【毕业学位论文】测试强对流下织物热防护性能测试方法及其仪器建立

目 录 I 目 录 1 绪论 . 1 热的基本原理. . 1 传导的基本定律. . 1 辐射的基本定律. . 3 流传热的基本定律. . 5 织品热防护性能的研究. . 6 织品热性能相关研究. 6 织品隔热性能相关研究. 10 织品隔热性能现有测试装置和测试方法及其不足. 11 有纺织品热防护性能测试方法. 11 试方法和仪器的改进. 1 5 2 测试强对流下织物热防护性能仪器的研制 . 17 器介绍. . 17 位机结构介绍. . 18 统组成. . 18 ，就会发生热量转移的现象，并且热量的转移是有规律的：即从高温位置向低温位置转移。因为在自然界的生产过程当中，温度差是普遍存在的，所以热量的转移也就成为了自然界和生产过程中普遍存在的现象，这种由于温度差而发生的热量的转移的现象我们称为“热量传递”或着简称为“传热”。 如图 示，以一个窑炉烧砖的例子来看，炉内的高温烟气可以把炉内的砖坯加热到一定的温度，再然后经过一定的工艺流程就可以得到高质量的砖块。窑炉内的高温烟气除了可以把砖坯加热外其热量透过墙体最内层的耐火层，到普通的保温砖层、红砖层最后一直到墙体外的空气。这就是热传递的基本过程。 图 炉传热示意图 热量的传递可以分为三种不同的类型进行。一类是固体内部的热量的传递；另一类是流体与固体间的热量传递；第三类是物体与物体在不直接接触的情况下的热量传递。通过长期以来的生产实践，人们从现象到本质，逐步掌握了热现象的基本规律，并且发现这三类方式有着不同的规律。通常我们把第一类热量的传递方式叫做“热传导；第二类叫做“对流换热”；第三类方式叫做“辐射换热”。 传导的基本定律 热传导 1, 2是指物体的各部分之间或者是不同的物质间在直接接触的情况下发生的1 绪论 2 热量转移现象。因为物质各部分具有不同的温度或者有不同温度的几种物质直接接触时，就会发生热量从高温部分向低温部分转移。随着这一过程的持续发生，各处的温度会在没有外界冷源或者热源干涉的情况下逐渐趋向于平均化。 这种现象就叫做“导热”，它不依赖于各部分物质的相对位移却能传播热，也是物质的本性。如果追根求源，它其实是由物质内部或者物质接触处的分子、原子或者是自由电子等微粒的不规则地运动比如扩散运动、碰撞或者弹性波、晶格振动等运动而引起的。这些微粒若处于高温状态，则具有较大的动能，而这些微粒若处于低温状态，则具有较小的动能，高温微粒若与低温微粒碰撞，则会引起能量的转移，也就是我们所说的高温微粒把能量传递给了低温微粒，因而能量也就从高温区转移到了低温区。在液体和气体间的能量的转移过程中，当各处温度不一致时，通常在发生热传导现象的同时，由于各部分间的密度差异会出现对流现象，因而不容易察觉到单纯的导热现象。而在固体中，能量的传递则完全取决于导热现象。 关于热传导的公式，我们以前面讲到的窑炉为例来加以说明。取下窑炉的一块较大炉墙，其内表面温度为 且总是高于炉墙外表面温度 且 有：通过炉墙向外传出的热流量 Q 与温度的差值 1 2t t ，还有炉墙的面积成正比，而与炉墙的厚度成反比。经过实验证明，在同样大小的温度差值、面积（ S）以及厚度（ L）的情况下，炉墙传出的热流量 Q 还与炉墙的组成材料有关。对于平面的炉墙，其热量关系式为： 1 2( ) /Q t t S L= 式（ 式中： 导热系数，它表示炉墙的材料的导热能力，其单位是 W/m*k。 表 出了一些典型的材料在温度为 280K 时的导热系数的值。 表表表 表 1 材材材 材料导热系数 料导热系数料导热系数料导热系数 材料名 空气 水 木材 石棉 银 钢 导热系数 上例中，炉墙温度的变化率 1 2( ) /t t L ，是一个常熟，对应于一条倾斜的直线。但是在实际的生产过程中，这种温度变化率 /t L 不是一个常数，也就是说它所对应的也不是一条直线，而是一条曲线，温度分布曲线各处的斜率都是不相同的。因此我们用/t L 来表示温度的变化率不是很准确，若要客服这个局限性，我们一般对上式中的/t L 求极限并将其写为：0 = ，并称之为温度梯度。因此，更具有普遍意义1 绪论 3 的导热计算公式应该为： * *L= ，那么单位面积上每小时所传递的热量则可以表示为： * = ，这就是热流密度，它代表着单位面积上热量传递的强弱。 