农用日光温室纺织复合保温材料热阻湿阻的测试研究*

(1. 西安工程大学纺织与材料学院，西安，710000；2. 浙江纺织服装职业技术学院宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验室，宁波，315000)

保温是我国北方地区日光温室冬季生产的重要技术措施之一。目前在我国北方地区，传统的日光温室保温覆盖材料有草帘、蒲席等，这些材料笨重、卷放费时费工、防水性能很差，在遭遇连续的雨雪天气后由于材料浸湿增加了重量使得卷放更为困难，保温性能严重下降，同时磨损了的农膜严重影响透光性能，最终影响农民的经济收入。开发新型保温被是广大农民十分关心和期待解决的问题。我国各地已研制开发出几种日光温室保温被，主要有针刺毡保温被、腈纶棉保温被、棉毡保温被、泡沫保温被、复合保温被等[1]。我国是一个农业大国，目前日光温室的总数在1 000万座以上，按照每座日光温室需要保温覆盖700 m2计算，这是一个拥有上亿元需求的潜在市场。所以，研发质轻、保温效果好的保温被是我国温室发展的迫切需求。

农用日光温室纺织复合保温材料是由表层的覆盖材料及保温芯材构成的。保温芯材必须选用合适的纤维，有最佳的面密度，膨松有弹性，才能达到最佳的保温效果。湿度会严重影响保温性能，所以为了更好地使芯材保持干燥，表层覆盖材料必须具有防水作用[2]。

对于日光温室纺织复合保温材料的保温性能评价一直是研究的重点。张义等[3]采用覆盖材料传热测试台测定了4种温室内保温幕的传热系数和热节省率等保温性能参数，并采用红外分光光度计测定了这4种材料的红外辐射透过性能，透过率越高的材料保温性越差。马承伟等[4]提出了一种园艺设施覆盖材料传热分析以及传热系数的理论计算方法，即覆盖层能量平衡法。该方法通过覆盖层辐射传热和对流换热的能量平衡, 建立了全面反映覆盖材料传热各主要影响因素的传热模型, 得出了传热系数的理论解析计算方法。乔正卫等[5]分别选用喷胶棉、羊毛、PE(聚乙烯)发泡片和毛毡做保温芯材，试制了4种保温被，通过静态热箱试验，以草帘为对照样分析了4种保温被的保温性，认为喷胶棉和羊毛保温被的性能良好，有望替代草帘成为日光温室的新型高效保温材料。陈永杰等[6]在模拟温室环境条件下研究得出，连续晴天或连续阴天，化纤保温被单位面积质量(厚度)对保温效果影响显著，但被雨淋过后，厚度不再是影响保温效果的显著因素。

本文采用热阻湿阻测试仪对日光温室纺织复合保温被、表层覆盖材料及保温芯材的热阻湿阻性能进行了测试，并对在相同测试条件下得到的热工性能进行了比较分析。

1 材料与装置

1.1 测试材料

测试的农用纺织复合保温被由宁波中直农业科技有限公司提供。农用纺织复合保温被由保温芯材和分别复合在保温芯材两面的覆盖层三层组成，如图1所示。

图1 农用纺织复合保温被结构示意图

1.1.1 表层覆盖材料

(1)涤纶牛津布：采用保温被专用涤纶长丝原料，同时降低纬向织造密度。

(2)涤纶牛津布复合PE膜：内层保温主体与上下表层采用树脂混合料通过热熔工艺相互粘连在一起，在涤纶牛津布与内层保温主体间形成0.4～1.5 mm的防水隔热膜。

(3)涤纶牛津布复合涂层PE膜：采用自制涂层，抗紫外、耐候效果突出，且耐低温，高温下不回粘，并具有一定的阻燃、防霉作用。

(4)PP(聚丙烯)编织物：正面涂覆丙烯酸油胶，反面涂覆铝粉。

1.1.2 保温芯材(保暖体)

(1)喷胶棉：喷胶棉结构形成的原理是将黏合剂喷洒在蓬松纤维层的两面，由于在喷淋时有一定的压力，以及下部真空吸液时的吸力作用，所以在纤维层的内部也能渗入黏合剂。喷洒黏合剂后的纤维层再经过烘燥、固化，使纤维间的交接点被粘接，而彼此未粘接的纤维仍有相当大的自由度。同时，在三维网状结构中仍保留有许多空隙。因此，纤维层具有多孔性、高蓬松性的保暖作用。

(2)无胶棉：又称为热熔絮棉，将低熔点纤维代替喷胶棉。

(3)毛毡：采用废旧纤维制成，利用加工粘合而成。

(4)PP发泡板：以PP为原料制作的一种发泡板，有隔热效果。

1.1.3 不同类型纺织复合保温被

本文试制了8种复合保温被，其结构见表1。

表1 纺织复合保温被结构

1.2 热阻湿阻测试设备及装置

本文利用ASTM-511型热阻湿阻仪对几种不同类型的表层覆盖材料、芯材及其组合而成的保温被分别进行热阻和湿阻测试。采用热阻值、湿阻值作为评价材料在热湿环境下热工性能的指标。

1.3 测试原理

材料的热阻Rct是指试样两面的温差与垂直通过试样单位面积的热流量之比，这与电流通过导体的电阻类似，该干热流量可能由传导、对流、辐射中的一种或者多种形式传递。热阻Rct表示纺织品处于稳定的温度梯度条件下通过规定面积的干热流量。热阻值越大代表被测材料的导热性能越差，即保温效果越好。而且织物热阻的测量使得织物的热阻值可以参与热环境的热损耗等计算，因为热阻串联后其总热阻等于各部分热阻之和。

(1)

