METODIKA M ENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI PLOŠNÝCH TEXTILIÍ

(1)

Studijní program: N3106 Textilní inženýrství Studijní obor: Textilní materiálové inženýrství

Zam ení: ízení jakosti

METODIKA M ENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI PLOŠNÝCH TEXTILIÍ

METHODOLOGY MEASUREMENT OF THERMAL CONDUCTIVITY OF FLAT TEXTILES

Bc. Jitka Sitteová

KTM – 551

Vedoucí práce: Ing. Miroslava Maršálková, Ph.D.

Rozsah práce:

Po et stran textu: 79 Po et obrázk : 30 Po et tabulek: 11 Po et p íloh: 11

(2)

(3)

Prohlášení

Prohlašuji, že p edložená diplomová práce je p vodní a zpracovala jsem ji samostatn . Prohlašuji, že citace použitých pramen je úplná, že jsem v práci neporušila autorská práva (ve smyslu zákona . 121/2000 Sb. O právu autorském a o právech souvisejících s právem autorským).

Souhlasím s umíst ním diplomové práce v Univerzitní knihovn TUL.

Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se pln vztahuje zákon .121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na v domí, že TUL má právo na uzav ení licen ní smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s p ípadným užitím mé diplomové práce (prodej, zap j ení apod.).

Jsem si v dom toho, že užít své diplomové práce i poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat p im ený p ísp vek na úhradu náklad , vynaložených univerzitou na vytvo ení díla (až do jejich skute né výše).

V Liberci dne 10. kv tna 2010 Bc. Jitka Sitteová

(4)

Diplomová práce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošných textilií

Pod kování

Dovoluji si touto cestou pod kovat vedoucí této diplomové práce Ing. Miroslav Maršálkové, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a p ipomínky. D kuji také všem pracovník m laborato í za ochotu a pomocnou ruku.

(5)

Anotace

Téma této diplomové práce je zam eno na tepelnou vodivost plošných textilií a metody ur ené k jejímu m ení s co nejv tší p esností.

Práce je rozd lena na t i základní úseky: na teoretickou ást, experimentální ást, a na výsledky m ení a diskuze.

V první ásti je zmín n vývoj m ících p ístroj a metod, od historických až po moderní metody, které slouží k zjišt ní tepelné vodivosti plošných textilií. Jsou popsány i p ístroje dostupné na Technické univerzit v Liberci. Samostatná kapitola je v nována plošným textiliím, jejich rozd lení, vysv tlení základních vlastností, zp sob m výroby a zpracování. Dále jsou v této ásti práce vysv tleny základní tepeln izola ní vlastnosti, mezi které se krom tepelné vodivosti, které je v nována samostatná kapitola, adí tepelný odpor, teplotní vodivost, tepelná jímavost a m rná tepelná kapacita. V této kapitole jsou také uvedeny a vysv tleny faktory, které m ení tepelné vodivosti mohou ovliv ovat.

Experimentální ást práce je zam ena na popis jednotlivých zkušebních vzork , které mají zastoupení v adách syntetických a p írodních vláken. Dále je zde pozornost v nována metodikám m ení na p ístrojích dostupných v rámci Technické Univerzity v Liberci.

Ve t etí ásti jsou uvedeny nam ené hodnoty, které jsou graficky znázorn ny.

Dále jsou diskutovány výsledky m ení i p ípadné nedostatky jednotlivých m icích metod.

Klí ová slova:

Tepelná vodivost

Tepeln izola ní vlastnosti Plošné textilie

(6)

Annotation

The topic of this diploma work is focused on thermal conductivity of flat textiles and methods used for its measurement with the most accurate precision.

The work is divided into three basic sections: the theoretical part, the experimental part and the measurement results and discussion.

In first part the development of measuring instruments and methods are mentioned from historical to modern methods used to determine the thermal conductivity of flat textiles. The instruments available on Technical University in Liberec are also described. A separate chapter is devoted to flat textiles, their distribution, explanation of the basic properties and modes of production and processing. Further in this part of the work are explained the basic thermal insulating properties that in addition to the thermal conductivity which is described in separate chapter are thermal resistance, temperature conductivity, thermal capacity and specific thermal capacity. In this chapter are also listed and explained the factors which may affect the measurement of thermal conductivity.

The experimental part is focused on the description of individual specimens which are represented in the ranks of synthetic and natural fibers. The attention is also paid to the measurement methodologies on instruments available at the Technical University in Liberec.

In the third part are listed the measured values which are graphically displayed.

The measurement results and possible shortcomings of measurement methods are also discussed.

Key words:

(7)

Obsah:

1 Úvod ... 11

2 Teoretická ást... 12

2.1 Vývoj m icích p ístroj a metod k zjiš ování tepelné vodivosti... 12

2.2 Vybrané m icí p ístroje a metody... 16

2.2.1 Poensgenova desková metoda ... 16

2.2.2 Bockova desková metoda ... 17

2.2.3 Zkušební metoda dle Kawabaty a Yondey ... 19

2.2.4 Alambeta ... 19

2.2.5 Togmeter SDL M 259... 21

2.2.6 TP-2 ... 22

2.2.7 Statická metoda... 23

2.2.8 Dynamická metoda ... 25

2.3 Plošné textilie... 27

2.3.1 Tkaniny... 28

2.3.2 Pleteniny ... 29

2.3.3 Netkané textilie ... 29

2.4 Tepeln izola ní vlastnosti... 30

2.4.1 Tepelný odpor ... 31

2.4.2 Teplotní vodivost... 31

2.4.3 Tepelná jímavost ... 32

2.4.4 M rná tepelná kapacita ... 32

2.5 Tepelná vodivost ... 33

2.5.1 Vliv jemnosti použitých vláken... 35

2.5.2 Vliv zapln ní a objemové hmotnosti ... 35

2.5.3 Vliv teploty ... 36

2.5.4 Vliv vlhkosti... 36

2.5.5 Vliv sm ru tepelného toku... 36

3 Experimentální ást ... 38

3.1 Popis zkoumaných plošných textilií... 39

(8)

3.1.1 Tkaniny... 39

3.1.2 Pleteniny ... 41

3.1.3 Netkané textilie ... 43

3.2 Metodika experiment ... 45

3.2.1 Metodika m ení na p ístroji TP-2 ... 45

3.2.2 Metodika m ení na p ístroji Alambeta... 46

3.2.3 Metodika m ení na p ístroji Togmeter SDL M 259 ... 49

3.2.4 Metodika m ení statickou metodou ... 50

4 Výsledky a diskuze... 52

4.1 Zhodnocení tepelné vodivosti tkanin ... 52

4.2 Zhodnocení tepelné vodivosti pletenin ... 57

4.3 Zhodnocení tepelné vodivosti netkaných textilií ... 62

4.4 Vzájemné porovnání tepelné vodivosti jedné vrstvy a dvou vrstev plošných textilií. ... 67

4.5 Porovnání hodnot tepelné vodivosti všech plošných textilií na p ístroji Alambeta ... 71

4.6 Závislost tepelné vodivosti plošných textilií na jejich prodyšnosti ... 73

4.6.1 Prodyšnost ... 73

5 Záv r... 77

Použitá literatura ... 80

Seznam tabulek ... 82

Seznam obrázk ... 83

Seznam p íloh ... 85

(9)

Seznam použitých zkratek:

PES … polyester

Do,u… dostava osnovních, útkových nití [m^-1] Hs, … hustota sloupk , ádku [m^-1]

Seznam fyzikálních veli in:

B … tepelná propustnost [W m^-2K^-1] b … tepelná jímavost [W m^-2s^1/2K^-1] c … tepelná kapacita [ J kg^-1K^-1] d … pr m r [m]

h … tlouš ka [m]

K … empirická konstanta m … hmotnost [kg]

P … pórovitost [%]

p … pom r maximálního a ustáleného tepelného toku [-]

Q … teplo [J]

DQ … tepelná vým na [J]

q … tepelný tok [W m^-2] R … tepelný odpor [m²K W^-1] S … plocha [m²]

T … jemnost [tex]

t … teplota [K], [°C]

Dt … rozdíl teplot [K], [°C]

(10)

grad t … gradient teploty [m K^-1] U … nap tí [V]

a … teplotní vodivost [m²s^-1] l … tepelná vodivost [W m^-1K^-1] r … hustota [kg m^-3]

rs…plošná m rná hmotnost [kg m^-2] rv… objemová m rná hmotnost [kg m^-3] f … relativní vlhkost [%]

t … jednotka asu [s]

Seznam statistických veli in:

r … korela ní koeficient s … sm rodatná odchylka v … varia ní koeficient [%]

(11)

1 Úvod

Tepelné vlastnosti textilií pat í k jejich nejd ležit jším vlastnostem, proto je jejich znalost d ležitou podmínkou úsp šné konstrukce od vních a tepeln -izola ních textilií.

Tepelná vodivost, spolu s tepelným odporem, tepelnou jímavostí a tepelným tokem pat í mezi nejd ležit jší tepeln -izola ní vlastnosti. Tyto veli iny spolu úzce souvisí a vzájemn se ovliv ují.

