旅客列车新型卧具研究-卧具材料的评价研究

现代旅客列车的新型卧具研究铁路旅客列车现阶段仍然是人们出差、旅游观光的主要交通工具，因而也就成为人民铁路体现社会文明、以及铁路系统职工精神风貌、优质服务的一个然而，长期以来，我国旅客列车的卧具备品大部分仍使用传统的保暖材料和普通面料制成的棉被、棉褥、毛毯或废毛毯剪裁成的毛毯褥及荞麦皮芯枕头等。由于毛毯和棉絮等自身存在着易霉、易虫蛀、吸土性强以及洗涤困难的缺点，致使它们在存储过程中必须投入大量的人力、物力进行防霉、防虫蛀处理；又因直接洗涤困难等原因，所以目前旅客列车卧具的卫生条件极为不佳。另外，棉絮的抗拉强度差，膨松度不好，在使用过程中板结和滚包的现象严重，从而使其舒适性、保暖性下降。枕头为荞麦皮芯所制的，既召土又召鼠，因而既不能满足广大旅客对其舒适性的要求，同时也很难减轻铁路系统乘务人员的劳动强度，更不易达到现代旅客列车备品标准化的要求，故实有必要尽快对其进行改革.特别是当前我国综合国力进一步加强，人们物质文化生活水平有了进一步的提高，旅游观光已成为人们享受生活的一种主要方式，因而豪华列车不断增多的情况下，上述现状必将极大地限制了我国铁路部门客运服务上档次、上质旅客列车卧具改革主要是充分利用国内外关于保温材料及其功能性的研究成果，在充分考虑铁路运输的自身特点的基础上，选择出可以替代现行的列车卧具的保暖材料，设计出结构合理的新型列车卧具，以使其能够达到舒适、保暖、易洗涤、防霉、防虫蛀和保健性能等功效，真正地使我国铁路的客运服务上质量、上水平，使人民铁路为人们的宗旨得以体现。同时也使其成为表现人民铁路文明风尚、优质服务的一个窗口。本论文旨在通过对新型保暖材料的保暖性能进行试验对比，确定旅客列车新型卧具应该采用的新型保暖材料；并通过探讨，确立在可变环境条件(温度)下，人体感到舒适时所需要的保暖量与外界环境条件之间的相互关系，建立起环境(温度)--人体--材料体积重量间的联系，为铁路部门旅客列车新型1织品这种新型保暖材料有一个更深刻的、更全面的了解。一、新型的旅客列车卧具材料---远红外棉产品(一)远红外纺织品虽然，关于远红外纺织品目前还没有一个权威性的定义，但一般是将具有以下特征的纺织品称为远红外纺织品，即：某类纺织品具有吸收太阳光线中的大部分能量，并将其储存，然后再以远红外线的形式辐射出去的能力.我们知道，自然界中任何物体在绝对零度以上时都能够向外界辐射能量.不过其辐射能力的大小、辐射能量的分布却会因该物体种类的不同而有所不同。物理学研究表明，在化学元素周期表中的第四族过渡元素的金属碳化物或氧化物受到光照以后，其辐射红外线的能力好。譬如碳化锆(ZrC)、二氧化钛(TiO₂)、氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)等，见图一，这类物质就是俗称为陶瓷粉的物质，而由这类物质制成的纺织品就是所波长/um图(1)无机物微粉的远红外发射率曲线其中：A--Al₂O₃B--MgOC-ZrO₂D--Z资料来源：《纺织高校基础科学学报》第八卷第1期远红外纺织品的种类很多，但是根据其远红外物质加入的方式的不同，远红外纺织品可分为两大类，一类是纤维加工法制成的远红外纺织品，即在化学2间辐射着包括红外波段在内的电磁波.其中0.76-1000微米波长段的电磁波称长(λ)和温度(T)3从式(1)中可以得出以下几点结论：a、一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间辐射着电磁波；b、辐射的能量随着物质的温度升高而增大；c、辐射波峰值波长随温度升高而向短波方向移动.2、太阳光谱及人体对红外线的吸收我们知道，太阳是一个巨大的热体，表面温度可达6000K,是一个辐射体.