第十一章：纺织材料的热学性质

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1、第十一章：纺织材料的热学性质本章知识点1、比热容与热焓、纤维的导热系数、绝热率、保 暖率、热阻概念及表达指标。 2、纺织材料热力学三态的基本概念及特点。 3、阻燃性的定义及定量表达指标和提高阻燃性的 途径。 4、纺织材料的热收縮性及熔孔性的概念及表达指 标。 纤维的热学性质是纤维物理性质的重要内 容之一。在不同的温度下，纤维的内部结 构和物理性质都将表现出相应的特征，这 种与温度相关联的热物理性质称纤维的热 学性质。本章将讨论比热、导热系数、热 作用时的纤维性状、耐热性与热稳定性， 以及纤维的燃烧性质。 第一节、比热 1比热的概念 单位质量的纤维，温度升高(或降低)1所需要吸收(或 放出)的热

2、量，叫纤维的比热。比热的单位是焦耳/克度 (J/g)，曾用单位是卡/克度(cal/g)。 (7-1) 式中，C为比热，单位为J/g；Q为纤维吸收(或放出) 的热量，单位为J；m为纤维的质量，单位为g；T为纤 维升高(或降低)的温度，单位为。 比热的大小直接反映了纤维材料温度变化 的难易程度。比热较大的纤维，温度升高( 或降低)1，所吸收(或放出)的热量较多， 表明纤维的温度变化相对困难。而比热较 小的纤维材料在温度升高(或降低)1时吸 收(或放出)的热量较少，表明纤维温度变化 相对容易。不同的纤维通常具有不同的比 热值，比热的大小影响着纤维的加工和使 用性能。 2常见纺织纤维的比热 常见干燥纺

3、织纤维的比热如表7-1所示，可 以看出各种纤维材料的比热值不同，锦纶6 和锦纶66的比热较大，玻璃纤维和石棉的 比热较小。在自然界中，静止干空气的比 热为1.01 J/g，与干燥纺织纤维比热接近 ；水的比热为4.18 J/g，大约为一般干燥 纺织纤维比热的23倍。纤维纤维 种 类类比热值热值纤维纤维 种类类比热值热值纤维纤维 种类类比热值热值棉1.211.34粘胶纤维纤维1.261.36羽绒绒羊毛1.36锦纶锦纶 61.84芳香聚酰酰胺 纤维纤维1.21桑蚕丝丝1.381.39锦纶锦纶 662.05醋酯纤维酯纤维1.46亚亚麻1.34涤纶涤纶1.34玻璃纤维纤维0.67大麻1.35腈纶腈纶1.

4、51石棉1.05黄麻1.36丙纶纶 (50)1.80木棉表7-1 常见见干燥纺织纤维纺织纤维 的比热热表（测测定温度为为20） 单单位：J/g 3影响纺织纤维比热的主要因素 由于纺织纤维大多属于吸湿性高分子材 料，其结构及组成与外界作用(空气的湿度 、温度等)有着十分密切的联系，其聚集态 结构较易受热发生变化，而这种变化往往 是不可逆的。因此纤维结构的变化和水分 的介入，将直接影响纤维的比热。 (1)水分的影响由于水的比热大于干燥纤维的比热，实际纤维的比热与纤维的回潮率 有关，并随回潮率的增加而增大。其相互关系为可以按下式计算： (7-2)式中：C为纺织纤维的比热(J/g)；C0为干燥纤维比热

5、(J/g)；Cw 为水的比热(J/g)；W为纤维的回潮率(%)。 如上式所示，在常见的回潮率范围内，纺织纤维的比热随回潮率的上 升而增大。 图7-1给出了羊毛纤维比热随回潮率和温度变化的实测曲线，实测曲 线的变化规律与理论计算值的变化规律相近。图图7-1羊毛纤维纤维 比热热与回潮率三和温度的关系 (2) 温度的影响 纤维比热不仅与回潮率大小有关，还受温 度的影响。当纤维的回潮率一定时，温度 愈高，纤维的比热也愈大，如图7-1所示。 一般认为，温度较高时，具有一定回潮率 纤维的比热增大的主要原因是纤维吸湿热 随温度升高而增大的缘故。 (3) 纤维结构的影响 比热是反映材料对温度变化所需或所释放的