S tepelnými charakteristikami plošných textilií se setkáváme v b žném život jak v od vním pr myslu p i nošení b žného ošacení i obuvi, tak i v jiných pr myslových odv tvích s technickým využitím, nap íklad p i izolování budov, st ech, nebo i v nábytká ském sektoru.

Na téma m ení tepelné vodivosti byly vypracovány mnohé výzkumy a pojednání, týkaly se však technického hlediska m icích p ístroj , nikoli jednotlivých druh textilií. Práce nepopisovaly vlastnosti zkoumaných textilií, jejich strukturu, materiálové složení, vazbu atd., proto tyto záv ry nemají pro textilní pr mysl p íliš význam.

Cílem této práce je vyhledat p ístroje k m ení tepelné vodivosti textilií, teoreticky vysv tlit jejich princip a nalézt faktory, které m ení ovliv ují. Tyto poznatky jsou zjiš ovány pomocí experimentu. Hlavními požadavky p i m ení tepelné vodivosti plošných textilií kladenými na m ící metody jsou rychlost, spolehlivost, reprodukovatelnost výsledk a dostate ná p esnost.

(12)

Dip omová p áce: Me odik m ení epe né vodivos i p ošných ex i ií

2 Teoretická ást

V této kapitole je pozornost v nována m icím p ístroj m a metodám, které slouží k zjišt ní tepelné vodivosti plošných textilií. Je zde popsána p vodní desková metoda dle Poensgena, na jejímž principu se postupn vyvíjely další m icí za ízení jak ve sv t , tak i u nás.

Podstatná ást této kapitoly se zabývá p ístroji dostupnými na Technické univerzit v Liberci, u kterých je vysv tlen základní princip jejich fungování.

Další kapitola je zam ena na samostatné plošné textilie, jejich rozd lení a vysv tlení, ím se od sebe navzájem liší. Jsou popsány základní vlastnosti t chto textilií, zp sob jejich výroby a zpracování, a dále je stru n nastín n jejich vývoj i sou asná situace.

V této ásti práce jsou dále popsány tepeln izola ní vlastnosti, které jsou charakterizovány tepelnou vodivostí. Vedle tepelné vodivosti se mezi tyto parametry za azují tepelný odpor, teplotní vodivost, tepelná jímavost a m rná tepelná kapacita.

Samostatná kapitola je v nována práv tepelné vodivosti a faktor m, které mohou m ení ovliv ovat, nebo na tuto vlastnost je práce zam ena.

2.1 Vývoj m icích p ístroj a metod k zjiš ování tepelné vodivosti

M ení tepelné vodivosti probíhá bu za stacionárních podmínek (metody ustáleného toku tepla), nebo nestacionárních podmínek (metody neustáleného toku tepla), podle toho, zda se teplota v ase m ní nebo ne.

(13)

metodou. Nevýhodou je asová náro nost, kv li dosažení ustáleného stavu. P i m ení se zjiš uje tlouš ka vzorku, teplota vyh ívaného i chladn jšího povrchu a množství tepla, které projde vzorkem.

Na starších p ístrojích se toto množství tepla ur ovalo z množství p ivád né kapaliny a jejího oteplení nebo ochlazení, dnes se zjiš uje p evodem elektrické energie spot ebované ve vyh ívacím za ízení.

• Nestacionární metody m ení jsou charakteristické zejména zm nou teploty p i m ení, což je hlavní nevýhoda, nebo je pot eba zm it teplotu alespo ve dvou asových okamžicích. Výhodou tohoto m ení je asová nenáro nost a fakt, že tepelné ztráty zde nemají tak velký význam jako p i stacionárním m ení. [1, 2]

Pro výb r vhodné metody je proto pot eba zvážit:

požadavky na p esnost m ení – podle nárok na p esnost se rozhoduje, zda používat složité laboratorní metody, které zabírají mnoho asu

požadavky na rychlost m ení – pro m ení velkého po tu vzork se nehodí zdlouhavé stacionární metody

požadavky na tvar vzork – za stacionárních podmínek se postupn vyvinuly metody desky, koule, válce a elipsoidu; v nestacionárních metodách lze použít i vzorky nedefinovaného tvaru

okolnosti m ení – je pot eba dbát na speciální podmínky m ení, nap íklad p i velmi nízkých nebo vysokých teplotách [1]

P vodní stacionární metodou m ení tepelné vodivosti desky je me od d e Poensgen (viz kapitola 2.2.1), která byla pozd ji vyvinuta D . Bockem (viz kapitola 2.2.2). P ístroje m í tepelnou vodivost vzork ve tvaru desek, kolmým pr tokem tepla z vyh ívaného panelu vrstvami zkoušeného vzorku k chladícím panel m.

Z p vodní Poensgenovy metody byly sestrojeny mnohé m ící za ízení, p i emž základní zp sob m ení z stal stejný, lišilo se jen uspo ádání výh evných a chladících desek a vzork . Mezi tyto p ístroje lze jmenovat Poensgen v jednostranný p ístroj,

(14)

který je podobný p vodní deskové metod , avšak místo dvou zkušebních desek se používá jen jedna. Dalšími za ízeními jsou nap íklad Cammerer v p ístroj založený na jednostranném toku tepla v rozmezí od 50 do 150 °C, nebo Raisch v p ístroj p izp sobený m ení p i vyšších teplotách, až do 1200 °C. [2]

Další metoda m ení tepelné vodivosti textilií byla vyvinuta na Technické Univerzit v n meckém Chemnitzu. Její princip spo ívá v p íkonu ploché topné vložky obklopené z obou stran textilním vzorkem, zbývající plochy vzorku jsou v kontaktu s chladícími deskami. Mezi hlavní nevýhody tohoto m ení pat í použití velkého textilního vzorku, dlouhá doba m ení a vysoký rozptyl íselných hodnot, což vede ke komplikovanému vyhodnocení. [3]

Krom stacionárních metod, které jsou používané ast ji, byly vyvinuty i metody m ení tepelné vodivosti za nestacionárních podmínek p enosu tepla. Ty jsou však mén p esné. Snad nejznám jší nestacionární metodu, ze které se v textilním pr myslu vychází, je za ízení založené na neustáleném toku tepla mezi p edeh átou m d nou desti kou a textilií, vyvinuté Kawabatou a Yondeou (viz kapitola 2.2.3).

Hlavní nevýhodou této metody je matematická náro nost p i vyhodnocování výsledk . [4]

Jako další nestacionární metody lze uvést Lambdakalorimetr nebo rovinný bikalorimetr, vypracované Kondratievem. V první metod se tepelná vodivost ur í na základ ochlazování (p ípadn oh evu) vzorku v prost edí s p edem známou hodnotou koeficientu p estupu tepla. U druhé metody je rychlost ochlazování (oh átí) masivního bloku o vysoké tepelné kapacit , obklopeného textilií o výrazn nižší tepelné kapacit p edem stanovena. [1]

Za zmínku stojí Fitchova metoda m ení tepelné vodivosti p i nestacionárních podmínkách. U tohoto p ístroje prostupuje tepelný tok z oh ívací nádoby p es zkušební vzorek do m rného válce. Rozdíl teplot za ur itou dobu se sleduje na vhodném p ístroji

(15)

V echách byla v tšina p ístroj sestrojena na základ Bockova p ístroje, avšak po prom ení p esnosti t chto p ístroj byly výsledky neuspokojivé. Prom ovaný vzorek málo stla itelné textilie ukázal n kolik negativních faktor , nap . odchylky až 50 % nebo asová náro nost m ení (až 1 hodina). Z toho d vodu nebyly publikovány žádné p esné údaje o tepelné vodivosti plošných textilií. [3]

Patrn nejznám jší m icí p ístroj termofyzikálních vlastností textilií u nás je Alambeta, vyvinutý na Technické univerzit v Liberci profesorem Hesem a docentem Doležalem. Tento p ístroj oproti svým p edch dc m totiž umož uje nedestruktivní m ení v pom rn krátkém ase. Všechna data jsou zpracována po íta em podle matematického modelu, charakterizujícího nestacionární teplotní pole v tenké desce vystavené r zným okrajovým podmínkám. Výhodou tohoto stroje je dokonalá simulace lidské pokožky, ímž se ov uje zajišt ní fyziologického komfortu od vu. Více o tomto p ístroji je popsáno v kapitole 2.2.4. [5]

Na Technické Univerzit v Liberci však Alambeta není jediným p ístrojem k zjiš ování tepelné vodivosti plošných textilií. Jako další p ístroje lze jmenovat p ístroj pro m ení tepelné propustnosti TP-2, Togmeter SDL M 259 nebo statickou i dynamickou metodou. Tyto metody m ení tepelné vodivosti plošných textilií jsou popsány v kapitolách 2.2.5 – 2.2.8.

