数字:合成绝缘的热性能测量

简介

我测量过很多衣服的热阻。我经常发现，服装的测量电阻似乎与绝缘制造商声称的绝缘性能关系不大。这其中有多少是服装结构的结果，有多少可能与绝缘材料制造商的误导性声明有关?

所以，我决定测量裸露的全新绝缘材料的热性能。

很明显，服装结构可能会导致显着的绝缘价值的损失。然而，在这项研究中，我发现制造商声称的绝缘性能可能是可疑的。我还发现在质量控制和/或可实现的制造公差方面出现了令人惊讶的失误。

哦，当然，你可能想知道:什么是温暖-顶点顶点或Primaloft Gold?答案是，按每平方码的重量出售，它们似乎是完全相同的。从长远来看，哪种效果更好?湿的时候哪个更暖和?这些问题将留待本系列后续文章讨论。欧宝彩票欧宝网址

研究绝缘材料的一个挑战是，我只能研究可以购买的产品。网上出售的绝缘材料只是你在服装制造商广告中看到的一小部分。许多专有的绝缘材料是由第三方制造商生产的，并由服装制造商重新命名。我不希望任何专有绝缘材料的用户愿意提供样品进行测试，所以你不会在这里看到它们。

我必须提醒读者，这是一篇很长的文章。这里有很多基础知识。将有更多的文章来检查更多的问题的关注合成绝缘。欧宝彩票欧宝网址我保证会更短。

以下是本文将讨论的内容:

1. 简要讨论了合成绝缘材料的种类和类型的优缺点。
2. 什么是Clo?Clo是对热损失电阻的测量。这是一个简单的概念，却造成了很多困惑。这种困惑是有道理的。clo的含义有多个定义，您通常不知道应用的是哪个，也不知道使用了什么测试方法或变体——因此，造成了混淆。
3. 热板防护法是测量隔热材料热性能的常用方法之一。我们将简要地讨论受保护的热板，并将您链接到关于热板如何工作的更详细的讨论，以及我为本研究构建的受保护热板的讨论。
4. 几种市场领先的绝缘材料的热性能测量将与四个性能指标一起展示，以帮助判断其性能。将考虑特定绝缘的性能结果。

编者注:虽然我们当然建议您阅读整篇文章，以便全面理解Stephen的结果，但我们也认识到，不是每个人都想了解我们即将在这里介绍的那种细节。如果您想直接跳到结果，向下滚动，直到看到标题为“选定绝缘的热阻测量结果”的部分。

合成绝缘材料的种类和类型

我们将在本文中讨论的合成绝缘分为两大类:无纺布和针织。

无纺布领先技术

大多数合成绝缘材料属于无纺布类。无纺布是一个巨大的全球性产业，涉及众多应用领域。无纺布是通过将各种合成和天然材料组成的纤维沉积成连续的网而创建的。3M N95口罩的材料是无纺布的。防止土壤侵蚀的土工织物可以是无纺布。用于净化饮用水的过滤介质是无纺布。无纺布可以根据其生产过程中使用的材料、制造工艺和化学或机械处理而具有不同寻常的性能。

无纺布有多种制造工艺。实际的纤维可以作为制造过程的一部分(纺束、熔喷、亚微米纺丝)生产，也可以作为材料包(干梳、短纤维气铺或湿铺)加入到生产过程中。如果你想了解更多关于这些过程的信息，这是一个很好的来源．

在纤维形成网或垫后，所产生的网强度是最小的。必须进行网粘接以稳定网，以达到其预期应用的足够结构完整性。这是通过加热、粘合剂或机械加工(如针刺和压缩)将纤维粘合起来实现的。在这个过程中，可能会添加额外的化学物质来减少纤维之间的摩擦，提高防潮性，或控制静电的积聚。

在选择使用的无纺布类型时，设计师必须考虑以下几个问题:

