棉纱布被保暖性能的影响因素.pdf
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1、第 44 卷 第 7 期2023 年 7 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.7Jul.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20220606401棉纱布被保暖性能的影响因素张露杨1,宋海波2,孟 晶1,殷兰君2,卢业虎1(1.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215006;2.深圳全棉时代科技有限公司,广东 深圳 518110)摘 要为提高人体睡眠热舒适性,改善睡眠质量,对不同参数的棉纱布被进行系统的保暖性能研究。借助出汗热平板纱布织物实验与出汗暖体假人被子实验,探究了棉纱布织物透气性、面密度、层数及水洗处理等因素对纱
2、布被织物热阻的影响规律,并建立纱布被织物热阻与被子热阻的相关关系。结果表明:纱布被织物的热阻与其面密度呈明显的正相关线性关系,热阻与透气率相关性较低;棉被与纱布被的面密度相当的情况下,棉被的保暖性能更好,纱布被的透气性更好;纱布被织物的热阻与层数之间呈线性关系,层数越多热阻值越大;水洗处理后棉纱布被织物的热阻增加;纱布被织物热阻与纱布被子热阻呈显著的相关关系,当纱布被织物的总热阻较小(小于 1.8 clo)时,二者近似呈线性关系。本文研究结果可为开发高质量棉纱布被提供参考。关键词 棉纱布被;棉被;出汗热平板;热阻;保暖性能;透气性中图分类号:TS 941.75 文献标志码:A 收稿日期:202
3、2-06-27 修回日期:2022-09-22基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目(21KJA540004);苏州市科技计划项目(SS202147);南通市科技计划项目(JC2021004)第一作者:张露杨(1998),女,硕士生。主要研究方向为服装舒适性。通信作者:卢业虎(1986),男,教授,博士。主要研究方向为智能和防护服装。E-mail:yhlu 。随着生活水平的提高和健康理念的改变,人们对于睡眠舒适性的要求也不断提升,热舒适性对于睡眠质量至关重要1。人体与被服系统之间形成的微气候,对于睡眠环境中的人体热舒适性产生重要影响2。被子作为被服系统的主要组成部分,其保暖性能与
4、睡眠热舒适性密切相关,因此,对被子的保暖性能进行研究,指导人们选择合适的被子对于改善睡眠质量有着重要意义。近年来,对被子保暖性能的相关研究报道很多,有学者通过实验和模型 2 种研究方法探究被子热阻的影响因素3。一些研究结果显示:被服系统的总热阻受被子填充物种类及填充量、被子覆盖人体面积等诸多因素的影响5-6;不同絮料填充的被子保暖性能有所不同6;常见的羽绒被与蚕丝被对被子总热阻的影响存在显著差异7;鹅、鸭绒等羽绒填充物的纤维结构差异也会导致其保暖性能的差异8;絮片填充量的增加能够使被子的保暖性在一定范围内增强,但当填充量达到一定值后,其保暖性下降9;被子覆盖面积百分比的增加同样可使被服系统总热
5、阻增加10;此外,被子组合层序也通过影响被服系统中空气层的厚度,对被服系统的保暖效果产生影响11。总之,有关被子保暖性能的研究大多针对絮片填充类型被子开展,该类型的被子保暖效果较好,但存在透气性较差、清洁不便等弊端,无法满足人们在夏季等较高温环境中的使用需求。目前,透气性良好的棉纱布被在夏季被服市场较受欢迎,纱布被产品及其相关专利12-14丰富多样,但关于棉纱布被的性能研究还较少。本文选取参数不同的棉纱布被进行性能评价,对其热阻、透气性、面密度等指标进行测试,探究棉纱布被保暖性能的影响因素,为纱布被的设计开发提供参考。1 实验部分1.1 样品制备 制备棉纱布被织物和棉纱布被样品共 41 个,均
6、来自深圳全棉时代科技有限公司。选取 22 种纯棉单层棉纱布织物,通过交织或叠放制成尺寸为50 cm50 cm的多层棉纱布被织物样品 22 个,样品参数如表 1 所示。另有 4 个待水洗多层棉纱布被织物样品(编号分别为 G6、G13、G16、G22)分别与表 1 中G6、G13、G16、G22 规格相同。制备尺寸为50 cm50 cm 棉被织物样品 3 个,其裁剪前的参数如表2 所示。制备6 个尺寸为1.8 m2.0 m 的多层棉纱布被样品以及6 个相同规格的 50 cm50 cm 多层棉纱布被织物样品如表 3 所示。纺织学报第 44 卷表 1 未水洗棉纱布被织物样品参数Tab.1 Parame
