相变纺织品调温性能的检测与分析

张海霞，张喜昌

(河南工程学院，河南郑州 450007)

相变材料(简称PCM)是一种能够在特定温度下发生可逆相态转变的材料，它在相转变过程中可从周围环境吸收或释放大量的热量，并保持自身温度基本恒定［1－3］。将相变材料应用到纺织品中，可以开发品种多样的相变调温纺织品，用其制成的服装能保持在一个舒适的温度范围，为人体提供舒适的衣内微气候环境［4－6］。

调温性能是相变纺织品非常重要的一项性能。目前，通常采用保温仪法、暖体假人法、微气候仪法等进行纺织品热性能的测试，这些方法主要测试纺织品在平衡状态下的热量传递性能，指标也大多为传统的热性能指标，不适用于测试动态条件下相变纺织品的热性能［7－9］。关于相变纺织品调温性能的检测，谌玉红等［10］研制了一种相变纺织品调温性能测试装置，目前国内尚无统一的测试方法与标准;美国材料与试验协会发布了ASTMD7024—2004《纺织材料的恒稳态和动态热性能的试验方法》，该标准适用于测定纺织材料在干态下的热阻和温度调节系数，但需要在专门的测试仪上进行。本文根据相变纺织品的性能特点，利用现有仪器设备，提出了一种测试相变纺织品调温性能的方法，并对几种相变纺织品的调温性能进行了对比测试分析。

1 实验部分

1.1 材料

采用自行设计织制的4种相变纺织品，包括2种Outlast粘胶纤维混纺织物和2种Outlast腈纶纤维混纺织物，并选用2种普通的粘胶和腈纶织物作为对比样，试样编号和部分规格参数见表1。相变纺织品与各自对比样在规格参数方面存在一定差异，这种差异对实验结果会有一定影响但对实验结论影响不大。

1.2 实验方法

相变纺织品温度调节的机制源于纤维内部的相变材料，它能根据外界环境的温度变化发生固液态可逆相转变，从而实现双向调温功能，因此，本文自行设计了降温和升温2个实验方案，以衡量相变纺织品在降温和升温2个过程中的温度调节能力。

表1 试样编号和规格Tab.1 Sam p le numbers and specifications

降温实验采用YG741C型缩水率烘箱，烘箱设定温度为60℃，试样在烘箱中加热平衡30 min后取出，用WSC-01C型数字测温仪测试试样表面温度，通过2次实验分别得到降温速率和降温时间。测试降温速率时，从40℃开始计时，每隔10 s记录1次试样表面温度，实验时间为300 s;测试降温时间时，测量并记录试样表面温度从33℃下降到23℃所需时间。

升温实验采用YG606型平板式保温仪，将试样平铺在实验板上，试样初始温度为20℃，用WSC-01C型数字测温仪测试试样表面温度，通过2次实验分别得到升温速率和升温时间。升温速率测试时，从20℃开始计时，每隔10 s记录1次试样表面温度，共测量24个数据;升温时间测试时，测量并记录试样表面温度从20℃上升到33℃所需时间。

WSC-01C型数字测温仪分辨率为0.1℃，试样表面温度的测试均在1个标准大气压状态下进行。

2 结果与讨论

2.1 降温实验

首先进行降温速率实验，6种试样的降温曲线分别见图1所示。由图可知，随着降温时间的延长，6种试样的表面温度均近似呈指数规律下降。在降温初期，织物表面温度下降较快，当温度下降到23℃左右时，织物表面温度下降速率逐渐变慢并趋于平衡。

运用Origin分析软件对实验数据进行负指数拟合，得到6种试样在降温过程中温度T对时间t的回归方程;对温度-时间回归方程求导，可得到降温速率V对时间t的回归方程;根据降温速率-时间回归方程V(t)，通过公式，可计算得到降温速率，表2降温速率和降温时间实验中测得的平均降温时间。

表2 降温速率和降温时间Tab.2 Cooling velocity and cooling time

由表2可知，试样V1、V2的降温速率低于试样V3，降温时间大于试样V3，同时，试样A1、A2的降温速率低于试样A3，降温时间大于试样A3，说明试样V1、V2和试样A1、A2在降温过程中具有较好的温度调节能力，这主要是由于试样V1、V2中含有Outlast粘胶纤维，试样 A1、A2中含有Outlast腈纶纤维，2种空调纤维中的相变材料对温度变化起到一定的缓冲作用。

比较试样V1、V2、A1、A2的降温速率和降温时间可知，在降温过程中，试样V1的调温性能略优于V2，试样A2的调温性能略优于A1，同时试样A1、A2的调温性能略优于试样V1、V2，这主要是由于试样间厚度、紧度等规格参数的差异，可见织物规格参数对其调温性能也有一定的影响。

降温实验中采用的2种测试方法，即降温速率测试法和降温时间测试法，得到的实验结果和规律基本一致，降温速率低的试样，其降温时间较长，但调温性能较好。在2种方法中，降温时间测试法较简便快速，易于操作;降温速率测试法操作较复杂，数据处理有一定难度，但可以得到降温过程中布面温度的变化规律，有助于更深入细致地分析相变纺织品的调温性能。2种方法各有特点，可根据情况选用。

2.2 升温实验

升温速率实验中，6种试样的升温曲线分别见图2。

图2 升温曲线Fig.2 Heating curves.(a)Viscose fabrics;(b)Acrylic fabrics

由图2可知，随着时间的延长，6种试样的表面温度均近似呈线性规律上升。在升温初期，试样升温速率相近，曲线难以区分，当温度升高到28℃左右后才有一定的区别。

运用Origin分析软件对实验数据进行线性拟合，得到6种试样在升温过程中温度T对时间t的回归方程;对温度-时间回归方程求导可得到升温速率，表3列出升温速度和升温时间实验中测得的平均升温时间。

表3 升温速率和升温时间Tab.3 Heating velocity and heating time

由表3可知，试样V1、V2和试样A1、A2的升温速率分别低于试样V3和A3，同时升温时间分别大于试样V3和 A3，说明试样 V1、V2和试样 A1、A2在升温过程中温度变化相对较为缓慢，调温性能较好，这主要是由于试样V1、V2和试样A1、A2均为相变纺织品，所含相变材料对温度变化起到一定的缓冲作用。比较试样V1、V2、A1、A2的升温速率和升温时间可知，在升温过程中，试样V1的调温性能略优于V2，试样A2的调温性能略优于A1，同时试样A1、A2的调温性能略优于试样V1、V2，这主要是由于试样厚度、紧度等规格参数的影响。升温实验与降温实验得到的实验结果基本一致。

升温实验中采用的2种测试方法，即升温速率测试法和升温时间测试法，得到的实验结果和规律基本一致，具体应用时可根据需要选用。

3 结论

1)相变纺织品调温性能的检测设计了降温和升温2种实验方案，每个实验又可以采用温度变化速率(降温、升温速率)和温度变化时间(降温、升温时间)2种测试方法。这2种方法各有特点，但测试结果与规律基本一致，可视需要选用。

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2)相变纺织品的表面温度在降温过程中呈指数规律减小，在升温过程中呈线性规律增加，温度变化速率均较普通织物缓慢，具有较好的调温性能。

3)厚度、紧度等织物规格参数对相变纺织品的调温性能有一定影响。FAN Ying.Study on thermal performance of temperature-adjustable fiber and nonwovens ［J］.Technical Textiles，2010(5):12 －16.

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