Záv rem stojí za zmínku slovenská firma Applied Precision, která se mimo jiné zabývá zjiš ováním termofyzikálních vlastností materiál . Pro tyto ú ely sestrojila n kolik p ístroj , které také m í tepelnou vodivost. Mezi tato za ízení lze jmenovat p ístroj ISOMET 2104, založený na metod tepelných impuls s použitím plošných nebo vpichovaných m ících sond. Další p ístroje, jmenujme nap íklad Heat Flow Meter Apparatus HFM 8301 nebo Guarded Hot Plate Apparatus GHP 8302, m í vzorky s obsahem prysky ic, syntetiky, minerálních a sklen ných vláken, leh eného polyuretanu apod. Všechny tyto p ístroje jsou pln automatizované. [6]

(16)

2.2 Vybrané m icí p ístroje a metody

V této kapitole jsou popsány vybrané p ístroje nebo metody pro m ení tepelné vodivosti textilií. U každé je vysv tlen princip jejího fungování, p ípadn je vyobrazeno schéma p ístroje.

2.2.1 Poensgenova desková metoda

Princip zjiš ování hodnot tepelné vodivosti pomocí Poensgenova m icího p ístroje spo ívá v zah átí vyh ívané desky na ur itou teplotu a následným pr chodem tepla zkoušeným vzorkem k chladící desce. Toto m ení probíhá za ustáleného tepelného toku na vzorcích deskovitého tvaru, a ze zjišt ných hodnot se ur í sou initel tepelné vodivosti. [2]

Schéma Poensgenova deskového p ístroje je znázorn no na obrázku 2.1.

Obr. 2.1 Poensgen v m ící deskový p ístroj [2]

Celé m ící za ízení je uloženo ve sk íni s izola ní vrstvou ve volném prostoru.

(1) vyh ívaná deska, (2) zkušební vzorky, (3) chladící desky, (4) prstencovit kompenza ní výh evná deska

(17)

Na tuto desku jsou z obou stran položeny totožné zkušební vzorky (2), jejichž rozm r je shodný s vyh ívanou deskou.

Na každou vn jší stranu vzorku je uložena chladící deska (3) ochlazována protékající vodou uvád nou do pohybu vodním erpadlem.

Po stranách je výh evná deska obklopena prstencovit kompenza ními výh evnými deskami (4), které mají vlastní výh evnou m ížku oh ívanou na stejnou teplotu, jako hlavní vyh ívaná deska. Tyto desky odstra ují nep íznivé ztráty p i stacionárním toku tepla.

Aby nedocházelo k p ímému p enosu tepla mezi chladícími a kompenza ními deskami, je zde vložen izola ní materiál.

Na každé ploše zkoušených vzork i chladících desek je minimáln p t termo lánku, které m í povrchové teplo. [2]

2.2.2 Bockova desková metoda

Princip m ení tepelné vodivosti metodou dle Bocka je založen na p vodní Poensgenov metod , avšak m ící za ízení je již áste n automatizováno.

M ení spo ívá stejn jako u Poensgenova m icího p ístroje v kolmém pr toku tepla z vyh ívané desky skrz vzorek k chladící desce za ustáleného stavu. [2]

Schéma Bockova m icího p ístroje je znázorn no na obrázku 2.2.

(18)

Obr. 2.2 Bock v m icí p ístroj [2]

Celá Bockova m ící souprava je složena ve tvaru laboratorního stolu. Základ p ístroje tvo í horní vytáp ná a dolní chlazená deska (6), mezi kterými je umíst n zkušební vzorek (7). Tato centrální m ící soustava je p i m ení chrán na izolovaným krytem. P ístroj je dopln n kontrolními a pomocnými prvky. Po íta zaznamenává elektrický p íkon spot ebovaný výh evnou deskou.

Horní topná deska je složena z vlastní m ící výh evné desky kruhového tvaru a okolo ní je prstencov obklopená, tepeln odizolovaná ochranná kompenza ní výh evná deska. Tato ochranná ást je zah ívána na konstantní teplotu pomocí kapaliny oh ívané v prvním termostatu (5).

Spodní topná deska o stejném rozm ru, jako horní topná deska je chlazená protékající vodou a udržuje se na konstantní teplot pomocí druhého termostatu (5). [2]

(1) motorový kompenzátor, (2) wattmetr, (3) p epína výkonu, (4) topení, (5) termostaty, (6) topné desky, (7) zkušební vzorek, (8) odporové teplom ry

(19)

2.2.3 Zkušební metoda dle Kawabaty a Yondey

Kawabatova a Yondeova zkušební metoda je založena na principu nestacionárního p enosu tepla, tj. že se b hem doby m ení teplota m ní. Tento m ící systém pro zjiš ování tepelné vodivosti plošných textilií byl postupn vyvíjen, až vznikl p ístroj se snadným ovládáním a vysokou p esností. [4]

Schéma této metody je znázorn no na obrázku 2.3.

Obr. 2.3 Zkušební metoda dle Kawabaty a Yondey [4]

M ení je uskute n no za podmínky, že teplota spodní desky (5) je konstantní, a vyh ívaná m d ná deska (3) je tepeln izolovaná (2).

Principem m ení je umíst ní vzorku (4) na desku s konstantní teplotou a zah átí vyh ívací desky na teplotu o 5 – 10 °C vyšší než je teplota vzorku. B hem m ení je tato deska umíst na na vrchní stran vzorku, odkud postupn p enáší teplo. Zaznamenává se as, po který klesá teplota vyh ívané desky kv li proud ní tepelného toku do vzorku.

Tepelný tok je získáván elektricky r znorodým signálem z k ivky teplotního spádu. [4]

2.2.4 Alambeta

Alambeta je poloautomatický, po íta em ízený p ístroj, jehož princip spo ívá v simulaci lidské pokožky, ímž se zjiš ují vhodné termofyzikální parametry textilií.

Tento p ístroj obsahuje program, který je b hem m ení schopen vyhodnocovat statistické hodnoty nam ených údaj a zárove zabra uje chybným operacím p ístroje.

(1) sníma teploty, (2) tepelný izolátor, (3) vyh ívaná m d ná deska, (4) zkušební vzorek, (5) spodní deska

(20)

B hem procesu, který trvá dle tlouš ky vzorku 10 – 100 sekund zm í Alambeta krom tepelné vodivosti l[W m^-1 K^-1] tlouš ku materiálu h [mm], tepelný odpor R [m² K W^-1], tepelný tok q [W/m²], m rnou teplotní vodivost [m² s^-1] a tepelnou jímavost b [W s^1/2 m^-2 K^-1]. Z t chto hodnot se dále zjistí m rná tepelná kapacita c [J kg^-1K^-1] a pom r maximálního a ustáleného tepelného toku p [-]. [5, 7]

Schéma tohoto m icího p ístroje je na obrázku 2.4.

Obr. 2.4 Schéma p ístroje Alambeta [6]

Princip tohoto p ístroje spo ívá v p ímém m ení tepelného toku. Sou ástí základny p ístroje je termostat a teplom r, sou ástí m ící hlavice je tepelná izolace, termostat, topné t leso a teplom r.

(1) tepeln izola ní kryt, (2) kovový blok, (3) topné t leso, (4) sníma tepelného toku, (5) vzorek textilie, (6) základna p ístroje, (7) sníma tepelného toku, (8) teplom r, (9) volný prostor p ed m ením, (10) paralelní vedení

(21)

Vzorek textilie (5), který je udržován p i teplot okolí (cca 22 °C), je položen na základnu p ístroje (6). M ící hlavice (1) je díky topnému t lesu (3) zah átá na teplotu o 10 °C vyšší (cca 32 °C), než je zkoušený vzorek.

Na po átku m ení klesne m ící hlavice na textilii a za ne se m nit povrchová teplota m eného vzorku. Sníma e tepelného toku (4 a 7) m í tepelný tok mezi jednotlivými povrchy, což je zaznamenáno po íta em. Zárove je fotoelektrickým senzorem zm ena tlouš ka zkoušeného vzorku, jako vzdálenost m ících hlav p i p edem stanoveném p ítlaku.

Pro statistické zpracování je pot ebný minimální po et m ení 3, maximální 20.

Z t chto m ení po íta vypo ítává aritmetický pr m r a varia ní koeficient nam ených hodnot a na displeji se zobrazí nam ené hodnoty.

Hlavní výhody tohoto p ístroje jsou rychlost m ení, není zde pot eba velkých vzork , které nejsou b hem m ení poškozeny. [5, 7]

2.2.5 Togmeter SDL M 259

P ístroj, který je uložen ve speciální sk í ce s ízeným tokem vzduchu, je vybaven teplotními idly a topným t lesem ovládaným digitálním ovlada em teploty pro vymezení tepelné vodivosti a tepelné odolnosti textilií.

M ení na Togmeteru SDL M 259 lze provést dv ma metodami, bu m ení s jednou deskou pro materiály, které jsou z jedné strany b žn p ístupné vzduchu (nap íklad venkovní oble ení), nebo metodou m ení se dv ma deskami používané pro materiály, které jsou p i používání chrán ny p ed okolním vzduchem (kup íkladu p ikrývka v povle ení). Z d vodu p esnosti a reprodukovatelnosti výsledk je doporu ováno m it metodou se dv ma deskami pro všechny druhy materiál .

