第六章讲稿1PPT幻灯片课件.ppt

1、第六章 纤维的热学性质 主要问题： 纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质 纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态特征 纤维的物质的热物理性质（Thermo-physical properties）包括热输运性质（传质与热传导性质）和热力学性质两大类。 纤维材料的热辐射防护性能：热光性能；燃烧性质 热分析技术：（ DTA、DSC、TMA、DMA、TG技术）。 纤维材料的热加工与定形理论与机理,1,第六章 纤维的热学性质 涉及章节与重点： 1. 纤维的热力学状态与性质 （热力学状态与转变；Tg与机理；其他转变形式与机理） 2. 纤维的热物性质 （基本概念；热传导机理、参数与方程

2、；纤维导热机理） 3. 纤维的燃烧性质 （纤维燃烧性；燃烧机理与过程及其表征；因素与阻燃） 4. 纤维的热分析技术 （基本方法；典型应用方法） 5. 纤维的热定形 （纤维定形概念；基本原理与机制；纤维定形方法）,2,第一节 纤维的热力学状态与性质 本节将对纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质作基本叙述。,3,第一节 纤维的热力学状态与性质 一、纤维的热力学状态与转变 1非晶态高聚物的热力学状态与转变 对一非晶态高聚物试样施加一恒定而较小的应力，在等速升温的环境下观察试样形变与温度的关系，可得图6- 1中所示的曲线。通常称为温度-形变曲线或热机械曲线。 根据试样的力学性质随温度变化的

3、特征，可以把非晶态高聚物按温度区域的不同，划为三种力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态。并相应地形成两个转变区：玻璃化转变区和粘弹转变区。三种力学状态及两种转变区的特征是非晶态高聚物内部分子处于不同运动状态的宏观表现。,4,一、纤维的热力学状态与转变 1非晶态高聚物的热力学状态与转变 （1）玻璃态：链段处于被冻结的状态，只有那些较小的运动单元，如侧基、支链和小链节等能够运动。 （2）玻璃化转变区：是非晶态高聚物材料对温度十分敏感的区域。在3-5范围内，几乎所有性质都发生突变（如热膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等）。从分子运动机理看，在此温度范围，链段开始解冻，即链段运动被激发。此转变的温度称为

4、玻璃化温度，通常用Tg表示。 （3）高弹态：链段的运动，改变构象以适应外力的作用。受力时，分子链在力场作用下可从卷曲状态变到伸展状态，外力除去，分子链又可通过单键的内旋转和链段运动回复到原来的卷曲状态。高弹性的模量为105107 Pa，比普弹性的模量（10101011 Pa）小得多；形变可达100-1000%，比普弹形变（0.01%0.1%）大得多。,5,一、纤维的热力学状态与转变 1非晶态高聚物的热力学状态与转变 （4）粘弹转变区：也是一个对温度十分敏感的区域，链段可沿作用力方向协同运动。这不仅使分子链的形态改变，而且导致大分子链段在长范围内发生相对位移，聚合物开始出现流动性，模量迅速下降2

5、个数量级，形变迅速增加。此转变温度称为粘流温度，用Tf表示。 （5）粘流态：在这种状态下，不仅链段运动的松弛时间缩短了，而且整个分子链移动的松弛时间也缩短到实验可观察的时间尺度。这时高聚物在外力作用下会发生粘性流动，它是整个分子链互对滑移的宏观表现。这种流动与低分子液体流动相似，是不可逆的变形。高聚物的分子量越高，分子间作用力则越大，分子的相对位移也越困难。分子间有化学键交联的高聚物，由于分子不能发生相对位移，因此无粘弹转变区和粘流态。,6,一、纤维的热力学状态与转变 2晶态高聚物的热力学状态与转变 对于晶态高聚物，宏观上无明显的玻璃化转变，其温度形变曲线在熔点以前不出现明显的转折。 由于晶态

6、高聚物通常为存在非晶区的两相结构，因而存在Tg。在较少结晶的高聚物中，微晶体起着类似交联点的作用，这种试样仍然存在明显的玻璃化转变；当结晶度足够大时，微晶体彼此衔接，形成贯穿整个材料的连续结晶相，玻璃化转变消失。 结晶高聚物的晶区熔融后，是不是进入粘流态，要视试样的分子量而定。如果分子量不太大，非晶区的粘流温度Tf低于晶区的熔点Tm，则晶区熔融后，整个试样便成为粘性的流体；如果分子量足够大，以致于Tf大于Tm，则晶区熔融后，将出现高弹态，如图6- 2所示。,7,一、纤维的热力学状态与转变 3纤维高聚物的热力学状态与转变 就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化改变的规律，有两种类型： （1）热塑

