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纺织面料红外发射率测量的新装置及方法

热辐射在人体-服装-环境之间的热传递过程中占据了很大的比例。纺织面料(简称面料)作为服装的主要构成材料,其红外热辐射吸收和放射能力的评价指标为面料的红外发射率(简称发射率)。文献[1]研究表明,只有先获得面料的发射率,然后才能通过热像仪来测量服装表面温度和衣下空气层厚度。

面料发射率的测量方法目前主要是借鉴其他材料的发射率测量方法,包括反射率法和量热法。

反射率法是通过假定物体材料是不透射的灰体,即入射能等于反射能与吸收能之和,则可以在入射能率确定的情况下,通过测量物体的反射能率来获得物体的吸收能率,再根据基尔霍夫定律即假设灰体的发射率和吸收率相等,得到物体的发射率。该方法首先需要给定一个恒功率的黑体红外辐射,通过瞬间开启快门来测量其在面料表面产生的红外反射率,从而获得面料的发射率。文献[2]利用反射率法对聚异戊二烯/丙烯腈基涂层面料在8~14 μm波段的发射率进行了测量。文献[3]为消除空气的影响,将发射率测量仪放入真空容器中对纺织面料的发射率进行了测量,结果表明发射率随温度的变化而变化。文献[4]采用反射率法对Cu、 Ti粒子涂层的棉、涤纶面料的发射率进行了测量。反射率法属于瞬间曝光测量法,需要考虑消除热源未曝光时对样品温度及面料本身红外辐射量的影响。这对发射率测量仪器的设计而言具有一定考验,并且目前测量结果的准确性和稳定性亦缺乏深入的讨论。

量热法的基本原理是将待测样品置于热交换系统中,并将其紧贴于加热热板上表面,达到热平衡后测量样品的真实温度和辐射温度,然后根据样品自身的真实温度或者设置同温对比黑体进行样品发射率的测量。该方法普遍应用于金属材料或较薄的金属离子涂层材料的发射率测量,如文献[5]设计了热板和冷却装置相结合、可多角度测量材料发射率的装置,以此探究距离、角度对红外热像仪测量结果的影响。该方法也被应用于纺织服装领域,例如:文献[6]将防辐射阻燃面料置于恒温热板上表面,并采用热像仪测量面料的发射率;文献[7]将碳纤维布贴于加热热板上,通过对比测量面料与参考黑体的辐射温度,测量了面料的发射率。但量热法存在两个问题:一是用加热板的温度代替被测物体辐射面的真实温度时,由于面料通常为非良导体,当热流自热板经面料到环境时,面料内外表面必然产生温差,其辐射面的真实温度通常低于热板表面的温度,这样就给测量带来了误差。为避免该误差,文献[8]根据面料的热阻计算了面料外表面温度从而用于发射率的测量,但该计算结果的准确性尚待进一步验证。二是面料为多孔介质材料,热板本身的热辐射会穿透面料对热像仪测量面料的辐射量产生干扰,文献[9]试验证明该穿透辐射量给发射率的测量带来了较大的不确定性。

本文提出一种新装置及方法,通过有效结合反射率法外部辐射热源和量热法,解决了多孔介质低导热且具有一定厚度面料的发射率的准确测量问题。


1 量热法发射率的测量原理

红外发射率也称红外辐射率或热辐射系数等。实际物体的发射率随红外波长及温度的改变而发生变化,但对于物理学上定义的漫反射灰体而言,在温度变化范围较小时可以假设其发射率与波长和温度无关,并且发射率等于其对外界红外辐射的吸收率。纺织面料是一种具有与其他灰体相似的漫反射特性的非金属材料,属于灰体范畴。

此外,实际的红外传感器仅能在恰当的窗口对物体的热辐射进行响应,如常温测量的波段通常为8~14 μm,通常所说的织物远发射率实际也是指在8~14 μm内测得的发射率[4]。

红外传感器所接收的能量除被测物体表面的红外辐射外,还有部分源于反射环境中的红外线辐射以及物体与热像仪之间的空气本身的红外辐射。于实验室近距离对灰体进行测量时,空气的影响可忽略,传感器所能接受到的红外辐射可简化表示为式(1)。

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式中:Er为红外传感器接收到的物体表面的辐射,W/m2; σ为黑体辐射常数,为5.67×10-8 W/(m2·K4); Tr是物体的辐射温度(即假设物体为黑体,其在ε=1时的表面温度即为辐射温度),K; To为物体的实际表面温度,K; Ta为环境温度,K; ε为物体表面的发射率;ρ是物体的反射率,当物体为不透明灰体,ρ=1-ε; n为系数,对于目前广泛应用的非制冷型8~14 μm波段的碲镉汞(HgCdTe)红外传感器[10]而言,n近似为4。

变换式(1),即可得到物体表面的真实温度和表面发射率计算公式,如式(2)和(3)所示[12-15]。

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因此,在已知物体的发射率ε和环境温度Ta时,测量出物体的辐射温度Tr,即可计算出物体表面的真实温度To。反之,要测量物体表面的发射率,在环境温度一定的情况下必须先测量物体的真实温度。对于织物而言,测定其表面的真实温度就是难点所在。

传统量热法通常使用加热热板表面温度来代替被测物体表面温度,若测量导热性很好的金属薄片或很薄的涂层时温度误差不大,但对于面料这种非良导体,就存在一定内外表面温差。由式(3)可知,物体发射率与物体的辐射温度、物体表面的真实温度都成次方关系,因而,一个小小的内外表面温差就会引起较大的测量误差;同时由于面料的交织多孔结构,红外透射也会引起测量误差。