7、ters of unwashed cotton gauze quilt fabric样品编号样品结构样品层数样品厚度/mm单层纱布参数单层纱布位置密度/(根(2.54 cm2)-1)G1双层纱布21.2405050G24 层纱布G34 层纱布(粗纱)G44 层蜂巢G54 层纱布(2 个 2 层织物叠放)G64 层斜纹纱布G74 层纱布(4 个单层织物叠放)G84 层纱布(2 个 2 层织物叠放)G94 层纱布(2 个 2 层织物叠放)G10双层纱布+平纹皱布(2 个 2 层织物叠放)42.37866802.00464591.88860601.15950501.979第 1、4 层第 2、3 层
8、424242210.94130301.24660601.08680652.8545542G116 层纱布(2 个 3 层织物叠放)G126 层纱布(2 个 3 层织物叠放)G136 层提花纱布G146 层纱布G156 层加密纱布G166 层纱布G176 层纱布(6 个单层织物叠放)62.74055431.80854542.27328332.7821721763.2972102302.13228331.4593030G188 层纱布(2 个 4 层织物叠放)G198 层一体纱布G208 层一体蜂巢83.446第 1、4 层第 2、3 层42413.8951801744.164210206G211
9、0 层纱布106.371232232G2212 层纱布126.019232232 注:单层纱布的密度是指每 2.54 cm2中经纱和纬纱根数。表 2 棉被织物样品裁剪前参数Tab.2 Parameters of uncut cotton wadded quilt fabric样品编号样品质量/g样品尺寸(长宽)/mC17301.251.55C21 3001.502.00C38501.001.20表 3 多层棉纱布被样品与其对应的织物样品参数Tab.3 Parameters of multi layer cotton gauze quiltproduct and corresponding fa
10、bric被子样品编号层数纱布被种类单层纱布密度/(根(2.54 cm2)-1)Q1-aQ2-aQ3-aQ4-aQ5-aQ6-a44 层斜纹纱布被1261264 层纱布夹棉被10010066 层纱布被1541666 层加密纱布被21021088 层印花纱布被2102061212 层纱布被232232 注:同时制备6 个规格为 50 cm50 cm 的多层棉纱布被面料,其层数、种类、密度与表3 中各样品相同,依次记为 Q1-b、Q2-b、Q6-b。1.2 织物面密度测试 参照 GB/T 46692008纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定,使用 AL204 分析天平(美国梅特勒-托利多
11、公司)测量多层棉纱布被织物样品 G1、G2、G22 及棉被织物样品 C1、C2、C3 的面密度 w,g/m2。1.3 织物透气性测试 参照 GB/T 54531997纺织品 织物透气性的测定,使用 YG461 G 全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂)测试多层棉纱布被织物样品 G1、G2、G22及棉被织物样品 C1、C2、C3 的透气率 P,mm/s。1.4 织物热阻测试 参照 GB/T 110482018纺织品 生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法),使用 iSGHP 热阻湿阻仪(美国西北测试公司)测试多层棉纱布被织物样品 G1、G2、G22、G6、G13、G16、G22、Q1-b、Q
12、2-b、Q6-b 及棉被织物样品C1、C2、C3 的热阻 Rct。其中样品 G6、G13、G16、G22是经水洗处理后进行热阻测试的样品。按照团体标准 T/HOMETEX 212021 被子舒适使用温度测定方法的要求和测试流程,选择典型的睡眠寝具系统,使用出汗暖体假人采用恒定皮肤温度法测试被子样品 Q1-a、Q2-a、Q6-a 的总热阻 It,依据并联法进行计算。其中,所选用床为1.8 m 2 m 折叠床,床板距离地面约 40 cm,床垫为 1.2 m 2 m 普通弹簧床垫。选用枕头为聚酯纤维填充,睡衣(长袖、长裤)及床单为纯棉材质。待08第 7 期张露杨 等:棉纱布被保暖性能的影响因素 气候