辐射的基本定律 热辐射 3在我们的日常生活和生产中随处可见，最典型的热辐射就是太阳不断地向地球表面辐射能量。从理论上来讲，只要物体的温度高于绝对零度，那么物体内部的分子或者原子中的电子就会不断地使物体中的一部分热量变成辐射能并以电磁波的形式发射出去。这种过程我们称之为热辐射过程。温度高的物体由于电子的运动和援助激发要比温度低的物体激烈的多，所以高温物体的热辐射就会比低温物体强得多。 物体以电磁波的形式发射辐射能 4, 6, 7，如果落在其它物体上，一部分能量会被吸收并且重新转换为热能，所以一切物体都在不停地辐射能量，并且也在不停地吸收其它物体辐射地能量 5。如图 两物体间辐射关系，若两个温度不同的物体彼此间辐射能量时，温度低的物体在某一时刻发射的辐射能量要低于吸收的辐射能量，吸收与发射之间的能量差值，就是这个物体所得到的净热量。这种现象对于高温物体来说是正好相反的，即高温物体通过这一现象会放出净热量。这种能量的交换过程就称之为辐射换热。 很明显，辐射换热的过程是不需要两种物体间的直接接触，而且在能量转移过程的同时物体本身还会发生能量形式的转换 物体在发出热辐射时能量从热能转换为辐射能，物体吸收辐射能量后辐射能又会转变为热能，这些是辐射换热区别于其它传热如热传导和对流换热的特点。 图 物体辐射关系 对于任何物体，当它辐射出去的能量落在其它物体上时，这些辐射能一部分会被其它物体吸收，一部分会被反射出去，还有另外一部分则会穿过其它物体。如图 示，1 绪论 4 我们可以用下式表示： , ,a Q= = =式（式中： A物体的吸收率。 物体吸收的辐射能量。 Q总辐射能。 R反射率。 物体反射的能量。 D透过率。 透过物体的辐射能量。 根据能量守恒定律可知： A+R+D = 1，其中 A， R 以及 D 的数值都在 0 到 1 之间。 图 体辐射能分布情况 不同的物体其辐射能力的大小不一样，我们一般用辐射强度来表示，它是指单位时间内单位面积该物体所发射出去的总能量，单位 W/射能力包括的波长 A 是从 0到正无穷的一切的电磁波所携带的能量。如果某一固定波长所携带的能量为 物体的总辐射能力 E 可以用下式表示： 0 （式中： E辐射强度。 A波长。 在一定的温度下， 随着波长的增加而增加的，在到达某一波长 A 时， 值达到最大，之后它的值又会逐渐减小，当 A 为正无穷时， 值又从新为零。与此同时，温度的升高也会加大物体辐射的强度，并且加大的辐射强度是与辐射的波长有关系的。由此可以看出，辐射强度 关于波长 A 和温度 T 的函数，也就是： , )f A T= 。 1 绪论 5 在一般的适用范围内，辐射能量非常大的波长分布在红外波段内，通常把这一波段的红外线辐射叫做热辐射。对于热辐射来说，影响物体表面吸收的主要因素有表面粗糙度，而颜色的影响反而不大。所以，不管什么颜色，表面粗糙的物体其吸收率要比表面光滑的物体的吸收率高很多。 流传热的基本定律 热传递的另外一种形式是利用流体的流动来达到传热的目的 8比如暖气管道、炉墙外壁等等。因为这些物体的附近空气受了物体本身释放出来的热量的影响，导致空气温度上升、密度减小，产生了上升的浮力而朝上运动。周围密度比较大的冷空气会流动过来填补这一空间的空缺，然后吸收热量再次上升。伴随着这种循环的流动，热量就会由高温物体传给冷的空气，然后温暖整个空间。这种因为流体的各个部分发生相对位移而引起的能量的传递现象叫做对流。这种热传递方式区别于热传导和热辐射 17。对流传热示意图。 图 流传热示意图 通过对流现象我们可以看出，在热对流过程中，总是有流体和物体之间的相对运动来进行能量互换。由于空气与物体间的接触摩擦，以及空气内部之间的内摩擦，这就使得紧靠近物体表面处会有一层空气是顺着物体表面作平行的流动。这一层薄空气层我们称为流底层。流底层只沿物体表面运动，不存在其它分速度，并且这层空气层的流动速度是几乎等于零的，所以物体的热量只能依靠这层空气的导热来传递。但是在流动层以外的其余部分，则是依靠空气的流动形成的涡流和湍流来完成对流运动。所以，通过这一过程发生的热量交换是因为导热和对流同时发生作用而引起的，这一过程就叫做对流换热。