王棋生，何　艷，孫玉釵,2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學(xué)紡織研究院，江蘇 南通 226018)

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相變高溫防護(hù)服的熱防護(hù)影響因素分析

王棋生1，何艷1，孫玉釵1,2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學(xué)紡織研究院，江蘇 南通 226018)

摘要：通過(guò)分析不同高溫環(huán)境下，相變材料包之間的分布間隙變化對(duì)服裝熱防護(hù)性能影響的規(guī)律，為相變服裝防護(hù)效果的研究提供一定的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)選取熱平板儀模擬環(huán)境溫度，使用8探頭溫度記錄儀測(cè)試服裝相變層和間隙處的表面溫度，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin繪圖及數(shù)據(jù)分析軟件，得出其溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。結(jié)果顯示，高溫環(huán)境溫度越低，相變材料包之間的間隙量越小，其防護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，防護(hù)效果越好。

關(guān)鍵詞：相變材料；服裝熱防護(hù)；間隙分布

在高氣溫或同時(shí)存在高溫?zé)嵩吹沫h(huán)境下進(jìn)行的生產(chǎn)勞動(dòng)，通稱(chēng)為高溫作業(yè)。高溫天氣作業(yè)是指用人單位在高溫天氣期間安排勞動(dòng)者在高溫自然氣象環(huán)境下進(jìn)行的作業(yè)[1]。當(dāng)生活、工作環(huán)境中的溫度升高，超過(guò)了人體的承受能力后，可以引起人的疾病，甚至死亡[2]。高溫作業(yè)下的熱應(yīng)激問(wèn)題已成為近年來(lái)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，而采取有效措施降低熱應(yīng)激，保護(hù)作業(yè)人員身體健康成為研究者們關(guān)注的對(duì)象。

相變材料PCMs(Phase Change Materials)是一類(lèi)在一定溫度范圍內(nèi)，以潛熱的形式依靠自身可逆相變從環(huán)境中吸收或釋放熱量的物質(zhì)[3]。將相變材料添加到服裝中，能延緩由于環(huán)境劇烈變化引起的人體溫度突變，使服裝整體更具穿著熱舒適性[4]。

1實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)選擇的面料統(tǒng)一為含50%芳綸+50%棉的混紡阻燃面料，面料大小為20cm×20cm。在同一面料上縫制分布間隙量不同的口袋，將封裝好的28℃相變材料放進(jìn)去。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕室進(jìn)行，減少外部環(huán)境影響。通過(guò)熱平板儀模擬高溫環(huán)境，分別設(shè)定為35℃、40℃和45℃。間隙分布設(shè)計(jì)為2、4、6、8、10、12和14mm。如表1所示。

表1　PCM包試樣相關(guān)參數(shù)

1.3測(cè)試方法

設(shè)定平板保溫儀模擬高溫環(huán)境，至操作面板讀數(shù)穩(wěn)定。將封裝好的PCM放入試樣口袋，一起放進(jìn)溫度為-10°的冰箱中冷凍至PCM呈固態(tài)，每次冷凍時(shí)間為2h。啟動(dòng)溫度記錄儀，開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄溫度變化。將冷凍好的試樣放置在測(cè)試臺(tái)，檢查PCM分布情況，確保分布準(zhǔn)確一致后放入平板式保溫儀中。開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄采集數(shù)據(jù)，每10s記錄一次數(shù)據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1間隙處溫度與PCM包溫度升溫趨勢(shì)分析

溫度記錄儀分別記錄間隙處溫度和PCM包溫度，各取四個(gè)點(diǎn)的溫度平均值作為該層的溫度。繪制溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，如圖1和圖2分別為含20℃相變材料包的試樣在35℃時(shí)間隙處溫度及PCM包溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖1　間隙處溫度變化趨勢(shì)

圖2　PCM包溫度變化趨勢(shì)

由圖中可以看出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著時(shí)間的增加，間隙處溫度和PCM包溫度都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著間隙量的增加，溫度上升速率增加。在同一時(shí)刻下，各間隙量對(duì)應(yīng)的PCM包溫度都低于間隙處溫度。

當(dāng)間隙量不超過(guò)6mm時(shí)，PCM的相變時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)間隙處溫度有較明顯的熱緩沖作用，當(dāng)間隙量超過(guò)8mm后，PCM的相變過(guò)程縮短，對(duì)間隙處的溫度的熱緩沖作用不明顯。