13、室内环境达到稳态后开始热阻测试,测试过程中暖体假人平躺在垫子上,双手置于身体两侧放置在床上,被子完全覆盖假人头部以下的部分。2 结果与讨论2.1 面密度与透气性对热阻的影响2.1.1 热阻与面密度之间的关系 在 22 个多层棉纱布被织物样品中,织物热阻Rct与面密度 w 的拟合结果如图 1 所示,拟合线性关系式为 Rct-G=0.001 7wG+0.092 9,R2=0.738 2。可见,织物热阻与面密度之间呈明显的线性关系,热阻随面密度的增加会线性增大。图 1 热阻与面密度的拟合结果Fig.1 Fitting results of heat resistance and surface de
14、nsity在 3 个棉被织物样品中,热阻与面密度也呈线性关系,函数关系式为 Rct-C=0.006 1wC-0.680 2,R2=0.979 5。可 以 发 现 该 函 数 关 系 式 的 斜率(0.006 1)大 于 多 层 棉 纱 布 被 织 物 的 斜率(0.001 7)。表明相较于多层棉纱布被织物,增加其面密度时棉被织物热阻的增幅大于多层棉纱布被织物。在棉被织物与多层棉纱布被织物面密度相当的情况下,棉被织物的热阻值明显大于棉纱布被织物的,棉被织物的保暖性能更好,这与棉被织物蓬松的组织结构有关。2.1.2 热阻与透气率的关系 热阻与透气率 P 之间的拟合结果如图 2 所示。在 22 个棉
15、纱布被织物样品中,以透气率为自变量拟合最优结果为 Rct-G=1.602 4-0.133 7lnP,R2=0.051 1。结果表明热阻随着透气率的增大而减小,降低率也一直减小。当织物透气率较高时,透气性的提高对热阻的影响程度较小;而当透气率较小(小于1 000 mm/s)时,其对热阻的影响较大。总体而言,数据较分散,拟合优度不高。在 3 个棉被织物样品中,拟合结果为 Rct-C=5.434 9-0.007 3P,R2=0.935 8,热阻与透气率呈线性关系,且呈负相关,拟合优度高。结果表明热阻随着透气率的增大而减小,与多层棉纱布被织物的变化趋势一致。图 2 热阻与透气率的拟合结果Fig.2 F
16、itting results of heat resistance and air permeability2.1.3 面密度与透气率的关系 从热阻与面密度的相关关系中可以发现,相较于棉纱布被,相同面密度条件下棉被的保暖性能更好。进一步地,当面密度相同时,比较棉被与棉纱布被的透气性差异。透气率与面密度之间的拟合结果如图 3 所示。在多层棉纱布被织物样品中,透气率与面 密 度 的 函 数 关 系 为 PG=exp(6.125 4+271.847/w),R2=0.532 7,即透气率随着面密度的增大而减小,变化率也不断减小,随着面密度的增大(大于450 g/m2),面密度对透气率的影响程度不断减小
17、。其次,多层棉纱布被织物的透气率均大于500 mm/s,具有非常好的透气性。此外在图 3 中,棉被织物的拟合曲线整体在多层棉纱布被织物拟合曲线的下方,其函数关系为 PC=829.031-0.8207w,R2=0.987 4,即在相同面密度条件下,棉纱布被织物的透气性更好。图 3 透气率与面密度的拟合结果Fig.3 Fitting results of air permeability and surface density2.1.4 热阻与面密度及透气率的关系 以面密度与透气率为自变量,热阻为因变量进18 纺织学报第 44 卷行非线性曲面拟合,拟合结果分别为:Rct-G=0.002 3wG+e
18、0.076 4-409.364 6/PG-0.812 6,R2=0.866 1Rct-G=0.002 3wG+10.206 4P0.021 7G-11.962 6,R2=0.861 9Rct-G=0.002 3wG+0.258 5lnPG-1.894 5,R2=0.862 1 由上述公式可知,3 个拟合公式整体拟合度较高,热阻与面密度成正比,与透气率亦成正比,这与前述的热阻与透气率的关系相反。进一步检查回归系数的显著性和相关性发现,透气率变量相关性较低,与前述的拟合关系的相关性一致。从拟合公式可知,热阻主要与面密度有关,因此从工程应用角度出发,建议以面密度来预测热阻。对于多层织物,随着织物面密
19、度的增加,织物内部、层间空气层厚度发生变化,其保暖性有所增加15,本文的研究结果进一步印证了这一结论。2.2 织物层数对热阻的影响 对 22 个多层棉纱布被织物样品热阻与层数(x)之间的关系进行拟合,结果如图 4 所示。关系式为 Rct-G=0.116 5x-0.003 4,R2=0.912 8。根据拟合结果可知,热阻与层数之间呈线性关系,层数越多热阻值越大。图 4 热阻与叠加层数的拟合结果Fig.4 Fitting results of heat resistance and stack number of layers采用相同的双层织物 G1 分别叠放 16 次,得到多层棉纱布面料进行热阻
