紡織品吸濕發(fā)熱測(cè)量不確定度分析

葛傳兵， 錢(qián)曉明， 趙曉明， 單學(xué)蕾, 王曉梅

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天紡標(biāo)檢測(cè)認(rèn)證股份有限公司， 天津 300193)

紡織品吸濕發(fā)熱測(cè)量不確定度分析

葛傳兵1， 錢(qián)曉明1， 趙曉明1， 單學(xué)蕾2, 王曉梅2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天紡標(biāo)檢測(cè)認(rèn)證股份有限公司， 天津 300193)

為提高紡織品吸濕發(fā)熱性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)紡織品吸濕發(fā)熱性能測(cè)試的不確定度進(jìn)行評(píng)估，采用FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》附錄A的方法測(cè)試針織面料的吸濕發(fā)熱性能，對(duì)測(cè)試過(guò)程中的影響因素，包括溫度傳感器、計(jì)時(shí)器、測(cè)試過(guò)程的隨機(jī)效應(yīng)等進(jìn)行逐一分析、計(jì)算，找出影響測(cè)量最高升溫值和30 min平均升溫值2個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定度分量，進(jìn)而評(píng)估合成不確定度及擴(kuò)展不確定度。結(jié)果表明，測(cè)量最高升溫值的合成不確定度為0.35 ℃，測(cè)量30 min平均升溫值的合成不確定度為0.19 ℃，其中，溫度傳感器和計(jì)時(shí)器引起的不確定度均小于測(cè)試過(guò)程中隨機(jī)效應(yīng)所引起的不確定度，即樣品組成的均一性和取樣位置等隨機(jī)性因素是影響測(cè)試重復(fù)性的主要因素。

紡織品； 吸濕發(fā)熱； 不確定度； 升溫值

傳統(tǒng)服裝的保暖方式通常為控制熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射所導(dǎo)致的熱散失[1]，而吸濕發(fā)熱纖維是通過(guò)捕捉空氣中含有較高動(dòng)能的水分子，變動(dòng)能為熱能[2]，或者是液體汽化吸收熱量，氣體液化放出熱量。國(guó)內(nèi)對(duì)于吸濕發(fā)熱纖維的研究起步較晚，而國(guó)際上對(duì)這種纖維的研究主要集中在日本[3]，通過(guò)多種途徑和方法對(duì)纖維進(jìn)行高親水化處理，制得具有吸濕發(fā)熱功能的纖維[4-6]。一般來(lái)說(shuō)，吸濕發(fā)熱纖維的發(fā)熱性能與其回潮率有關(guān)，回潮率越高，則吸濕發(fā)熱性能越好，反之亦差[7-8]。相對(duì)于纖維制造，對(duì)于吸濕發(fā)熱性能檢測(cè)方法的研究較少，且國(guó)內(nèi)外對(duì)吸濕發(fā)熱性能的測(cè)試方法或標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一[9-10]。FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》標(biāo)準(zhǔn)就是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，成為國(guó)內(nèi)首批檢測(cè)此項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之一。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)吸濕發(fā)熱內(nèi)衣評(píng)定有明確的規(guī)定。日本也有類(lèi)似的測(cè)試方法，但是在取樣方法上和測(cè)試環(huán)境條件的規(guī)定與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。

FZ/T 73036—2010標(biāo)準(zhǔn)中，吸濕發(fā)熱項(xiàng)目的檢測(cè)主要通過(guò)吸濕發(fā)熱儀，它是一種智能設(shè)備，自帶控制軟件，可實(shí)時(shí)記錄樣品的溫度和時(shí)間，測(cè)試時(shí)將樣品干燥處理，再放到一定溫度和濕度的環(huán)境中，由探針探測(cè)織物表面溫度的變化。通過(guò)軟件過(guò)濾可疑數(shù)據(jù)，并自動(dòng)報(bào)出最高升溫值和平均升溫值，且能自動(dòng)輸出結(jié)果。

