结构参数对超高分子量聚乙烯织物导热性的影响

包玉秀，肖 红，王越平，孙 超，衣卫京

(1.北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029； 2.军事科学院 系统工程研究院，北京 100082； 3.中华女子学院 艺术学院，北京 100101； 4.北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029)

通常情况下，在室内工作时人们通过调整建筑物空间的温度来使人体感到舒适，这个过程需要耗费大量的能量。根据美国能源部公布的建筑能源数据手册，2006年建筑行业消耗了美国一次能源总量的38.9%,而在这种能源中，34.8%被建筑物用于空间供暖[1-2]。但大多数情况下，人体在整个温度调整的空间里所占的体积很小，所以在能源紧张及可持续发展的大背景下，以调整服装微环境的温度来替代空间大环境的温度调节，可以节省大量的能源消耗[3]。在寒冷环境中，除了利用服装材料及结构本身被动保暖以外，目前还有许多采用电加热等主动加热方式[4],但由于电源容量的限制和使用时可移动性的要求，所选用的加热片尺寸通常较小，加热区域有限，且加热温度高时容易对皮肤造成伤害。因此，通过研究织物的导热性，在加热尺寸受限的情况下尽量提高传热速度和加热面积，以尽量少的能量消耗提供更好的加热效果。

国内外学者从不同角度对织物的导热性进行了研究。大多数人处于久坐状态，周围环境相对封闭，且一般纺织品纱线之间或纤维之间的间距较小，对流的传热较热传导对传热的贡献小[5]，故可忽略对流对传热的影响。目前利用改变织物热辐射率来调节温度的研究较少，Cai等[6]设计了一种具有纳米孔洞、外覆纳米金属涂层的聚乙烯织物, 还设计出由两层不同厚度的纳米聚乙烯夹着一个双层辐射体(碳层和铜层)构成的，可以同时实现保暖和降温2种功能的人体辐射式加热/制冷双模织物[7]。然而这种技术还存在着一定问题,如穿戴者的舒适感、如何与其他衣服搭配使用、极端条件下织物是否会发挥反作用等，且室内条件下，人体皮肤和内层、外层织物与环境之间的温差较小，因此忽略辐射[8]，只考虑传导对传热的影响。目前针对织物热传导方面的研究，主要采用热传导性能测试仪或KES织物多功能测试仪等[9]，测试影响织物导热性的因素集中在导热率、厚度、容重、回潮率等[10-12]。由于织物热阻的影响因素较多，有时多种因素共同作用，造成分析织物热阻时存在很多不确定因素。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是当今世界最典型的三大高性能纤维之一，在汽车制造、医疗器械、体育运动器械、建筑等领域有着非常广泛的用途，其具备良好的力学性能和导热性能[13-14]。本文采用加热片提供热源，以UHMWPE为主要的导热材料设计不同规格参数的织物，通过铂电阻测温仪测试不同位置织物表面的温度变化,以研究其导热性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

常用纤维的导热率见表1[15]。可以看出，常用纺织纤维的导热率范围0.042～0.337 W/(m·℃)，略高于空气的导热率，远低于水的导热率，而超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的导热率可以达 0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，导热性很好。本文选用UHMWPE纤维、涤纶、锦纶作为原料，织造不同组织、密度的交织物，并测试其导热性能。

表1 常用纤维的导热率

1.2 实验设备及仪器

SL8900全自动剑杆织机，织物密度镜，16通道铂电阻测温仪(精度为0.2%；交流电压85～264 V，50/60 Hz)，环境温湿度记录仪，石墨烯电加热片(13.4 cm×6.5 cm)等。

1.3 实验方法

采用SL8900全自动剑杆织机织造布样，织物规格参数见表2。

表2 织物规格参数

采用铂电阻测温仪测量距离热源边界不同位置处织物表面温度随时间的变化。为防止织物覆盖对实验结果的影响，减小接触面对温度的影响，在工作台上放置一个带有支架的亚克力板边框将织物导热面朝上并夹在边框上，在中心位置标记出加热片位置。测温头放置位置示意图见图1。沿纬向距离加热片一定距离固定2个测温铂电阻头(间距2 cm/个)，待加热片和织物温度稳定后，将加热片加热面朝下放到待测织物上标定的位置，记录各测试点温度随时间的变化。为避免环境对织物导热性的影响，实验在恒温恒湿实验室(温度(27±0.2) ℃，相对湿度50%±2%)中进行。