在对流换热的过程中，热量传递的公式为： 1 绪论 6 1 0( )Q aS t t= 式（式中： Q对流换热的总热流量。 S与空气接触的物体表面积。空气与物体表面的温度差由 1 0t t 表示。 A对流放热系数，单位是 W/。 此公式虽然看似简单，但它并没有揭示对流放热系数与放热本身的内在关系，影响放热的因素并不是只有对流放热系数。 因为对流换热过程中热量的转移，并不是仅仅依靠流体的导热，它还要根据流体的对流 18。所以，在换热的过程中，它除了受导热规律的影响外，还要受对流规律的影响。发生对流的原因可以分为强迫流动以及自由流动。但凡流体受到外力的作用如风、搅动等而发生的流体受迫运动，我们称之为强制对流换热。若是由流体内部各部分冷热分布不均匀而引起的运动则叫做自由运动，比如炉墙、暖气管道周围的空气等，在这种情况下所进行的换热运动叫做自然对流换热。通常而言，流体受迫运动的速度要比自由运动速度大，对于同样一种流体来说，其受迫运动的放热量也要比自由运动时的放热量大。 流体运动时由于自身的固有粘性会在壁面处和流体内部形成摩擦，这时壁面附近的流体处于层流状态。当流体速度达到一定值的时候，流体就会形成旋窝，它会促使扰动混合使流体变为湍动状态。这种不规则的湍动状态相互交织相互干扰就会成为湍流。在流底层内部，热量是沿着壁面法线方向进行传热的，如上图 示。湍流过程中流体的传热会比层流状态时大很多，若流体一定，其流速越高，放热强度越大。 流体传热的性能还与流体的物性有密切关系，无论是层流还是湍流，它们的放热强度取决于层流底层的流体所形成的导热热阻。这时，如果导热系数越大，则层流底层的热阻就会越小，而其放热系数也会越大。 我们知道，一切现实中的流体都会有粘性，所以它们在运动过程中总是会引起摩擦。这种性质是流体的固有属性所决定的，并且与流体的温度有关。若其粘性越大，流体经过固体表面时其摩擦作用就会越大，所以粘性大的流体所形成的层流底层也就会越厚。这样一来，若其他条件相同的情况下，流体粘性越大，放热系数就会越小。 除了这些因素外，流体的热容量以及固体表面的形状甚至是固体摆放的位置，都会影响其放热的过程。所以，影响对流放热的因素有很多，它们之间的相互关系也受到各种因素的影响，所以在研究对流传热的相关实验中，这些因素都是要考虑进去的。 织品热防护性能的研究 织品热性能相关研究 1 绪论 7 虽然人们知道利用衣物等纺织品保护自己的身体不受冻伤或者烧伤已经有非常久远的历史，但是人们对于织物的热性能的研究仅仅只有半个多世纪而已。最早的关于织物热性能的研究是源于对衣物防寒保暖性能的要求 19，从此许多国家开始了相关研究，比如服装在各种特殊环境下的相关性能的研究，比较典型的是日本开展的织物气候研究以及美国致力实行的热生理研究已经成为服装热性能研究的基本内容。特别是在第二次世界大战的过程中，士兵们经历了非常恶劣的自然环境条件，人们逐渐意识到了服装热性能的重要性，并加强了对织物与外部环境关系的研究 20图 织物保暖示意图。 物保暖示意图 通过前人的研究我们知道，人体皮肤内表层有各种各样的神经末梢，通过这些生理神经末梢的作用，我们可以非常迅速的感觉到冷热情况。人体的皮肤内表层同时也布满了热感应神经元，通过这些神经元人体就能对外部热的变化做出相应的调整，使其体温尽可能的适应外部温度，若外部温度极其恶劣或超出了人体皮肤温度的调节能力范围，人体就会有不适感，其通过皮肤内表层热感神经元所感受到的冷热感应就会变差，更为严重的情况下皮肤有可能发生不同程度的损坏，这都是我们不愿意发生的。神经末梢所收到的信号基本上来源于外部环境条件的生理刺激，尤其是人体所穿着的衣物。而人体所穿着的服装衣物是介于外部自然环境和人体皮肤之间，人体皮肤和织物之间还存有微气候层即衣下空气层。这时人体皮肤内表层温度神经末梢所感受到的冷热不再是狭隘的衣物本身的热性能，这种热性能还应包括织物对外部环境的温度的抵御能力以及衣物对人体皮肤流失热量的保存能力，如果这两种能力相对较差的话，就会对我们的人体造成不适或者是伤害。由此可见织物的热性能对人体来说是非常重要的 25 织物的热传递是影响织物热性能的直接因素，所以对织物热传递性能的研究是有关服装和纺织品热性能研究的重点，并且大量的科研人员在这一领域进行了深入的研究。