但与羽绒充绒量有关，还与容纳羽绒所需空间有关。在产品设计时，在提高羽绒集合体充绒量同时，应相应增加羽绒集合体所需的空间，避免过度压缩羽绒，以发挥羽绒最佳性能。

综上所述，羽绒立体空间结构赋予羽绒集合体较高的单位质量体积，使羽绒集合体含有数倍于羽绒的静止空气，羽绒集合体的体积分数决定所含静止空气的数量，从而决定热阻性能的大小。在低压缩程度的情况下，羽绒集合体热阻值以相对恒定的速度下降；当单位质量体积低于原体积的一半时，热阻降幅迅速增大。在设计羽绒产品时，要注重羽绒所处面料的空间结构，避免因羽绒集合体单位质量体积的减小而引起其热阻的降低。