農(nóng)用日光溫室紡織復(fù)合保溫材料熱阻濕阻的測(cè)試研究*

(1. 西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安，710000；2. 浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院寧波市先進(jìn)紡織技術(shù)與服裝CAD重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波，315000)

保溫是我國北方地區(qū)日光溫室冬季生產(chǎn)的重要技術(shù)措施之一。目前在我國北方地區(qū)，傳統(tǒng)的日光溫室保溫覆蓋材料有草簾、蒲席等，這些材料笨重、卷放費(fèi)時(shí)費(fèi)工、防水性能很差，在遭遇連續(xù)的雨雪天氣后由于材料浸濕增加了重量使得卷放更為困難，保溫性能嚴(yán)重下降，同時(shí)磨損了的農(nóng)膜嚴(yán)重影響透光性能，最終影響農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。開發(fā)新型保溫被是廣大農(nóng)民十分關(guān)心和期待解決的問題。我國各地已研制開發(fā)出幾種日光溫室保溫被，主要有針刺氈保溫被、腈綸棉保溫被、棉氈保溫被、泡沫保溫被、復(fù)合保溫被等[1]。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，目前日光溫室的總數(shù)在1 000萬座以上，按照每座日光溫室需要保溫覆蓋700 m2計(jì)算，這是一個(gè)擁有上億元需求的潛在市場(chǎng)。所以，研發(fā)質(zhì)輕、保溫效果好的保溫被是我國溫室發(fā)展的迫切需求。

農(nóng)用日光溫室紡織復(fù)合保溫材料是由表層的覆蓋材料及保溫芯材構(gòu)成的。保溫芯材必須選用合適的纖維，有最佳的面密度，膨松有彈性，才能達(dá)到最佳的保溫效果。濕度會(huì)嚴(yán)重影響保溫性能，所以為了更好地使芯材保持干燥，表層覆蓋材料必須具有防水作用[2]。

對(duì)于日光溫室紡織復(fù)合保溫材料的保溫性能評(píng)價(jià)一直是研究的重點(diǎn)。張義等[3]采用覆蓋材料傳熱測(cè)試臺(tái)測(cè)定了4種溫室內(nèi)保溫幕的傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率等保溫性能參數(shù)，并采用紅外分光光度計(jì)測(cè)定了這4種材料的紅外輻射透過性能，透過率越高的材料保溫性越差。馬承偉等[4]提出了一種園藝設(shè)施覆蓋材料傳熱分析以及傳熱系數(shù)的理論計(jì)算方法，即覆蓋層能量平衡法。該方法通過覆蓋層輻射傳熱和對(duì)流換熱的能量平衡, 建立了全面反映覆蓋材料傳熱各主要影響因素的傳熱模型, 得出了傳熱系數(shù)的理論解析計(jì)算方法。喬正衛(wèi)等[5]分別選用噴膠棉、羊毛、PE(聚乙烯)發(fā)泡片和毛氈做保溫芯材，試制了4種保溫被，通過靜態(tài)熱箱試驗(yàn)，以草簾為對(duì)照樣分析了4種保溫被的保溫性，認(rèn)為噴膠棉和羊毛保溫被的性能良好，有望替代草簾成為日光溫室的新型高效保溫材料。陳永杰等[6]在模擬溫室環(huán)境條件下研究得出，連續(xù)晴天或連續(xù)陰天，化纖保溫被單位面積質(zhì)量(厚度)對(duì)保溫效果影響顯著，但被雨淋過后，厚度不再是影響保溫效果的顯著因素。

本文采用熱阻濕阻測(cè)試儀對(duì)日光溫室紡織復(fù)合保溫被、表層覆蓋材料及保溫芯材的熱阻濕阻性能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)在相同測(cè)試條件下得到的熱工性能進(jìn)行了比較分析。

1 材料與裝置

1.1 測(cè)試材料

測(cè)試的農(nóng)用紡織復(fù)合保溫被由寧波中直農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。農(nóng)用紡織復(fù)合保溫被由保溫芯材和分別復(fù)合在保溫芯材兩面的覆蓋層三層組成，如圖1所示。

圖1 農(nóng)用紡織復(fù)合保溫被結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 表層覆蓋材料

(1)滌綸牛津布：采用保溫被專用滌綸長絲原料，同時(shí)降低緯向織造密度。

(2)滌綸牛津布復(fù)合PE膜：內(nèi)層保溫主體與上下表層采用樹脂混合料通過熱熔工藝相互粘連在一起，在滌綸牛津布與內(nèi)層保溫主體間形成0.4～1.5 mm的防水隔熱膜。