它能够以各种不同的波长形式将其能量辐射到地球表面上.但是，太阳光线的能量在其整个波长范围内的分布是不均匀的，其能量峰值位于波长0.6微米附近，其中波长0.3-2微米范围内的光线能量占太阳总辐射能量的95%以上，即太阳辐射的光线中，大部分能量是集中在可见光和红外线区域内的。人体是一个有机体，人体内部包含着大量的水分，约占人体总质量的70-80%。同时人体本身又是由许多复杂的有机分子构成的，不停的新陈代谢以维持人体的正常体温，使得人体不仅是一个可以发射红外线的热体，而且根据基尔霍夫定律又是一个能够吸收红外线的吸收体。由于水占据人体的绝大部分，因而其吸收光谱近似于水的吸收光谱。水分子的振动波长约为8-12微米，即8-12微米的红外辐射能与水分子产生共振。同时，人体有机组织中的O-H和C-H键伸展；C-C、C-C、C-0、C-O键以及C-H、0-H键弯曲振动对应的谐振波长也是大部分在3-6微米波长范围内的.所以，当有某种物质能在常温下辐射出波长在2-20.2微米范围内的红外线，那么这部分由红外线负载的能量就能引起人体内的共振而将其吸收.研究表明，具有这类性质的物质，在自然界中是很多的。根据维恩“最大强度的辐射波长与绝对温度成反比”这一位移定律及普兰克黑体辐射分布表达式，可知在37C左右时，绝大多数的物体发射的红外线均为远红外线，只是其波长范围、能量分布及辐射能力存在一定差异而已。实践证明，利用陶瓷材料可以制成近似黑体辐射特性的物体，因而是一种比较理想的常温高效远红外发射体。3、陶瓷材料的特性陶瓷材料是一些金属和非金属的氧化物、碳化物、氮化物或金属的硫酸盐、碳酸盐等，它们具有一些特殊的物理、化学性质，如下表所示。4部分无机物微粉的物理、化学特性颜色二氧化钛微粉TiO₂白吸收紫外线氧化锌微粉白吸收紫外线、抗菌二氧化钛锡TiO₂-SnO₂青白碳化锆灰黑发射远红外、高硬度氧化铝Al₂O₃白发射远红外、高白度碳化硼B₄C黑发射远红外、吸中子氧化镁白高热传导性研究表明，这类物质当被光照射时可吸收光波中0.6ev以上的高能量的光波(相当于波长2微米以下的光波),并将其转化为热能，而对低能量的光波(波长2微米以上),吸收较少。同时在常温情况下，这类物质可辐射出波长为8-12微米的红外线，这是因为组成这类物质的金属的最外层电子轨道上都具有不饱和的电子结构，因而当它们吸收外界能量后，外层电子很容易产生电子在其能量轨道上的跃迁，从而发射出辐射光线，故它们的辐射能力较强。图(1)就为几种常用陶瓷材料的比辐射率。很显然，利用这种物质(陶瓷粉)可以制作成高效红外辐射体。尤其是这些特殊物理、化学性质的无机物微粉，既可以单独使用，也可以添加在成纤聚合物中制成具有特殊性能的新型纤维，例如当添加氧化镁、三氧化二铝和氧化锆等具有优良的辐射远红外线性能，添加碳化锆同时具有良好辐射远红外和近红外性能及具有较高的远红外反射率的微粒于聚酯中，即可制成远红外线纤维和蓄热保温纤维。1、蓄热保温性能图2为碳化锆等元素周期表中第四族过渡金属元素碳化物对光的反射率.将碳化锆和三氧化二铝粉末分别装入玻璃容器中，用中心波长为1微米的灯光照射并测定玻璃容器表面和内部温度。图3为玻璃容器内粉末温度的试验结果.可见，灯光照射后，碳化锆的温度迅速上升，熄灯后仍能蓄存一定热能.5波长/um第八卷第1期时词(分)图(3)玻璃容器内粉末温度的比较第四卷第1期1995年织物表面和里面的温度，得到如图4所示的结果。碳化传除层专(1(m³)图(4):碳化锆涂层织物涂层量与织物表面温度的关系资料来源：《天津纺织工学院学报》第四卷第1期1995年显然，经碳化锆涂层处理的织物具有良好的吸光性，涂层量在2g/m²以前，吸光蓄热性随涂层量的增加而迅速增强；在2g/m以后，涂层织物的表面温度随涂层量的变化减少。