玻璃纤维织物组织结构对其隔热性能的影响*

孙晓军 郑振荣 赵晓明

(1.天津工业大学纺织学院，天津，300387;2.先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津，300387)

近年来，热防护材料的发展十分迅速［1-2］，在高性能纤维［3-4］(如玻璃纤维、陶瓷纤维、石英纤维等)上涂覆含有云母粉、白炭黑、硅灰石粉等隔热填料的耐高温涂料可提高基材的隔热性能［5-8］，因此这种材料具有广泛的应用前景。除了隔热涂料本身外，基材织物的组织结构参数，如织物组织、织物密度等对织物的热传递性能也有显著影响［9-14］，国内外对这方面的研究并不多见。玻璃纤维本身不燃烧，具有强度高、耐热性好、化学稳定性好等优点，且相比于碳纤维价格较低，所以，玻璃纤维在产业用纺织材料领域应用比较广泛。但是，目前鲜见玻璃纤维织物的组织结构与其隔热性能之间关系的相关文献或者报道，本文重点探究玻璃纤维织物的组织结构参数与织物热传递性能的关系，这对进一步开发高性能玻璃纤维热防护材料具有重要意义。

为了探究玻璃纤维织物的组织结构参数对织物热传递性能的影响规律，采用单因子试验方法，在剑杆织机上织造了一系列不同组织、经密、纱线线密度的机织物样品，利用平板保温仪及烧蚀试验等方法探讨了织物结构参数，包括织物组织、织物密度、纱线线密度、织物厚度等对织物在常温和高温条件下热传递性能的影响。

1 试验

1.1 材料与仪器

玻璃纤维纱线，江苏恒州特种玻璃纤维材料有限公司;ASL2300型剑杆织机，天津工业大学;YG606型平板式保温仪，温州市大荣仪器有限公司;YG461H型全自动透气量仪，宁波纺织仪器厂;YG141D型数字式织物厚度仪，莱州市电子仪器有限公司;酒精喷灯，天津;DM6801A型数字温度表，深圳市胜利高电子科技有限公司;A1100型数码相机，天津佳能有限公司。

1.2 织物织造

本文使用的剑杆织机可织制幅宽40 cm的织物，纬纱颜色为8种。在织造过程中能够精确地控制纬密，避免了在半自动小样织机上手动打纬所造成的误差。

织物织造过程分整经→穿综→穿筘→织造四个步骤。需要注意的是，玻璃纤维的耐磨性较差，在织造时由于纱线之间的摩擦会使玻璃纱起毛，不仅会大大降低纱线的强力，还会影响布面的平整度和手感，所以织造环境要保持一定的湿度，需要不间断地往地面上喷水。

1.3 隔热性能测试

1.3.1 常温热传递性能测试

采用YG606型平板式保温仪对织物在常温条件下的热传递性能进行测试，测试指标为传热系数。测试方法参照GB/T11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测试》［15］，测试条件为：空气温度21℃，相对湿度60%～65%，试验板温度36℃。

1.3.2 高温热传递性能测试

采用酒精喷灯烧蚀试验对织物在高温条件下的隔热性能进行测试。具体操作为：将织物试样剪成直径为4 cm的圆片，用酒精喷灯外焰(温度为1 300℃左右)烧蚀试样圆片的中心位置，并且将数字温度表的触点接触圆片的背部中心位置，记录温度变化并绘制出织物背部温度-时间曲线。

2 结果与分析

2.1 织物组织对其隔热性能的影响

为了探究织物组织对其热传递性能的影响，织造了5种不同组织结构的织物：平纹、2/1斜纹、2/2斜纹、2/3斜纹和3/3斜纹。织物所用经纬纱的线密度均为280 tex，经密均为120根/10 cm，纬密均为100根/10 cm。各织物的隔热性能测试结果见图1。

由图1(a)可知，将玻璃纤维织物的传热系数按照由低到高的顺序排列为：3/3斜纹＜2/3斜纹＜2/2斜纹＜2/1斜纹＜平纹。传热系数越小，织物的隔热性能越好，所以3/3斜纹组织织物的隔热性能最好。由于织物组织不同，纱线会连续出现在织物的正反面而形成长度不同的浮长线，其他条件相同的情况下，在一定范围内，织物的平均浮长线越长，在相同的长度内经纬纱交织的次数越少，织物越松软，这样织物中就会有较多的空间来容纳静止空气，而空气的导热系数比纤维小很多，所以就使得织物的传热系数较小。图1(b)表明平纹织物的透气性最小，因为平纹织物结构紧密，含有的静止空气少，所以其传热系数最大，即隔热性能最差;而斜纹织物的透气性较大，相比于平纹织物传热系数明显减小，即隔热性能较好。

