中華民國第 54 屆中小學科學展覽會 作品說明書 科別 : 物理科 組別 : 高中組 作品名稱 : 關鍵密碼 揭開發熱衣的祕密 關鍵詞 : 發熱衣 凝結熱 Wetting 編號 :
摘要本研究探討發熱衣可能發熱機制與影響其特性的關鍵因素 實驗包括討論發熱原理 : 布料放入溫度 37.5 溼度約 80% 恆溫箱模擬人體表面, 發現發熱機制與水氣凝結熱與水氣摩擦布料生熱相關 ; 研究影響水氣凝結關鍵參數 : 從顯微觀測結果, 水珠附著性與表面纖維結構相關 ; 進一步計算水珠接觸角與曲率半徑, 發現 wetting 與發熱機制有密切關聯性 水珠在發熱衣表面因 wetting 使曲率半徑變小, 水氣更容易凝結放熱或摩擦生熱通過布料, 解釋了為何發熱衣有較佳發熱表現 最後, 預期利用紫外線使布料表面結構改變, 研究對發熱的影響 壹 研究動機北風凜冽, 吹拂每個回歸的旅人, 寒風無情肆虐, 刮著每個人細緻的皮膚, 留下一道道疲倦的痕跡, 一張開口, 就看見水氣在每個人面前放肆調笑, 寒冷的冬天, 來了! 對於夏天的喜愛, 永遠勝過對於冬天的無可奈何, 我們喜歡在制服裡加上一件又一件的厚重衣物, 希望隔絕寒風的侵擾, 但是塞進太多衣物的結果, 便是笨重的身軀看起來十分滑稽, 這情形總是令人無奈 偶然, 我們在網路上看到 發熱衣 這新穎的名詞, 廠商們異口同聲地聲稱, 只要在冬天裡, 穿上具有特殊纖維的發熱衣, 就能達到發熱保暖的效果, 這, 令我們既驚訝又疑惑, 發熱衣, 究竟是何方神聖呢? 因此這次的科展, 我們決定一探發熱衣之神祕, 對應課本中基礎物理 ( 二 ) 第四章的摩擦力 選修物理上冊第一章 熱學 與表面張力的知識, 找出發熱衣的發熱原理 發熱衣所隱藏的科學意義 貳 研究目的本實驗的主要目的, 為探討發熱層結構, 研究布料容易發熱的原因, 並以實際模型與理論解釋 一 布料與恆溫箱水實驗 1. 探討控制溫 濕度下, 布料的溫度 重量變化情形 2. 分析溫度與重量數據, 探討布料升溫主因 二 顯微鏡實驗 1. 探討布料 抽絲後的纖維遇水時水珠的附著 吸收情形, 討論接觸角 曲率半徑與發熱的關聯性 2. 藉由顯微鏡觀測, 計算出不同布料的孔徑大小與水珠的接觸角 曲率半徑, 比較不同布料的 wetting 程度, 而 wetting 程度, 會造成發熱效果的差異 三 物理解釋 1. 探討上述實驗中, 不同布料上水珠的附著 吸收模型 2. 探討 wetting 對於不同布料發熱程度的差異性 ( 曲率半徑 接觸角 ) 四 布料表面改質 1. 探討經洗潔精清洗後, 對發熱機制的影響 2. 探討先經洗潔精清洗後, 再用紫外線照射過的布料表面, 在改質後對發熱機制的影響 3. 探討布料在改質前後, 表面顯微的差異性 1
参 研究過程或方法 ( 含實驗設備及器材 ) 一 布料與恆溫箱水實驗 : 藉由控制溫 濕度, 探討布料在環境下的溫度與重量變化情形 前置實驗 : 恆溫箱裝置改良 改良原因 : 由於恆溫箱只有在關閉後才可運轉, 一開啟箱門便停止運作, 內部也會因與外界空氣交流而改變溫濕度狀態, 但相對的, 不開門便沒有辦法利用紅外線測溫槍測量即時的溫度狀況, 因此, 便有了改良恆溫箱裝置的想法 ( 圖一 ) 實驗布料示意圖 ( 圖二 ) 恆溫箱裝置改良示意圖 2
布料與恆溫箱水實驗 : ( 圖三 ) 實驗前測量溫度與重量 ( 圖四 ) 布料與恆溫箱水實驗步驟示意圖 3
二 布料結構與顯微觀測觀察布料表面的平面編織結構, 對於水珠附著與吸收的影響 實驗步驟 : 1. 將布料放置於顯微鏡下, 調整不同倍率, 觀察不同布料纖維排列與編織法的差異 2. 將布料放置於顯微鏡下, 調整不同角度, 觀察布料的側面結構, 與細部纖維結構 ( 圖五 六 ) 涼感衣顯微 ( 圖七 ) 發熱衣顯微 ( 圖八 ) 純羊毛顯微 ( 圖九 ) 純棉顯微 ( 圖十 ) 蠶絲顯微 4