由此可见，远红外物质对于可见光和远红外光线具有吸收和转化之特性，用其制成远红外纤维，乃至远红外纺织品，其保暖机理将完全不同于经典的纺64(凡;ymm)2、医疗保健功能4(凡;ymm)从医药学的角度来看，人体本身是一个生物体，但同时人体又是一个天然的红外辐射源，无论其肤色如何，人体皮肤的红外线的比发射率均为0.98。图5(a)为人体发射红外线的波谱分析.第11期1994年从图中可以看出，人体表面的热辐射波长在2.5-15微米的范围内，峰值波长约在9.3微米处，而其中8-14微米波段的辐射约占人体总辐射能量的40%,这样，根据基尔霍夫定律，人体既然可以发射一定波长的远红外线，因而必定也可以吸收这一波长范围内的远红外线，而使其自身温度升高。研究表明，远红外辐射是借助于热量传导及人体内血液循环的方式而将所吸收的热量传递到人体深部组织的，因而，一定时间过后，人体皮面温度和皮下组织的温度将趋于一致。研究还表明，当用不同波长的红外线辐射人体的各个部位时，都会产生生理热效应，结果使人体组织温度升高，血管扩张，血流加速，局部血液循环得到改善，这对人体改善体内微循环是大有益处的。另外，人体的衰老、肿瘤的发生、高血压、糖尿病及许多心血管等疾病，主要都是体内微循环障碍所致，所以微循环功能的正常与否，是人体健康状态正常与否的重要标志。血流加速程度和持续时间与红外线辐射作用时间长短、程度有关的这一事实表明，红外线辐射对人体疾患具有治疗作用，特别是在临床上有着很高的应远红外织物所产生的远红外线中的4-14微米波长段的红外线最易被人体吸收；远红外线通过热效应形成保健理疗之功能，促进伤口愈合和炎症收缩；7红外线作用降低末梢神经的兴奋性等，这些均表明，开发远红外线织物产品，用于人民的物质生活中，改善生活质量，是大有可为的.3、抗菌作用远红外纺织品因为能够辐射远红外线，因而可以促进人体内的血液循环，改善体内的内环境；与此同时，对细菌也有一定的抑制作用。以下为无锡市卫37℃培养箱金黄色葡萄球菌远红外样品菌种对照样菌数42×10⁸由表中数据可以看出，远红外纺织品对白色念球菌具有很高的抑菌作用；对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌也有一定的抑菌作用。同时，由于内衣和被服材料直接与人体的皮肤接触，而人体是有机体，因新陈代谢和所接触的外界环境，无不时刻产生着各种细菌，其中又以白色念球菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为主要成份，故利用远红外纺织织物来制作内衣和被服材料以保证人体的二、新型卧具的保温性能研究人体新陈代谢产热量的大部分是通过人体皮肤散发到外界环境中去的。散发热量的途径主要有三种，即：传导、对流和辐射。其中，传导是发生在人体皮肤表面或皮肤表面所形成的内环境中，这部分的散热是不可感知的89名称类别厚度(mm)单位体积重量平均值蓬松度12345平均ABCDE表2:丙纶远红外纤维絮片的单位体积重量名称类别平方米重(g/m)单位体积重量平均值膨松度12345平均ABCDEFG4.0334.4444.0264.1824.5484.1234.2654.2124.3164.1874.091HI4.7864.6704.7134.6694.6914.7054.4414.5274.3684.4004.4864.4444.7634.6734.6874.6644.6674.691表3:涤纶远红外纤维絮片的单位体积重量名称类别重(g/m)单位体积重量平均值膨松度12345平均