1 绪论 8 这些年来，关于纺织品热性能研究的氛围非常好，研究范围广并且氛围活跃，其中包括的内容主要有两个方面，其中之一是测试方法以及测试原理的探讨，其二是纺织品热传递性能的相关研究，其中就包括热传递过程中的三大因素：对流、传导和辐射，也包括模拟服用条件进行的测试与分析以及综合评价方法的研究 28。 上世纪 40 年代初，气候学以及生理学研究者赛博尔发表了一篇文章选择寒冷气候服装的原则，这篇文章从气候学以及生理学这两个方面提出了衣服的保暖和防寒原则。同样在上世纪 40 年代末，盖奇、巴才特和不诺顿提出了一个和人的心理感觉、生理参数以及环境条件密切相关的服装隔热保暖指标 克罗值（ 它定义为：在室温 21、风速为 s 以下、相对湿度在 50%时静坐的人感觉舒适时所穿着服装的隔热值为 1时人体平均温度为 33，其代谢所产生热量为 且代谢产热中有大部分的热量是以显热的形式通过人体所着服装传到外界的。 综合考虑了人体的心理感觉、生理条件以及环境温湿度和风速的条件 29等。在 1946 年，里斯和皮尔斯共同提出了用来衡量织物隔热性能的热阻单位 对于织物热性能的研究，随着新技术的不断出现，关于织物热性能的测试方法越来越多，但是不难发现，不管是这些新的或者旧的测试仪器和方法，其中还是以应用热电偶和热板的测试方法为基本思路，所以对于研究织物热性能的测试装置的设计多是以基于热平板为主的，而不同的设计来自于织物外部的条件。在织物热传递相关性能的测试方法中主要有恒温法、冷却法和热脉冲法三种。恒温法是将待测织物放置于恒温板的一侧，恒温板的其它三面均受到热保护使热板的热量不会在这三面流失，然后测试要维持恒温板温度恒定不变所需要的热量值，这样就可以测试出待测织物的传热系数以及热阻等相关参数，以此来说明待测织物的隔热性能。这种方法通过美国学者的改良已经变为了美国材料实验协会的相关标准。有很多研究者认为应该用几何形状更加接近于人身体形状的圆筒来做相关测试，这就是后来发展的暖体假人法，它们的测试原理都是类似的，不过比简单的恒温法有了很大的改进。由于暖体假人从本体的形态，关节的活动，代谢产热以及体表的温度分布和本体辐射特性等这些特征上都是非常符合人体的解剖生理特性，它能尽可能的模拟人体表面温度的分布来进行与人体有关的热学研究。暖体假人分区段来进行温度控制，并在假人内部安装上电热丝加热以使假人不同部位皮肤表面的温度维持在一定的范围，如果利用 法对暖体假人的温度进行控制，可以使相关测试的结果更为精确，然后利用功率计精确记录暖体假人在不包裹织物和在包裹织物的状态下所消耗的能量，这样就可以测试出织物的保暖率和隔热值。但是这样做会有另外一些问题，暖体假人是由圆形或者半圆形的加热体组成，而这些加热体在隔热方面不能做得很完善，所以测得的数据也会有一定偏差。而冷却法是将织物包裹住具有一定温度的发热体，可包裹其一面或者多面，包裹完后将发热体加热到一定的温度，然后让其自然冷却，待冷却后记录相关时间即发热体从一定温度冷却到另一温度所需要的时间，这样1 绪论 9 就可以通过冷却时间来表征织物的隔热性能。或者测试由织物包裹的发热体在一定的时间内所降低的温度值，这在本质上与第一种做法是一样的。在这一实验的基础上，有些研究者还在加压的条件下做了类似的实验，用以研究织物在一定的压力下通过热冷却法所测试的织物的隔热性能。另外有一种方法叫做平板法与此测试方法类似，它是将织物夹在两个温度板之间，其中一个是具有一定温度的热板，而另外一个是温度相对较低的冷板，维持两个测试板的温度不变然后用一个很薄的平板热流传感器来测试流过待测织物的热流量，这样就可以通过计算织物的热阻值和导热系数来研究相关织物的隔热性能的好坏。后来里斯将这一方法进行了改进，他是将待测试样与标准热阻一起夹在具有一定温差的热板中间，用以测量织物的温度分布并以此来计算织物材料的热阻值，但是其测试原理都是一样的。热脉冲法是通过各种脉冲器来作为加热源，因为加热器的蓄热性能所引起的测试误差比较小，所以用它来进行织物的隔热性能的相关测试所得到的数据就会更精确。在这些方法中，冷却法虽然可以比较织物的隔热性能，但是其不能确定织物的具体隔热值，恒温法不仅可以做定量的测试，还可以确定整件服装的隔热值。 英国出版社在 1949 年出版了第一本关于服装生理学的著作热调节生理学和服装科学，于 1959 年同样出版了一本服装生理方面的著作人在寒冷环境中。