紡織品的吸濕發(fā)熱值是客觀存在的一個(gè)確定值，但由于檢測(cè)手段的不完善及人們認(rèn)知的局限性，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的存在，使結(jié)果以某個(gè)概率的形式落在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。測(cè)量不確定度是用來(lái)表征合理賦予被測(cè)量值分散性的一個(gè)指標(biāo)，它與測(cè)量結(jié)果息息相關(guān)[12-13]。本文依據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》附錄A的吸濕發(fā)熱性能測(cè)試進(jìn)行了不確定度評(píng)估和分析，以期找出影響該試驗(yàn)結(jié)果不確定度的最大分量，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)生這些分量的測(cè)試要素加以控制，使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。通常測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性可用測(cè)量誤差來(lái)衡量，但是檢測(cè)測(cè)量誤差只能表現(xiàn)測(cè)量的短期質(zhì)量，測(cè)量過(guò)程是否持續(xù)受控，測(cè)量結(jié)果能否保持穩(wěn)定一致，測(cè)量能力是否符合標(biāo)準(zhǔn)和客戶的要求，就需要用測(cè)量不確定度來(lái)衡量。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1原理

將經(jīng)過(guò)烘干的試樣放在溫度為20 ℃和濕度為90%的恒溫恒濕環(huán)境中，用溫度傳感器記錄30 min內(nèi)試樣因吸濕而發(fā)生的溫度變化，與空白值相比較得出試樣的最高升溫值和30 min平均升溫值，并據(jù)此結(jié)果來(lái)評(píng)判試樣吸濕發(fā)熱性能。

1.2設(shè)備

本文試驗(yàn)中使用的吸濕發(fā)熱箱，配備日本大榮公司的平板保溫測(cè)試儀，寧波紡織儀器公司開(kāi)發(fā)的熱阻、濕阻儀和透濕箱，日本ESPEC公司的恒溫恒濕箱，如圖1所示。

圖1 吸濕發(fā)熱箱Fig.1 Equipment of moisture-absorption and heat-generating test

運(yùn)算系統(tǒng)采用SCAN吸濕發(fā)熱測(cè)試系統(tǒng)(天津市協(xié)力自動(dòng)化工程有限公司)。該系統(tǒng)具有風(fēng)速調(diào)節(jié)和顯示裝置，數(shù)據(jù)由軟件進(jìn)行自動(dòng)采集和計(jì)算，可完成FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》和GB/T 29866—2013《紡織品吸濕發(fā)熱性能試驗(yàn)方法》2種標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試。

1.3檢測(cè)方法

1.3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

每個(gè)樣品至少剪取0.5 m以上的全幅織物，取樣時(shí)避開(kāi)布端2 m以上，在成品上均勻裁取3個(gè)組合試樣，每組試樣由2塊60 mm×100 mm的試樣組成，試樣里層相貼合，沿三邊縫合成一袋狀插入口，形成一個(gè)組合試樣，如圖2所示；安裝后的效果如圖3所示。

圖2 組合試樣縫制方法示意圖Fig.2 Sketch of sewing method of combined sample

圖3 組合試樣安裝圖Fig.3 Installation diagram of combined sample

1.3.2試樣干燥

將組合試樣和稱(chēng)量瓶(打開(kāi)蓋子)一同放入烘箱內(nèi)，于(105±2)℃烘至恒態(tài)質(zhì)量，迅速將試樣放入稱(chēng)量瓶，蓋上蓋子，然后放入干燥器于溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(65±4)%的環(huán)境中平衡1 h。

1.3.3試驗(yàn)步驟

啟動(dòng)恒溫恒濕試驗(yàn)箱和溫度記錄儀，待儀器穩(wěn)定后，讀取3個(gè)溫度傳感器測(cè)試值，作為T(mén)0。

將平衡后的試樣從稱(chēng)量瓶中取出，打開(kāi)恒溫恒濕箱，在30 s內(nèi)將3塊試樣按要求套在3個(gè)溫度傳感器上，關(guān)閉恒溫恒濕試驗(yàn)箱，同時(shí)開(kāi)啟溫度記錄儀，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。

記錄最高升溫值Tmax(b點(diǎn))和10、20、30 min的升溫值(c、d、e點(diǎn))并繪圖，如圖4所示。

圖4 組合試樣升溫值與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between temperature rise valueand time of composite sample