ABCDEF2、保温性能本试验依据标准FZ/7600B-93,所用试验仪器型号为东芝，试验板面积为0.0225M²,试验板温度为36℃,仪器功率为10KW普通涤纶纤维絮片的保温性能类别加热时间(秒)试验时间(秒)罩内温度传热系数422.010.13051020.13423030.1308200.131850123123123123涤纶远红外纤维絮片的保温性能加热时间(秒)试验时间(秒)罩内温度传热系数123123123123123123123123123123丙纶远红外纤维絮片的保温性能类别加热时间(秒)试验时间(秒)罩内温度(度)传热系数422.010.10137020.12725530.1173350.115320422.010.16027020.16244030.1619750.161562422.010.16275020.18135030.1782500.174120422.010.2109554.74020.2067704.83630.2180854.5850.2143134.666419.010.25079020.28458030.2867500.274040432.010.25544020.26334530.2501700.2563201231233、被服材料的保温性能及其评价(1)实际厚度、表观厚度纺织材料的热阻R与其导热系数K值之间的关系可以用如下式子表示：R=D/K由于各种纺织材料的导热系数K值是基本不变的，因此纺织织物的热阻R近似地与其厚度D成正比关系，故厚度的大小决定了纺织织物的保暖能力.但根据试样厚度计算得到的各种纺织材料的热阻差异是很大的。实测结果表明，随着非织造织物膨松度的降低，其导热系数(导热率)是降低的。下图6表示了在高膨松非织造织物的体积密度范围内(含纤维量不超过十分之一)导热系数随着其体积重量的增加而降低图(6):非织造布导热系数与体积密度之间的关系资料来源：《中国纺织大学学报》第二十一卷第4期1995年显然试验结果的趋势与纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm³范围内时导热系数为最小的一般结论是完全一致的。这反过来说明，试验测得的材料厚度值不足以反映材料的隔热性能。这里不妨将这一厚度称为表观厚度(非织造织物材料在一定压脚压强下测得的厚度),而将由公式R=D/K计算得到的材料厚度称之为实际厚度。实际厚度摒弃了非织造织物材料在结构上的不同，具有理表观厚度越大，材料传热量越小，其热阻越高，即保暖性越好.(2)高膨松性非织造纤维织物的平方米重与其热阻(a)普通涤纶纤维絮片的平方米重与其热阻的关系(b)涤纶远红外纤维絮片的平方米重与其热阻的关系(c)丙纶远红外纤维絮片的平方米重与其热阻的关系从以上3个图中可以看出，就普通涤纶纤维絮片、丙纶远红外棉纤维絮片和涤纶远红外棉纤维絮片而言，在其体积密度差别不大的情况下，热阻值随其平方米重的增重而呈增高的趋势；但是对于同一平方米重的纤维絮片，它们间涤纶远红外棉纤维絮片的热阻>丙纶远红外棉纤维絮片的热阻>普通涤纶纤维絮即：含有远红外物质的纤维絮片，其保温性能优越于不含远红外物质的纤维絮片；而同含远红外物质的涤纶远红外纤维絮片与丙纶远红外纤维絮片的热阻，由于前者的体积密度小于后者，其中含有较多的静止空气，故相对的又要但是，从曲线分布的趋势来看，在絮片体积密度一定的情况下，其平方米重增加到一定的程度后，由于絮片中静止空气层状态被破坏，致使对流传热量由于最大静止空气层的厚度约为1cm左右，而高膨松非织造织物在0.03-有最大热阻时的平方米重为G:G<0.06×1000t=0.06×1000×10=600(g/m³)(3)高膨松性非