Тепловые свойства

К текстильным полотнам в зависимости от их назначения предъявляют различные требования относительно тепловых свойств. Основными тепловыми свойствами текстильных полотен помимо теплопроводности и теплоемкости являются теплостойкость, морозостойкость, огнестойкость.

Теплопроводность текстильных полотен оценивается коэффициентами теплопроводности %, Вт/(м°С), теплопередачи К, Вт/(м²°С), тепловым сопротивлением R, м²°С/Вт, удельным тепловым сопротивлением , м°С/Вт:

(83)

(84)

(85)

(86)

где Q – мощность теплового потока, проходящего через пробу полотна, Вт; t – время прохождения теплообмена; b – толщина полотна, м; S – площадь пробы, м²; Т₁ и Т₂ – температура поверхностей пробы полотна, °С.

Теплопроводность текстильных полотен зависит от многих факторов: волокнистого состава полотен, их структуры, влажности, конвекции и др. Коэффициент теплопроводности К, Вт/(м°С), составляет: для воздуха – 0,02, шерсти – 0,03, шелка – 0,04, льна – 0,04, хлопка – 0,05, воды – 0,6. Поэтому при близких параметрах структуры текстильного полотна разного волокнистого состава имеют разные показатели теплопроводности. На теплопроводность текстильных полотен существенно влияют переплетение, пористость (открытая или закрытая), слоистость, способ образования структуры (тканый, трикотажный, нетканый, комбинированный ткано-трикотажный и др.).

Коэффициент теплопроводности текстильных полотен с повышением их средней плотности повышается в результате уменьшения закрытой пористости. Наличие влажности в ткани приводит к увеличению теплопроводности. Эта зависимость выражается формулой:

(87)

где: l_т, l_с – коэффициент теплопроводности соответственно влажной и сухой ткани, Вт/(мК); а - коэффициент (для шерстяных тканей - 0,0024, для хлопчатобумажных - 0,0039); W - влажность ткани, %.

Теплопроводность текстильных полотен с повышением температуры увеличивается. Коэффициент теплопроводности стекловолокна и других изоляционных материалов с повышением температуры изменяется по формуле:

(88)

где l₀ – коэффициент теплопроводности при Т = 0°С (для стекловойлока - 0,03); Т - температура, °С; - эмпирический коэффициент = 0,00022.

Тепловое сопротивление текстильных полотен существенно зависит от их толщины, коэффициента теплопроводности. Оно тем больше, чем больше толщина полотен и чем меньше коэффициент теплопроводности. Учитывая, что коэффициенты теплопроводности l и теплопередачи К текстильных полотен зависят от разных видов передачи тепла (теплопроводности вещества волокон, воздуха в порах, конвекции воздуха, теплоизлучения), фактически коэффициент l является эквивалентным коэффициентом теплопроводности l_э, а коэффициент теплопередачи К - общим (суммарным) коэффициентом теплопередачи К₀. При определении характеристики теплозащитных свойств текстильных полотен находят суммарное тепловое сопротивление, характеризующее теплообмен через пакет.

Суммарное тепловое сопротивление, м²°С/Вт, определяется по формуле:

(89)

где: R_м = b/l_э – внутреннее тепловое сопротивление полотен; R_п =1/ сопротивление теплоотдаче с поверхности полотен; _м = 1/l_э – удельное тепловое сопротивление: b – толщина пробы; l_э – эквивалентный коэффициент теплопроводности, включающий теплопередачу теплопроводностью, конвекцией в структуре полотен,  - коэффициент теплоотдачи с поверхности пробы, характеризующий теплообмен поверхности полотна конвекцией и излучением с более холодной средой (воздухом).

Теплоемкость - способность текстильных полотен и изделий поглощать тепло при повышении их температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала. Теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала, его поведение при резких колебаниях температуры окружающей среды.

Удельная теплоемкость с, Дж/(кг°С)10³, текстильных материалов, которые составляют следующие волокна [3]:

стекловолокна 0,88

поливинилхлоридные 0,96

полиэфирные 1,13

хлопковые 1,38

льняные 1,51

полиакрилонитрильные 1,55

вискозные 1,63

шелковые 1,67

полиамидные 1,84

полипропиленовые 1,84

шерстяные 1,89

пенополиуретановые 2,14

триацетатные 2,18

Температуропроводность – способность текстильных полотен выравнивать температуру в различных точках, характеризуется коэффициентом температуропроводности а, м²/с:

(90)

где l - коэффициент теплопроводности; с_о - удельная теплоемкость; _о- средняя плотность материала.