上世纪 60年代之后，合成纤维广泛应用，而常规合成纤维制品会使服装在穿着过程中产生闷热感，这促进了对织物导热的研究，也使服装的相关热性能日益引起人们的关注。伍德科 30, 31在上世纪六十年代提出了织物的透湿指数，并作为热环境条件下评价织物是否舒适的指标，这一观点的提出被认为是继克罗值以后，织物热性能研究领域里的一大突破。但透湿指数也有其局限性，有人曾指出，伍德克在定义这一指数时，没有考虑热辐射对织物的影响。在 1965 年，美国著名服装生理学家戈德曼将服装的透湿指数和克罗值做了结合，提出了服装的蒸发散热效能指数，并建议将其作为服装相关热性能的物理指标之一，用以研究人体着装后不适的冷热抵抗极限。丹麦教授范格于 1969 年以热阻为基础研究了服装的相关问题，并通过在美国采暖、制冷与空调工程师协会环境实验室所做的大量实验，提出了要考虑人体、服装、环境三个方面六个因素的影响，这一研究理念在 1984年变为了相应的国际标准，范格的这一贡献在空调领域得到了很好的使用。 国内也有许多研究者在已有研究的基础上利用自制的仪器对织物的热传递性能进行了大量的分析。姚穆院士、俞建勇 32都利用自制的织物热传递性能测试仪器，研究了纺织品热性能的影响因素，研究表明织物的厚度、空隙率、容重以及纤维的种类对织物的热性能都有一定的影响。陈雁分析了纺织品结构对热传递性能的影响。朱秀丽 33探讨了在冷环境下织物的保暖性，研究发现环境温度、织物厚度、含气率、材料本身对织物的热阻都有一定的影响。石宏亮 34在理论上分析了织物的传热原理，从宏观角度讲，纺织品作为空气和纺织纤维的结合体，其传热途径有对流、辐射、热传导以及伴随湿的传输而出现的潜热传递；从微观角度讲，纺织品是以声子作为载体来进行热量传导的。 1 绪论 10 织品隔热性能相关研究 在上一小节中，我们提到了关于服装和织物的相关热性能，因为随着人们对生活质量要求不断提高，具有较高热性能要求的服装或纺织品越来越受到人们的关注，加之人们日益增长的穿着高标准、多要求对服装用纺织品提出了更多更新的服用要求，所以研究织物的热性能是非常重要的一个课题。而又因为人类的工作劳动环境越来越多样化和复杂化，人们对工作服除了具有一般的服装通用性能要求外，其对工作服的特殊防护功能也提出了越来越高的要求。比如阻燃、防毒、耐高温、耐酸碱。因此研究服装或织物的热防护性能是一个新的也是迫在眉睫的课题。热防护性能是纺织品热性能中非常重要的一个组成部分，它在织物相关热性能的研究中具有很高的实用价值与科学研究价值，对于服装或织物而言热防护性能和热传递性能的研究在研究方法、测试手段以及基本思想、基本理论上很多都是相通的。所以，我们在研究织物的热防护性能时有许多东西都可以参考或借鉴织物其它热性能方面的相关研究。 在各类防护服中间，热防护服是应用最为普遍的防护服种类之一。它的作用是保护人的身体不会受到各种热的侵害，比如传导热、对流热、辐射热、高温熔融金属的溅射伤害以及热气体或者热蒸气的伤害等等。高温热防护织物不但要具有普通防护服的服用性能外，还必须能够在高温环境的条件下对人的身体进行高温防护。高温防护服的热防护性能决定于热防护服的使用环境和使用场合,其中必须包括高温和中温强制热对流环境，与此同时高温防护服的热防护性能还和热量传递的方式以及途径有关。高温热防护服可以防止辐射热、对流热、传导热等各种热的入侵，以及促进人体汗液的挥发，增进体热的散失等等。在高温环境的工作中，很多工作人员选择铠甲式工作服或者铝箔式工作服，但是这些工作服的热防护效果非常有限，而且热防护服会使人体感到闷热，所以应该正确选择高温防护服的织物层数，使其综合性能达到最好。根据这些要求，一般热防护服材料多采用层间复合的方式，其各层由外而内分别是外阻燃层、蒸汽阻挡层、隔热层以及舒适层。其中外层直接与火源接触，主要是用来阻燃以及反射外部高温环境的热辐射，蒸汽阻挡层为阻挡高温蒸汽以及其他有害物质的侵入，与此同时还能很好的使人体产生的汗水变为湿气透出体外，隔热层主要是用来隔离各种热的伤害，比如热辐射等，而舒适层是用来提供舒适的接触感，使人体在着装后不至于感到不适，如图 示为其示意图。 