CN101699275B - 一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置及检测方法，包括下热板、上热板和温度测定设定箱，还包括试样外围绝热装置和试样厚度主动控制装置；试样外围绝热装置包括热绝缘箱体和热绝缘顶盖；热绝缘箱体罩住上、下热板及其之间的试样；热绝缘顶盖在上热板的外围；所述的试样厚度主动控制装置包括：升降架、升降臂和夹持器；夹持器从上方夹住上热板，并与升降臂固定，升降臂与升降架之间能够滑动。通过在试样外围加装绝缘装置，阻断了厚度较大的高蓬松材料周边与环境的对流及热传导交换，从而阻断了误差源。由于采用了试样厚度主动控制装置，可以准确测量试样在各个已知厚度下的导热性能，可测出同一试样在不同受压状态下的散热量。

Description

一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置及检测方法，尤其是对于由纺织纤维和羽绒制造的保暖填充絮片类材料导热性能的检测装置及检测方法。

背景技术

纺织品的隔热保温作用历来是首要功能。随着社会发展，人类的活动空间扩大，可能遇到的自然环境或人为气侯条件变得更加严酷，从而对于纺织品热舒适性及隔热保温功能的要求日益提高。在保暖纺织品中，高蓬松的絮状纤维集合体材料是一种极其重要的辅料，其保温作用至关重要，广泛用于防寒服、被褥、坐垫等纺织产品。一般来说，高蓬松的絮状纤维集合体材料是线形纤维或朵状羽绒等纤维状原材料随机排列形成的具有一定厚度的平面状纤维集合体，它容易变形、强度较低。使用时要由面料和夹里包覆，并且要求面里料有一定的挡风性能等，如使用高密度的防羽绒布等。在面料和里料不能限制的厚度方向，絮片材料仍然非常容易变薄。

高蓬松絮状材料中的纤维呈现离散状随机排列，纤维之间包含有相当比例的孔隙，蕴含着大量的静止空气，从而具有较高的保暖性，如用羊毛、驼绒或羽绒絮料填充的服装，它们的保暖性能极优。对于高蓬松的絮状纤维集合体材料来说，其保暖性取决于传导和对流散热二方面。同一材料处在不同的环境条件下其内部的传导散热量和对流散热量及其比例也会相应发生改变，因此要准确描述高蓬松絮状纤维集合体材料的保暖性，就要对发生在其内部的传导和对流散热分别进行考核。通常由于高蓬松絮状纤维集合体外部包袱的面料和里料阻断了很大比例的对流散热，发生在纤维集合体内部的主要是传导散热。所以，准确测试高蓬松絮状材料的传导散热量至关重要。而且，由于高蓬松絮状纤维集合体材料中纤维的随机排列造成了传热通道的错综复杂，使其与普通织物的热传导机理产生了很大的差异。对于普通织物而言，由于厚度较薄、上下表面间的垂直孔隙明显，当上下表面存在温差时，垂直传输的热流是主体。对于高蓬松絮状纤维集合体材料，由于存在大量的复杂形态的细小的空隙，蓬松度较高，厚度较厚，热量的传输通常是二维或三维的。

目前国内外一般用平板式保暖仪来测试评价平面状材料的导热性能。国内使用的大部分保暖仪只有一个热板，测试时用试样覆盖热板，试样的下表面紧贴热板，试样上表面暴露于测试环境，在稳定传热条件下，测试1小时内通过1平方米试样所传递的热量，计算传热系数。由于试样上表面的空气流动会引起一定量的对流散热量，使得测试结果成为对流散热和传导散热的综合值。国际上使用的数种仪器的测试原理如图1所示，检测时将试样放在固定的下热板上，通过一个可自由移动的上热板对试样形成夹持。上下热板间维持一定的温差，在经过一段时间以后，当达到稳定传热时，测试单位时间内通过1平方米面积传递的热量，即导热系数λ，其计算公式为： $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{qd}}{\mathrm{\ΔT}\·S}(w/\mathrm{mK}),$ 其中，q为通过试样的热量(w)；d为试样厚度(m)；ΔT为试样上下表面温度差(K)；S为试样面积(m²)。对于织物、薄膜、纸板、木板等厚度不容易变化的平面状材料，现有仪器的测量是比较精确的。但是本发明的发明人发现，对于高蓬松易变薄的平面状纤维集合体材料，现有检测仪器存在下述四大缺陷：