2.2間隙處溫度與PCM溫度的溫差分析

溫差是指同一時(shí)刻下，間隙處溫度與PCM包的溫度之差。圖3是各個(gè)間隙分布下的溫差變化趨勢(shì)圖。表2為在變化過(guò)程中出現(xiàn)的最值變化。

表2　不同間隙分布的溫差峰值變化

圖3　不同間隙分布下間隙處溫度與PCM溫度溫差變化關(guān)系圖

由圖3和表2可以看出，溫差隨著時(shí)間的增加，先增加后減小。

在試樣進(jìn)入高溫環(huán)境初期，PCM的相變作用明顯，間隙溫度上升速率大于PCM包溫度上升速率，直至達(dá)到第一個(gè)峰值；隨著間隙量的增加，溫差峰值變大，間隙升溫速率不斷提高。

隨著PCM的不斷的相變吸熱，其熱緩沖效果作用于間隙處，使得間隙處溫度上升速率變緩，同時(shí)PCM的相變作用開(kāi)始慢慢減弱，從包的溫度上升速率加快，使得溫差逐漸下降直至趨于穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)間隙量不超過(guò)6mm時(shí)，PCM的熱緩沖作用對(duì)間隙有明顯影響，使得溫差逐漸減小，出現(xiàn)第一個(gè)最低值；隨著PCM的相變作用減弱，間隙處升溫速率又開(kāi)始增加，溫差又開(kāi)始變大，出現(xiàn)第二個(gè)峰值；直至相變吸熱完全，PCM包升溫速率加快，溫差又開(kāi)始減小直至趨于穩(wěn)態(tài)。

2.3不同間隙及高溫環(huán)境下的熱防護(hù)時(shí)間對(duì)比分析

在高溫環(huán)境中，人體處于舒適狀態(tài)時(shí)，靠近皮膚的微氣候溫度上限為32.5℃[5]。相變材料包通過(guò)吸收熱量對(duì)間隙溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，間隙處的溫度舒適區(qū)域的時(shí)間表征相變材料的熱防護(hù)效果。通過(guò)圖1和圖2得到的防護(hù)時(shí)間如表3和圖4所示。

表3　不同間隙分布下的熱防護(hù)時(shí)間段及防護(hù)時(shí)間

圖4　不同高溫環(huán)境下，各間隙分布的熱防護(hù)時(shí)間對(duì)比圖

由圖4和表3可以看出，同一高溫環(huán)境下，隨著間隙量的增加，試樣的防護(hù)時(shí)間呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；同一間隙量下，隨著環(huán)境溫度的升高，防護(hù)時(shí)間縮短。

在35℃高溫環(huán)境下，當(dāng)間隙分布超過(guò)10mm時(shí)，防護(hù)時(shí)間減少幅度變大；在40℃高溫環(huán)境下，當(dāng)間隙分布超過(guò)6mm時(shí)，防護(hù)時(shí)間減少幅度增加；在45℃高溫環(huán)境下，當(dāng)間隙分布超過(guò)4mm時(shí)，防護(hù)時(shí)間減少幅度變大。由此可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，PCM包能對(duì)間隙的熱緩沖作用影響的間隙分布量越來(lái)越小。

3結(jié)論

本文通過(guò)利用熱平板儀模擬不同高溫環(huán)境，使用溫度記錄儀實(shí)時(shí)測(cè)試間隙處溫度及PCM包溫度的方法，對(duì)不同間隙及不同高溫環(huán)境下的溫度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 在高溫環(huán)境下，間隙處溫度和PCM包溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且間隙處溫度始終高于PCM包溫度。

(2) PCM 層的熱防護(hù)效果和熱緩沖作用與 PCM 包的分布間隙量成反比，即分布間隙量越大，熱防護(hù)效果越差，熱緩沖時(shí)間越短。

(3) PCM的熱防護(hù)效果和熱緩沖作用與環(huán)境溫度成反比，即環(huán)境溫度越高，熱防護(hù)效果越差，熱緩沖時(shí)間越短。

參考文獻(xiàn)：

[1]白瑞.高溫作業(yè)危害及其防護(hù).現(xiàn)代職業(yè)安全.2012(7): 32-33.

[2]于爽.高溫作業(yè)的危害和防護(hù).中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備.2010(3): 49.

[3]張冬霞,郭鳳芝.相變材料在調(diào)溫服裝中的應(yīng)用[J]. 針織工業(yè),2007 (3):28-31.

[4]鄒振高.服裝用相變材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)個(gè)體防護(hù)備,2009(2):16-21.

[5]黃建華.服裝的舒適性[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

收稿日期：2016-01-08