1 绪论 11 层织物的热防护作用 织物的热防护性能主要是用来减少热在人体皮肤上的集聚,从而保护人体皮肤不因外部环境的高温而被灼伤或烧伤,因此热防护服不仅要求它的阻燃性能好,而且更要有高强度的高温隔热性能。从传热学的角度来讲，传热主要有三种形式，即热传导、对流和辐射。由于织物是由纤维组成，这些纤维的导热系数远远大于空气的导热系数 35, 36，外部环境的热量通过织物从其一侧传递到另一侧的时候，这将要比这些热量单纯的直接在空气中传递相同的距离要滞后。由此可见，织物放置在要保护的物体和热源之间时，热量会通过上述的三种形式的综合作用传递到受保护物体。又由于织物表面纤维的作用，一部份热量会被织物反射回去；而另一部分将会被织物所吸收，并会使织物的表面温度升高，这就会使相对高温的织物表面较于其它温度较低的物体成为另外一个热源，从而将一部分热量传出去；还有一部分的热量则会透过织物表面而传递到织物的另外一侧。由于织物对热的这一系列表现，就会使织物具有了一定的隔热性能，即我们所说的织物的热防护性能。根据相关领域学者的研究，织物的隔热性能会与织物纤维的特性、织物紧度、织物厚度、体积密度、织物的表面情况、透气率等参数有关，此外还会与高温热环境的温度以及外部热的主要传递方式等因素有关系。 织品隔热性能现有测试装置和测试方法及其不足 有纺织品热防护性能测试方法 尽管织物的热防护性能测试方法多种多样，并且基于有些测试方法所得到的结果也比较满意，但诸多测试方法中主要有三种织物热防护性能测试方法 37分别为高温防1 绪论 12 护服热辐射防护性能测试方法即 试法；高温防护服热对流和热辐射混合作用热防护性能测试方法即 试法；以及高温防护服的人体模型测试法即 试法。这些主要的测试方法已经作为目前国际上通用的热防护织物的热防护性能标准测试方法使用,对应衍生的四种测试方法为： 4180， 971 和 977 以及织物热防护性能“火人”测试法。 4180，明火法测试高温防护材料热防护性能的测试方法，其具体操作为将规格为 100 100织物试样水平放置在一试样架中间，并且试样架中间开有一个 50 50小孔，有一个铜片热流计放置在绝热板内，其表面要与绝热版平面保持水平，然后用铜片热流计测试织物试样背面的温度。测试要求被测织物要暴露在焰燃烧装置所产生的对流热当中，并且火焰要与织物样品直接接触，使其到达织物表面的热流量能够有 842KW/ ，利用织物样品之后的铜片热流计检测织物的温度升高升曲线并且和 线比较来得出二级烧伤所需时间，再与暴露热量相乘，就可以得到 ，其计算公式为： t * q 式（式中： t皮肤达到二级烧伤所需要的时间。 q规定辐射热流量。 越大就说明织物的热防护性能越好，若其值越小，就表明其防护性能越差。如图 示为具体测试方法示意图。 图 4180 测试法 在测试过程中，由于织物在受热时可能会收缩，为了保持织物试样在测试时的完整性，这就需要在测试时对织物施加一定的张力来保持织物原样， 4180 标准选用了两种方法对式样施加张力，可以依照测试的需要来选择不一样的检测方法： (1)在铜片热流计的上方安置一个重量为一千克的金属块。 (2)在织物样品夹持装置上安置钢针，在测试的过程中将织物用钢针穿过，同时要1 绪论 13 保证铜片热流计的绝热版的上针孔与样品夹持装置上的钢针相吻合，这就保证了铜片热流计与织物样品背面的紧密接触。使用这种方法能够防止织物因受热而产生的收缩，也克服了放置金属块时不能使样品完全不收缩的影响。 图 971 测试法 971,建筑结构防火用防护装备热防护性能的测试方法。这种方法可以说是 4108 标准方法的一种修正版本，所以它们的测量原理以及测量方式大部分是相似的，但是其中也有些许不同之处。其中的主要不同是：在辐射热和对流热的比率上不同; 4108 方法中的 烧器提供的对流热和辐射热的比率是 3： 7，而 971 方法中则是使用两个 烧器，并且它们分别放置在与测试织物成 45 度角的位置，两个燃烧器中间则放有一排石英灯管，调节石英灯管的输入电压便可调节织物所受到的辐射热，再叠加上两个 焰燃烧器的火焰辐射热以及对流热，其可调节的火焰对流热与输出辐射热之比为 5： 5。并且两种测试方法所用的织物试样的规格尺寸不同。 