1. 服装的设计、外观和制造成本。厚厚的、不灵活的隔热毯不适合光滑的、运动感十足的服装。绝缘的物理空间要求，柔韧性和易于组装将影响材料的选择过程。
2. 绗缝的要求。不同类型的绝缘材料结构的完整性差别很大。绝缘刚性可以在织布制造过程中或在服装生产过程中通过绗缝实现。从美学或营销角度来看，绗缝的使用可能是可取的，但它降低了热效率。绗缝产生一个局部区域，其中绝缘被压缩，并为服装提供很少或没有热阻。一些绝缘材料是自支撑的，因此绗缝要求被最小化或消除。支撑的考虑将对制造成本、隔热效率和服装重量产生直接影响。
3. 纤维的特点．组成网的纤维的形状、长度和直径将影响绝缘的温度、弹性和寿命。较小的纤维直径可以减少绝缘中的辐射传热，但以牺牲腹板的结构完整性为代价。一些绝缘材料是由一系列纤维直径和形状创建的，以提供热效率和阁楼维护的理想平衡。

无纺布绝缘的三大类别包括簇状纤维、短纤维和连续长丝。

集群纤维绝缘材料由细小的纤维簇组成。North Face热球(Primaloft生产)或Rab卷(3M Featherless Down)就是例子。这些纤维可以很容易地在生产过程中代替羽绒，并用于与羽绒使用相关的服装设计。这些类型的绝缘需要大量的绗缝来提供稳定。这些产品都不包括在本研究中。

短绒绝缘材料由短纤维组成，通常长度小于2至3英寸(5至8厘米)。Primaloft Gold是市场领先的短纤维绝缘产品，本研究测试了其中两种重量。短纤维绝缘材料可以有非常柔软的感觉，对复杂形状的良好适应，以及非常好的热重量性能。与许多短纤维绝缘材料一样，Primaloft Gold也采用了不同直径的纤维。这些直径范围从大约10微米到30微米。

薄纤维允许最大限度地捕获空气(捕获的空气在任何这些产品中提供绝缘)，但几乎没有抗压缩的强度。较粗的纤维提供抗压缩，并使腹板在压缩后恢复放样。短纤维绝缘体在任何方向上都没有什么强度，很容易被运动、洗涤或压缩拉开。因此，绗缝对于使用短纤隔热材料的服装是必不可少的。短纤维绝缘材料在使用过程中绝缘能力下降。根据绝缘的不同，绝缘能力的丧失可能是迅速而显著的。下面的图1显示了一个红外图像，比较了Polartec Power Fill短纤维绝缘的两个样品的表面温度。

随着对这种绝缘进行重新测试，我注意到表面温度增加了1°F，显示绝缘能力降低。我拿了样本，在烘干机里不加热烘干了一个小时，然后再次测试。如图1右侧样品所示，未使用的绝缘(左侧样品)表面温度上升到2°F以上。这些热图像显示了显著的绝缘退化，很少使用。本研究中包括的另一种短纤维绝缘材料是3M Thinsulate。

连续灯丝绝缘它是由连续的纤维构成的，这些纤维穿过蛛网的宽度。由于纤维是连续的，绝缘腹板具有相当大的强度。例如，Primaloft Gold，其短纤维向各个方向延伸，可以很容易地从任何方向撕开。相比之下，由连续细丝制成的climashshield Apex在整个卷上具有相当大的强度。卷筒方向的强度(卷筒通过生产机械拉动的方向)大大降低，这可以从将织物从两个方向拉开所需的手动力中得到证明。由Harvest消费者绝缘公司拥有的climasshield似乎是这种类型的绝缘产品的市场领导者。climasshield的前身公司生产的Polarguard已经不再上市。

遮光罩是用直径较大的纤维制成的——大约22微米。由于更大的纤维和连续的细丝，据报道，这种类型的绝缘材料比短纤维绝缘材料具有更好的长期阁楼保留能力。(这是我们将在后续文章中继续讨论的主题。)连续长丝绝缘材料可以安装在不绗缝的衣服或睡袋中。在组装的服装或睡袋中，这应该比短纤维绝缘材料在热效率方面具有优势。理论上，采用小直径纤维的新型短纤维保温材料的热重比可能比采用连续长丝保温材料更好。然而，短纤维绝缘的这种可能的优势可能会消失，因为比连续长丝绝缘更快的阁楼退化。

在这一点上，我们的测试不支持短纤维绝缘材料潜在的热量重量优势。我们发现6欧西(盎司/码)²)隔热，顶点有一个小的温暖优势比Primaloft黄金。然而，对于6osy绝缘材料，Apex比Primaloft Gold厚约0.25英寸(1厘米)。因此，当使用Apex时，每盎司绝缘材料的初始绝缘性能与Primaloft Gold相比，但在较厚的服装或包中。我们的Primaloft样品比我们的climashshield Apex样品有更柔软的手，更好的柔韧性和更大的厚度均匀性。在本文中，我们包含了climasshield Apex的三个权重。我们还包括德国连续灯丝绝缘:科德宝KHT-60。