P ed samotným m ením je pot eba nastavit ovlada na požadovanou teplotu, která by m la být v rozmezí 304 – 308 K.

Doporu ený po et m ení je minimáln t i od každého zkoušeného materiálu.

Tlouš ka vzork je zm ena p i tlaku 6,9 Pa na elektronickém tlouš kom ru

(22)

SDL M034A. Tato nam ená hodnota je poté nastavena jako vzdálenost mezi dolní a horní deskou Togmeteru SDL M 259.

Pr b h m ení spo ívá v odejmutí vrchní studené desky z Togmeteru SDL M 259. Poté se vzorek položí na spodní vyh átou desku a na n j se zp t položí studená deska ve vzdálenosti p edem nastavené tlouš ky vzorku a je p itla ována pod tlakem 6,9 Pa. P i m ení je d ležité sledovat teplotu na každém ze t í termoelektrických bod , dokud nebude ustálená alespo 30 minut (kolísání by nem lo p esáhnout 0,1 K). Na záv r m ení se ode tou nam ené hodnoty tepelného odporu, za kterých lze spo ítat hodnotu tepelné vodivosti (viz kapitola 2.4.1, vzorec (4)).

Nevýhodou tohoto m ení je doba trvání zkoušky, která trvá od zapnutí topného t lesa až do doby ustáleného stavu pro materiály o nízké hustot cca 2 hodiny, pro hutn jší materiály až 3 hodiny. [8]

2.2.6 TP-2

Tento deskový p ístroj TP-2 m í tepelnou propustnost plošných textilií, s p esností

± 0,5 W m^-2 K^-1. M ení na tomto p ístroji probíhá ve stacionárním stavu, tzn. za ustáleného toku tepla.

Podstatou m ení je zjišt ní tepelné propustnosti mezi dv ma deskami, která je vyjád ena množstvím elektrické energie, spot ebované k udržení konstantní teploty vyh ívaného t lesa na jednotku plochy p i tepelném spádu 1 K.

Spodní deska je vyh ívaná na teplotu 35 °C, zatímco horní deska je udržována p i konstantní teplot 21 – 23 °C vzduchem proudícím v tunelu rychlostí 3 m/s.

Tepelnou vodivost zjistíme jako sou in tepelné propustnosti B [W m^-2 K^-1] a tlouš ky materiálu h [m].

= (1)

(23)

Obr. 2.5 Schéma p ístroje TP-2 [9]

Vzorek zkoumané textilie (5) o maximální tlouš ce 10 mm je umíst n mezi spodní vyh ívanou elistí (4) a vzduchovým tunelem (1), kterým proudí vzduch o rychlosti 3 m/s. Konstantního tepelného toku je docíleno oh íváním spodní elisti na teplotu 35 °C, kdy se po jeho ustálení ode te množství energie dodávané do vyh ívané elisti. [9, 10]

2.2.7 Statická metoda

P i m ení statickou metodou prochází p ivád né teplo m eným vzorkem p i ustáleném stavu. [10]

Schéma p ístroje m ícího statickou metodou je vyobrazeno na obrázku 2.6.

(1) tunel, (2) vrtule, (3) proudící vzduch, (4) vyh ívaná elist, (5) vzorek textilie

(24)

Diplomová prác

Obr. 2.6 S

Zkušební p ístro protéká voda o rychlos zabra uje úniku tepla do Horní nádoba (3 se senzorem tepelného t

(1) termostat pro horn nádoba s horkou cirk okolí, (5) vzorek t (8) diferenciální termo

ce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošný

Schéma za ízení pro m ení statickou metodou

oj se skládá ze dvou ploch tvo ených dny sti 5 l/min. Vzorek je vložen do izola níh o okolí.

3) je zah ívána na stálou teplotu 30 °C, toku (6) o velikosti 50 x 50 mm, obsahuje v

ní nádobu, (2) termostat pro spodní nádobu, (3 kulující vodou, (4) spodní nádoba s cirkulující

extilie, (6) senzor tepelného toku, (7) nas o lánek, (9) zapisovací za ízení

ých textilií

u [10]

nádob, ve kterých ho mezikruží, který

spodní nádoba (4) vodu o teplot okolí

3) oh ívaná horní vodou o teplot stavitelné op ry,

(25)

Signál generovaný z termo lánk je p iveden do záznamníku (9) a hodnota Dt je ode tena pomocí kalibra ního grafu.

Získaný signál o tepelném toku je zpracován a pomocí zapisova e (10) je vyhodnocena závislost nap tí na ase. Kalibrace je provedena z výstupního nap tí.

Tepelnou vodivost získáme jako sou in senzorické konstanty K rovné hodnot 83 340,32881 [W/m²µV] , nap tí U [ V] a tlouš ky materiálu h [m], ku rozdílu teplot

Dt [°C]. [10]

= (2)

2.2.8 Dynamická metoda

První typ zkušebního p ístroje, vyvinutý Martinem a Lambem se skládá ze dvou kovových desek o pokojové teplot , mezi které se vkládají vrstvy zkoušeného materiálu oh áté na 125 °C. Následn je zaznamenáván pokles st edové teploty a zjišt n tepelný rozptyl.

Nevýhodou této p vodní metody je oh ívání vzorku na vysokou teplotu, ímž se m žou zm nit p vodní tepelné vlastnosti zkoušených vzork . Je zde obtížné stanovit tlak, na kterém je tepelný p enos závislý, nebo nejsou známy kompresní vlastnosti materiálu p i vysokých teplotách. Také není snadné zjistit as a teplotu za átku chladnutí a zohledn ní transferu sálavého tepla.

Kv li mnoha negativním faktor m byla na kated e netkaných textilií vyvinuta nová dynamická zkušební metoda. Schéma této metody je znázorn no na obrázku 2.7.

I tato metoda má však své negativum, a to veliké disproporce mezi výsledky m ení porézních materiál zp sobené silou vzdušného proud ní, které závisí na rychlosti tepelného toku. Tepelný tok je závislý nejen na tepelných vlastnostech zkoušeného materiálu, ale i na jeho struktu e, tedy i na velikosti a tvaru jeho pór . [10]

(26)

iplomová prác

Obr. 2.7 Sch

M ící za ízení s o pr tokové rychlosti 5 ízena termostatem (1).

je p enášen na vzorek (3 a pomocí zapisova e (5)

Tepelnou vodivo tepla c [J/kg K] a hustoty

(1) termostat, (2) n (5) zapisovací za íz (vzdálenost mezi se

ce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošný

héma za ízení pro m ení dynamickou metodo

e skládá z nádobky (2) tvo ící tepelnou ploch l/min. Teplota dna nádobky, která slouží Vzdálenost nádobky lze m nit pro p esné sta 3). Z termo lánku (4) je snímán signál, který ) se vyhodnotí aso-teplotní k ivka.

ost zde získáme sou inem teplotní vodivosti y [kg/m³]. [10]

=

ádoba s cirkulující vodou, (3) vzorek textilie, (4) zení, (a) stykový spína , (x) tlouš ka m eného vz enzorem a horkou deskou)

ých textilií

ou [10]

hu oh ívanou vodou jako zá i tepla je anovení tlaku, který ý je dále zpracován

i [m²/s], m rného

(3) termo lánek, zorku

(27)

2.3 Plošné textilie

Údaje o tepelné vodivosti se liší podle druhu plošné textilie, její vazby, zp sobu výroby, i použitého výchozího vlákenného materiálu, proto je pot eba nejd íve tyto textilie rozd lit a identifikovat.

Plošné textilie jsou vymezeny jako všechny textilní útvary, a už se jedná o tkaniny, pleteniny, netkané textilie nebo jejich kombinace, jejichž dva rozm ry jsou mnohonásobn v tší než rozm r t etí.

Historicky nejstarší podobou plošných textilií jsou tkaniny, jejichž p vodní poz statky jsou staré asi 28 tisíc let. Už asi p ed ty mi tisící lety bylo známé mechanické tkaní v ín , v Evrop je známo necelých dva tisíce let. Pleteniny také nejsou nejmladší obor, avšak strojov se vyráb jí teprve cca 400 let. V p ípad netkaných textilií lze íci, že již v prav ku docházelo ke zpracování zví ecích srstí postupy plst ní, avšak pro nás jsou z technologického hlediska nejmladším oborem.

Od 19. století se zpracovávají textilní odpady a vyráb jí první vpichované textilie.

Ješt p ed konstrukcí plošné textilie je pot eba stanovit následující aspekty výroby:

1. cíle výroby – požadované vlastnosti textilie, p edevším užitné vlastnosti s ohledem na ekonomické parametry;

2. prost edky k dosažení t chto cíl – materiál, výrobní technologie, zušlech ování;

3. hodnocení výsledk – stupe dosažení jednotlivých požadovaných parametr .