971 中用到的织物试样尺寸为 150 150个织物试样夹持装置中间的开口尺寸为 100 100971 方法主要是用来测试建筑结构类高温防护服的热防护性能，并且这类防护服一般分为多层，各层按照阻燃层、热蒸汽保护层和隔热层排列，在测试时阻燃层面对热源，铜片热流计是直接安放于隔热层上，这就使隔热层和铜片热流计直接接触。一般情况下，建筑结构类防护服的 。整个测试装置的上部分与石英灯管的距离为 图 示。 977,防野火用高温防护装备热辐射防护性能测试方法。这种测试方式是将织物样品垂直放置在 1 排石英灯管辐射源之前，在规定的距离内，热辐射源对织物样品进行辐射，然后利用原理和结构都与 4108 所述测试方法相似的铜片热流计测量1 绪论 14 出造成人体皮肤二级烧伤所需要的时间，然后再计算出暴露热流量与二级烧伤时间相乘所得出的总热流量即 ： t * q 式（式中： q规定辐射热源所辐射的热流量为 或者是 2.0 ； t引起人体皮肤二度烧伤所用的时间，其单位为 s。 若 计算值越大，则表示高温防护织物的热辐射防护性能越好，若 小，则表示其热防护性能越差。 977 的测试方法一般是利用热辐射源装置，热源预热屏蔽装置，织物样品夹持装置以及绘图记录仪、铜片热流计等仪器完成测试。其中，辐射热源装置是用五根五百瓦的红外石英灯管组成以作为辐射热源，并且要求它们垂直地对织物样品进行持续辐射加热。热源热辐射量由可调变压器来进行调节，这样就能使石英灯管辐射出规定的热流量，其值为 或者 。石英灯管达到恒定的辐射热流量是需要一个过程的，在其过程当中，试样应该不受热辐射的影响，因此，在热源与织物样品之间应放置一个屏蔽装置，以此来保证试样测试的准确性。织物样品夹持装置可以将样品垂直放置在热辐射源之前，它们中间是开有长方形孔的金属板。铜片热流计置于织物样品的后面来测试透过织物的热量，从而通过绘图仪绘制出铜片热流计的温度与辐射热作用时间的变化曲线。人体皮肤二度烧伤时间由热流计温度曲线与 线相交求得，这样就能按照 的计算公式来求 。 与这些测试方法相比，“火人”测试方法能够比较全面地测试织物热防护性能以及热收缩性能，这就是前面提到的高温防护服的热力人体模型测试法即 试法，但这种测试方法规模大，操作比较复杂。“火人”是高温工作人员的人体模型，它上面的相应位置装有温度传感器，并且各个温度传感器的测试值代表了人体相应部位皮肤的表面温度，通过“火人”和高温模拟辐射热环境，再利用计算机数据采集处理以及图像处理等技术，就能对工作人员的高温防护服的热防护性能进行测试评估，这样就能切合高温防护服的特定使用情况，科学、客观、全面的描述高温工作人员的各部位的烧伤情况。 目前北卡州立大学的 人、杜邦公司的 人系统和加拿大阿尔伯特大学的”火人”测试装置能够完成“火人“测试。这些“火人”测试系统一般情况下可以比较好的对外部高温环境进行模拟，并且其模拟的热量要比实际情况下高温工作人员工作环境的热量要高一些。表 不同热环境下暴露热流量的值。 1 绪论 15 表表表 同热环境下暴露热流量的不同热环境下暴露热流量的不同热环境下暴露热流量的不同热环境下暴露热流量的值 值值 值 热源 料火 煤气爆炸 丙烷燃烧 电弧跳火 暴露热流量 150230kw/00350 kw/60 kw/于 200 kw/ 测试方法和仪器的改进 在现代社会人们对纺织品的认识已经不再局限于防寒保暖、遮衣蔽体上了，而是非常广泛的应用于航空航天、工业制造、汽车、军队等各个方面，从简单的服用纺织品发展为装饰用、产用以及服用。纺织品尤其是非织造产业的纺织品已经被用于多种行业，有些作为隔热材料或者是隔热层使用，而且耐高温纺织品在高温过滤、高温防护服以及航空航天等方面有着非常广泛的应用，因此研究织物的热防护性能有着非常重要的价值。而且织物的热性能对于织物的保暖作用、特殊领域如防护服的设计、以及各类隔热保暖材料的使用都有重要影响。 通过对前面纺织品热性能研究现状的叙述，我们可以知道，在研究高温防护服的热防护性能时，许多研究者仅仅考虑了热源温度或热辐射对防护服的影响，相关实验也是在此基础之上完成，即使有些实验考虑了对流传热对织物热性能的影响，也是非常片面的做了定性的思考，或者研究者们在仪器设计时使其能模拟的外部高温环境不是纯对流热的高温环境，而且他们所加入的对流热对服装的影响在流体温度、流体的流速以及流体热流流量上都是不可控的，而另外一些学者们只考虑了热流温度对防护服的影响而忽略了热流的流速对防护服的影响，但是这一因素对纺织品热性能的影响又是极其重要的。