三 布料與顯微吸水實驗 探討布料與纖維遇水時水珠的附著與吸收情形, 討論水的吸收與附著現象, 與發熱機制的關聯性 纖維模型製作 : ( 圖十一 ) 纖維模型製作過程示意圖 5
( 圖十二 ) 顯微觀測步驟圖四 布料表面改質利用紫外線進行表面改質, 探討布料經過紫外線照射後, 對於發熱效果之影響 實驗原理說明 : 因為紫外線能量高, 布料在照射紫外線的過程中, 表面有機分子鍵結可能被高能量打斷, 由此便能改變表面構造, 進行布料表面改質 清潔劑也是一種表面改質 : 第一, 清潔劑可能在洗滌過程中殘留, 造成布料親水性變佳, 更有利於吸收水氣 ; 第二, 清潔劑可能在洗滌過程中造成發熱衣纖維孔徑堵塞, 布料吸水性變差, 水氣較無法通過, 發熱效果式微 不同布料經過表面改質後, 因纖維特性不同, 會有不同的表面改質結果 實驗步驟 : ( 洗潔劑清洗 ) : 將清洗後的布料進行布料與恆溫箱水實驗 ( 實驗一 ), 觀察布料的發熱特性, 是否與原先布料有發熱程度的差異 ( 紫外線照射 ): 將此發熱衣布料照射紫外光後, 進行布料與恆溫箱水實驗 ( 實驗一 ), 觀察布料的發熱特性, 是否與經過洗潔精清洗, 卻無照射紫外線的發熱衣, 和全新發熱衣, 有發熱程度的差異 6
肆 研究結果 一 布料與恆溫箱水實驗水實驗數據圖討論 : 整體趨勢分析 : 1. 在沒有另外供給熱源的環境下, 發現發熱布料 ( 萊賽爾 嫘縈 ) 溫度有明顯上升趨勢, 表示確實有另外原因導致溫度上升 2. 比較溫度 重量對時間關係圖 ( 圖十三 ), 可得知布料的吸水重量趨勢和溫度變化密切相關, 因此推測水分通過布料時所產生的反應, 會對於溫度上升有很大的影響 3. 布料在約一分鐘時, 溫度會上升至最大值 ( 圖十三 ), 在一分鐘內的重量變化也最為明顯, 之後的時間雖然水氣仍持續供給, 但不同布料對於水氣的反應機制不同, 由於水分凝結速率的減緩與布料孔隙的堵塞等原因, 布料溫度會慢慢與人體平衡, 重量也轉為緩慢增加 布料實驗數據分析 ( 溫度上升段 下降平衡段 ): 1. 發熱衣 : 在溫度上升段中, 發熱衣布料在一分鐘時, 會有布料中最高溫 41 ( 圖十三 ) 代表在同狀況下, 發熱衣的發熱能力的確較一般布料佳 ; 由前面整體分析的推論, 發現發熱衣的確比較大, 因此前面推測發熱機制為水氣凝結熱與摩擦放熱的可能性提高 在下降平衡段中, 從重量圖得知, 在一分鐘過後, 發熱衣吸水情形趨緩, 重量變化量變少, 將布料取出後, 發現布料內側具有肉眼幾乎不可見的小水珠, 表示燒杯內產生的水蒸氣有附著布料的現象, 水蒸氣在通過布料時, 有的釋放熱能, 並凝結成小水珠 ; 有的也利用與布料的摩擦, 放出摩擦熱幫助發熱 隨著時間的推移, 水珠的凝結, 會將布料纖維的孔隙逐漸填滿, 水蒸氣漸無通道可以向外擴散, 摩擦熱與凝結熱的釋放漸減 但是布料也會進行毛細現象, 將堵住孔隙的水分往周圍散開, 因此水蒸氣才得以繼續通過布料 相比於毛細現象的速率, 孔隙堵塞的速率快了許多, 因此發熱速率依然逐漸下降 最後, 布料溫度會慢慢與恆溫箱平衡, 溫度趨近於 37.5 ( 圖十三 ), 而重量緩慢增加 ( 圖十三 ) 發熱衣溫度 重量對時間關係圖 7