7、性纤维：大多数热塑性纤维，如各种合成纤维和醋酯纤维等，其内部有结晶部分，但结晶并不完整，存在很大的非晶态区域。这类纤维在受热以后，随着温度的提高，将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态三种物理状态，其热力学行为与晶态高聚物相类似。 （2）非热塑性纤维：如天然和再生纤维素纤维和天然蛋白质纤维，在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理状态的变化过程，有的的熔点高于分解点，在高温作用下，不熔融而分解。,8,二、纤维高聚物的玻璃化转变 纤维高聚物在玻璃化温度时，很多性质都发生非连续性的或转折性的变化。特别是力学性能，初始模量改变34个数量级，使坚硬材料，突变为柔软弹性体，完全改变了材料的使用性能。因此，

8、玻璃化转变是纤维高聚物的一个非常重要的性质，研究玻璃化转变具有重要的理论和实际意义。 1玻璃化温度的测量 （1）体积变化测量：体积或比容随温度变化如图6-3所示。 （2）热学性质变化测量：热容变化（DTA）和（DSC）。 （3）力学性质变化测量：力学损耗温度曲线（图6- 4）。 （4）电磁性质变化测量：介电损耗温度谱。 必须指出，不同性质的改变所测出的玻璃化温度常不相同。纤维的玻璃化温度见表6- 2。表中括号内的值为不同试验结果的报道，玻璃化温度Tg约为熔融温度Tm的1/2 (以绝对温度计)。,9,二、纤维高聚物的玻璃化转变 2玻璃化转变理论 对于玻璃化转变现象，至今尚无完善的理论可以作出完全

9、符合实验事实的正确解释。已经提出的理论有很多，但主要的有三种：自由体积理论、热力学理论和动力学理论。 自由体积理论认为液体和固体物质，其体积由两部分组成：一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未被分子占据的体积，称为自由体积。后者以“空穴”的形式分散于整个物质之中。正是由于自由体积的存在，分子链才可能通过转动和位移来调整构象。因此，玻璃化温度就是自由体积达到某一临界值的温度。在这临界值以下，没有足够的空间进行分子链构象的调整，因而高聚物的玻璃态又被视为等自由体积状态。,10,二、纤维高聚物的玻璃化转变 3影响玻璃化温度的因素 玻璃化转变是高分子的链段从冻结到运动（或反之）的一个转变

10、温度，而链段运动是通过主链的单键内旋转来实现的，因此，凡是能影响高分子链柔性的因素，都对Tg有影响。 （1）主链结构：主链由饱和单键构成的高聚物，由于分子链可以绕单键内旋转，链的柔性大，所以Tg较低。当主链中含有苯环等芳杂环时，使链中可内旋转的单键数目减少，链的柔性降低，因而Tg升高。 （2）侧基或侧链：侧基是极性基团时，由于使内旋转活化能增加，因而Tg升高。若侧基是非极性基团，其影响主要是空间位阻效应，侧基体积越大，对内旋转阻碍越大，使Tg升高。具有大侧链的材料，也有较低的Tg，是因为分子间作用力减弱和侧链柔顺性好的缘故。,11,二、纤维高聚物的玻璃化转变 3影响玻璃化温度的因素 （3）分子

11、量 ：当分子量较低时，Tg随分子量增加而增加；当分子量超过一定程度以后，Tg随分子量增加就不明显了。这是因为在分子链两端各有一个链端链段，这种链端链段的活动能力要比一般的链段来得大。分子量低，链端效应越高，分子量大，链端的比例少。当分子量增加到一定程度以后，这种链端链段占的比例很小，因此Tg不再随分子量变化。 （4）交联：当分子间存在交联时，链段活动能力下降，Tg升高。交联点密度越高，Tg增加越甚。 （5）混合、接枝及共聚：混合高聚物中的两种成分相容时，表现出单一材料的性能。例如，聚丙烯酸甲酯和聚醋酸乙烯酯的Tg分别为15及45，50:50混合聚合成的材料，Tg为80。当两种高分子在混合体中不