针织领先技术

本研究将考虑两种类型的针织绝缘。这两款都是由Polartec公司生产的，由聚酯纤维制成。

第一种类型包括Polartec Alpha和Alpha Direct。第二款是Polartec Fleece。羊毛将在后续文章中详细介绍。

两者的结构有些相似:网格支撑结构是用聚酯纤维编织的。然后，纤维被打结以提供弹性，并被剪切以产生均匀的表面。

Alpha提供了几个独特的功能。这种织物是自支撑的，因此在服装中组装时不需要绗缝。阿尔法编织矩阵允许大量的气流，以支持消除多余的热量，促进快速干燥。Alpha服装中使用的任何表面织物或衬垫织物也可以提供良好的透气性，因为它们不需要像羽绒和一些合成纤维那样的高密度织物来包含绝缘。

这种绝缘材料所不具备的一个特点是高温度。绝缘材料是为高强度活动而创建的，因此不期望提供高绝缘值。在这项研究中，除羊毛外，它提供了最低的绝缘值。我们测试的Alpha绝缘约为3 osy，但其热阻不到我们测试的其他3 osy无纺布绝缘的一半。

显微镜下的合成绝缘体

下面是各种绝缘材料的显微照片。制作这些是为了确定每种绝缘材料中使用的纤维直径。所使用的直径可以帮助突出预期的温暖和预期的弹性。测量并显示每种绝缘材料的纤维直径。

什么是Clo?

Clo似乎是许多人困惑的来源。那么，什么是clo呢?它是应用于服装上的热阻单位。热阻是指一种材料防止热量从热区域转移到冷区域的能力。

在公制单位中，RSI指的是热阻。在英制或英制单位中，R表示热阻。当R变大时，热量传递就会变少。

1clo等于一套衣服的热阻，它能使人在70华氏度的室温下保持热平衡。这是典型的轻量级职业装。

从任何RSI或r值到clo有一个简单的数学转换:

• 度量:1 clo = 0.1548 K⋅m²/ W或1 clo = 0.1548 RSI
• 帝国:1 clo = 0.879°F⋅英尺²⋅hr/BTU or 1 clo = 0.879 R

简单的束缚。

现在，事情变得不那么简单了。使用防护热板测量绝缘或服装的热阻主要有三个标准。没有直接计算clo。他们计算RSI。然后，这些标准可能会定义如何将RSI转换为clo。

三个标准的基本步骤是相同的:

1. 测量R_ct(织物样品和空气膜的总热阻)，方法是将样品放在热板上，测量将热板温度保持在35°C所需的功率。
2. 测量R_体外循环(气膜电阻的热板通过重复R_ct测量，但在热板上没有样品)。

计算R_cf(织物样品的固有电阻)减去R_体外循环(气膜热阻)由R_ct(总热阻)。

每个标准的命名可能略有不同。过程是相似的。每个clo的计算不是。

ASTM D1518-11a:使用热板的拍打系统热阻的标准试验方法

把R_ct(总热阻)或R_cf(固有电阻)对clo单位:

• 我_t= R_ct×6.458
• 我_f= R_cf×6.458

我们有两个不同的clo值I_t和我_f．一个(我_t)与气膜阻力和1 (I_f)没有。下面，我们将讨论为什么这很重要。

现在，如果我们继续在标准中，标准规定你可以声明clo/单位重量/单位面积(clo/oz/yd)²)或clo/单位厚度(clo/in)。该标准规定，对于这些指标，必须使用固有绝缘值，这消除了气膜阻力混乱。

在三个热板标准中，这是唯一一个规定在报告clo/单位重量或clo/单位厚度时使用本征绝缘(无气膜电阻)值的标准。

ASTM F 1868-02使用发汗热板的服装材料的耐热性和耐蒸发性的标准试验方法

把R_ctclo单位:

• 我_t= R_ct×6.458

在本标准中，计算clo单位的唯一指南包括气膜阻力。它不包括计算clo/单位重量或clo/单位厚度的指导。

ISO 11092纺织品-生理效应-稳态条件下耐热和耐水汽的测量(防出汗热板试验)

在这个标准中根本没有提到clo单位。也没有提到计算热阻/单位重量或热阻/单位厚度。

制造商经常引用这个标准来计算列出的clo值。在没有进一步澄清的情况下，这是一个误导性的陈述，因为标准不包括clo度量。

还有另一种计算服装热阻的方法，那就是用一个加热的、出汗的人体模型。这种方法通过减去气膜阻力产生内在值，然后调整内在值以反映服装覆盖的人体模型部分。因此，这个clo值将不同于在保护热板标准下计算的值。

我们可以看到有不同的clo计算方法和不同的本征clo或本征绝缘的定义。难怪人们对这个话题感到困惑!