2. 純羊毛 : 在溫度上升段中, 純羊毛在一分鐘時, 溫度上升也很明顯 與發熱衣不同的是, 純羊毛布料的幾乎不變, 沒有利用水氣凝結熱升溫的跡象, 可能是種疏水性大的布料 因此純羊毛的溫度上升, 可能為水氣與布料的摩擦生熱所致 在下降平衡段中, 純羊毛溫度曲線平緩, 重量變化仍然極少, 推估純羊毛布料比熱相對較大, 特質是保暖, 而非放熱 ( 圖十四 ) ( 圖十四 ) 純羊毛溫度 重量對時間關係圖 3. 純棉 蠶絲 : 在溫度上升段中, 最高溫沒有發熱衣與純羊毛那麼高, 重量變化不明顯 但由重量變化得知, 其布料的重量增加量, 相對於發熱衣來說較弱, 但會比純羊毛好, 趨勢介於兩者之間 ( 如圖十五 十六 ) ( 圖十五 ) 純棉溫度 重量對時間關係圖 8
( 圖十六 ) 蠶絲溫度 重量對時間關係圖 4. 涼感衣 在溫度上升段中, 由溫度曲線 ( 圖十七 ), 發現涼感衣的最高溫較高, 只比發熱衣低一點 ; 在下降平衡段中, 涼感衣溫度圖的起伏程度, 是所有布料中最大的, 這種升溫與降溫都很快的趨勢, 代表涼感衣比熱小, 布料溫度容易因為蒸氣溫度的變動而改變, 而涼感衣使用說明上陳述, 涼感衣最佳穿著場所為冷氣房, 若在冷氣吹拂的狀態下, 此種溫度趨勢剛好能和此說明相配合, 易升易降的溫度曲線, 對其反而是一種舒適度上的優勢 ( 圖十七 ) 涼感衣溫度 重量對時間關係圖 9
二 布料結構與顯微觀測 正面圖 : 1. 發熱衣 : 發熱衣纖維屬於 緯編針織法 ( 圖二十一 ), 但它與其他布料最大的不同在於 : 發熱衣纖維表面比其他纖維多鋪有一層 特殊絨毛 ( 圖十八 ), 其絨毛排序有些類似於 不織布 的排列方法, 這個上層類不織布結構, 因排列的不規則, 極為容易托住水珠, 阻擋水氣的蒸發帶走身體熱量, 這個過程, 不但可以促進水蒸氣與布料的摩擦生熱, 也可以作為提供發熱衣水氣凝結提供熱量的最佳場所 所以, 這上層類不織布結構的存在, 對於發熱衣而言, 是非常重要的纖維結構 ( 圖十九 ) 總而言之, 有了這層與眾不同的絨毛, 發熱衣才能夠發揮其容易利用水蒸氣凝結放熱 摩擦生熱 能夠發熱保暖的最大功效 ( 圖十八 ) 顯微鏡下的發熱衣纖維 ( 圖十九 ) 不織布纖維排列示意圖 ( 圖二十 ) 發熱衣纖維孔徑 ( 圖二十一 ) 緯編針織示意圖 10
2. 涼感衣 : 涼感衣屬於 麻花編 編織法 ( 圖二十二 ), 其編織法為 : 先將纖維聚集成一束一束後, 再使用有些類似於辮子的麻花編織法將一束束的涼感衣纖維編織成涼感衣 從顯微圖 ( 圖二十二 ), 可以清楚的得知, 涼感衣表面纖維排列整齊一致, 不像發熱衣, 有上層類不織布結構的存在, 因此若是有水氣存在, 在通過纖維孔隙 ( 圖二十四 ) 時受到的干擾阻礙相對於發熱衣而言必定少了許多, 也就是說, 當水氣通過纖維孔隙時, 就能夠順利的帶走身體之熱量, 達到所謂 涼感 的效果 ( 圖二十二 ) 顯微鏡下的涼感衣纖維 ( 圖二十三 ) 涼感衣側面纖維圖 ( 圖二十四 ) 涼感衣纖維孔徑 11
3. 純羊毛 : 純羊毛與發熱衣 ( 圖十八 ) 相同, 其表面比其他纖維多鋪有一上層類不織布結構 ( 圖二十五 ), 但與發熱衣不同的是, 純羊毛具有很粗的表面纖維 ( 圖二十五 ), 其纖維孔徑也是所有布料中最大的 ( 圖二十六 ), 粗纖維加上大孔徑, 使純羊毛布料極為蓬鬆 ( 圖二十七 ), 具有很大的空氣層, 能夠有效的保存身體熱量, 使之不易消逝, 其工作原理有些類似於 羽絨衣 的功用 但相對的, 上層類不織布結構的存在, 使純羊毛布料非常會托住水珠, 水珠在布料上的呈現類似於 蓮花效應 ( 如圖二十五上 ) 因此, 發熱衣的發熱可能是由水蒸氣的凝結放熱與摩擦生熱所引起, 但純羊毛的保溫特性卻是透過空氣層隔絕溫度 與水氣的摩擦來呈現 ( 圖二十五 ) 顯微鏡下不同倍率的純羊毛纖維 ( 圖二十六 ) 純羊毛纖維孔徑 ( 圖二十七 ) 純羊毛側面纖維圖 12