图1 织物组织对玻璃纤维织物隔热性能的影响

2.2 织物厚度对其隔热性能的影响

在其他条件相同的情况下，不同织物组织得到的织物厚度不同。5种不同组织玻璃纤维织物的厚度对其隔热性能的影响见图2。

由图2(a)可知，织物厚度对织物传热系数的影响显著。随着织物厚度的增加，织物的传热系数减小，而传热系数越小织物的保暖性越好，即织物的隔热性越好。这是因为不同的组织形态会影响织物的构成，从而导致织物的厚度不同，织物越厚所含的静止空气越多，其保温作用也越好。由图2(b)可知，在高温烧蚀条件下，平纹织物的厚度最薄，其背部升温最快;而其他几种斜纹织物比较厚，织物内静止空气的含量较多，所以隔热性能明显优于平纹织物。

图2 织物厚度对玻璃纤维织物隔热性能的影响

2.3 织物经密对其传热系数的影响

为了探讨不同经密对玻璃纤维织物传热性能的影响，将织物的组织定为3/3斜纹，纬密固定为100根/10 cm，纱线线密度为280 tex，改变织物的经密织造织物。织物的经密与传热系数的关系见图3。

由图3可知，随着经密的增加织物的传热系数减小，到达临界点以后又有增加的趋势。这是因为经纬密度会改变连续的相同组织所形成的浮线长度，经密从110根/10 cm增大至160根/10 cm，织物表面的浮线长度和织物厚度均会增加，因此传热系数呈减小趋势。但是当织物的密度达到一定程度后，织物的密度越大，在单位体积内纤维所占的比例越大，织物的隔热性能越差，表现为织物的经密从160根/10 cm增大到180根/10 cm时传热系数又呈增加的趋势。

图3 织物经密与传热系数的关系

图4为织物在高温(1 300℃)下烧蚀时的背温-时间曲线。由图4可见，织物的隔热性能随着织物经密的增大而增大，这是因为在酒精喷灯火焰烧蚀下，火焰能直接穿透织物的空隙到达织物背面;织物密度越大，织物结构越紧密，阻隔火焰穿透织物的能力越强。因此，在本试验中玻璃纤维织物经密的最优取值为160根/10 cm。

图4 不同经密织物的烧蚀背温-时间曲线

2.4 织物的纱线线密度对其传热系数的影响

纱线线密度不同，将会对织物的聚集态结构产生影响。为研究纱线线密度对织物隔热性能的影响，在剑杆织机上织制组织为3/3斜纹，经密为160根/10 cm，纬密为100根/10 cm，纱线线密度分别为129、198、280 tex的织物。测得织物的传热系数如图5所示。

图5 纱线线密度对织物传热系数的影响

由图5可知，随着纱线线密度的增加，传热系数下降，说明织物的保温性提高。由上述分析可知，一般来说厚织物的保暖性好，纱线越粗，织物的厚度越大，织造交织时所留空间越大，使得织物中的静止空气较多，所以保暖性越好。因此纺织材料的保暖性能除了与材料本身的性能有关外，还与纤维夹层中的空气量及状态有很大关系。在静态条件下，纤维层中的空气含量越多，隔热性能越好。

2.5 不同纱线线密度织物的烧蚀隔热性能

同组织、同密度、不同纱线线密度的玻璃纤维织物在1 300℃火焰烧蚀下的背部升温-时间曲线如图6所示。

图6 不同纱线线密度织物的烧蚀背温-时间曲线

由图6可知，纱线线密度为280 tex的织物的隔热性能最好。这是因为在织物的组织和经纬密相同的情况下，纱线线密度越小，织物越薄，单位面积内纱线交织所留下的空洞越多(孔隙率越大)，在烧蚀试验的条件下，空气被高温火焰加热后，流速明显加快，相较于纱线线密度大的织物，空气更容易透过纱线线密度小的织物，增强空气的对流传热作用，从而导致织物的背温升高加快。所以，在织物的其他参数相同的条件下，纱线线密度大的织物隔热性能比较好。

3 结语

(1)玻璃纤维具有强度高、耐热性好、化学稳定性好等特点，制成织物的隔热性也较好。

(2)当纱线的线密度以及织物的经密和纬密相同时，在一定范围内，织物的组织结构越复杂，平均浮长线越长，织物结构越松软，透气率越大，织物内含有的静止空气就越多，该织物的隔热性越好。

(3)在相同的纱线线密度和织物组织结构、不同经密的情况下，由于经纬密度改变了连续的浮线长度，使织物中的含气量不同，织物表面的平整度不同，导致织物的传热性能不同。

(4)不同规格的玻璃纤维机织物的传热系数随着织物厚度的增加呈减小的趋势。

本文所得到的试验结果可以为热防护材料基材的选择提供参考，有助于提高热防护材料的研发水平。

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