Y軸：△T為在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，試樣的溫度減去溫度傳感器的空白溫度值。X軸：t為試驗(yàn)時(shí)間。a點(diǎn)：放入試樣后，在溫度記錄儀開(kāi)始記錄的那一時(shí)刻傳感器的溫度與初始空白溫度的變化值。f點(diǎn)：放置試樣到開(kāi)啟溫度記錄儀使傳感器溫度發(fā)生變化的時(shí)間。b點(diǎn)：試樣升至最高溫時(shí)與空白值的差值，從溫度記錄儀軟件中直接讀取，為試樣的最高溫度變化值。c點(diǎn)、d點(diǎn)、e點(diǎn)：分別為在試驗(yàn)10、20、30 min時(shí)試樣溫度與空白值的差值。t1點(diǎn)：產(chǎn)生最高溫度變化值的時(shí)間。

由圖4可看出，面料的吸濕發(fā)熱過(guò)程主要有2個(gè)溫度的變化階段：第1個(gè)階段為纖維吸附水分子，逐漸放出熱量，隨著熱量的放出，溫度逐漸升高，最后達(dá)到最高值；第2階段隨著纖維吸濕的逐漸飽和，不再放出熱量，當(dāng)溫度達(dá)到最高值后，由于面料與周?chē)h(huán)境(測(cè)試環(huán)境中溫度為20 ℃)存在溫度差，熱量逐漸擴(kuò)散到空氣中，使面料的溫度逐漸降低，隨著時(shí)間的推移，最終會(huì)與環(huán)境溫度達(dá)到平衡。由此可知，吸濕發(fā)熱纖維產(chǎn)品采用的蓄熱調(diào)溫技術(shù)發(fā)揮了作用：它在人體與衣物、衣物與外界環(huán)境之間能起到“調(diào)節(jié)器”的作用，可緩沖外界環(huán)境溫度的變化[3,14]。

1.4數(shù)學(xué)模型

升溫值(△T)即為每塊組合試樣的溫度值減去溫度傳感器的空白值所得結(jié)果，即

△T=T-T0

30 min平均升溫值(△T30)為三角形S1和梯形S2～S4的面積總和除以總時(shí)間30，即

△T30=(S1+S2+S3+S4)/30

2 不確定度來(lái)源及分析

最高升溫值(△Tmax)的不確定度來(lái)源主要是2次溫度傳感器測(cè)量引起的不確定度u(T)，以及測(cè)試過(guò)程中隨機(jī)效應(yīng)引起的不確定度u(frep)。

30 min平均升溫值(△T30)的不確定度來(lái)源主要是4次計(jì)時(shí)器引起的不確定度u(t)，4次溫度傳感器測(cè)量u(T)，以及測(cè)試過(guò)程中隨機(jī)效應(yīng)引起的不確定度u(frep)。

同一個(gè)樣品，按照1.3方法，取10組測(cè)試樣，分別測(cè)試其最高升溫值和30 min平均升溫值，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.1溫度傳感器引起的不確定度

測(cè)試最大升溫值時(shí)，由溫度傳感器引起的不確定度為

表1 重復(fù)測(cè)試10次的結(jié)果Tab.1 Repeated test results for 10 times

相對(duì)不確定度為

uref(Tmax)=u(Tmax)/△Tmax=

0.040 825/5.41=0.007 546

式中，△Tmax見(jiàn)表1，取平均值5.41。

測(cè)試30 min平均升溫值時(shí)，溫度傳感器引起的不確定度為

相對(duì)不確定度為

uref(T30)=u(T30)/△T30=

0.057 735/2.76=0.020 918

式中，△T30見(jiàn)表1，取平均值2.76。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，溫度傳感器引起的不確定度在0.040 825～0.057 735 ℃之間，相對(duì)不確定度在0.007 546～0.020 918之間，數(shù)值較小，即試驗(yàn)設(shè)備精度較高，對(duì)整體試驗(yàn)的不確定度貢獻(xiàn)不大。

2.2計(jì)時(shí)器引起的不確定度

根據(jù)檢定證書(shū)，計(jì)時(shí)器的不確定度[16]為

在10 s時(shí)，u(t10)=0.004 s(k=2);

在600 s時(shí)，u(t600)=0.004 s(k=2);

在1 200 s時(shí)，u(t1 200)=0.02 s(k=2);