图1 测温头放置位置示意图

2 结果与讨论

2.1 纤维种类对织物导热性的影响

选择纬纱线密度相同，组织结构为平纹，且织物密度接近的1#、2#、3#织物，测试织物表面温度随时间的变化，纤维种类对织物导热性的影响见图2。可以看出，在加热片温度近似相等时，3#织物在距离加热片2 cm处的温度达到31.5 ℃，而1#和2#织物在相同位置处的温度分别为29.0 ℃和29.5 ℃，明显低于含UHMWPE织物。这是因为不同纤维的导热率不同，导热率越高，横向导热性越好，涤纶的导热率为0.084 W/(m·℃),锦纶的导热率为0.244～0.337 W/(m·℃)，而UHMWPE纤维由于具有高取向度、高结晶度的结构，其导热率可以达0.3～0.5 W/(m·℃)[16]，有很好的导热性，故含UHMWPE的织物导热性明显好于涤纶/涤纶和涤纶/锦纶交织物。

注：0、2、4 cm表示铂电阻测温头在纬向上与加热片边缘的距离。下同。

2.2 织物组织结构对导热性的影响

选择纬纱线密度相同、织物密度接近且纬纱为UHMWPE纤维的3#、4#、5#织物，测试织物表面温度随时间的变化，组织结构对织物导热性的影响见图3。

图3 组织结构对织物导热性的影响

从图3可以看出，温度从低到高依次为平纹(3#)、斜纹(4#)、缎纹(5#)织物，说明缎纹织物的导热性最好。一个组织循环单元的织物热阻可以用下式进行描述：

(1)

式中：Runit为一个组织单元的总热阻；λ1为纤维轴向的导热系数；λα为空气的导热系数；λτ为纤维横向的导热系数；bj、bw和dj、dw分别为机织物的经、纬纱的中心距和直径；n为织物单元组织循环纱线数[17]。

从式(1)可以看出，任何组织的织物热阻组成是类似的，不同的是热流通过织物时纤维通道和空气通道的个数。不同的织物组织其交织长度不同，决定了热流的通道长度是不相等的，所以热流在织物中所走的路径长度不同，热流通道越长其热阻越大[17-18]。而缎纹组织交织长度最小，热流通道最短导致其织物热阻最小。

2.3 纱线线密度对织物导热性的影响

选择组织结构为平纹、织物密度接近且纬纱为UHMWPE纤维的6#、7#、8#织物，测试织物表面温度随时间的变化，纱线线密度对织物导热性的影响见图4。

图4 纱线线密度对织物导热性的影响

从图4可以看出，随着纱线线密度的增加，织物温度依次升高，说明UHMWPE纱线越粗，其导热性越好。这是因为织物内的热流方向更多是沿着纤维轴向传递，并在适当的位置转移到另一根纤维上，接力进行。热流在纤维间传递的过程中，静止空气起着不可忽视的作用。由于静止空气的导热率(0.026 W/(m·℃))远低于常见纤维材料的导热率(0.042～0.337 W/(m·℃))，织物中所含空气越少，织物的导热性越好。因此在织物密度近似相等时，纱线越粗，织物内所含空气越少，织物的导热性越好。

2.4 织物密度对导热性的影响

选择纱线线密度相同、组织为平纹且纬纱为UHMWPE纤维的3#、9#、10#织物，测试织物表面温度随时间的变化，织物密度对导热性的影响见图5。可以看出，虽然加热片温度在织物纬向密度最大时较低，但仍可以看出随着密度的增大，织物温度越高，导热性越好。这是因为当纱线线密度相同时，织物密度越大，织物中所含空气越少，故导热性越好。

图5 织物密度对导热性的影响

3 结 论

本文研究分析了织物参数对含UHMWPE纤维交织物及涤纶/涤沦、涤纶/锦纶交织物导热性的影响，结果表明，含UHMWPE纤维织物有较好的导热性，且纱线线密度、织物密度和组织结构均对织物导热性有一定的影响。得出：

①超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的导热性明显好于涤纶和锦纶。

②通过对含UHMWPE织物的比较可以看出，纱线越粗，织物导热性越好，反之越差。

③通过对不同密度织物的比较可以看出，含UHMWPE织物的密度越大，导热性越好。

④通过对不同组织结构织物的比较可以看出，织物组织的交织次数越多，热流通道越长，热阻就越大，缎纹组织结构织物的导热性较平纹和斜纹好。

综上所述，对于加热服织物的设计，在满足基本服用性能的前提下，可使UHMWPE纱线配比高、纱线尽量粗、浮长尽量长，且织物密度尽可能大，这样能在加热尺寸受限的情况下尽可能地提高织物导热速度和加热面积，从而减少能源消耗提供更大的加热面积。