2 面料发射率的新测量装置

本文测量装置示意图如图1所示,其是基于反射率法和量热法相结合的设计。该方法摈弃了量热法中热板在面料背面直接对面料进行加热的方式,转而采用与反射率法相似的外部光热源对面料进行辐射加热(反射率法是采用无可见光的纯黑体红外辐射对面料进行瞬间照射,而非对面料进行加热)。由KT板和厚泡沫板复合的“绝热”层置于面料的背面使之单向绝热,面料正面既是受热面也是散热面。由于背面绝热板的存在,面料正面温度和背面温度相同,这样通过测量面料背面的温度即可得到面料正面的真实温度。面料在接受光热辐射后温度上升,而由于面料和环境空气的热交换作用,面料最终稳定在某一温度上,通过HgCdTe传感器的热像仪或红外测温枪,可测得面料的正面辐射温度。测量得到面料的真实温度、辐射温度及环境温度后,即可满足式(3)的计算条件。

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本装置的测量方法具有以下特点:

(1) 由于面料正面接受热源辐射而背面处于绝热状态,则面料背面温度和正面温度相同,KT板开槽嵌入水银温度计便于测量面料背面中心位置的温度,此温度即为面料正面的真实温度;

(2) 采用高反光(反射)率的KT板,可以使透过面料的光热辐射再次反射回面料,提高了面料的光热吸收率,从而在反射过程中即使发生了再透射,透射的量也小到可以忽略不计;

(3) 水银温度计中的水银本身对光热的反射率高,可以减少或避免光热辐射对温度计本身的影响;

(4) 将两盏钨丝热光灯呈一定角度(建议α=60°)配置,可以最大程度地避免光热辐射源的红外分量被热像仪所接收(可见光部分的反射和透射都不会被红外传感器所接收,因此不会对测量结果产生影响)。


3 不同面料的发射率试验

3.1 试验条件、仪器和材料

本试验在恒温恒湿室中进行,试验条件控制为温度(20±0.5)℃、相对湿度(60±3)%、风速(0.2±0.1)m/s。两盏灯均为500 W新闻灯,光热辐射比约为3∶7,灯泡与面料中心点在同一平面上且成等边三角形(边长为1.10 m);水银温度计量程为50 ℃,精度为0.1 ℃;红外测温枪采用可调内置发射率ε的IHT 600型红外测温枪,分辨率为0.1 ℃,将ε设置为1即可测得面料的辐射温度。

本文选用具有代表性的棉面料、色丁面料、针织面料、消防服面料以及消防服面料与内层抗浸保暖层的组合进行其外表面发射率的测量。同时,还对黑漆铜板和不锈钢板2种材料的发射率进行测量,并与公认值进行对比,以验证试验的可靠性。其中,面料试样的成分及织物结构类型如表1所示。

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3.2 试验结果与分析

3.2.1 不同面料发射率测量

使用图1所示的试验装置进行面料发射率测量试验。首先抽取部分面料进行预试验,结果显示所有面料随时间变化规律基本一致,以面料A为例,其各温度参数随时间变化的曲线如图2所示。由图2可以看出,面料表面温度和辐射温度在试验进行一段时间后逐渐趋于稳定。根据其稳定时间,最终确定A、 B、 C3种面料的试验时间为60 min,D类面料试验时间为70 min。使用水银温度计测量的面料真实温度和环境温度,其达到稳定状态后目测值相对稳定。为避免测温枪带来的测量误差,本次试验均通过连续3~5次测量求取平均值,测量结果如表2所示。

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由表2可得,面料种类不同,其发射率也不同,但基本集中在0.8左右,个别面料可达到0.9以上。在使用保温棉和消防服面料组合(D1+E, D2+E)的测试中,所测发射率值要略高于单层面料的测量值。这是因为含有保温棉层的两层面料的厚度大大增加了,而背板“绝热”只是近似,当厚度增加,面料内外表面还是会形成一个较小的温度差,引起测量误差,因此,其发射率稍高于单层时的测试值。


3.2.2 参考物的发射率测量

为了验证试验装置的可信度,本文对一块经10年存放的光泽已暗淡的抛光不锈钢薄板和一块亚光黑漆面薄铜板的发射率进行测量,结果如表3所示,其中ε*为参考值[15]。

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亚光黑漆铜板的漆面是高分子材料,可以按灰体来对待,光泽已暗淡的光面不锈钢板也具有近灰体的条件,且所测结果在学界公认的范围内,证明新装置设计及方法在逻辑上具有可信度。


4 结 语

针对传统面料发射率测量方法中存在的缺陷,即难以准确测量面料表面温度以及未考虑面料红外透射的影响,本文提出一种新的针对面料特点的发射率测量装置和方法:(1)将传统量热法的背面直接加热改为正面辐射加热,面料背面紧贴于绝热材料上使之单向绝热,使面料内外表面的温度一致,使用背面温度计所测量的温度即为面料正面的真实温度,有效解决了面料表面实际温度的测量问题;(2)使用外辐射源成角度照射,最大程度避免红外透射及反射的影响。试验结果表明:面料的发射率大多在0.8左右,个别在0.9以上;厚度对测量结果有一定影响,但影响较小。黑漆铜板和光泽已暗淡的光面不锈钢板的发射率试验值和现有数据相符。因此,本试验装置和方法不仅适用于面料的发射率测量,也可应用于具有一定厚度且具有孔隙特性的非良导体材料甚至近灰体金属材料的的测量,是一种低成本、高准确度的发射率测量装置和方法。


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