(3)滌綸牛津布復(fù)合涂層PE膜：采用自制涂層，抗紫外、耐候效果突出，且耐低溫，高溫下不回粘，并具有一定的阻燃、防霉作用。

(4)PP(聚丙烯)編織物：正面涂覆丙烯酸油膠，反面涂覆鋁粉。

1.1.2 保溫芯材(保暖體)

(1)噴膠棉：噴膠棉結(jié)構(gòu)形成的原理是將黏合劑噴灑在蓬松纖維層的兩面，由于在噴淋時(shí)有一定的壓力，以及下部真空吸液時(shí)的吸力作用，所以在纖維層的內(nèi)部也能滲入黏合劑。噴灑黏合劑后的纖維層再經(jīng)過烘燥、固化，使纖維間的交接點(diǎn)被粘接，而彼此未粘接的纖維仍有相當(dāng)大的自由度。同時(shí)，在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中仍保留有許多空隙。因此，纖維層具有多孔性、高蓬松性的保暖作用。

(2)無膠棉：又稱為熱熔絮棉，將低熔點(diǎn)纖維代替噴膠棉。

(3)毛氈：采用廢舊纖維制成，利用加工粘合而成。

(4)PP發(fā)泡板：以PP為原料制作的一種發(fā)泡板，有隔熱效果。

1.1.3 不同類型紡織復(fù)合保溫被

本文試制了8種復(fù)合保溫被，其結(jié)構(gòu)見表1。

表1 紡織復(fù)合保溫被結(jié)構(gòu)

1.2 熱阻濕阻測(cè)試設(shè)備及裝置

本文利用ASTM-511型熱阻濕阻儀對(duì)幾種不同類型的表層覆蓋材料、芯材及其組合而成的保溫被分別進(jìn)行熱阻和濕阻測(cè)試。采用熱阻值、濕阻值作為評(píng)價(jià)材料在熱濕環(huán)境下熱工性能的指標(biāo)。

1.3 測(cè)試原理

材料的熱阻Rct是指試樣兩面的溫差與垂直通過試樣單位面積的熱流量之比，這與電流通過導(dǎo)體的電阻類似，該干熱流量可能由傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射中的一種或者多種形式傳遞。熱阻Rct表示紡織品處于穩(wěn)定的溫度梯度條件下通過規(guī)定面積的干熱流量。熱阻值越大代表被測(cè)材料的導(dǎo)熱性能越差，即保溫效果越好。而且織物熱阻的測(cè)量使得織物的熱阻值可以參與熱環(huán)境的熱損耗等計(jì)算，因?yàn)闊嶙璐?lián)后其總熱阻等于各部分熱阻之和。

(1)

式中：Rct——熱阻，m2·K/W；

Tm、Ta——試驗(yàn)板兩面的溫度，K；

A——試驗(yàn)板的面積，m2；

Hc——提供給測(cè)試板的加熱功率，W；

ΔHc——熱阻測(cè)定中加熱功率的修正值，W；

Rct0——空白試驗(yàn)測(cè)定的儀器常數(shù)，m2·K/W。

材料的濕阻是指材料兩面的水蒸氣壓力差與垂直通過試樣單位面積蒸發(fā)的熱流量之比。蒸發(fā)熱流量可能由于擴(kuò)散和對(duì)流的一種或多種形式傳遞。濕阻Ret表示紡織品處于穩(wěn)定的水蒸氣壓力梯度條件下通過一定面積的蒸發(fā)熱流量。

(2)

式中：Ret——濕阻，m2·Pa/W；

pm——試驗(yàn)板的表面溫度為Tm時(shí)的水蒸氣壓力，Pa；

pa——試驗(yàn)板的表面溫度為Ta時(shí)的水蒸氣壓力，Pa；

A——試驗(yàn)板的面積，m2；

He——提供給測(cè)試板的加熱功率，W；

ΔHe——濕阻測(cè)定中加熱功率的修正值，W；

Ret0——空白試驗(yàn)測(cè)定的儀器常數(shù)，m2·Pa/W。

測(cè)試熱阻時(shí)將試樣覆蓋在電熱試驗(yàn)板上，試驗(yàn)板及其周圍和底部的保護(hù)板都能保持相同的恒溫，以使電熱試驗(yàn)板的熱量只能通過試樣散失，調(diào)濕的空氣可平行于試樣上表面流動(dòng)。在試驗(yàn)條件達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)定通過試樣的熱流量來計(jì)算試樣的熱阻。

對(duì)于濕阻的測(cè)定，需在多孔電熱試驗(yàn)板上覆蓋透氣但不透水的薄膜，進(jìn)入電熱板的水蒸發(fā)后以水蒸氣的形式通過薄膜，所以沒有液態(tài)水接觸試樣。試樣放在薄膜上后，測(cè)定在一定水分蒸發(fā)率下保持試驗(yàn)板恒溫所需的熱流量，與通過試樣的水蒸氣壓力一起計(jì)算試樣的濕阻。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表層覆蓋材料的熱工性能