第一：由于上热板的重量全部压在试样上，测试时试样厚度明显变薄，引起很大测量误差。测试时的试样厚度不是试样的初始厚度，而是被仪器上热板压缩后的一个未知厚度，该未知厚度与试样的压缩性能和仪器上热板重量有关。我们实验研究发现，平面状纤维集合体的传导散热量对测试时的试样厚度依赖程度远大于任何其他因素，如图2所示。图2是用不同原料和相同方法制造的8种絮片，图中△、○等每一个符号表示一种絮料，每种絮料的最大厚度是其未被压缩时的初始厚度，其余厚度都是被压缩的厚度。

第二，不能主动控制试样厚度进行测量，也就不能考查使用过程中由于试样厚度变化引起热传导性能的可能变化。高蓬松的絮状纤维集合体材料在实际使用过程中要经受各种挤压，厚度逐渐变薄，因此材料在初始厚度下的导热性能并不能代表在实际使用过程中的导热性能，而材料在各种不同压缩率(即压缩厚度)下的散热量的高低才能真正体现其在各种使用环境下的保暖性。

第三，导热系数的计算误差。计算导热系数的前提条件是，在试样上下表面间形成垂直分布的温度场。而我们研究发现，使用现有测试系统测试高蓬松絮状纤维集合体材料时，通过高蓬松絮状纤维集合体材料的热量传输方向不是一维的，很难形成垂直分布的温度场，并且在某些情况下，其温度场的变化也不是线性的，温度场的递减在不到其厚度的一半时就超过50％，这说明对于高蓬松絮状纤维集合体材料原有的由散热量计算导热系数的方法已经不能适应，可能需要从一个算术公式变成微积分算式。

第四，上、下热板与周围环境的对流散热量不可忽略，引起明显测量误差。用现有仪器测试高蓬松絮状纤维集合体材料时，试样厚度方向直接裸露于周围环境，上、下热板通过试样厚度侧面与周围环境形成对流及传导通道，由于厚度较大，散热面积或通道大，散热量不可忽略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置及检测方法，能够方便、可靠、快速地检测各种高蓬松易变形材料的导热性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，包括下热板、上热板和温度测定设定箱，还包括试样外围绝热装置和试样厚度主动控制装置；所述的试样外围绝热装置包括热绝缘箱体和热绝缘顶盖；所述的热绝缘箱体罩住所述的上热板、下热板及其之间的试样；所述的热绝缘顶盖在所述的上热板的外围；所述的试样厚度主动控制装置包括：升降架、升降臂和夹持器；所述的夹持器从上方夹住所述的上热板，并与所述的升降臂固定，所述的升降臂与所述的升降架之间能够滑动。

所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的热绝缘箱体是用绝缘材料制成的底面为正方形的长方体。

所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的升降架上装有标尺。

所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的夹持器、升降臂和升降架均采用不易变形的金属材料制成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高蓬松易变形材料导热性能的检测方法，包括以下步骤：(1)在检测前将试样在恒温恒湿室中预调湿24小时；(2)用热绝缘箱体罩住下热板；(3)将试样平整地放入所述的热绝缘箱体内的下热板上；(4)用夹持器夹起上热板，并在所述的上热板外围套上热绝缘顶盖；(5)调整所述的夹持器与升降臂的高度，让所述的上热板与热绝缘顶盖在热绝缘箱体内壁滑动，通过升降架上的标尺控制其下降到试样的初始厚度或某一设定厚度；(6)对所述的试样进行导热性能的测量。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在试样外围加装绝缘装置，阻断了厚度较大的高蓬松材料周边与环境的对流及热传导交换，从而阻断了误差源，保证了仪器所测得的热流量是单纯的试样上下表面间的热传导。

由于采用了试样厚度主动控制装置，可以准确测量试样在各个已知厚度或已知压力下的导热性能，可测出同一试样在不同受压状态下的散热量，即试样被压缩的厚度或试样所受压强与试样散热量之间的关系曲线，从而反映出实际使用过程中高蓬松易变形材料的保暖性能随压力或厚度的变化。与现有KES-F7等测试系统在随机压缩的未知厚度下的测试相比，更能准确反映高蓬松易变形材料的本质特性。

