织物含尘量对其热湿传递性能的影响

吴佳佳，唐 虹，何姗姗

(南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019)

织物的传热导湿性能对服装舒适性影响很大，是服装研究领域的热点问题［1］。目前对织物热湿传递性能的研究主要围绕在测试方法、指标及织物结构对热湿性能变化的影响因素上［2］，鲜有对粉尘环境下服装热湿传递性能的分析。然而在粉尘浓度高的煤矿生产环境中，粉尘不断在织物表面附着，慢慢通过织物中的孔隙渗入内部，含尘织物与人体皮肤摩擦，引起皮肤红肿过敏，粉尘还可以通过皮肤渗入人体。采煤、掘进、运输等大运动量作业产生的热量和排出的汗液必须通过织物排出才能维持人体的热湿平衡［3］，因此用于高浓度粉尘环境的织物必须具有优良的热湿舒适性能。

本文模拟煤矿井下作业环境制备含尘量稳定的织物，测试织物含尘量及其含尘前后的热湿传递性能，找出含尘量与织物结构参数间的关系，分析含尘量对热湿传递性能的影响。

1 含尘织物制备

在温湿度、风速和粉尘颗粒浓度一致的前提下，研究织物含尘量与结构参数及含尘前后热湿传递性能变化的关系。

1.1 试样结构参数

本文选用10种纯棉织物，均由江苏华业纺织有限公司织造。为避免浆料影响织物的润湿性能，将坯布经过统一退浆处理:坯布→浸轧碱液(烧碱质量浓度10 g/L，温度80～85℃，二浸二轧，带液率70%左右)→汽蒸(PS-JS连续式还原汽蒸箱，100～102℃，20～25 min)→热水洗(70～80℃，5 min)→冷水洗→拉幅热定型处理(KY2000定型机，190～200℃，30 s)，达到类似成品的效果。织物规格参数见表1。

表1 试样规格及含尘量Tab.1 Sample Specifications and dust contents of samples

1.2 含尘织物制备

采用自制的实验装置，模拟地下600 m的矿井环境中织物含尘过程，温度为(22±2)℃，相对湿度为(67±3)%。将AW6708微型空压机与密封透明箱体连接，箱体底层均匀铺满碳粉颗粒80 g，碳粉粒径为49～150 μm，粒径大小介于纤维和纱线孔隙分布范围内［4］，箱体中间放置试样。空压机压强设为0.05 MPa，这个压力条件下碳粉颗粒随着气流运动缓慢上升，碳粉颗粒在箱体内逐渐形成稳定悬浮分布，当它接触织物表面时，可附着或嵌入织物，实验时间为150 s。然后将织物平移取出，将含尘面朝下静置1 h，使附着在织物表面结合较松的碳粉浮尘掉落，而附着紧密的碳粉颗粒或稳定嵌入在纤维或纱线结构中的碳粉颗粒得以保留，再将织物另一面朝下静置30 min，使穿透面料后沉降的碳粉浮尘掉落，从而制成稳定的含尘织物。图1示出含尘织物制备装置示意图。

1.3 织物含尘量测试

用电子天平分别测试试样含尘前后的质量，含尘后试样的质量增加量即为试样的含尘量，g/m2。10种织物的含尘量如表1所示。

图1 含尘织物制备装置Fig.1 Manufacturing device of dusty fabric

1.4 含尘量与织物结构参数的关系

在相同环境下，织物含尘量主要取决于织物和纱线的结构设计。有研究表明，机织物的过滤性能受织物组织、孔径、厚度、织物密度等结构参数的综合影响［5］。本文厚实紧密织物的含尘量较高，轻薄松散织物的含尘量较低。

将含尘量与织物结构参数进行相关分析，结果显示含尘量与织物面密度的相关性最显著，与厚度、总紧度、经纱捻度、纬纱线密度的相关性较显著，与其他结构参数无显著相关性，相关系数见表2。

表2 结构参数与含尘量的相关性Tab.2 Correlation of structural parameters and dust content

含尘量与面密度的回归曲线如图2所示。由图可见，含尘量随面密度的增大而增加，面密度越大，单位面积织物内纤维含量越多，碳粉颗粒易与纤维碰撞被捕集，不易渗透，稳定吸附在纤维表面及被截留在织物孔隙中的粉尘量多。

图2 面密度与含尘量的关系曲线Fig.2 Relation curve of fabric density and dust content

织物厚度、总紧度与含尘量成正相关，厚度越厚则提供容尘的场所越多;紧度越大，纤维覆盖率越大，织物的通透性越差，对粉尘的拦截效率高。含尘量与经纱捻度呈弱负相关，与纬纱线密度呈弱正相关，低捻较粗纱线相对蓬松，毛羽较多，对碳粉颗粒起到滞留作用并能提高织物的容尘能力［6］。

2 含尘前后热湿传递性能比较分析

在温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±2)%的条件下测试。测试仪器为YG606平板式保温仪、YG(B)461E全自动织物透气性能测试仪、YGB871毛细管效应测定仪。

测量透气率时，将试样含尘面朝上夹持在透气仪的进气孔上，试样中附着或嵌入的碳粉颗粒已稳定，测试过程中的含碳量损失率均小于5%。每种含尘织物测试结束后用吹耳球吹拂清洁透气仪的试样定值圈和喷嘴等部件，以免测试过程中有少量微尘逸散，影响仪器的精度。