6、热量，这对应 着材料的不同结构形式和热运动单元，其间的关系很复杂 。纤维大分子的取向排列会导致比热的增大，并向高温偏 移，见图7-2所示的低取向和高取向聚乙烯纤维的DSC图 谱。其中纵坐标（单位时间的热交换量）与纤维的比热是 一个正比例函数关系。 纤维的结晶形式和结晶度也对比热值产生影响。如果对热 塑性涤纶纤维进行热处理，经快速冷却淬火的PET熔体会 获得完全无定形涤纶丝；经缓慢冷却退火可得到已经充分 结晶的涤纶丝，前者为波动的曲线，在两者比热随温度变 化规律有很大差异，见图7-3。 前者为波动的曲线，在70附近出现玻璃化转变 ，比热增大；在接近80时开始结晶，到125 时结晶速度达到最大值，

7、比热迅速减小；在 220附近，出现第二次熔前结晶，比热稍有下 降。而后者为缓慢上升曲线，无再结晶的现象。 由图7-2和7-3可知，比热对应的是分子运动所需 的能量，是材料吸收的热量，而分子的热运动受 材料的结构和其分子的排列的影响是显而易见的 。图7-2 不同取向聚乙烯纤维的DSC图谱图图7-3 两种涤纶丝涤纶丝 的比热热随温度的变变化规规律 4比热对纤维加工和使用的影响 纺织纤维比热大小及其变化规律对其使用性能和 加工工艺有着重要的意义。如锦纶纤维具有较大 的比热值，反映其不易随温度变化，采用锦纶丝 织造的面料在夏季穿着时，皮肤触觉有明显的“冷 感”。 对涉及到快速热加工的纺织工艺，纤维的比

8、热对 制订工艺参数意义更为重要，因为提供的热量太 多会产生过冲，导致纤维材料的解体破坏；提供 热量不足又会使温度不够，无法实现热定形。 具有较大比热的纤维可用于那些需要抵御温度骤 变的场合。采用高绝热纤维材料与在特定温度时 比热值较大的固固相变材料复合，不仅可以自 适应地热防护，而且可以阻止红外辐射与探测。 第二节、导热系数 1导热的概念与导热系数 导热主要通过热传导、对流和热辐射三种 方式来实现。单纤维的热传递性是极困难 的，一般采用纤维集合体的方式。由于纤 维集合体是纤维与空气共同构成的复合体 ，因此热传递的三种形式必然存在。而且 纤维大多是吸湿材料，还存在水份的吸收 与释放的潜热形式。

9、为表达的简化与方便，将纤维集合体（即无规排列的纤维 团）看成一个均匀介质。采用傅立叶导热定律来讨论其导 热性。 （7-3） 式中，Q为热量，单位焦耳(J)；dT/dx为温度梯度；t为时 间(s)，s为传导截面积(m2)，而是导热系数，单位瓦特/ 米度(W/m)。 热传递的本质性的指标是导热系数，也称为传热系数、或 热导率，用表示。其含义是，当纤维材料的厚度为1m及 两端间的温度差为1时，1秒钟内通过1m2纤维材料传 导的热量焦耳数，如式7-4。 图7-4给出了导热系数含义的示意图。 （7-4） 式中，d为纤维制品厚度(m)；T为纤维材 料两表面之间的温度差(T2-T1)，单位 () 。 室温2

10、0度时，常见纺织纤维的导热系数如 表7-2所示。 图7-4 热传递示意图表7-2 常见纺织纤维见纺织纤维 的导热导热 系数纤维纤维 制品(W/m)棉纤维纤维0.0710.0731.12590.1598羊毛纤维纤维0.0520.0550.47890.1610蚕丝纤维丝纤维0.050.0550.83020.1557粘胶纤维纤维0.0550.0710.71800.1934醋酯纤维酯纤维0.05羽绒绒0.024木棉0.32麻1.66240.2062涤纶涤纶0.0840.97450.1921腈纶腈纶0.0510.74270.2175锦纶锦纶0.2440.3370.59340.2701丙纶纶0.2210.