附图说明

图1是现有技术中平面状材料热传导性能测试原理的示意图；

图2是现有技术中八种絮片承压时的厚度与传导散热量的关系的实验结果示意图；

图3是根据本发明实施方式中高蓬松易变形材料导热性能的检测装置示意图；

图4是根据本发明实施方式中试样外围绝热装置示意图；

图5是根据本发明实施方式中试样厚度主动控制装置示意图；

图6是根据本发明实施方式中七种絮片在初始厚度下的传导散热量的关系的实验结果示意图；

图7是根据本发明实施方式中有无热绝缘箱体时的热流路径示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，包括：下热板、上热板和温度测定设定箱，还包括：试样外围绝热装置和试样厚度主动控制装置；所述的试样外围绝热装置包括：热绝缘箱体和热绝缘顶盖；所述的热绝缘箱体罩住所述的上热板、下热板及其之间的试样；所述的热绝缘顶盖在所述的上热板的外围；所述的试样厚度主动控制装置包括：升降架、升降臂和夹持器；所述的夹持器从上方夹住所述的上热板，并与所述的升降臂固定，所述的升降臂与所述的升降架之间能够滑动。所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的热绝缘箱体是用绝缘材料制成的底面为正方形的长方体。所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的升降架上装有标尺。所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置的夹持器、升降臂和升降架均采用不易变形的金属材料制成。

如图3所示，本发明是在现有导热性能的检测系统上加装的一个试样控制装置，包括试样外围绝热装置和试样厚度主动控制装置两部分。为了准确测量试样上、下表面间的传导散热量，需要阻止厚度较大的高蓬松试样四周与环境的传导及对流散热量，因此在试样外围加装了热绝缘箱体。又因为同一试样的上下表面间的热传导量与测试时试样的受压状态或厚度相关，需要检测试样在初始厚度及某些特定受压厚度下的热传导性能，因此采用一个厚度主动控制装置来控制试样厚度或受压状态。

如图4所示，试样外围绝热装置包括一个热绝缘箱体和一个嵌入式热绝缘顶盖，其作用是阻断试样与周边的传导及对流热传递，即测试时只允许上、下热板之间存在热流，阻断除此之外的任何热流。其中，热绝缘箱体是底面为正方形的长方体。该绝热装置的各部分尺寸如下：热绝缘箱体边长a＝100-500mm；热绝缘箱体高b＝50-250mm；热绝缘箱体板厚度i＝2-10mm；热绝缘顶盖外边长c＝(a-2i)mm；热绝缘顶盖内边长e＝30-300mm；热绝缘顶盖厚度d＝5-30mm。

由此可见，通过在试样外围加装绝缘装置，阻断了厚度较大的高蓬松材料周边与环境的对流及热传导交换，从而阻断了误差源，保证了仪器所测得的热流量是单纯的试样上下表面间的热传导。

如图5所示，该试样厚度主动控制装置由升降架、升降臂和夹持器构成，其中夹持器的作用是：(1)夹住检测系统的上热板；(2)在上热板外围允许加装热绝缘顶盖；(3)保证热绝缘顶盖的内表面与上热板的表面处于同一平面，测试时该平面紧贴试样的上表面。其中，夹持器与升降臂固定，升降臂与升降架之间可以滑动，以便自由调节升降臂及夹持器的高度，从而控制试样厚度。升降架上装有标尺，可供读出上、下热板间的垂直距离，即试样厚度。为了保证其测量精度，夹持器、升降臂与升降架均采用不易变形的金属材料制成。该试样厚度主动控制装置各部分尺寸如下：夹持器长度g＝30～300mm；夹持器高度h＝30～100mm；升降架高度f＝150～1000mm。

不难发现，由于采用了试样厚度主动控制装置，可以准确测量试样在各个已知厚度或已知压力下的导热性能，可测出同一试样在不同受压状态下的散热量，即试样被压缩的厚度或试样所受压强与试样散热量之间的关系曲线，从而反映出实际使用过程中高蓬松易变形材料的保暖性能随压力或厚度的变化。与现有KES-F7等测试系统在随机压缩的未知厚度下的测试相比，更能准确反映絮状纤维集合体、海绵等各种高蓬松易变形材料的本质特性。