2.1 透气性分析

织物含尘前后透气率的变化如图3所示。含尘后10种织物的透气率都有所下降，平均下降率为23.0%。气体通过织物有2条途径:一是织物经纬纱线间的交织孔隙，二是纤维间的空隙，一般以交织孔隙为主要途径。影响纱线交织孔隙大小与数量的显著因素是织物的紧密度［7］。当气流通过交织孔隙时，阻力来源于黏滞阻力与惯性力［8］。由于粉尘颗粒吸附在织物表面或嵌入织物结构中，堵塞并挤压纱线与纤维间的孔隙，使得纱线之间构成的气流通道变小，空气垂直于织物流动的黏滞阻力增大，导致透气量减小，含尘后织物的透气率明显下降。

图3 含尘前后透气率变化Fig.3 Changes of ventilation rate between dusty and clean samples

2.2 传热系数分析

织物含尘前后传热系数的变化如图4所示。含尘后织物的传热系数增大，平均增大率为21.6%。织物的导热性能主要取决于材料内部死腔空气的含量［2］，碳粉颗粒是固体材料，导热系数大于纤维和空气，且碳粉颗粒阻塞织物中的孔隙，孔隙中静止空气被挤压掉，使得织物的隔热性能降低，且2种材料的混合导致局部的热流发生相对短路，从而使得传热系数增大［9］。

2.3 芯吸高度分析

总体来看，含尘后织物经纬向的芯吸高度均比含尘前低，30 min后10种试样的经纬平均芯吸高度下降16.6%。图5示出含尘前后织物经纬向的平均芯吸高度变化。以5号试样为例，芯吸初始阶段含尘前后的芯吸高度差较小，随着时间推移，含尘前后的芯吸高度差逐渐增大，最后趋于稳定。

图4 含尘前后传热系数变化Fig.4 Changes of heat transfer coefficients between dusty and clean samples

图5 试样5含尘前后经纬平均芯吸高度变化Fig.5 Average wicking height changes of warp and weft between clean and dusty samples of sample 5

芯吸初始阶段，液体上升较快，但受到液体重力的影响，芯吸速率表现出由快速逐渐趋于平衡［10］。产生芯吸效应的原因是织物中存在的大小和形状各异的孔隙形成毛细压差，且毛细管弯曲面附加引力的作用能自动引导液体向上流动［11］，碳粉颗粒阻塞部分毛细孔，阻隔了液体在毛细管内的自然流动和液体沿着经纬纱方向在纤维内部的浸润铺展，影响了液态水的流动过程，降低了芯吸速率。

3 含尘量对热湿传递性能的影响

实验发现，含尘量随吸附时间延长而逐渐增大并趋于稳定。为进一步分析粉尘吸附过程中含尘量与热湿传递性能的关系，以10号试样为例，以30 s为时间节点，分析150 s内吸附过程中含尘量与热湿指标的变化趋势。

3.1 含尘量对透气率的影响

图6示出10号试样含尘量及透气率与吸附时间的关系。在150 s吸附时间内含尘量逐渐增加并趋于稳定，织物透气率由大到小逐渐减少。由于织物表面的凹凸结构，粉尘颗粒主要在织物表面凹槽内、纤维空隙、纱线交织点处积聚，阻塞了织物的透气通道，引起透气率的下降。当含尘量的增加趋势减缓，透气率的下降速率也减小，直至150 s后含尘量与透气率都趋于稳定。

图6 10号试样的含尘量及透气率与吸附时间的关系Fig.6 Relationship between dust content and ventilation rate and adsorption time of sample 10

3.2 含尘量对传热系数的影响

图7示出10号试样含尘量及传热系数与吸附时间的关系。可知，在150 s吸附时间内织物的传热系数随含尘量的增加而增大并趋于稳定，且增大趋势更平缓。当含尘量逐渐增多时，碳粉颗粒挤占了织物中原来的空气使织物的含气率下降，由于碳粉颗粒的导热系数比空气和棉纤维大，导致传热系数增大。但另一方面织物中的粉尘使织物板结，热对流不易形成，使传热系数的增加趋势变缓。

图7 10号试样的含尘量及传热系数与吸附时间的关系Fig.7 Relationship between dust content and heat transfer coefficients and adsorption time of sample 10

3.3 含尘量对芯吸高度的影响

图8示出10号试样含尘量及芯吸高度与吸附时间的关系。可知，在150 s吸附过程内织物的芯吸高度随含尘量的增加逐渐减少并趋于稳定。含尘量较少时，芯吸高度变化不明显。当含尘量增多后，芯吸高度下降，由于粉尘颗粒填充了棉纤维和织物表面的沟槽，阻塞了纱线和纤维中的孔隙，毛细管数量减少，芯吸效应减弱［12］，所以织物上的粉尘较多时，织物的导湿性变差，不利于汗液及时排出。

图8 10号试样的含尘量及芯吸高度与吸附时间的关系Fig.8 Relationship between dust content and wicking height and adsorption time of sample 10

4 结论

1)选取10种不同组织结构和规格的棉织物，通过含尘织物制备实验，在环境条件一致的前提下，织物的含尘量与面密度呈正相关，与厚度、总紧度、经纱捻度、纬纱线密度的相关性较显著。

2)10种织物含尘后，透气率平均下降23%，芯吸高度下降16.6%，传热系数上升21.6%，引起织物热湿传递性能的显著变化，对高粉尘环境下作业服的热湿舒适性破坏明显。

3)含尘量随吸附时间的延长引起织物热湿传递性能的变化。在150 s吸附时间内，织物的含尘量逐渐增加并趋于稳定，透气率下降，传热系数持续增加，芯吸高度逐渐减小。

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