Температуропроводность полотен зависит от волокнистого состава. Так, полотна из хлопка имеют высокую температуропроводность, а полотна из шерсти - низкую Температуропроводность полотен обусловливает скорость их нагревания при влажно-тепловой обработке. Это связано с перемещением влаги от более нагретых участков к менее нагретым. Повышение температуропроводности увлажненных полотен происходит также вследствие более высокой теплопроводности воды.

Методы определения теплозащитных свойств. Показатели теплозащитных свойств текстильных материалов (полотен) определяют методами стационарного и регулярных режимов. Известны разные экспериментальные исследования, выполненные этими методами. Некоторые методы описаны в «Лабораторном практикуме по текстильному материаловедению» [5]. Температуропроводность текстильных полотен и изделий определяют на приборах - -калориметрах, принцип действия которых основан на теории регулярного режима [14]. Температуропроводность текстильных полотен определяют также с помощью бикалориметра.

Тепло- и термостойкость. Теплостойкость текстильных полотен характеризуется обычно максимальной температурой, выше которой наступает ухудшение свойств, препятствующее использованию полотен. Для многих материалов, в том числе полотен из синтетических волокон и нитей, теплостойкость отражает их способность к размягчению.

Термостойкость характеризует верхний предел рабочих температур в тех случаях, когда наступают необратимые изменения свойств материала (деструкция). Знание теплостойкости необходимо при оценке качества текстильных полотен, применяемых в условиях тепловых обработок, их сушки, продолжительного, но не сильного нагрева, а также при кратковременном нагреве до высоких температур, когда могут произойти изменения свойств. Термостойкость (теплоемкость) зависит в основном от волокнистого состава [4]. Текстильные полотна с высокой термостойкостью (выше 500 °С) являются жаростойкими.

На показатели термостойкости и теплостойкости существенно влияют пористость, толщина, характер поверхности полотен. При небольшом, но длительном нагреве происходит постепенное ухудшение свойств текстильных полотен, т. е. явление, получившее название теплового старения.

Морозостойкость. Это свойство текстильных полотен и изделий характеризует их способность в увлажненном состоянии выдерживать без разрушения многократное замораживание – оттаивание без видимых признаков разрушения и ухудшения прочности. Основной причиной разрушения материала при низких температурах является расширение воды, заполняющей его поры. Морозостойкость зависит в основном от структуры материала. Чем меньше относительный объем пор, доступных для проникания воды, тем выше морозостойкость. Повышения морозостойкости текстильных полотен можно достичь в результате увеличения доли закрытых пор, повышения плотности наружных слоев материала или гидрофобизации его поверхности. Морозостойкость текстильных полотен из негигроскопичных или малогигроскопичных волокон (нитей) значительно выше, чем полотен из широко распространенных растительных волокон (хлопка, льна), а также из многих химических волокон, у которых при охлаждении не происходит фазового перехода воды, содержащейся в волокнах.

При снижении температуры до – 50 С разрывная нагрузка тканей из химических нитей возрастает на 35 – 50 %, а разрывное удлинение тканей при пониженных температурах уменьшается на 10 - 30 % [14]. С понижением температуры существенно снижается также устойчивость к многократным изгибам и истиранию.

При пониженных температурах влага переходит из жидкой фазы в твердую (лед), что и влияет на свойства материала, так как объем влаги в твердой фазе больше. В результате увеличивается жесткость полотен при механических воздействиях всех видов.

Огнестойкость. Воздействием на текстильные полотна огня определяется их огнестойкость. По стойкости к пламени огня полотна разделяются на негорючие (асбестовые, стеклянные, углеродные, хлориновые и др.), загорающиеся, но прекращающие горение и тление после удаления из пламени (шерстяные, полиэфирные и др.), и горючие, продолжающие гореть и тлеть после удаления из пламени (хлопчатобумажные, лубяные, вискозные и др.).

Оценка огнестойкости проводится по воспламеняемости, легкости возгорания и горючести (скорости возгорания). Испытания текстильных полотен на огнестойкость проводят при вертикальном, наклонном (45°), горизонтальном положении элементарных проб с использованием нагретой проволоки. В качестве показателей огнестойкости текстильных полотен применяют следующие:

• воспламеняемость - легкость или отсутствие возгорания, характеризуемые температурой и временем воспламенения пробы;

• горючесть – скорость горения пробы, продолжительность остаточного горения в секундах, время горения пробы после удаления ее из зоны огня;

• продолжительность остаточного тления - время в секундах свечения пробы после ее удаления из зоны огня;

• обугливаемость - высота в миллиметрах почерневшего участка в результате термического разрушения волокон и нитей пробы.