織物含塵量對其熱濕傳遞性能的影響

吳佳佳，唐 虹，何姍姍

(南通大學紡織服裝學院，江蘇南通 226019)

織物的傳熱導濕性能對服裝舒適性影響很大，是服裝研究領域的熱點問題［1］。目前對織物熱濕傳遞性能的研究主要圍繞在測試方法、指標及織物結構對熱濕性能變化的影響因素上［2］，鮮有對粉塵環境下服裝熱濕傳遞性能的分析。然而在粉塵濃度高的煤礦生產環境中，粉塵不斷在織物表面附著，慢慢通過織物中的孔隙滲入內部，含塵織物與人體皮膚摩擦，引起皮膚紅腫過敏，粉塵還可以通過皮膚滲入人體。采煤、掘進、運輸等大運動量作業產生的熱量和排出的汗液必須通過織物排出才能維持人體的熱濕平衡［3］，因此用于高濃度粉塵環境的織物必須具有優良的熱濕舒適性能。

本文模擬煤礦井下作業環境制備含塵量穩定的織物，測試織物含塵量及其含塵前后的熱濕傳遞性能，找出含塵量與織物結構參數間的關系，分析含塵量對熱濕傳遞性能的影響。

1 含塵織物制備

在溫濕度、風速和粉塵顆粒濃度一致的前提下，研究織物含塵量與結構參數及含塵前后熱濕傳遞性能變化的關系。

1.1 試樣結構參數

本文選用10種純棉織物，均由江蘇華業紡織有限公司織造。為避免漿料影響織物的潤濕性能，將坯布經過統一退漿處理:坯布→浸軋堿液(燒堿質量濃度10 g/L，溫度80～85℃，二浸二軋，帶液率70%左右)→汽蒸(PS-JS連續式還原汽蒸箱，100～102℃，20～25 min)→熱水洗(70～80℃，5 min)→冷水洗→拉幅熱定型處理(KY2000定型機，190～200℃，30 s)，達到類似成品的效果?？椢镆幐駞狄姳?。

表1 試樣規格及含塵量Tab.1 Sample Specifications and dust contents of samples

1.2 含塵織物制備

采用自制的實驗裝置，模擬地下600 m的礦井環境中織物含塵過程，溫度為(22±2)℃，相對濕度為(67±3)%。將AW6708微型空壓機與密封透明箱體連接，箱體底層均勻鋪滿碳粉顆粒80 g，碳粉粒徑為49～150 μm，粒徑大小介于纖維和紗線孔隙分布范圍內［4］，箱體中間放置試樣?？諌簷C壓強設為0.05 MPa，這個壓力條件下碳粉顆粒隨著氣流運動緩慢上升，碳粉顆粒在箱體內逐漸形成穩定懸浮分布，當它接觸織物表面時，可附著或嵌入織物，實驗時間為150 s。然后將織物平移取出，將含塵面朝下靜置1 h，使附著在織物表面結合較松的碳粉浮塵掉落，而附著緊密的碳粉顆?；蚍€定嵌入在纖維或紗線結構中的碳粉顆粒得以保留，再將織物另一面朝下靜置30 min，使穿透面料后沉降的碳粉浮塵掉落，從而制成穩定的含塵織物。圖1示出含塵織物制備裝置示意圖。

1.3 織物含塵量測試

用電子天平分別測試試樣含塵前后的質量，含塵后試樣的質量增加量即為試樣的含塵量，g/m2。10種織物的含塵量如表1所示。

圖1 含塵織物制備裝置Fig.1 Manufacturing device of dusty fabric

1.4 含塵量與織物結構參數的關系

在相同環境下，織物含塵量主要取決于織物和紗線的結構設計。有研究表明，機織物的過濾性能受織物組織、孔徑、厚度、織物密度等結構參數的綜合影響［5］。本文厚實緊密織物的含塵量較高，輕薄松散織物的含塵量較低。