织造纤维织物体积重量与其热阻(a)普通涤纶纤维絮片的体积重量与其热阻的关系(b)涤纶远红外纤维絮片的体积重量与其热阻的关系(c)丙纶远红外纤维絮片的体积重量与其热阻的关系从以上3个曲线中，我们可以看到，普通涤纶远红外纤维絮片、普通涤纶纤维絮片和丙纶远红外纤维絮片的热阻随其体积重量的增加而增大，这是因为试验所用材料的体积密度均小于0.06g/cm³,在这个范围内，高膨松非织造织而就同一体积密度的这三种纤维絮片来说，丙纶远红外纤维絮片和涤纶远红外纤维絮片的热阻高于普通涤纶纤维絮片的热阻。这说明含有远红外物质的纤维絮片比不含有远红外物质的纤维絮片的保温性能要好。显然，这与远红外这三个曲线图形还显示出，对于都含有远红外物质的丙纶远红外纤维絮片与涤纶远红外纤维絮片，前者的隔热能力又相对地好于后者，原因可能与纤维的比重有关，丙纶纤维的比重小于涤纶纤维的比重，因而同一体积密度下，前(一)空气的热阻我们知道，在诸多的隔热物质中，由于空气的导热系数最小，因而其隔热才能表现出这种强大的隔热能力。下图表示了被限制在两个平面之间的静止空气层厚度与其隔热值之间的关系值图(6):夹在两板之间空气层厚度与隔热值的关系从图中可以看出，当空气的厚度小于0.5cm时，空气的热阻将随其厚度的随其厚度的增加而呈下降趋势，这是由于此时，空气间热量的对流作用开始活为了从数量上计算出空气的热阻，根据式(3-2),我们假定空气的热阻可以用Ia来表示，这样当我们得知高膨松非织造纤维絮片的表面温度(Tb),环境周围空气的温度(Ta)以及通过此絮片的非蒸发量(Hcr+c))时，则空气的热阻就可以表示为：Ia为空气的热阻，单位t.hr.m²/kcal.V为高膨松非织造纤维絮片所处环境中的风速(cm/sec)式(3-3)显示出，空气层热阻Ia是外界环境因素气温(Ta)和风速(V)的函数。这里风速(V)对空气的热阻的影响尤为突出，因为它对空气边界层厚度的影响最为显著.通过改变边界层内的空气的流动速度及层流状态而改变层与层间的传热作用，从而使空气边界层的阻热能力降低。下图就为室温25℃时，风速(V)与空气边界层热阻(Ia)之间的关系曲线图。值图(7):风速与空气边界层热阻之间的关系致的，这样：式中：T₄为外界环境的温度(心)H(+e)=H+e)=H+e)₂于人体代谢产热量(M)的25%,为此，从人体代谢产热量(M)中扣除这将式(3-9)代入式(3-8)中，有：式(3-11)即为睡眠静卧状态下，人体保持温暖舒适所需被服材料的总热阻与外界环境(温度Ta、风速V)的函数关系式。例如在运行中的旅客列车(三)几个需要说明的问题被服式样、结构以及人体静卧时的姿态，由被服两端、尤其是人体头部所在的一端所造成的人体热量散失是一个不可忽略的问题，它对被服内、人体四周的这种“烟囱”效应对被服内的内环境的影响程度尚缺乏必要的认识，故有待于进一步的研究、探讨.如果考虑到“烟囱”效应所造成的这部分热损失，则式(3-11)可以修正为：(3-11)’(2)由于各人的体质的差别，老、幼；男、女；强壮、瘦弱等的不同(3)根据我国旅客列车在乘坐旅客列车时的特点，他们中的绝大部分在列车中静卧时，是穿着一定件数的衣物的，这些衣物对其本人起到了一定的保温作用，相应地减少了对被服材料热阻的要求。这在公式(3-11)中没有给五、关于旅客列车新型卧具的思考正如序言中所说，我国旅客列车的卧具备品长期以来一直使用传统的保暖材料棉被、棉褥、毛毯及废毛毯剪裁成的毛毯褥等，这些保暖材料易霉、易虫蛀、吸土性强，同时洗涤又比较困难，因而致使目前的旅客列车卧具卫生条件极为不佳，很难满足广大旅客日益增长的对卧具备品卫生性能和舒适性能的要求，并进一步妨碍了我国铁路客运服务的上水平、上质量.