P i výrob plošných textilií jsou nejd ležit jším polotovarem nit , které jsou nositelkami struktury a vlastností kone ného produktu, proto je pot eba jim v novat zvýšenou pozornost. Jsou na n kladeny požadavky geometrické (pr ez), mechanické (pevnost, deformace, t ení), transportní a termické (transport vzduchu, vody a vodních par, p enos tepla), chemické, trvanlivostní (od r, žmolkovitost), p ípadn estetické. [11]

(28)

iplomová práce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošných textilií

2.3.1 Tkaniny

Tkaniny vznikají provázáním dvou vzájemn kolmých soustav nití – podélné osnovy a p í ného útku na tkacích strojích. Podle zp sobu provázání vzniká žádaný vzor (plátno, kepr, atlas nebo jejich odvozeniny, vazby komponované i speciální), který tvo í základní konstrukci textilie.

Vazba tkaniny má vliv na vzhled, pevnost, pružnost, tuhost, splývavost, omak, tepelnou izolaci, prodyšnost, odolnost proti od ru a další vlastnosti. Každá tkanina musí dosáhnout ur itých kvalitativních vlastností, které jsou dány p edevším technologickým postupem p i její výrob a použitým textilním materiálem.

Pro výrobu tkaniny jsou aplikovány t i základní operace:

1. p íprava materiálu ke tkaní – p íprava osnovních i útkových nití;

2. vlastní tkaní;

3. dokon ovací práce – zejména kontrola zboží a oprava chyb, p ípadn zušlech ování.

K rozlišení tkanin pro obchodní sít se užívá r zných názv , a už podle použitého výchozího materiálu, konstrukce, vzhledu, ú elu použití nebo dlouholetých tradic. V tšina tkanin je na první pohled charakteristická svým vzorem, tvo eným barevným snováním, r zn barevnými útky, tiskem nebo jinou výrobní technologií.

V sou asnosti také existuje celá ada textilních úprav, nap . nežehlivé, neho lavé, vodoodpudivé, antistatické apod., které zlepšují n které vlastnosti textilních materiál .

V dnešní dob jsou tkaniny v od vním i technickém pr myslu stále více nahrazovány pleteninami. Avšak díky široké škále textilních vláken, r zným druh m nití a mnoha vazebním možnostem vede jejich výroba ke vzniku rozsáhlé produkce t chto textilií, takže toto téma bude do budoucna stále aktuální. [12, 13]

(29)

2.3.2 Pleteniny

Tyto plošné útvary vznikají vzájemným proplétáním o ek uspo ádaných do sloupk a ádku a podle zpracované soustavy nití se rozd lují na zátažné (nit prochází ve sm ru

ádku) a osnovní (nit probíhají ve sm ru sloupk ).

Charakteristické vlastnosti pletenin jsou dány p edevším strukturou pleteniny, ovlivn nou ší kou a výškou o ka, délkou nit v o ku, pr m rem nit i hustotou ádk a sloupk , a zpracovaným materiálem.

Pleteniny mají adu vynikajících vlastností, zejména vysokou tažnost danou tvarem o ka. Mezi další kladné vlastnosti pleteniny pat í pružnost, m kkost, prodyšnost, nasákavost, splývavost, tepeln izola ní schopnosti a další.

Jak již bylo zmín no, pleteniny se d lí na zátažné a osnovní. Tyto se dále rozd lují na zátažné – jednolícní, oboulícní, obourubní a interlokové, a osnovní – jednolícní a oboulícní. Podle požadavk na vlastnosti a vzor pleteniny se navrhují další vazební a vzorovací prvky. asté kombinace t chto prvk mají ustálené názvy, které vazbu popisují, nebo charakterizují její výsledný efekt.

Pro své užitné vlastnosti se produkty pleta ského pr myslu velmi rozši ují.

Široká škála zahrnuje kusové výrobky, zátažné nebo osnovní pleteniny v metráži, pleteniny tvarované plošn i prostorov nebo pleteniny pro technické ú ely.

V sou asné dob dosahuje úrove pleta ských stroj vysoké technické dokonalosti. Mezi výhody technologie pleta ství se adí vysoká produktivita n kterých typ stroj , zlepšuje se jejich využití, objevují se nové vzorovací a vazební možnosti, dále schopnost tvarování pleteniny a zpracování tém celé škály textilních i netextilních materiál . Díky zlepšující se jakosti nar stá sortiment a použití t chto textilií. [12, 14]

2.3.3 Netkané textilie

Netkaná textilie je vlákenná vrstva (pavu ina, rouno, sple ), vyrobená z jednosm rn nebo náhodn orientovaných vláken, pop ípad kombinace s textilními i netextilními

(30)

útvary, spojených mechanicky (vpichování, proplétání), chemicky (impregnace, p na, post ik) nebo termicky (teplovzdušn , kalandrem), p íp. kombinací.

Postup výroby netkaných textilií lze roz lenit na t i základní operace:

1. p ípravy vlákenných surovin;

2. výrobní technologie – p íprava vlákenné vrstvy, zpevn ní vlákenné vrstvy a ezání, p ípadn navíjení;

3. úprava, p ípadn vrstvení.

Hlavní výhodou netkaných textilií je p ímé zpracování suroviny na vlákennou vrstvu bez pot eby vyráb t nit .

Nejen druhem vlákenné suroviny nebo technologií výroby, ale p edevším finálním zušlech ováním získávají netkané textilie nejvhodn jší vlastnosti pot ebné pro p íslušný ú el použití. P i úprav lze zm nit základní vlastnosti, jako je barva, lesk, pevnost, pružnost, dále schopnost p ijímat nebo odpuzovat r zné kapaliny, odolnost v i vysokým teplotám, kyselinám, alkáliím, ne istotám apod.

Rozvoj výroby netkaných textilií je provázen vývojem specializovaných strojních za ízení a d kladným výzkumem vlastností pot ebných pro jednotlivá uplatn ní. V dnešní dob se výroba netkaných textilií neustále zvyšuje. Díky novým technologiím a materiál m se vytvá í nové typy textilií, a už pro b žné nebo pro vysoce specializované použití. [12, 15]

2.4 Tepeln izola ní vlastnosti

Tepeln izola ní vlastnosti materiál jsou charakterizovány tepelnou vodivostí neboli schopností vést teplo a lze je zjiš ovat jak experimentáln , tak i výpo tovými metodami.

(31)

Pro hodnocení tepeln izola ních vlastností textilií není nejd ležit jší tepelná vodivost, ale tepelný odpor, který tyto vlastnosti p ímo ovliv uje. Krom t chto dvou položek zahrnují tepeln izola ní vlastnosti i teplotní vodivost, tepelnou jímavost a m rnou tepelnou kapacitu. [16]

Jelikož je tato práce zam ena p edevším na tepelnou vodivost, je této vlastnosti v nována samostatná kapitola. Zbylé tepeln izola ní vlastnosti jsou popsány níže.

2.4.1 Tepelný odpor

Tepelný odpor je fyzikální veli ina, která vyjad uje schopnost materiálu zadržet teplo a je p ímo závislá na tlouš ce materiálu a tepelné vodivosti. Zna í se R a jednotka [m²K W^-1] vyjad uje, jak velká plocha je nutná k p enosu tepla o hodnot 1 W p i rozdílu teploty 1 K.

Vzorec pro výpo et tepelného odporu:

= (4)

kde h … tlouš ka materiálu [m]

… sou initel tepelné vodivosti [W m^-1K^-1]

P i užití více vrstev materiálu se jednotlivé tepelné odpory s ítají. Pro dosažení co nejvyšší hodnoty tepelného odporu je cílem, aby tlouš ka materiál byla co nejv tší a jednotlivé hodnoty tepelné vodivosti co nejmenší. [17]

2.4.2 Teplotní vodivost

Teplotní vodivost je veli ina, která vyjad uje schopnost látky vyrovnávat teplotní rozdíly p i neustáleném vedení tepla. Bývá ozna ována také jako sou initel teplotní vodivosti. Ozna uje se a její základní jednotkou je [m² s^-1]. ím je hodnota teplotní vodivosti vyšší, tím látka rychleji vyrovnává teplotu.

(32)

Vzorec pro výpo et m rné teplotní vodivosti:

= (5)

kde … sou initel tepelné vodivosti [W m^-1K^-1] c … m rná tepelná kapacita [J kg^-1K^-1]

… hustota [kg m^-3]

Všechny tyto parametry jsou závislé na vn jších podmínkách, zejména na vlhkosti a teplot , proto je p i výpo tech pot eba tyto veli iny znát. [18]

2.4.3 Tepelná jímavost

Tepelná jímavost je parametr, který udává množství tepla, které prote e jednotkou plochy za jednotku asu v d sledku akumulace tepla v jednotkovém objemu, p i rozdílu teplot 1 K. Jedná se o jedinou veli inu, která charakterizuje tepelný omak neboli p evod tepla z pokožky do materiálu. Zna í se b a základní jednotkou je [W m^-2s^1/2K^-1].