式中：Rct——热阻，m2·K/W；

Tm、Ta——试验板两面的温度，K；

A——试验板的面积，m2；

Hc——提供给测试板的加热功率，W；

ΔHc——热阻测定中加热功率的修正值，W；

Rct0——空白试验测定的仪器常数，m2·K/W。

材料的湿阻是指材料两面的水蒸气压力差与垂直通过试样单位面积蒸发的热流量之比。蒸发热流量可能由于扩散和对流的一种或多种形式传递。湿阻Ret表示纺织品处于稳定的水蒸气压力梯度条件下通过一定面积的蒸发热流量。

(2)

式中：Ret——湿阻，m2·Pa/W；

pm——试验板的表面温度为Tm时的水蒸气压力，Pa；

pa——试验板的表面温度为Ta时的水蒸气压力，Pa；

A——试验板的面积，m2；

He——提供给测试板的加热功率，W；

ΔHe——湿阻测定中加热功率的修正值，W；

Ret0——空白试验测定的仪器常数，m2·Pa/W。

测试热阻时将试样覆盖在电热试验板上，试验板及其周围和底部的保护板都能保持相同的恒温，以使电热试验板的热量只能通过试样散失，调湿的空气可平行于试样上表面流动。在试验条件达到稳态后，测定通过试样的热流量来计算试样的热阻。

对于湿阻的测定，需在多孔电热试验板上覆盖透气但不透水的薄膜，进入电热板的水蒸发后以水蒸气的形式通过薄膜，所以没有液态水接触试样。试样放在薄膜上后，测定在一定水分蒸发率下保持试验板恒温所需的热流量，与通过试样的水蒸气压力一起计算试样的湿阻。

2 试验结果及分析

2.1 表层覆盖材料的热工性能

4种表层覆盖材料的热阻、湿阻值见表2。

表2 表层覆盖材料的热阻、湿阻

由表2可知，涤纶牛津布复合涂层PE膜的保温效果最好，PP编织物次之，涤纶牛津布复合PE膜再次，没有经过任何处理的涤纶牛津布最差。涤纶牛津布复合涂层PE膜和PP编织物的湿阻性能相当，涤纶牛津布复合PE膜的湿阻性能较差，没有经过任何处理的涤纶牛津布的湿阻性能最差。

2.2 保温芯材的热工性能

4种保温芯材的热阻、湿阻值见表3。

表3 保温芯材的热阻、湿阻

由表3可知，喷胶棉和无胶棉+10%中空纤维的热阻值相同，而PP发泡板的热阻值最小。纯PET中空纤维作为保温芯材时其热阻值最大，即保温性能最好。这是因为在中空纤维中包含了很多静止空气，而静止空气的导热系数仅为0.025 W/(m·K)，在选用合适保温芯材的基础上应当增加静止空气的含量，从而增加其保温性能。无胶棉+10%中空纤维的湿阻值最大，PET中空纤维次之，PP发泡板再次，喷胶棉的湿阻值最小。

2.3 不同类型保温被的热工性能

8种保温被的热阻、湿阻值见表4。

表4 不同类型保温被的热阻、湿阻

由表4可知，涤纶牛津布复合PE膜再经过涂层处理的覆盖材料与喷胶棉结合而成的保温被的热阻小于相同工艺条件下的无胶棉保温被，即保温效果不如后者，同时湿阻也较小；由牛津布复合PE膜再经过涂层处理的覆盖材料与保温芯材为无胶棉的保温被中加入中空纤维后，材料的热阻增加、湿阻减小，且随中空纤维含量的增加其热阻增加、湿阻减小，即保温效果较好，但抗渗水性能变差，这是由于中空纤维特有的结构使得其吸水性能增强所致；而对于单层PP编织物+毛毡、铝膜+PP发泡板、PU+毛毡这三种常见的日光温室保温被，其热阻相对较小，即保温效果较差，但由于其独特的表层覆盖材料使其湿阻较大。

3 结语

(1)在涤纶牛津布上复合PE膜具有很好的防水作用，这层PE膜可以有效地将内层保温芯材与上下表层覆盖材料相互粘结在一起，起到防水保温作用。复合抗老化涂层不仅使表层覆盖材料具有抗紫外、耐候等效果，而且也起到了防水保温作用。

(2)在选用合适保温芯材的基础上，应当增加静止空气的含量，从而提高其保温性能。

(3)相同厚度下喷胶棉的保温性能不及无胶棉，且在无胶棉中添加的中空纤维越多，纺织复合保温被的保温性能越好。采用无胶棉作为保温芯材、涤纶牛津布复合PE膜为表层覆盖材料的复合保温被，在温室产业的农业设施应用中符合温室产业节能、低碳的发展趋势，具有广泛的应用前景。

[1] 张放军,陈海珍.日光温室保温被的发展现状分析与进展[J].纺织导报,2011(1):73-76.

[2] 陈海珍,张放军,楼杰.新型农用保温被结构设计与保温性能研究[J].产业用纺织品,2010,28(12):12-16.

[3] 张义,马承伟,柴立龙,等.几种温室内保温幕保温效果的测试研究[C].2008 中国设施园艺工程学术年会论文集,2008:30-35.

[4] 马承伟,张俊芳,覃密道,等.基于覆盖层能量平衡法的园艺设施覆盖材料传热系数理论解析与验证[J].农业工程学报,2006,22(4):1-5.

[5] 乔正卫,邹志荣,张立明,等.4 种日光温室保温被室内的试验性能测试[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2008,36(6):153-158.

[6] 陈永杰,梁明珠,贾强生,等.不同厚度化纤保温被对温室保温性能的影响[J].山西农业科学,2013,41(5):491-494.