比如消防员在灭火时，消防服不仅仅只受到高温火焰的影响，那些火焰或者高温气体都是伴随着一定的速度从不同的方向侵袭过来，有无这种高温高速对流热流对防护服所造成的影响是完全不同的，所以在测试高温防护服的热防护性能时高温对流传热的影响因素必需做定量的考虑。下图 实验是测试在有风和无风条件下，火焰上方温度随高度的变化的示意图，如图 以知道，在有风条件下，火焰上方相同高度的温度要比在无风条件下的高很多。这一实验从侧面告诉我们，仅仅考虑无对流传热下的高温防护服热防护性能是远远不够的，也是非常片面的，要想全面评价某一织物的综合热防护性能，在强对流下织物的热防护性能必须加以单独考虑，只有这样才能全面的了解织物的热防护性能。 1 绪论 16 种情况下火焰温度对比 近年来随着新型材料地不断涌现，对其热性能的测试和研究也凸显的十分重要，因为科技水平的提高，现有的一些新型纤维发展较快，如果要知道这些新型织物的隔热性能也必须通过测试来完成，但是能够测试纺织品在具有特定对流热下的热防护性能的仪器几乎没有，这对以高温防护服热防护性能研究为基础的相关测试和能够真正测试在特定对流热情况下织物的热性能的研究造成了一定的困难。因此，亟需一种能真实的模拟出各种强对流高温环境，并能测试织物热防护性能的测试仪器。针对上述存在的问题，我们的目的是提供一种能模拟真实强对流高温环境并在此环境下测试织物热防护性能的仪器，以满足现阶段对相关织物热防护性能研究的需要。 2 测试强对流下织物热防护性能仪器的研制 17 2 测试强对流下织物热防护性能仪器的研制 现有的对高温防护服热防护性能的测试方法和测试仪器只能测试纺织品在辐射热下的热防护性能或是在辐射热和对流热混合作用下的热防护性能，还有一些仪器在测试过程中只考虑了对流传热中热流温度或热源温度对高温防护服的影响而没有考虑对流传热中携带热量的高温流体的流速对防护服隔热性能的影响。但是经过实验证明，对流传热中携带热量的流体的这两个因素即流体温度和流体流速对纺织品隔热性能的检测非常重要，并且能使对相关织物的检测效率大幅度提高，它能在很短的时间内测试出某一织物热防护性能的好坏。但是现在能够产生可控制的外部强对流测试环境的织物隔热性能测试仪器还没有，基于以上情况，本章所设计的仪器能够测试织物在各种可控强对流环境下的热防护性能，并会从该仪器的基本结构到组成该仪器的各个硬件功能模块、软件模块一一作详细介绍。 器介绍 本仪器的基本结构示意图如图 示： 图 示的仪器是一种测试强对流下织物热防护性能的仪器。该仪器是由绝热底座、热流发生器、隔离套、表面模型、支撑架、温度传感器以及控制系统、 统等组成。 该仪器各部分结构关系如图 示，隔离套能够活动地插接在热流发生器一端，2 测试强对流下织物热防护性能仪器的研制 18 热流发生器与绝热底座之间使用螺栓连接，热流发生器在安置完毕后是位于隔离套里面的，隔离套另外一侧是开放式的系统，同时表面模型通过支撑架水平放置于热流发射器出风口的位置。温度传感器分别设置在隔离套中以及表面模型和待测织物的相应测试位置上，温度传感器和热流发生器分别通过导线外接在控制系统上，并且热流发生器还与统相连接用以准确的控制热流发生器所产生的热流温度和热流流速。 在这些结构组成中，隔离套将测试环境和外界环境相隔离，用以保护测试环境的稳定。该仪器中所使用的热流发生器是由加热装置和风机共同构成的，并且这些加热装置使用的是电加热器。表面模型是具有不同形状的模型块，比如圆形表面模型、筒形表面模型以及方形表面模型等。 这种测试强对流下织物热防护性能的仪器，针对目前在研究纺织产品的热防护性能中忽略了热流流速以及热流体温度对纺织品影响的问题，采用的热流发生器能够根据不同的要求产生特定流速和温度的热流以模拟真实强对流高温工作环境用以测试纺织品的热防护性能，热流发生器所产生的热流的温度以及流速是通过 制系统来实现的。在测试时，根据测试模型的需要，不同形状的表面模型是被织物所覆盖的。温度传感器设置在待测织物的上表面和下表面用以监测待测织物外表面和内表面的温度情况，若待测织物为多层，则在待测织物的层与层之间设置温度传感