12、相容时，则可观察到两个玻璃化转变，分别接近于两种高分子材料的玻璃化温度。,12,二、纤维高聚物的玻璃化转变 3影响玻璃化温度的因素 （6）增塑剂的作用：增塑剂的分子量低，加入高分子材料中使材料的柔软度增大。增塑剂溶于高分子材料中间，会使分子链间作用力减弱，因此材料的Tg下降，并且使损耗峰变宽。在增塑剂局部溶解于高分子材料或与高分子起作用时，更为显著。 （7）结晶的作用：晶态高聚物中通常都存在非晶部分，因此仍有玻璃化温度，但是由于微晶的存在，使非晶部分链段的活动能力受到牵制。一般晶态高聚物的Tg要高于非晶态同种高聚物的Tg，例如，无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯的Tg=69，而结晶度为50%的结晶聚对

13、苯二甲酸乙二醇酯的Tg=81，并且随结晶度的增加Tg也增加。另外，当结晶度足够大时，微晶体彼此衔接，非晶部分链段的活动难以进行，宏观上将觉察不到明显的玻璃化转变。,13,三、纤维高聚物的多重转变 1. 非晶态高聚物的多重转变 对于非晶态高聚物而言，在玻璃化温度以下，尽管链段运动被冻结了，但是多种小尺寸的运动单元仍能运动，因为它们运动所需要的活化能较低，可以在较低的温度下被激发。自然，随着温度的升降，这些小尺寸的运动单元同样也要发生从冻结到运动或从运动到冻结的转变过程。如图6- 6（a）所示，非晶态高分子材料的典型动态粘弹谱图中，除玻璃化主转变之外，在低于Tg的范围内，还存在许多小的转变。一般将

14、玻璃化转变称为主转变，用代表，而将低于Tg的转变称为次级转变，并按转变温度自高到低的顺序分别记作、等。次级转变峰存在的原因较为复杂，一般认为是与主链的侧基、支链、主链或支链上的各种官能团、几个链节和链段的某一局部的运动有关。,14,三、纤维高聚物的多重转变 2. 晶态高聚物的多重转变 对于晶态高聚物而言，由于同时含有晶态和非晶态部分，所以除了具有非晶态高聚物所具有的、转变之外，还有晶区部分的转变，如图6-6（b）所示，包括晶区的解序（预熔）、熔融等转变。此外，由于晶区缺陷的存在，例如链的折叠部分、链的尾端等运动也会产生转变。另外，结晶高聚物还可能产生晶型转变，即从一种结晶结构转变为另一种结晶结

15、构。,15,三、纤维高聚物的多重转变 3. 多重转变的表征方法 高聚物的多重转变，是高聚物内部各种尺寸运动单元运动的体现，通常可以采用动态粘弹谱和动态介电谱来表征。图6- 7为两种含单体量不同的聚酰胺-6的动态粘弹谱，图中转变为Tg；转变为主链中CONH的运动；转变为主链中三个CH2链节的曲柄运动。可以看出，随单体含量增加，、转变温度下降，这显然是由于单体起了增塑的作用。,16,第二节 纤维的热物理性质 物质的热物理性质包括热输运性质（传质与热传导性质）和热力学性质两大类。其主要研究范畴，通常涉及五方面： 材料的热物性质在不同环境和物理状态下的特征和规律（温度、压力、湿度、气孔、密度、气氛等）

16、； 宏观热物性与组成、结构（结晶、取向、界面和微细结构）和工艺因素的关系； 微观热传导机理和理论（电子、声子、光子和分子的碰撞与运动导热规律与理论模型）； 热物性表征方法与理论； 特征热物性材料（导热材料）和数据库（各种材料的热物性数据及识别对比，数据集合、筛选、优化和分析）。 本节主要讨论热传导性质中的基本概念，传导机制，以及热传导性质在纤维及其集合体的体现。,17,第二节 纤维的热物性质 一、物质的热物性与热传导 1热传导的基本概念 传热是热量从高温区域向低温区域传播的过程，即由温差引起的。通常热量的传递分为三种基本方式：传导、对流和辐射。在实际传热中，极少是单一形式，往往为两种或全部三种