11、302氯纶氯纶0.042静止干空气0.026纯纯水0.697 2影响纤维导热系数的因素 纤维实际上是纤维、空气和水的混合物。 因此，受纤维的结构与排列，空隙或空气 的含量及流动性，以及水分的含量等影响 。 (1) 纤维的结晶与取向 纤维的结晶度愈高，有序排列的部分愈多，连续 性愈好。因为有序排列的晶格有利于热振动的传 递的，因此导热系数愈大。 纤维中分子沿纤维轴的取向排列越高越多，则有 利于热在此方向上的传递，分子的取向度越高， 沿纤维轴向的热传导系数越大。即纤维的热传导 是各向异性的，平行纤维轴的导热系数不等于 垂直纤维轴的导热系数。在纤维集合体中只要 纤维有取向排列，同样存在此现象，。 (

12、2) 纤维集合体密度 由表7-2可知，静止干空气的导热系数最小 ，多孔结构的材料可以携带较多的空气， 尤其是静止空气，具有很好的绝热特征。 纤维本身的空穴和纤维集合体多孔结构， 使其具有典型的低导热特征。而且其导热 系数取决于纤维中的孔隙量及孔隙中的气 体的流动性。图图7-5 纤维层纤维层 体积积重量和导热导热 系数间间的关 系 如图7-5所示，同样的纤维填充密度，当两端气 压越大时，空隙中的气体流动性增大，导热系数 增大。而填充密度变化，导热数先大后小，再增 大。其原因是小时，虽空隙大，但对流传导性增 大；大时，虽对流传导因孔隙的变小而减少，但 纤维的热传导作用增大。因此，纤维在纤维集合 体

13、的为0.030.06g/cm3导热系数为最小。 实用中，通过控制纤维层的体积重量，夹持较多 的静止空气是提高纤维制品保暖性的最主要方法 。 (3) 纤维排列方向 纤维对热的传导与纤维在空间的排列特征 有十分密切的联系。研究表明，当纤维平 行于热辐射方向排列时，即纤维垂直于纤 维层方向取向时，导热能力较强；当纤维 垂直于热辐射方向，即纤维平行于纤维层 排列时，导热能力较低。图7-6给出了纤维 沿辐射方向排列的方向角f与导热系数的 关系，其中纤维排列方向角f是指纤维统计 平均取向与热辐射方向间的夹角。7-6 纤维纤维 排列方向角f与导热导热 系数的关系 (4) 纤维细度和中空度 当纤维排列特征相同

14、时，纤维细度愈细， 纤维制品的热辐射穿透能力愈弱。而且， 在同样密度下相对的间隙越小，静止空气 的作用越强，导热系数越小。纤维中的空 腔量越大，在不压扁的状态下，所持有的 静止空气及空间越多，纤维集合体的导热 系数越小，木棉的大中腔结构就是典型的 例子。 (5) 环境温湿度 一般认为，温度升高后，纤维分子的热运动频率 升高，小分子的自由程度增大，热量的传递能力 增强，结果表现为纤维材料导热系数随温度升高 而增大。表7-3给出了几种主要纤维的温度与导热 系数之间的关系。 湿度对导热系数的影响主要是因为水的导热系数 较大，约为干纤维几倍到一个数量级，故随着纤 维回潮率的增加，纤维导热系数增大。表7

15、-3温度与纤维导热纤维导热 系数间间的关系纤纤 维维导热导热 系数(W/m)030100棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亚亚麻0.0460.0530.062蚕丝丝0.0460.0520.059 3导热系数对加工和使用的影响 对加工而言，导热系数较低，会影响热作用的传 递和热处理的效果，造成处理对象的外热内冷和 热作用时间的外长内短现象。引起处理效果的不 均匀。因此，在均匀化的热处理中，应该注意纤 维及其集合体的这一特征，采用逐渐升温的过程 和保温措施，达到处理的均匀化。同时，也可利 用这一特征，对外层需要热定形或热处理的材料 实施快速升温处理，而回避对内层过多热作用， 使易于受热损伤的纤维减少过热作用及破坏。 对纤维材料的使用，应该充分利用高导热系数的 纤维来制作导热、散热性良好的夏季织物。应该 采用低导热系数的