4種表層覆蓋材料的熱阻、濕阻值見表2。

表2 表層覆蓋材料的熱阻、濕阻

由表2可知，滌綸牛津布復(fù)合涂層PE膜的保溫效果最好，PP編織物次之，滌綸牛津布復(fù)合PE膜再次，沒有經(jīng)過任何處理的滌綸牛津布最差。滌綸牛津布復(fù)合涂層PE膜和PP編織物的濕阻性能相當(dāng)，滌綸牛津布復(fù)合PE膜的濕阻性能較差，沒有經(jīng)過任何處理的滌綸牛津布的濕阻性能最差。

2.2 保溫芯材的熱工性能

4種保溫芯材的熱阻、濕阻值見表3。

表3 保溫芯材的熱阻、濕阻

由表3可知，噴膠棉和無膠棉+10%中空纖維的熱阻值相同，而PP發(fā)泡板的熱阻值最小。純PET中空纖維作為保溫芯材時(shí)其熱阻值最大，即保溫性能最好。這是因?yàn)樵谥锌绽w維中包含了很多靜止空氣，而靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.025 W/(m·K)，在選用合適保溫芯材的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)增加靜止空氣的含量，從而增加其保溫性能。無膠棉+10%中空纖維的濕阻值最大，PET中空纖維次之，PP發(fā)泡板再次，噴膠棉的濕阻值最小。

2.3 不同類型保溫被的熱工性能

8種保溫被的熱阻、濕阻值見表4。

表4 不同類型保溫被的熱阻、濕阻

由表4可知，滌綸牛津布復(fù)合PE膜再經(jīng)過涂層處理的覆蓋材料與噴膠棉結(jié)合而成的保溫被的熱阻小于相同工藝條件下的無膠棉保溫被，即保溫效果不如后者，同時(shí)濕阻也較??；由牛津布復(fù)合PE膜再經(jīng)過涂層處理的覆蓋材料與保溫芯材為無膠棉的保溫被中加入中空纖維后，材料的熱阻增加、濕阻減小，且隨中空纖維含量的增加其熱阻增加、濕阻減小，即保溫效果較好，但抗?jié)B水性能變差，這是由于中空纖維特有的結(jié)構(gòu)使得其吸水性能增強(qiáng)所致；而對(duì)于單層PP編織物+毛氈、鋁膜+PP發(fā)泡板、PU+毛氈這三種常見的日光溫室保溫被，其熱阻相對(duì)較小，即保溫效果較差，但由于其獨(dú)特的表層覆蓋材料使其濕阻較大。

3 結(jié)語

(1)在滌綸牛津布上復(fù)合PE膜具有很好的防水作用，這層PE膜可以有效地將內(nèi)層保溫芯材與上下表層覆蓋材料相互粘結(jié)在一起，起到防水保溫作用。復(fù)合抗老化涂層不僅使表層覆蓋材料具有抗紫外、耐候等效果，而且也起到了防水保溫作用。

(2)在選用合適保溫芯材的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)增加靜止空氣的含量，從而提高其保溫性能。

(3)相同厚度下噴膠棉的保溫性能不及無膠棉，且在無膠棉中添加的中空纖維越多，紡織復(fù)合保溫被的保溫性能越好。采用無膠棉作為保溫芯材、滌綸牛津布復(fù)合PE膜為表層覆蓋材料的復(fù)合保溫被，在溫室產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)設(shè)施應(yīng)用中符合溫室產(chǎn)業(yè)節(jié)能、低碳的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張放軍,陳海珍.日光溫室保溫被的發(fā)展現(xiàn)狀分析與進(jìn)展[J].紡織導(dǎo)報(bào),2011(1):73-76.

[2] 陳海珍,張放軍,樓杰.新型農(nóng)用保溫被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與保溫性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010,28(12):12-16.

[3] 張義,馬承偉,柴立龍,等.幾種溫室內(nèi)保溫幕保溫效果的測(cè)試研究[C].2008 中國設(shè)施園藝工程學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2008:30-35.

[4] 馬承偉,張俊芳,覃密道,等.基于覆蓋層能量平衡法的園藝設(shè)施覆蓋材料傳熱系數(shù)理論解析與驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(4):1-5.

[5] 喬正衛(wèi),鄒志榮,張立明,等.4 種日光溫室保溫被室內(nèi)的試驗(yàn)性能測(cè)試[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(6):153-158.

[6] 陳永杰,梁明珠,賈強(qiáng)生,等.不同厚度化纖保溫被對(duì)溫室保溫性能的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(5):491-494.