17、的复合传热。 在不透明的固体中，热流只能通过热传导而进行 在透明或半透明的固体中，可以出现热传导和辐射 在液体和气体中，同时出现热传导、对流和辐射传热过程。 纤维及其纤维集合体通常是固体和气体的混合体或多孔材料，而且往往又是透明或半透明物质，因此传热的三种方式都有可能存在。,18,一、物质的热物性与热传导 热传导的解释是，物质内分子或晶格随机运动中直接的动能交换，或金属中自由电子的漂移，使一物体同另一物体或物体一部分同另一部分之间发生的内能交换。这种能量或热量的流动，是由能量较高的粒子与能量较低粒子的换能。由于结晶材料的热量传导是通过晶格的振动实现的，而其能量是量子化的，因此把晶格振动的“量子

18、”称为声子。这样，介电物质的热传导就可以看成是声子相互作用和碰撞的结果。传导的显著特征是，热传输中没有明显的物质移动。其导热量QF的数学表达为傅立叶（Fourier）导热定律：,式中，为导热系数（kCal/hrm, Cal/seccm,W/moK, W/moC）；A为垂直于热流方向的传导面积（m2, cm2）；T为传导距离L（m, cm）两端的温度差（）；t为热传导的时间（hr, sec）。,(6. 6),19,一、物质的热物性与热传导 热的对流所定义的是，物质宏观流动引起其中一部分物质与另一部物质混合的过程。能量（或粒子）从空间一点转移到另一点的传递是借流体本身的位移来实现的。该流动混合过程

19、，可以由高能量区向低能量区转移，亦可反之。前者为流体物质温度差造成的密度差引起的流动，称为自由或自然对流；后者需外界机械作用（如风机、泵等）引起的对流，称为强迫对流。通常是不可能观察到流体内的纯热传导，因为温差一加到流体上，就会因密度差而发生自由对流。对流通常为固体表面和与其相邻运动流体间的换能，其对流换热量QN的简洁而经典的表达为牛顿冷却定律：,式中，为表面换热系数，或膜系数，对流系数（W/m2oK, W/moC）；A为流体和固体间的界面面积（m2）；T为固体与流体的温差（oK，）。,(6. 7),20,一、物质的热物性与热传导 热的辐射是表述由受热激发的物体表面发出的电磁辐射。这种电磁辐射

20、向四周发射，当它碰到其他物体时，可能被反射、透过和吸收。若入射的辐射为热辐射（即具有相应的波长），则吸收的辐射能量在物体内表现为热。因此，这种传热方式与前述两种方式完全不同，无需传递介质。两热辐射物体间，将不断地进行能量交换，有净能量时，两物质表面存在温度差，净能量为零时达热平衡，但能量交换仍继续。热辐射能量QSB可由斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）的辐射定律给出：,式中，QSB为单位面积的表面辐射能（W/m2）；为该表面的辐射能力，介于0和1之间；为通用物理常数（W/m2oK）。,(6. 8),21,一、物质的热物性与热传导 2热传导的基本研究方式 所谓微观途径是从物理学

21、科或材料学科的角度出发，以固体物理和晶体化学等为基础，通过微观粒子和晶格运动及相互作用的研究，从本质上揭示物质热传导的机理，阐明影响热传导的结构和物理化学因素，把微观结构、传导机制和宏观热物性质联系起来，找出其内在规律，进而预测材料的宏观热物性质。由于通过微观途径，不仅可以建立起对材料传热的基本认识，而且将成为设计功能热物性材料和发展高性能换能器件的不可或缺的重要手段，以及微尺度传热学研究的基础。,22,一、物质的热物性与热传导 3物质的一般热传导性质 物质的热传导性质是指与能量和动量传递过程有关的导热系数、导温系数、粘度、热膨胀系数以及热辐射性质（发射率、吸收率、反射率）等i。美国普渡大学热

22、物理性质研究中心（TPRC），曾对六个热物理性质汇编了十三卷固体材料和流体介质的热物性手册，即表征导热能力的导热系数、表征均温能力的导温系数、表征蓄热能力的比比热量Cp，以及热膨胀系数、热发射率和粘度等六个热物理性质。其中，可从宏观传导模型或从微观机理上导出，但由于问题的复杂性，至今还未能精确地进行具体计算，热物性基本上仍须依靠直接的实验测定ii。,23,一、物质的热物性与热传导 3物质的一般热传导性质 （1）导热系数：物质热传导性质主要决定于材料的导热系数，导热系数是物质的一种输运特性，它标志着热扩散过程中的能量传递速率。这一参数取决于物质，原子、分子和晶格的物理结构，并与物质状态有关。通过