Vzorec pro výpo et tepelné jímavosti:

= (6)

kde … sou initel tepelné vodivosti [W m^-1K^-1]

… hustota [kg m^-3]

c … m rná tepelná kapacita [J kg^-1K^-1]

Je-li hodnota tepelné jímavosti materiálu vysoká, máme p i dotyku pocit, že materiál je velmi studený a na druhou stranu, ím je hodnota tepelné jímavosti nižší, tím teplejší omak daný materiál má. [5]

(33)

Vzorec pro výpo et m rné tepelné kapacity:

= (7)

kde DQ … tepelná vým na [J]

m … hmotnost t lesa [kg]

Dt … zm na teploty [K]

U všech látek se tato veli ina s rostoucí teplotou zvyšuje. [19]

Tepelná izolace, kterou poskytují plošné textilie, tedy tkaniny, pleteny i netkané útvary má praktický význam ve spojení s používáním t chto materiál pro od vní ú ely, ložní prádlo, koberce, izolaci st ech, apod. [8]

2.5 Tepelná vodivost

Definice tepelné vodivosti uvádí, že tepelná vodivost ozna uje schopnost látky vést teplo. Tato veli ina, která je charakterizována sou initelem tepelné vodivosti, p edstavuje rychlost, jakou se teplo ší í a p enáší z jedné zah áté ásti materiálu do jiné, chladn jší ásti, p i emž se p edpokládá, že se teplo ší í pouze jedním sm rem. Tato materiálová konstanta se zjiš uje experimentáln . [21]

Tepelná vodivost se zna í a její základní jednotkou je [W m^-1K^-1].

Výpo et tepelné vodivosti je pomocí fyzikálního vzorce, který vychází z obecného vzorce pro výpo et tepla.

(34)

Vzorec pro výpo et tepla:

= D

(8) kde Q … teplo [J]

… sou initel tepelné vodivosti [W m^-1K^-1] S … plocha [m²]

Dt … zm na teploty [K]

h … tlouš ka materiálu [m]

… jednotka asu [s]

Odvozený vzorec pro výpo et tepelné vodivosti: [20, 21]

= D (9)

P i nehybném vzduchu se sou initel tepelné vodivosti plošných textilií liší jen velmi málo, proto se konstantní sou initel uvažuje o hodnot = 0,0495 [W m^-1 K^-1].

Naopak, ve v trném prost edí je tento sou initel závislý na jejich prodyšnosti a na klimatických podmínkách a pohybuje se v rozmezí 0,042 až 0,109 [W m^-1K^-1]. [16]

Podstatou m ení tepelné vodivosti je m ení tepelného toku, který prochází vzorkem umíst ným mezi dv ma plochami o konstantních teplotách v p ípad stacionárního m ení, a o r zných teplotách v p ípad nestacionárního m ení. Množství p ivedeného tepla je p ímo úm rné velikosti plochy, rozdílu teplot a asu a nep ímo úm rné tlouš ce látky. Zkoumá se množství tepla na za átku a na konci m ení p i dané tlouš ce materiálu. [22]

Pro hledání optimálních, energeticky výhodných technologických postup p i zpracování a použití plošných textilií je velmi d ležité znát tepelnou vodivost.

(35)

2.5.1 Vliv jemnosti použitých vláken

Jemnost vláken vyjad uje vztah mezi jejich hmotností a délkou, zna í se T a základní jednotkou je [tex].

P i použití jemných vláken v plošné textilii je tepelná vodivost nízká, což je vysv tlováno vznikem minimálních mezivlákenných prostor ve kterých je udržován vzduch. Jelikož je vzduch nejlepší izolant, je proto sou initel tepelné vodivosti nízký.

Naopak p i použití hrubých vláken jsou prostory mezi vlákny sice velké, ale vzduch zde není uzav en, ímž se zvyšuje jak tepelný tok, tak i sou initel tepelné vodivosti.

Z výše uvedeného plyne, že hodnota tepelné vodivosti je p ímo závislá na jemnosti vláken. [23]

2.5.2 Vliv zapln ní a objemové hmotnosti

Zapln ní plošné textilie je pom r objemu nit k celkovému objemu textilie, neboli podíl textilií na mezivlákenné prostory. Je ozna ováno µ a jedná se o bezrozm rnou veli inu [-].

Objemová hmotnost textilie neboli hustota pro pórovité materiály, je pom r hmotnosti textilie k objemu textilie. Zna í se eckým r a základní jednotkou je [kg/m³].

Každá plošná textilie, která je složena ze základního materiálu a vzduchových dutin má hodnotu tepelné vodivost pohybující se v rozmezí tepelné vodivosti vzduchu a pevného materiálu.

Tato hodnota závisí na velikosti vzduchových pór v materiálu a zp sobu jejich odd lení. V drobných vzduchových kom rkách je vzduch v podstat uzav en, proto se teplo p enáší pouze vedením a sáláním a hodnota tepelné vodivosti je nízká. V p ípad v tších vzduchových kom rek je teplo p enášeno p edevším proud ním, ímž je v tší tepelný tok i tepelná vodivost.

(36)

Diplomová p áce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošných textilií

Souhrnem lze poznamenat, že hodnota tepelné vodivosti lineárn roste s hodnotou zapln ní i objemové hmotnosti, jelikož obsahují v tší procento vláken než vzduchu. [23]

2.5.3 Vliv teploty

Teplota je charakteristikou tepelného stavu p edm t , zna í se t, základní jednotkou je [K] a vedlejší jednotkou je [°C].

P i m ení tepelné vodivosti lze vypozorovat rostoucí závislost tepelné vodivosti na zm n teploty. P i nár stu teploty dochází k pr chodu v tšího množství tepla textilií, což v kone ném d sledku vede ke zvýšení tepelné vodivosti.

Je tedy možno íci, že sou initel tepelné vodivosti roste se zvyšující se teplotou lineárn . [23]

2.5.4 Vliv vlhkosti

Vlhkost je základní vlastností vzduchu a udává, jaké množství vodních par obsahuje dané množství suchého vzduchu.

Vlhkost p sobí z hlediska izola ních vlastností nep ízniv , nebo zvyšuje tepelnou vodivost. Již nepatrné zv tšení obsahu vlhkosti m že znamenat podstatné zvýšení sou initele tepelné vodivosti. Tento jev lze od vodnit tím, že ást vzduchových pór v textilii je zapln na vodou, která má mnohem v tší tepelnou vodivost než vzduch. [23]

2.5.5 Vliv sm ru tepelného toku

Tepelný tok vyjad uje množství tepla procházející z plochy o teplot t2 do textilie o po áte ní teplot t za jednotku asu. Ozna uje se q a základní jednotkou je [W m^-2].

(37)

Sou initel tepelné vodivosti p i tepelném toku rovnob žn s vlákny bude v tší, než sou initel tepelné vodivosti p i tepelném toku kolmo k vlákn m. Tento jev lze vysv tlit tím, že u vláken položených kolmo se vytvo í vzduchová vrstva, která p erušuje tepelný tok a dochází ke snížení tepelné vodivosti. Oproti tomu u vláken rovnob žných s tokem tepla se tvo í soub žná vodivá vrstva, která tepelnou vodivost zvyšuje. [5, 23]

Sou initel tepelné vodivosti, který vyjad uje stupe tepelné vodivosti je mimo jiné ovlivn n také druhem vlákenného materiálu, strukturou textilie, prodyšností, a teplotou okolního vzduchu. [16]

S tepelnou vodivostí se nesetkáváme pouze v od vním pr myslu, ale i v jiných pr myslových odv tvích s technickým využitím. V t chto oblastech se používají p edevším tzv. „izolanty“, což jsou látky, jejichž sou initel tepelné vodivosti je nízký.

Nejnižší sou initel tepelné vodivosti mají plyny (hodnota tepelné vodivosti vzduchu je 0,024 [W m^-1K^-1]), proto textilie s velkým množstvím vzduchových mezer vedou teplo špatn a používáme je jako izolace v od vním i technickém pr myslu. Oproti tomu jsou látky s vysokým sou initelem tepelné vodivosti, které nazýváme tzv. „vodi e“ a mezi nejlepší tyto pevné látky pat í kovy. [24]

(38)

Diplomová p áce: Metodika m ení tepelné vodivosti plošných textilií

3 Experimentální ást

Tato kapitola zahrnuje popis zkušebních vzork , které byly prom ovány na vybraných m icích p ístrojích. Mezi tato za ízení pat í zkušební p ístroj TP-2, Alambeta, Togmeter SDL M 259 a m ení pomocí statické metody.

Úkolem této ásti práce je pozorovat rozdíl nam ené tepelné vodivosti mezi plošnými textiliemi z p írodních vláken a vláken syntetických vybranými metodami a zárove tyto m icí metody porovnat. Pro srovnání byla z p írodních vláken zvolena vlna a z ad syntetických polyester. Cílem je najít nejvhodn jší kombinaci m ení pro jednotlivé druhy materiál .

Pro každý experiment byla zvláš zjišt na tlouš ka zkoušených materiál , pokaždé za jiného p ítlaku. Tento p ítlak odpovídá tlaku hlavic m icích p ístroj p sobící na textilie b hem zjiš ování hodnot tepelné vodivosti. Bylo provedeno vždy deset m ení na r zných místech jednotlivých plošných textilií, ze kterých se spo ítala pr m rná hodnota, která byla použita do výpo etních vzorc .