卧具的基本功能是它的保暖性，所以，旅客列车卧具的改革就是要充分利用国内外关于保暖材料及其保暖功能的研究成果，在充分考虑铁路运输的自身的特点基础上，选择出可以代替现行旅客列车卧具的保暖材料，设计出结构合理的新型旅客列车卧具，以使其达到舒适、保暖、易洗涤、防霉、防虫蛀等性能。真正使我国的铁路客运服务达到一个新的水平.长期以来，提高纺织织物保暖性的途径主要有两种，一种是尽可能地采用导热系数小的纤维材料，但由于各种纺织材料的导热系数相差无几，故在这方面有所突破的见报较少；另一种是综合考虑热传递的三个方面的因素，尽可能地设计出一种溶空气、纤维为一体的混合式结构，并使该结构中的静止空气含量达到最大。棉絮、化纤絮片、无纺织布保暖材料、中空纤维、太阳绒等，其设计思路都是基于这一原理的具体运用，只是所采用的方法和手段不同而已。如果最大地利用静止空气来达到隔热保暖的目的，卧具的体积势必庞大；同时，又因纤维及空气的隔热能力、静止空气的含量都是有一个极限值的，故由此获得的卧具的最高保暖能力只能局限于某一水平上。在众多的传统卧具隔热保暖材料中，值得一提的是太阳绒产品和太空棉产品。这两种产品构思新颖，保暖效果也比较好.其中，前者是以纯羊毛或其他合成纤维为原料，依据双层玻璃窗的保温原理，将所用纤维植入两层或两层以上的高分子膜中，让充分膨松的纤维置于薄膜封闭的空间中，纤维材料间的空间而转化为气囊。由于气囊的保温性高出纤维数倍，同时，薄膜具有镜面反射的功能，这样就形成了空气对流的阻挡层、导热系数低的空气和纤维的传热层以及对人体红外线有镜面反射作用的反辐射层，变纤维单一隔热保温为气囊、纤维、反射三位一体的群体保温，从而大大增强了结构的隔热保温效果。但由于在太阳绒结构中衬入了两层或两层以上的不透气薄膜，因而使其透湿、透气的能力受到很大的影响，降低了它的服用舒适性能。而后者是将在真空条件下由铝升华而成的铝蒸汽凝聚在基布上，形成一薄层铝膜，再将有铝膜的基布与弹力絮绒絮片相复合而制成.这样，织物中的铝膜能把人体散发出的热量反射给人体，并能防止外界环境中的冷空气的侵入；同时，由于铝膜在与絮绒絮片复合时设计有微型小孔，使整个结构具有一定的通气性能，从而使人体处于较为舒适的状态中。很显然，太空棉卧具产品可以很好地阻止热传递中的辐射热的散失，然而，当人体静卧时，体温是下降的，此时热传导是人体热量散失的主要方式，故，即便发挥了最大的反射作用，此时太空棉保暖效果也并不比一般的无纺织织物的保暖效果明显。况且，铝膜的保暖作用还要受到以下两个因素的制约，一是被服内环境中的湿汽会在结构中的铝膜表面冷凝，从而造成人体的冷感或不舒适感：二是铝膜的导热系数大大地高于纤维材料的导热系数，易形成较大的热传导损失。所以，太阳绒产品和太空棉产品用作卧具材料并不是十分理想的。综上所述，无论是棉絮、毛毯、毛毯褥还是太阳绒、太空棉等保温材料，其保暖的实质都是基于尽量避免欧减少人体的热量损失，即所谓的隔热保暖，这是一种消极的保暖方式。相反，远红外棉产品，由于可吸收光波中0.6ev以上的高能量光波，比将其转化为热能进行储存；同时在常温下，它还能够辐射出波长为8-12微米的红外线，从而使得人体产生温热效应，故其保暖原理完全不同于前者，这是一种积极的生热保暖方式。正因为如此，为减少人体的散热量，卧具对静止空气的最大要求也可以适当降低，被服的体积、厚度同时相应减少，从而改变了传统被服在人们心目中的臃肿、笨重的形象，为人们的生活起居提供了便利.而这一点，对于流动性很大的旅客列车来说，则又是必不可少的。远红外棉高膨松性非织造纺织品，由于其远红外物质所附着的纤维基质材料的不同，其保温性能也有一定的差异.目前，远红外棉高膨松性非织造纺织品主要有两种：涤纶远红