23、对不同聚集状态下各种物质导热系数的测试和研究发现，各种物质以及它们在不同聚集状态时的导热系数的一般规律是： 如图6- 8所示，固体的导热系数比气体的大过四个数量级，这一特征是由于两者分子间距的差别很大所造成。固、液、气三态的热导机制中，热量传导的速度以电子碰撞的机制最快，声子碰撞次之，分子或原子碰撞最慢。金属晶体中，热传导主要通过电子的相互作用和碰撞来实现的，声子的相互作用和碰撞传导较微小。结晶高聚物导热系数一般取决于声子的传导，当然也有结构缺陷、孔穴和无序区引起的原子和分子，乃至分子链段的相互作用和碰撞的贡献。因此，导热系数最小的是气体，而液体（金属液体除外）的导热系数大多是介于介电体和气体

24、的导热系数之间。,24,一、物质的热物性与热传导 3物质的一般热传导性质 （2）导温系数 ：如果温度场随时间而变，这类情况下的热量传播过程就称作“不稳定传热”或“非稳态传热”。该过程的不稳定性是由物体焓的改变所引起的，且加热或冷却的现象永远联系在一起。 由于物体焓的变化速度和材料导热能力（即导热系数）成正比和储热能力（即容积热容量CP）成反比、所以在不稳定状态下的热过程速度决定于导温系数，并有， 其中CP为定压比热；为密度。,25,一、物质的热物性与热传导 3物质的一般热传导性质 （3）比热C：又称比热容，是物质的基本热物理性质，不仅是评价材料隔热性能的重要物理量，而且是对热过程、热系统进行热

25、计算和热设计的重要参数之一。对于瞬时或短期使用的高温防热材料，以及使用时间较长的蓄热材料，都希望具有高的热容，以期在使用过程中吸收更多的热量。所谓热容是：物质的温度T升高一度所需要的热量Q。可分为: 平均热容 真热容,26,一、物质的热物性与热传导 3物质的一般热传导性质 为表示单位质量物质的热容，又可分为比热（容）、克分子热容（分子热）和克原子热容（原子热）。 比热C的定义是使一克物质升高一度所需的热量。 克分子热容C0的定义是使一克分子物质升高一度所需要的热量（C0=MC，M为分子量）。 克原子热容C*的定义是使一克原子物质升高一度所需要的热量。,27,一、物质的热物性与热传导 3物质的一

26、般热传导性质 对同一物质（特别是气体），比热的大小和加热时的温度、压强和体积有关。故比热又可分为定压比热Cp和定容比热Cv。 物质定压比热Cp与定容比热Cv的差值大小与该物质所处的状态密切相关。对于气体来说，压强不变升高温度时，因膨胀而对外做功，需要吸收更多的热量，所以除升高气体温度所需的热量外，还要多给一部分热量以补偿气体膨胀所作的功，因此气体的Cp总比Cv要大。但是对于液体和固体来说，温度升高一度时，体积几乎不变，所以在一般温度下其CpCv；在高温下，Cp不等于Cv。Cv值一般不能由实验直接测定，所有比热测试方法测出的都是Cp。在工程计算中应用的比热数据一般都是Cp值。,28,二、热传导方

27、程与热阻 1各向同性材料的热传导方程 在直角坐标系中微分形式的热传导方程是最常用的，其分为稳态（与时间无关）和非稳态（与时间有关）通式。 各个方向导热系数相同的均匀物质，称为各向同性材料。考虑一各向同性材料的热传导微元体（dx、dy、dz），如图6- 9所示的该微元体位于三维直角坐标系（x, y, z）中，考虑温度场T(x, y, z, t) 随时间t变化的非稳定状况。按傅里叶热传导定律（式6.6）的通式：,29,二、热传导方程与热阻 2各向异性材料的热传导 纤维及其纤维制品因在各个方向上的结构和排列不同，因而不同方向上的导热系数也不同，即典型的各向异性体。晶体中晶格的排列方向不同和变化；纤维