將含塵量與織物結構參數進行相關分析，結果顯示含塵量與織物面密度的相關性最顯著，與厚度、總緊度、經紗捻度、緯紗線密度的相關性較顯著，與其他結構參數無顯著相關性，相關系數見表2。

表2 結構參數與含塵量的相關性Tab.2 Correlation of structural parameters and dust content

含塵量與面密度的回歸曲線如圖2所示。由圖可見，含塵量隨面密度的增大而增加，面密度越大，單位面積織物內纖維含量越多，碳粉顆粒易與纖維碰撞被捕集，不易滲透，穩定吸附在纖維表面及被截留在織物孔隙中的粉塵量多。

圖2 面密度與含塵量的關系曲線Fig.2 Relation curve of fabric density and dust content

織物厚度、總緊度與含塵量成正相關，厚度越厚則提供容塵的場所越多;緊度越大，纖維覆蓋率越大，織物的通透性越差，對粉塵的攔截效率高。含塵量與經紗捻度呈弱負相關，與緯紗線密度呈弱正相關，低捻較粗紗線相對蓬松，毛羽較多，對碳粉顆粒起到滯留作用并能提高織物的容塵能力［6］。

2 含塵前后熱濕傳遞性能比較分析

在溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±2)%的條件下測試。測試儀器為YG606平板式保溫儀、YG(B)461E全自動織物透氣性能測試儀、YGB871毛細管效應測定儀。

測量透氣率時，將試樣含塵面朝上夾持在透氣儀的進氣孔上，試樣中附著或嵌入的碳粉顆粒已穩定，測試過程中的含碳量損失率均小于5%。每種含塵織物測試結束后用吹耳球吹拂清潔透氣儀的試樣定值圈和噴嘴等部件，以免測試過程中有少量微塵逸散，影響儀器的精度。

2.1 透氣性分析

織物含塵前后透氣率的變化如圖3所示。含塵后10種織物的透氣率都有所下降，平均下降率為23.0%。氣體通過織物有2條途徑:一是織物經緯紗線間的交織孔隙，二是纖維間的空隙，一般以交織孔隙為主要途徑。影響紗線交織孔隙大小與數量的顯著因素是織物的緊密度［7］。當氣流通過交織孔隙時，阻力來源于黏滯阻力與慣性力［8］。由于粉塵顆粒吸附在織物表面或嵌入織物結構中，堵塞并擠壓紗線與纖維間的孔隙，使得紗線之間構成的氣流通道變小，空氣垂直于織物流動的黏滯阻力增大，導致透氣量減小，含塵后織物的透氣率明顯下降。

圖3 含塵前后透氣率變化Fig.3 Changes of ventilation rate between dusty and clean samples

2.2 傳熱系數分析

織物含塵前后傳熱系數的變化如圖4所示。含塵后織物的傳熱系數增大，平均增大率為21.6%?？椢锏膶嵝阅苤饕Q于材料內部死腔空氣的含量［2］，碳粉顆粒是固體材料，導熱系數大于纖維和空氣，且碳粉顆粒阻塞織物中的孔隙，孔隙中靜止空氣被擠壓掉，使得織物的隔熱性能降低，且2種材料的混合導致局部的熱流發生相對短路，從而使得傳熱系數增大［9］。

2.3 芯吸高度分析

總體來看，含塵后織物經緯向的芯吸高度均比含塵前低，30 min后10種試樣的經緯平均芯吸高度下降16.6%。圖5示出含塵前后織物經緯向的平均芯吸高度變化。以5號試樣為例，芯吸初始階段含塵前后的芯吸高度差較小，隨著時間推移，含塵前后的芯吸高度差逐漸增大，最后趨于穩定。

圖4 含塵前后傳熱系數變化Fig.4 Changes of heat transfer coefficients between dusty and clean samples

圖5 試樣5含塵前后經緯平均芯吸高度變化Fig.5 Average wicking height changes of warp and weft between clean and dusty samples of sample 5