本发明的实施方式还涉及一种高蓬松易变形材料导热性能的检测方法，在检测前将试样在恒温恒湿室中预调湿24小时；用热绝缘箱体罩住下热板；将试样平整地放入所述的热绝缘箱体内的下热板上；用夹持器夹起上热板，并在所述的上热板外围套上热绝缘顶盖；调整所述的夹持器与升降臂的高度，让所述的上热板与热绝缘顶盖在热绝缘箱体内壁滑动，通过升降架上的标尺控制其下降到试样的初始厚度或某一设定厚度；对所述的试样进行导热性能的测量。

该高蓬松易变形的平面状材料导热性能的具体检测方法如下：(1)在检测前将试样在恒温恒湿室中预调湿24小时。(2)用内壁尺寸与下热板外沿相等的热绝缘箱体罩住下热板。(3)将裁剪成边长与绝热箱体内壁尺寸相同的正方形试样平整地放入热绝缘箱体内的下热板上。(4)用夹持器夹起上热板，并在该上热板外围套上热绝缘顶盖。(5)调整夹持器与升降臂的高度，让所述的上热板与热绝缘顶盖在热绝缘箱体内壁滑动，通过升降架上的标尺控制其下降到试样的初始厚度或某一设定厚度。其中，初始厚度是上热板刚好与试样接触，但试样不受压时的厚度。若需检测试样在特定压强下的散热量，可先用压缩性能测试仪测试待测试样所受压强与试样厚度的关系曲线，从该曲线上读出特定压强所对应的厚度，此厚度即为设定厚度。(6)按所用热性能测试仪的操作程序进行测试，测得试样的散热量。

下面提出四个具体的实施例来说明本发明的有益效果。

实施例1：用厚度为4mm的有机玻璃制造绝热装置，各部分尺寸如下：热绝缘箱体边长a＝188mm；热绝缘箱体高b＝150mm；热绝缘顶盖外边长c＝180mm；热绝缘顶盖厚度d＝20mm；热绝缘顶盖内边长e＝50mm。用中碳钢材制造试样厚度主动控制装置，其中夹持器采用440-C型不锈钢，升降臂采用154CM型不锈钢，升降架采用ATS-34型钢材。各部分尺寸如下：升降架高度f＝300mm；夹持器长度g＝80mm；夹持器高度h＝60mm。

在日本产KES-F7测试系统上加装本发明的检测装置，测试7种絮片在初始厚度下的传导散热量，以及在各个受压厚度下对应的传导散热量，测试结果见图6和图2。表1所示的是7种絮片的性能，其中，7种絮片的制造方法相同。

表1絮片试样

从图6和图2中可以看出，絮片的传导散热量与厚度有关，不同纤维的絮片在未受压状态下传导散热量的差异来源于其初始厚度或蓬松度的差异。而且，厚度相同的不同纤维絮片的热传导性能的差异不大，经过曲线拟合得到了絮片传导散热量y与厚度x之间的拟合关系如下：y＝294.64e^(-x/3.66)+31.45。现有仪器在未知的承压厚度下的测试结果可能是该曲线上的任一点。此外，图6间接表明，不同絮料抗压薄性能的差异也会引起保暖性能的差异。

试样外围绝热装置的作用可以从表2看的非常清楚，表2是同一块绵羊绒絮片分别在加装绝热装置及不加装绝热装置状态下的多次测试结果的对比，显然，加装绝热装置后测得的试样的传导散热量的波动明显降低、平均值也较低；用现有仪器(即无绝热装置)测试测得的试样的传导散热量明显较高，而且数据波动较大。因为，无绝热装置时，除了起主导作用沿絮片厚度方向的传导散热以外，絮片四周的对流散热也不可忽略，如图7所示。而且絮片四周的对流散热量随周围环境温度、风速等条件在波动，造成测试结果的不稳定性。增加绝热装置后，絮片与周围环境的对流散热几乎不存在，不同时间测试结果具有很好的重现性，测试结果的波动很小。表2所用絮片的初始厚度只有15mm，实验室的恒温恒湿控制很好，对于更厚的试样或实验时温湿度环境的较大波动，若不加绝热装置，将会引起更大的测量误差。

表2绵羊绒絮片传导散热量的实测结果(瓦特/米²)

实施例2：用厚度为2mm的胶木板制造绝热装置，各部分尺寸如下：热绝缘箱体边长a＝184mm；热绝缘箱体高b＝120mm；热绝缘顶盖外边长c＝180mm；热绝缘顶盖厚度d＝15mm；热绝缘顶盖内边长e＝50mm。厚度主动控制装置的升降臂用铝合金材料，夹持器采用440-C型不锈钢，升降架采用ATS-34型钢材。各部分尺寸如下：升降架高度f＝280mm；夹持器长度g＝80mm；夹持器高度h＝50mm。