28、中分子排列的取向；纤维集合体中纤维本身排列的方向性都将导致其导热系数随方向的不同而变化。 温差是导热过程的驱动力。在均匀各向同性材料中，某一方向上的热流密度仅与该方向上的温度变化率有关。在各向异性材料中，情况不完全相同。根据不可逆过程热力学的基本原理，许多不可逆过程都是物质某种性质的不均匀所引起的输运过程。其中，许多导热是因为温度分布的不均匀性引起的热能输送过程，并存在交叉现象。为表达方便，令直角坐标系（x1, x2, x3）中，沿三个坐标轴方向的热流密度（q = Q/A）表示为：,30,二、热传导方程与热阻 3材料热传导中的热阻 至此，我们注意到方程式（6.9）展示了一个非常有用而且重要的概

29、念。具体说，在热传导和电荷迁移之间存在相似之处。恰如电阻与导电一样，热阻也与热传导有关。众所周知，电学中的欧姆定律R = UI，表明了电流I、电位差U和电阻R三者的关系。如果把傅里叶导热定律与欧姆定律相比较，则热流量Q就相当于电流；温度差T就相当于电位差；温差与热流量之比就可称为热阻R，即 。 如图6- 11所示，可运用热阻概念，使一些此复杂的传热计算变得简单明了。下面将导出一些基本的稳态导热模型的热阻。 （1）单层平壁热阻：（2）对流换热边界热阻： （3）接触热阻： （4）稳态传热网络热阻：,31,三、导热机理 由于气体、液体和固体作为热的导体或非导体的热传导机理，本质上都是微观粒子，如原子

30、、电子、分子和声子的相互作用与碰撞，因此，尽管性质和机理不同，但粒子化后的导热系数的数学表达形式，应该是相同的，差别应该只是其中物理量的涵义的不同。 1分子导热机理 2电子导热机理 3 声子导热机理 4光子导热机理 3 声子导热机理,32,四、纤维材料的热传导机理 1导热机制的多重性 纤维是一聚集态结构复杂、具有孔隙、大多能透光的物质，因此依据前述热传导机理可将其内部热传导的各种形式结合起来。由此可得多重机制的热传导系数表达式， (6. 42) i分别表示四种不同的导热载体，如分子、电子、声子和光子。对不同的物质来说，只是各种载体的所起的作用不同。 2晶相与非晶相的导热规律 纤维一般为结晶和无

31、序相的混合体，将晶体和非晶体的导热系数理论曲线放在一起对比，如图6- 14所示，可发现其间的关联与不同。,33,四、纤维材料的热传导机理 3多相复合材料的导热系数估算 （1）多相层合平板式模型：如图6- 15a，分两种传导方向： 热流方向与平板平行时，相当于热阻并联，而热导的串联， 即， 其中V1，V2为两相各层的体积分数； 热流方向与平行板平面垂直相当于热阻串联，而热导的并联为：,34,四、纤维材料的热传导机理 3多相复合材料的导热系数估算 （2）两相分布模型：如图6- 15 b和c，总导热系数为,式中，VD为分散相的体积百分数；C为连续相导热系数；D为分散相导热系数。,35,四、纤维材料的

32、热传导机理 4多孔材料的导热系数及计算 （1）欧根（Eucken）方程式：其原理就是根据不连续相与连续相分布模式导出。只是将（6.43）式中的不连续相的体积百分数和导热系数表示为气孔的相应量。 (6. 44) 式中，p为多孔材料的总导热系数；s为多孔材料的固相导热系数；a空气的导热系数； P为气孔的体积分数。 （2）莱塞尔（Russell）方程： (6. 45) 并且将气体内辐射导热r附加到空气导热a上去，得a=a +r，代入上式更为理想。,36,四、纤维材料的热传导机理 4多孔材料的导热系数及计算 （3）洛勃（LoeB）方程：以上述研究为基础，洛勃建立了多孔材料更为精确的方程式i。在推导时方

33、程式所用的气孔分布物理模型为： (6. 46) 式中，PC是垂直于热流方向截面上孔隙的分数；PL是热流方向上孔隙的分数； d孔洞在热流方向的最大尺寸；孔洞辐射表面的热发射率；斯蒂芬-玻尔兹曼常数；T为多孔材料的平均温度；G为孔隙的几何因子（球形气孔，G =2/3；圆柱形气孔轴垂直于热流方向，G =/4；平行于热流方向和层状气孔时G =1）。,37,四、纤维材料的热传导机理 5纤维型隔热材料的导热系数和热传递机理 按隔热材料微细结构或织构的不同，一般可有：纤维型，如石英纤维、钛酸钾纤维、石棉纤维、碳纤维、氧化铝、氧化锆、氧化镁、氮化硅和氮化硼陶瓷纤维，以及各种玻璃纤维等单一或几种复合而成的纤维毡