为什么这很重要?简单的答案是重复计算气膜阻力的可能性。重复计算将膨胀绝缘的预期性能为多盎司的绝缘。

Primaloft Gold声称clo/oz/yd²是0.92。我们不知道这是否包括或不包括气膜。下面的图2显示了这对6osy绝缘的内在值造成的差异:

总之，如果一件服装或绝缘规范没有描述热性能测试是如何从热电阻转换为clo的，那么我们就不能轻易地评估其预期性能。

防护热板的研制

作为这个项目的一部分，对我在以前的研究中用来测量热阻的方法进行了彻底的审查。

对该过程的修改包括对所使用的所有热电偶的改进校准程序。安装了额外的热电偶以提供更好的环境温度测量。对对流损失计算进行了修正。在水壶周围增加了隔板，以尽量减少对流对样品表面温度的影响。这些变化提高了测量的可重复性和准确性。

测量热阻的标准方法之一是使用有保护的热板。我决定建立一个这样的，这样我就可以比较两种测量方法的结果。事实上，我最终构建了三个版本的防护热板，每个版本都获得了改进的结果。

关于热板及其操作的详细讨论可以找到在这里．关于热板的讨论从第14页开始。我传统上使用的IR/Kettle方法的校准数据和新的保护热板在下表中再现。

使用软木板和挤压聚苯乙烯(XPS)板完成校准，并公布了热性能数据。版本3的热板产生了可接受的测试结果。同时对红外/釜法和热板法进行了测量。红外方法还用于计算热板样品的热阻和瓦数。对于每个校准样品，测量热阻，然后与预期热阻值进行比较。数据如下表所示。

表1:校准数据

样本	期望R值	热板测量R值	测量IR/热板R值	测量的IR水壶R值	与预期热板偏差(%)	与预期红外热板的差异	与预期IR釜的差异	热板瓦特测量	红外热板瓦特计算
.065软木塞	0.195	0.21	0.2	0.21	7.70%	2.60%	7.70%	15.25	15.4
厚软木塞	0.33	0.35	0.35	0.35	6.10%	6.10%	6.10%	13.15	13.1
.22软木塞	0.66	0.66	0.62	0.62	0.00%	-6.10%	-6.10%	8.95	9.8
无误软木塞	1.32	1.26	1.15	1.15	-4.50%	-12.90%	-12.90%	6.59	6.7
点软木塞	1.98	1.82	1.84	1.85	-8.10%	-7.10%	-6.60%	5.38	4.8
多多软木塞	2.64	2.48	2.42	2.44	-6.10%	-8.30%	-7.60%	4．1	4.16
5 XPS	2.94	2.81	2.86	2.84	-4.40%	-2.70%	-3.40%	3.45	3．5
1 XPS	4.87	4.94	4.8	4.78	1.40%	-1.40%	-1.80%	2.38	1.94
平均					4.80%	5.90%	6.50%

结果表明，红外法和热板法测定的样品R值与预期值吻合较好。

图3比较了每个测试样本的测量R值和期望R值。

测试方法与预期结果之间的完美一致将导致斜率为1的直线。

所有线的斜率都在3%以内完全一致，进一步验证了两种测量方法都具有良好的精度，热板法的精度略好。

在完成校准后，我开始使用IR/Kettle和Hot plate方法测试电池绝缘样品。尽管在校准过程中各方法之间有很好的一致性，但热板测试显示与IR/釜测试有很大的不一致。热板热阻测量值比红外测试高52%至83%。Thinsulate表现出最佳的一致性，差异仅为11%。在每一面都有一个相对坚固的薄层，所以热成像仪实际上并没有直接看到绝缘表面。

对这个问题的进一步研究揭示了这种差异的原因。