P i m ení na p ístroji TP-2 je na textilii p sobena za tlaku 0,4 kPa, proto byla za stejného tlaku zjišt na tlouš ka na tlouš kom ru UNI-TTHICKNESS-METER.

Výsledky tohoto m ení jsou uvedeny v p íloze . 1.

Na stejném p ístroji byla zm ena tlouš ka pro zjiš ování hodnot tepelné vodivosti statickou metodou. Jelikož je p i této metod obtížn nastavit tlak p sobící na textilii, byla tlouš ka textilie zjišt na za normovaného tlaku 0,1 kPa. Výsledky tohoto m ení jsou znázorn ny v p íloze . 5.

Na p ístroji Alambeta byla tlouš ka zm ena samotným p ístrojem b hem procesu zjiš ování termofyzikálních vlastností. Hodnoty nam ené tlouš ky za p ítlaku hlavice 0,2 kPa jsou zobrazeny v p íloze . 3.

(39)

3.1 Popis zkoumaných plošných textilií

B hem tohoto experimentu byly prom ovány tkaniny, pleteniny i netkané textilie. Jak již bylo zmín no, zkoumala se závislost tepelné vodivosti mezi plošnou textilií syntetickou a p írodní. P edstaviteli t chto materiál byly polyester a vlna.

3.1.1 Tkaniny

P i zjiš ování hodnot tepelné vodivosti plošných textilií byly zkoumány mimo jiné zástupci tkanin. Jednalo se o tkaninu z polyesterových vláken a tkaninu z vláken vln ných. Ob tyto plošné textilie byly utkány v plátnové vazb .

• Tkanina z polyesterových vláken

Jemnost osnovních i útkových vláken: Tv= 4,28 dtex

Jelikož se jedná o vlákna kruhového pr ezu, byla jemnost vypo ítána z tlouš ky osnovních i útkových vláken zjiš ované pod projek ním mikroskopem – lanametrem. M rná hmotnost polyesterových vláken je stanovena na 1380 kg/m³. Pr m rná tlouš ka vláken byla: d = 19,88 m, sm rodatná odchylka: s = 1,986 m, varia ní koeficient: v = 9,99 %.

Jemnost p ízí: To= 2 x 25 tex; Tu= 2 x 24 tex

Z tkaniny bylo vypáráno 10 nití (zvláš v osnov a v útku) o délce alespo 20 cm. Poté se svazek nití napne, p iloží se p esná 100 mm m rka a konce se od íznou. Zbylé svazky p íze (o délce 1 metr) jsou zváženy na p esných digitálních vahách: mo = 0,05 g; mu = 0,048 g. Bylo zjišt no, že se jedná o dvojmo skané p íze jak osnovní, tak útkové.

Dostava nití: Do= 200/0,1 m; Du= 180/0,1 m

Dostava nití byla zjišt na p ímým po ítáním nití ve vzorku tkaniny na 10 mm. Osnovní a útkové nit se zjiš ují zvláš .

Plošná m rná hmotnost: rs= 0,1996 kg/m²

Plošná hmotnost tkaniny byla zjišt ná zvážením vzo ku o ozm ech 100 x 100 mm: m = 1,996 g/m². Plošná m ná hmotnost byla p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost: rv= 413,25 kg/m³

(40)

Objemová m ná hmotnost byla spo tena z plošné hmotnosti tkaniny a p m né tlouš ky vzo ku (viz p íloha . 5).

Pó ovitost: P = 70,05 %

Pó ovitost tkaniny byla vypo tena z hustoty vlákenného mate iálu a objemové m né hmotnosti.

• Tkanina z vln ných vláken

Jemnost osnovních i útkových vláken: Tv= 4,86 dtex

Vln ná vlákna jsou také k uhového p ezu, p oto byla jejich jemnost vypo ítána stejným zp sobem jako vlákna polyeste ová. M ná hmotnost vln ných vláken je vymezena na 1320 kg/m³. P m ná tlouš ka vláken byla: d = 21,65 m, sm odatná odchylka: s = 10,94 m, va ia ní koeficient:

v = 50,5 %.

Jemnost p ízí: To= 2 x 24 tex; Tu= 2 x 23 tex

M ení p obíhalo stejn jako u polyeste ových nití, na digitálních vahách byla zjišt ná hmotnost: mo = 0,048 g; mu = 0,046 g. I v tomto p ípad se jednalo o dvojmo skanou p ízi v osnov i útku.

Dostava nití: Do= 200/0,1 m; Du= 180/0,1 m

Dostava nití vln né tkaniny byla zjišt na stejným zp sobem jako dostava polyeste ové tkaniny.

Plošná m ná hmotnost: rs= 0,1951 kg/m²

Plošná hmotnost tkaniny z vln ných vláken byla, stejn jako u tkaniny z polyeste ových vláken, zjišt na zvážením vzo ku o ozm ech 100 x 100 mm: m = 1,951 g/m². Plošná m ná hmotnost byla p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost byla i v tomto p ípad spo tena z plošné hmotnosti tkaniny a p m né tlouš ky vzo ku (viz p íloha . 5).

(41)

Tab. 3.1 Souhrn parametr tkanin TKANINY

pa amet Polyeste ová tkanina Vln ná tkanina

Jemnost vláken [dtex] 4,28 4,86

Jemnost osnovních p ízí [tex] 2 x 25 2 x 24

Jemnost útkových p ízí [tex] 2 x 24 2 x 23

Dostava osnovy [po et nití/0,1 m] 200 200

Dostava útku [po et nití/0,1 m] 180 180

Plošná m ná hmotnost [kg/m²] 0,1996 0,1951

Objemová m ná hmotnost [kg/m³] 413,25 319,31

Pó ovitost [%] 70,05 75,81

3.1.2 Pleteniny

Dalším p edstavitelem plošných textilií, na kte ých byla zjiš ována hodnota tepelné vodivosti, byly pleteniny. Jednalo se o pleteniny oboulícní, a stejn jako v p edchozím p ípad , vlákenným mate iálem byly polyeste a vlna.

Pletenina z polyesterových vláken Jemnost vláken: Tv= 5,6 dtex

Postup zjiš ování jemnosti vláken byl popsán v p edchozí kapitole (3.1.1).

P m ná tlouš ka vláken: d = 22,7 m, sm odatná odchylka: s = 2,72 m, va ia ní koeficient: v = 11,98 %.

Jemnost p ízí: T = 7 x 36,86 tex

Z pleteniny byla vypá ána p íze a nast íhána na 10 nití o délce alespo 20 cm. Potom byl tento svazek nití napnut, a po p iložení p esné 100 mm m ky byly konce od íznuty. Na záv byly zbývající svazky p íze (o délce 1 met ) zváženy na p esných digitálních vahách: m = 0,258 g.

Po ozk oucení p íze bylo zjišt no, že se jedná o p ízi tvo enou seskáním sedmi p ízí.

Hustota sloupk ; ádk : Hs= 28/0,1 m; H = 44/0,1 m

Hustota sloupk a ádk byla zjišt na p ímým po ítáním o ek v daném sm u vzo ku pleteniny na 0,1 m.

(42)

Plošná hmotnost pleteniny byla zjišt na, stejn jako u tkanin, zvážením vzo ku o ozm ech 100 x 100 mm: m = 9,567 g/m². Plošná m ná hmotnost byla poté p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost pleteniny byla spo tena z plošné hmotnosti pleteniny a p m né tlouš ky vzo ku (viz p íloha . 5).

Pó ovitost pleteniny byla vypo tena z hustoty vlákenného mate iálu a objemové m né hmotnosti.

• Pletenina z vln ných vláken Jemnost vláken: Tv= 12,35 dtex

Metoda zjiš ování jemnosti vláken byla popsána v kapitole 3.1.1. P m ná tlouš ka vláken: d = 34,51 m, sm odatná odchylka: s = 8,66 m, va ia ní koeficient: v = 25,09 %.

Jemnost p ízí: T = 240 tex

Postup zjiš ování jemnosti p ízí v pletenin je popsán u polyeste ové pleteniny. Zjišt ná hmotnost p íze: m = 0,24 g.

Hustota sloupk ; ádk : Hs= 22/0,1 m; H = 34/0,1 m

Hustota sloupk a ádk byla zjišt na, stejn jako u polyeste ové pleteniny, po ítáním o ek v daném sm u vzo ku pleteniny na 0,1 m.

Plošná hmotnost pleteniny byla u ena, stejn jako u tkanin, zvážením vzo ku o ozm ech 100 x 100 mm: m = 6,59 g/m². Plošná m ná hmotnost byla poté p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost pleteniny byla vypo ítána z plošné hmotnosti

(43)

Tabulka 3.2 znázo uje souh n zjišt ných pa amet vyb aných pletenin.