在日本产KES-F7测试系统上加装该检测装置，测试表1所示的7种絮片的性能。每一种絮片是在与实施例1完全相同的温湿度条件下进行测试，并在初始厚度和各个不同的受压厚度下测试。测试结果与实施例1在相同条件下的测试结果进行对比分析，其差异率用下式计算：差异率＝(实施例2的测试值-实施例1的测试值)/两次测试值的平均值×100。结果发现，平均差异率＝3.58％，最大差异率＝10.2％。

实施例3：用厚度为8mm的真空玻璃制造绝热装置，各部分尺寸如下：热绝缘箱体边长a＝196mm；热绝缘箱体高b＝120mm；热绝缘顶盖外边长c＝180mm；热绝缘顶盖厚度d＝30mm；热绝缘顶盖内边长e＝50mm。厚度主动控制装置的升降臂用铜合金材料，夹持器采用440-C型不锈钢，升降架采用ATS-34型钢材。各部分尺寸如下：升降架高度f＝350mm；夹持器长度g＝80mm；夹持器高度h＝80mm。

在日本产KES-F7测试系统上加装该检测装置，测试表1所示的7种絮片的性能。每一种絮片是与实施例1完全相同的温湿度条件下进行测试，并在初始厚度和各个不同的受压厚度下测试。测试结果与实施例1在相同条件下的测试结果进行对比分析，计算其差异率。结果发现，平均差异率＝4.32％，最大差异率＝11.4％。

实施例4：用厚度为10mm的泡沫塑料板制造绝热装置，各部分尺寸如下：热绝缘箱体边长a＝200mm；热绝缘箱体高b＝120mm；热绝缘顶盖外边长c＝180mm；热绝缘顶盖厚度d＝12mm；热绝缘顶盖内边长e＝50mm。厚度主动控制装置的升降臂用铁合金材料，夹持器采用440-C型不锈钢，升降架采用ATS-34型钢材。各部分尺寸如下：升降架高度f＝320mm；夹持器长度g＝80mm；夹持器高度h＝80mm。

在日本产KES-F7测试系统上加装该检测装置，测试表1所示的7种絮片的性能。每一种絮片是与实施例1完全相同的温湿度条件下进行测试，并在初始厚度和各个不同的受压厚度下测试。测试结果与实施例1在相同条件下的测试结果进行对比分析，计算其差异率。结果发现，平均差异率＝2.94％，最大差异率＝10.8％。

Claims (5)

1.一种高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，包括下热板、上热板和温度测定设定箱，其特征在于，还包括试样外围绝热装置和试样厚度主动控制装置；所述的试样外围绝热装置包括：热绝缘箱体和热绝缘顶盖；所述的热绝缘箱体罩住所述的上热板、下热板及其之间的试样；所述的热绝缘顶盖在所述的上热板的外围；所述的试样厚度主动控制装置包括：升降架、升降臂和夹持器；所述的夹持器从上方夹住所述的上热板，并与所述的升降臂固定；所述的升降臂与所述的升降架之间能够滑动。

2.根据权利要求1所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，其特征在于，所述的热绝缘箱体是用绝缘材料制成的底面为正方形的长方体。

3.根据权利要求1所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，其特征在于，所述的升降架上装有标尺。

4.根据权利要求1所述的高蓬松易变形材料导热性能的检测装置，其特征在于，所述的夹持器、升降臂和升降架均采用不易变形的金属材料制成。

5.一种高蓬松易变形材料导热性能的检测方法，其采用权利要求1-4任一项所述的检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在检测前将试样在恒温恒湿室中预调湿24小时；

(2)用热绝缘箱体罩住下热板；

(3)将试样平整地放入所述的热绝缘箱体内的下热板上；

(4)用夹持器夹起上热板，并在所述的上热板外围套上热绝缘顶盖；

(5)调整所述的夹持器与升降臂的高度，让所述的上热板与热绝缘顶盖在热绝缘箱体内壁滑动，通过升降架上的标尺控制上热板与热绝缘顶盖下降到试样的初始厚度或某一设定厚度；

(6)对所述的试样进行导热性能的测量。

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