34、或布；颗粒型，如二氧化硅气凝胶、各种空心玻璃或空心陶瓷微球的混合体、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等；纤维与颗粒混合型，为以上的纤维和颗粒加上粘结剂混和热压而成的混合体。最典型的如导热系数比静态空气还要小的明克（MinK）材料；多层反射复合型由纤维或陶瓷涂层与金属的反射屏多层复合而成。要提高隔热材料单位重量的隔热能力，除了材料的配方外，更重要的是了解隔热材料热传递的物理模型和机理，从传热学的角度，选择新的材料及其微细结构，确定混合比和理想界面的生成。,38,四、纤维材料的热传导机理 5纤维型隔热材料的导热系数和热传递机理 纤维的隔热性质在众多材料中属于较理想的，其一般纺织纤维的导热系数见表6- 3。纤维隔

35、热材料为多孔材料，其热传递机理非常复杂，影响的因素很多，包括分子导热机制（气体分子导热部分），声子导热机制（玻璃及其它非金属纤维和颗粒的固相导热部分），光子导热机制（辐射贡献的部分）以及电子导热机制（金属的碎箔和微颗粒挡光物质的固相导热部分）。从热传递的三个部分（导热、辐射和对流）的贡献（见图6- 17）来看，填充密度和环境温度对导热系数影响明显。如图6- 18，材料在达最佳隔热密度前，导热系数随密度的增大而减小；温度不仅影响导热系数值，而且会使各种热传递方式所作贡献的比重发生变化。部分纤维隔热材料在高温下还会发生物理化学变化，从而导致导热系数的变化。如碳纤维在高温下的石墨化，将使导热系数明显

36、增大。,39,四、纤维材料的热传导机理 前面较多地叙述了材料导热的机理、纤维隔热材料的特征和热传导的基本理论，从宏观表象学的观点来看，即使没有现代固体物理学和分子运动论所提供的对热传导机理的解释，也可以弄懂热传导。但对热和热交换科学的公认的理解，要求对宏观的和微观的两种观点都熟悉精通，今日人类受益的许多技术进步都是聪明地应用了物质的宏观和微观性状的知识的结果。 如合金对降低金属导热系数的效应已被很好地用于对低温工作的材料的选择；微尺度的金属性态的知识在重返大气层的热屏材料的应用上已变得头等重要。而纤维材料通过不同的聚集方式和不同纤维性状的选择与组合，可以设计和提供所需的热传导舒适性服用材料，又

37、是热传导与人体热系统平衡，以及人体感受的综合作用与需求。,40,第三节 纤维的燃烧性质 纤维材料的燃烧性质涉及到很多因素。 不同纤维种类 纤维的混合及其附着渗入物 纤维制品的结构形式 燃烧时的环境条件 阻燃处理 实用问题： 1、一般服用和家用纺织品的安全性 2、安全防护用纺织品,41,一、纤维的燃烧性 1、基本概念 燃烧条件、阻燃、耐燃； 2、耐燃性的分类 各种纤维由于化学结构的不同，其燃烧性能也是不同的。按燃烧时引燃的难易程度、燃烧速度、自熄性等燃烧特征可定性地将纤维分为阻燃纤维和非阻燃纤维，阻燃纤维包括不燃纤维和难燃纤维，非阻燃纤维包括可燃纤维和易燃纤维。 3、常用纤维的燃烧特征 多种指标的表达（Ti, Tmax, U）； 较多关注的极限氧指数（Limiting Oxygen Index，简称LOI）来定量地区分纤维的燃烧性。,42,一、纤维的燃烧性 1纤维的燃烧过程 图6- 1 纤维的燃烧过程 2 纤维热裂解机理与表征 挥发、氧化、降解、炭化、吸热、生热；交互作用 热重分析、气相色谱、质谱等,43,三、燃烧性的测量与表征 1燃烧性测量 各国有纤维材料燃烧性能测试标准。 垂直燃烧、水平燃