Tab. 3.2 Souhrn parametr pletenin PLETENINY

pa amet Polyeste ová

pletenina

Vln ná pletenina

Jemnost p ízí [tex] 7 x 36,86 240

Hustota sloupk [po et sloupk /0,1m] 28 22

Hustota ádk [po et ádk /0,1m] 44 34

Plošná m ná hmotnost [kg/m²] 0,9567 0,659

Objemová m ná hmotnost [kg/m³] 222,23 105,58

Pó ovitost [%] 83,9 92

3.1.3 Netkané textilie

Posledním ep ezentantem plošných textilií, na kte ých byla zjiš ována tepelná vodivost, byly netkané textilie. Jednalo se o vpichované netkané textilie z polyeste ových a vln ných vláken. Základními pa amet y: po et vpich : 10/0,1m;

po et vpichovacích ad: 20; hloubka vpichu: 8 mm.

• Netkaná textilie z polyesterových vláken Jemnost vláken: Tv= 6,35 dtex

P incip získávání jemnosti vláken byl popsán v kapitole 3.1.1. P m ná tlouš ka vláken: d = 24,21 m, sm odatná odchylka: s = 1,7 m, va ia ní koeficient: v = 7,02 %.

Jelikož jsou netkané textilie nestejnom né a vznikají siln jší a slabší místa, byla plošná hmotnost zjišt na zvážením 5i vzo k o ozm ech 100 x 100 mm a zp m ována: m = 1,5886 g/m² (mi = 1,875; 1,655; 1,55;

1,086; 1,777 g/m²). Plošná m ná hmotnost byla potom p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost netkané textilie byla vypo ítána z plošné hmotnosti netkané textilie a p m né tlouš ky vzo ku (viz p íloha . 5).

(44)

Pó ovitost netkané textilie byla vypo tena z hustoty vlákenného mate iálu a objemové m né hmotnosti.

• Netkaná textilie z vln ných vláken Jemnost vláken: Tv= 12,4 dtex

Metoda zjiš ování jemnosti vláken byla popsána v kapitole 3.1.1. P m ná tlouš ka vláken: d = 34,577 m, sm odatná odchylka: s = 8,5 m, va ia ní koeficient: v = 24,57 %.

Plošná hmotnost byla zjišt na obdobn jako u netkaných textilií z polyeste ových vláken: m = 1,3504 g/m²(mi = 1,589; 1,733; 1,303; 0,946;

1,181 g/m²). Plošná m ná hmotnost byla, stejn jako v p edchozím p ípad , p epo ítána.

Objemová m ná hmotnost netkané textilie byla spo ítána z plošné hmotnosti netkané textilie a p m né tlouš ky vzo ku (viz p íloha . 5) Pó ovitost: P = 98,06 %

Pó ovitost netkané textilie byla vypo tena z hustoty vlákenného mate iálu a objemové m né hmotnosti.

V tabulce 3.3 je vyob azen souh n zjišt ných pa amet netkaných textilií.

(45)

Tab. 3.3 Souhrn parametr netkaných textilií NETKANÉ TEXTILIE

parametr Polyesterová

netkaná textilie

Vln ná netkaná textilie

Plošná m rná hmotnost [kg/m²] 0,1589 0,135

Objemová m rná hmotnost [kg/m³] 23,64 25,62

Pórovitost [%] 98,3 98,06

3.2 Metodika experiment

V této kapitole jsou popsány jednotlivé metody m ení provedené na zvolených plošných textiliích. Jsou zde vystiženy p ípravy vzork k m ení, postupy jednotlivých m ení a zp soby získávání dat.

3.2.1 Metodika m ení na p ístroji TP-2

Na p ístroji TP-2 je m ena tepelná propustnost plošných textilií mezi spodní deskou vyh ívanou na 35°C a horní deskou udržovanou p i teplot 21 – 23 °C proudícím vzduchem o rychlosti 3 m/s.

Zkoumané vzorky musí mít minimální velikost 120 x 120 mm a maximální tlouš ku 10 mm. Tyto vzorky by m ly být klimatizovány alespo 24 hodin p edem, p i standardních laboratorních podmínkách:

• teplota vzduchu: t = 20 ± 2 °C

• relativní vlhkost vzduchu: f = 65 ± 2 %

Vzorek je p itla ován spodní vyh ívanou deskou k tunelu s proudícím vzduchem pod silou p ibližn 5 N. Pro jednotlivá m ení je umíst n vždy v jednom sm ru a lícem nahoru. Aby bylo dosaženo co nejp esn jšího m ení, je pot eba vzorky zbavit ne istot a m it nejmén 30 mm od pevného kraje bez p ehyb nebo zvln ní.

(46)

Obr. 3.1 M icí p ístroj TP-2

Zapojením do sít a zapnutím spína e se p ístroj uvede do chodu. Poté se vy ká p ibližn 15 – 30 minut na ustálení sníma e na p ístroji, který je sledován na displeji.

Po stabilizaci tohoto p ístroje je za držadla uchycena spodní deska a stažena do dolní polohy. Na tuto vyh ívanou desku s plošným idlem se voln položí zkoumaný vzorek a deska je lehce vrácena do p vodního stavu. Doba m ení je dána druhem vzorku, trvá p ibližn 5 – 60 minut, než se ustálí tepelný režim. Poté je hodnota tepelné propustnosti zobrazené na displeji zapsána. Stažením spodní desky do dolní polohy je zkoumaný vzorek vyjmut a lze za ít nové m ení.

Je doporu eno provést alespo deset m ení a vypo ítat pr m rnou hodnotu tepelné propustnosti. Z té lze p i znalosti tlouš ky zkoumaného vzorku zjistit hodnotu tepelné vodivosti (viz kapitola 2.2.6, vzorec (1)).

Hlavní p edností tohoto m ení je jednoduchá obsluha p ístroje. Nevýhodou je pom rn dlouhá doba ustalování hodnoty tepelné propustnosti materiál s vysokou porozitou.

Výsledky nam ených hodnot tepelné propustnosti jednotlivých textilií jsou uvedeny v p íloze . 2.

3.2.2 Metodika m ení na p ístroji Alambeta

(47)

Minimální velikost m ených vzork je 10 x 10 mm a doporu ená tlouš ka je 0,5 – 8 mm. Podobn , jako v p edchozím m ení by m ly být zkoumané vzorky klimatizovány alespo 24 hodin p edem p i klasických laboratorních podmínkách:

• teplota vzduchu: t = 20 ± 2 °C

• relativní vlhkost vzduchu: f = 65 ± 2 %

I zde platí pravidlo m it vzorky nejmén 30 mm od pevného kraje bez p ehyb nebo zvln ní a zbavené ne istot.

Obr. 3.2 M icí p ístroj Alambeta

Všechny ovládací prvky p ístroje jsou umíst ny na p edním panelu. Po zapojení do sít se p ístroj zapne pomocí spína e O/I, což je indikováno na displeji. B hem pár sekund prob hne kontrola pam ti mikropo íta e a kontrola analogov íslicového p evodníku. Poté se na displeji zobrazí PrL (preparation – Low), kdy se za ne zah ívat horní m icí hlavice na stanovenou teplotu, spodní deska z stává beze zm n p i okolní teplot . P ístroj je p ednastaven na m ení o teplotním rozdílu hlavic 10 °C a p ítlaku na zkoušený vzorek 200 Pa. Pro kalibraci p ístroje se spustí horní hlavice na spodní desku, kdy p ístroj stanoví nulovou tlouš ku a horní hlavice se vrátí do p vodní polohy.

Po zobrazení rDL (ready – Low) na displeji je za ízení p ipraveno k vlastnímu m ení.

Na základnu p ístroje se umístí zkoušený vzorek vždy v jednom sm ru s osou p ístroje, lícem dolu. Stiskem tla ítka ST (start) se spouští m ící cyklus, na jehož

(48)

po átku se horní m icí hlavice spustí na základnu p ístroje. Pr b h m ení je zobrazen nápisem run na displeji. Na konci m ení se horní hlavice vrátí do p vodní polohy a na displeji se zobrazí nam ené hodnoty. Tla ítkem RL (roll) se p epíná mezi jednotlivými hodnotami. Pro uložení t chto hodnot do statistiky se stiskne klávesa EN (enter). Tato m ení se opakují minimáln 3x, ale ze statistického hlediska se doporu uje alespo deset m ení. Po prom ení souboru vzorku se stiskem tla ítek EN a RL zobrazí pr m rné hodnoty jednotlivých veli in. T mito statistickými charakteristikami se listuje krátkým stiskem tla ítka RL, p i dlouhém stisku je zobrazena hodnota variace dané veli iny. Tla ítky EN a ST jsou statistické hodnoty vymazány.

P ístroj ur í hodnotu tepelné vodivosti z de ini ního vztahu:

= (10)

kde … sou initel tepelné vodivosti [W m^-1K^-1] q … hustota tepelného toku [W m^-2]

grad t … gradient teploty [m K^-1]

Základní výhodou používání tohoto p ístroje p i zjiš ování termo yzikálních vlastností je krátká doba m ení i statistické vyhodnocení díky p edvolenému programu.

P ístroj také indikuje p ípadné chyby m ení. Chybami mohou být nevhodná tlouš ka zkoumaného vzorku, velký rozptyl tepelného toku, p ekro ení rozsahu zobrazení n které z veli in apod.

Výsledky nam ených hodnot tepelné vodivosti jednotlivých zkušebních vzork jsou uvedeny v p íloze . 4.