在1 800 s時(shí)，u(t1 800)=0.02 s(k=2)。

測(cè)試30 min平均升溫值時(shí)由計(jì)時(shí)器引起的相對(duì)不確定度為

式中：最高升溫值t1的時(shí)間往往出現(xiàn)在0～600 s以?xún)?nèi)，因而ut1按0.004 s計(jì)算。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)時(shí)器對(duì)測(cè)試30 min平均升溫值引起的不確定度為0.02 s，相對(duì)不確定度為0.028 844，數(shù)值較小，即計(jì)時(shí)器精度較高時(shí)，對(duì)試驗(yàn)的不確定度貢獻(xiàn)很小。

此外，由于測(cè)試最大升溫值是從溫度記錄儀軟件直接讀取，不需要計(jì)時(shí)器測(cè)量，因此，不必考慮此項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)不確定度的貢獻(xiàn)。

2.3測(cè)試過(guò)程中隨機(jī)效應(yīng)引起的不確定度

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，采用下式計(jì)算重復(fù)性測(cè)量引入的相對(duì)不確定度：

測(cè)試最大升溫值時(shí)，由重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度為

ufrep(Tmax)=0.064 040

測(cè)試30 min平均升溫值時(shí)，由重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度為

ufrep(T30)=0.059 988

由以上計(jì)算結(jié)果可看出，重復(fù)性測(cè)量引起的相對(duì)不確定度的是溫度傳感器、計(jì)時(shí)器引起的相對(duì)不確定度最大值的3倍，因此，重復(fù)性測(cè)量所導(dǎo)致的試驗(yàn)偏差最大，其對(duì)整體試驗(yàn)的不確定度貢獻(xiàn)最大。

2.4不確定度分量的合成

測(cè)試最大升溫值時(shí)，其不確定度來(lái)源為溫度傳感器和隨機(jī)效應(yīng)，因此，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(△Tmax)=5.41×

測(cè)試30 min平均升溫值時(shí)，其不確定度來(lái)源為溫度傳感器、計(jì)時(shí)器和隨機(jī)效應(yīng)，因此，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(T30)=2.76×

2.5擴(kuò)展不確定度

取擴(kuò)展因子k=2,則最大升溫值的擴(kuò)展不確定度為0.70 ℃，30 min平均升溫值的擴(kuò)展不確定度為0.38 ℃。

3 結(jié) 語(yǔ)

從紡織品吸濕發(fā)熱測(cè)量不確定度的評(píng)定過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備的溫度傳感器、計(jì)時(shí)裝置精度很高，且環(huán)境溫度濕度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，試驗(yàn)過(guò)程的隨機(jī)性所導(dǎo)致的偏差對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)最大。這種隨機(jī)性可能來(lái)自被測(cè)對(duì)象的組成均一性，或取樣部位代表性或人員操作等等。

FZXB

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Evaluationofuncertaintyformeasurementofmoisture-absorptionandheat-generatedoftextiles

GE Chuanbing1, QIAN Xiaoming1, ZHAO Xiaoming1, SHAN Xuelei2, WANG Xiaomei2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387,China; 2.TianfangStandardizationCertification&TestingCo.,Ltd.,Tianjin300193,China)

In order to improve the accuracy of testing results of moisture-absorption and heat-generation properties of textiles, the uncertainty for moisture-absorption and heat-generation properties test of textiles was assessed, using the method of FZ/T 73036—2010 Moisture-Absorption and Heat-Generated Knitted Underwear Appendix A to test the moisture-absorption and heat-generation properties of knitted fabric. Analyzing and calculating the influencing factors including temperature sensor, timer, random effect during the test procedure, the uncertainty component of two important evaluation indexes which affect the maximum temperature rise value and average temperature rise value in 30 min was found out . And then the combined uncertainty and extended uncertainty were assessed. The results show that the combined uncertainty of the maximum temperature rise value is 0.35 ℃, and the combined uncertainty of the average temperature rise value in 30 min is 0.19 ℃. The uncertainties caused by temperature sensor and timer are less than that caused by the random effects during the testing process.The uniformity of the sample composition, the sampling position and other random factors are the main factors affecting the repeatability of testing.

textiles; moisture-absorption and heat-generated; uncertainty; heating value

TS 101.4

：A

2016-11-09

：2017-06-05

葛傳兵(1976—)，男，博士生。主要從事紡織檢測(cè)方面的研究。E-mail：gcbgcb@163.com。

10.13475/j.fzxb.20161102805