芯吸初始階段，液體上升較快，但受到液體重力的影響，芯吸速率表現出由快速逐漸趨于平衡［10］。產生芯吸效應的原因是織物中存在的大小和形狀各異的孔隙形成毛細壓差，且毛細管彎曲面附加引力的作用能自動引導液體向上流動［11］，碳粉顆粒阻塞部分毛細孔，阻隔了液體在毛細管內的自然流動和液體沿著經緯紗方向在纖維內部的浸潤鋪展，影響了液態水的流動過程，降低了芯吸速率。

3 含塵量對熱濕傳遞性能的影響

實驗發現，含塵量隨吸附時間延長而逐漸增大并趨于穩定。為進一步分析粉塵吸附過程中含塵量與熱濕傳遞性能的關系，以10號試樣為例，以30 s為時間節點，分析150 s內吸附過程中含塵量與熱濕指標的變化趨勢。

3.1 含塵量對透氣率的影響

圖6示出10號試樣含塵量及透氣率與吸附時間的關系。在150 s吸附時間內含塵量逐漸增加并趨于穩定，織物透氣率由大到小逐漸減少。由于織物表面的凹凸結構，粉塵顆粒主要在織物表面凹槽內、纖維空隙、紗線交織點處積聚，阻塞了織物的透氣通道，引起透氣率的下降。當含塵量的增加趨勢減緩，透氣率的下降速率也減小，直至150 s后含塵量與透氣率都趨于穩定。

圖6 10號試樣的含塵量及透氣率與吸附時間的關系Fig.6 Relationship between dust content and ventilation rate and adsorption time of sample 10

3.2 含塵量對傳熱系數的影響

圖7示出10號試樣含塵量及傳熱系數與吸附時間的關系?？芍?，在150 s吸附時間內織物的傳熱系數隨含塵量的增加而增大并趨于穩定，且增大趨勢更平緩。當含塵量逐漸增多時，碳粉顆粒擠占了織物中原來的空氣使織物的含氣率下降，由于碳粉顆粒的導熱系數比空氣和棉纖維大，導致傳熱系數增大。但另一方面織物中的粉塵使織物板結，熱對流不易形成，使傳熱系數的增加趨勢變緩。

圖7 10號試樣的含塵量及傳熱系數與吸附時間的關系Fig.7 Relationship between dust content and heat transfer coefficients and adsorption time of sample 10

3.3 含塵量對芯吸高度的影響

圖8示出10號試樣含塵量及芯吸高度與吸附時間的關系?？芍?，在150 s吸附過程內織物的芯吸高度隨含塵量的增加逐漸減少并趨于穩定。含塵量較少時，芯吸高度變化不明顯。當含塵量增多后，芯吸高度下降，由于粉塵顆粒填充了棉纖維和織物表面的溝槽，阻塞了紗線和纖維中的孔隙，毛細管數量減少，芯吸效應減弱［12］，所以織物上的粉塵較多時，織物的導濕性變差，不利于汗液及時排出。

圖8 10號試樣的含塵量及芯吸高度與吸附時間的關系Fig.8 Relationship between dust content and wicking height and adsorption time of sample 10

4 結論

1)選取10種不同組織結構和規格的棉織物，通過含塵織物制備實驗，在環境條件一致的前提下，織物的含塵量與面密度呈正相關，與厚度、總緊度、經紗捻度、緯紗線密度的相關性較顯著。

2)10種織物含塵后，透氣率平均下降23%，芯吸高度下降16.6%，傳熱系數上升21.6%，引起織物熱濕傳遞性能的顯著變化，對高粉塵環境下作業服的熱濕舒適性破壞明顯。

3)含塵量隨吸附時間的延長引起織物熱濕傳遞性能的變化。在150 s吸附時間內，織物的含塵量逐漸增加并趨于穩定，透氣率下降，傳熱系數持續增加，芯吸高度逐漸減小。

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