20、测试,进一步分析发现热阻、厚度与面密度均与叠加层数呈线性关系(见图 5),而透气率与层数呈非线性幂函数关系,变化率逐渐降低,与前文分析的变化趋势类似。邱冠雄等16研究发现,层数的叠加会导致织物层间空气层厚度增大,使织物热阻增加,本文的研究结果与这一结论相符。2.3 水洗处理对热阻的影响 水洗处理对热阻的影响如图 6 所示。较之水洗图 5 叠加样品的热阻及透气率与层数的关系Fig.5 Relationship of heat resistance,air permeability andnumber of layers of folded sample.(a)Fitting resultsof
21、heat resistance and number of layers;(b)Fitting resultsof air permeability and number of layers前,水洗处理后棉纱布被的热阻增加,增幅分别为38.1%、22.9%、14.8%、4.2%,平均增幅达 20%。这与水洗后织物的厚度与面密度增加、透气性下降有关。图 6 水洗处理对热阻的影响Fig.6 Influences of washing treatment on heat resistance表 4 示出水洗处理前后的棉纱布被织物样品参28第 7 期张露杨 等:棉纱布被保暖性能的影响因素 数。水洗处理
22、后样品的厚度平均增加 26.6%,面密度平均增加 13.6%,透气率平均下降 8.7%。因为水洗工艺会导致棉纱布被收缩,增加织物的厚度和密度17。表 4 水洗处理前后棉纱布被织物样品参数Tab.4 Parameters of unwashed and washed cotton gauze quilt fabric样品编号水洗处理前水洗处理后透气率/(mms-1)厚度/mm面密度/(gm-2)透气率/(mms-1)厚度/mm面密度/(gm-2)G61 945.241.978232.71 716.932.330249.5G132 046.272.273252.41 908.293.052279.
23、6G161 973.752.132245.51 829.262.734296.6G21969.635.789532.0880.997.302614.82.4 织物热阻与被子热阻的关系 采用非线性拟合棉纱布被样品 Q1-a、Q2-a、Q6-a 热阻与对应多层棉纱布织物样品 Q1-b、Q2-b、Q6-b 热阻的关系,如图 7 所示。结果表明,织物热阻与被子热阻呈显著的非线性关系,拟合结果见下式。当织物的总热阻Rct较小(小于1.8 clo)时,二者呈近似线性关系。It=exp(1.179 7-0.512 5Rct),R2=0.969 2图 7 织物热阻与被子热阻的拟合关系Fig.7 Fitting
24、 relationship between heat resistances ofgauze quilt product and corresponding fabric3 结 论 本文研究了透气性、面密度、层数及水洗处理等因素对棉纱布被保暖效果的影响以及织物热阻与被子热阻的关系,得到以下结论。1)棉纱布被织物的热阻与面密度之间呈明显的正相关线性关系,与透气率相关性较低。在工程应用中,建议以面密度预测热阻。2)棉被与棉纱布被面密度相当的情况下,棉被的保暖性能更好,棉纱布被的透气性更好。3)棉纱布被织物的热阻、厚度与面密度均与叠加层数呈正相关线性关系,透气率与层数呈非线性幂函数关系,变化率逐渐降
25、低。4)与水洗处理前相比,水洗处理后棉纱布被织物的热阻增加。棉纱布被织物的热阻与被子热阻呈显著的相关关系,当织物的总热阻较小(小于 1.8 clo)时,二者近似呈线性关系。FZXB参考文献:1 WANG Y,LIU Y,SONG C,et al.Appropriate indooroperativetemperatureandbeddingmicroclimatetemperature that satisfies the requirements of sleepthermal comfortJ.Building and Environment,2015,92:20-29.2 BISCHOF
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