4. 純棉 : 純棉的編織分類, 屬於 梭織型 的編織 ( 圖二十九 ), 這種編織法, 是經緯型的排列方式, 利用經緯纖維的穿梭重疊, 排列出規則美麗的纖維圖樣 這樣的纖維排列結構, 與涼感衣較為相似, 都是屬於排列整齊的一類 ( 圖二十八 ), 因此, 若是有水氣的產生, 水氣可以利用無絨毛干擾的清晰孔徑離開布料, 帶走體內的熱量 因此, 排列整齊的純棉纖維, 就是一種極佳的透氣排汗材質, 與一般人對於棉質衣物的認知是相同的 ( 圖二十八 ) 顯微鏡下的純棉纖維 ( 圖二十九 ) 純棉布料的編織法示意圖 13
5. 蠶絲 : 蠶絲的編織分類, 屬於 梭織型 的編織 ( 圖二十九 ), 但是因為蠶絲的纖維本身比較蓬鬆卷曲, 因此纖維排列看起來沒有純棉那樣的整齊規則 ( 圖三十 ) 但相對於發熱衣與純羊毛來說, 蠶絲也是屬於容易使水氣通過的一類, 水氣通過代表著熱量的散失, 因此蠶絲輕薄舒適的材質, 也是清涼的代表選擇 ( 圖三十 ) 顯微鏡下的蠶絲纖維 三 布料與顯微吸水實驗 定義布料 纖維 與表面纖維 1. 布料 : 自衣物等大面積材料上剪裁而成的完整材料結構 2. 纖維 : 布料上的單一根線, 是布料組成的基本單位 3. 表面纖維 : 發熱衣與純羊毛表面的特有結構, 分布於布料最上層 由顯微得知, 其組成結構與不織布相近, 因此後面報告中, 均簡稱此表面纖維為上層類不織布結構 名詞解釋 : 接觸角 : 在本實驗中, 係指液體界面接觸布料表面而形成的夾角 1. 發熱衣布料的水珠吸收 : a. 水珠附著上發熱衣布料的瞬間, 水珠會以類似蓮花效應的結構, 形成極大的接觸角 ( 如圖三十三 B. 1), 且由顯微觀察, 得知托住水珠於布料表面的功臣, 就是布料的上層類不織布結構 ( 如圖三十四 B. 1) b. 很快的, 水珠會漸漸滲入布料內部, 且水珠在吸收過程中有移動的跡象 ( 如圖三十三 B. 1~2) c. 最終, 水珠被布料吸收, 由顯微圖片, 可以得知原先水珠分布的範圍轉變為一大片亮點分布, 這些亮點為水膜的反光所造成 且進一步觀察, 發現發熱衣纖維吸收水分的表面積相較於其原先水珠在布料的投影來說, 表面積增加許多 ( 如圖三十三 C. 4) d. 確認表面水珠已被完全吸收後, 將布料自載臺拿起, 發現載臺上無水分殘留的跡象 因此得知, 發熱衣纖維是傾向於將水分吸收至纖維內部, 並非排出布料 14
( 圖三十一 ) 布料懸空架設示意圖 ( 圖三十二 ) 發熱衣懸空架置顯微側視圖 15
( 圖三十三 A.) 發熱衣水珠吸收顯微俯視圖 ( 圖三十三 B.) 發熱衣水珠吸收顯微側視圖 16
( 圖三十三 C.) 發熱衣水珠吸收顯微俯視圖 2. 上層類不織布結構對發熱衣纖維吸水之影響 a. 利用針筒滴水, 水珠位於兩根發熱衣纖維間, 一根纖維具有極少的上層類不織布結構 ; 另一根則是具有很多的上層類不織布結構 ( 如圖三十四 1~2) b. 很快的, 水珠開始被纖維吸收, 具有很多的上層類不織布結構的纖維周邊, 水珠消失速度極快 ( 圖三十四 3) c. 由於上層類不織布結構的迅速吸水及具有很多的上層類不織布結構的纖維周邊水分的消失, 水珠在吸收過程中朝著具有很多的上層類不織布結構的纖維移動 ( 圖三十四 3) d. 接下來, 由圖片可看出, 水珠在短時間內迅速縮小, 且有向下移動 ( 兩根纖維之間的空隙 ) 的趨勢 ( 圖三十四 3~4) e. 上層類不織布結構吸水飽和的瞬間, 水珠突然向外爆開, 形成大灘水膜 再一段時間, 附近原無水珠覆蓋的上層類不織布結構, 會將水分吸入, 水膜表面積因此縮小 ( 圖三十四 4-5) ( 圖三十四 ) 發熱衣纖維水珠吸收顯微俯視圖 17
3. 涼感衣布料的水珠吸收 a. 水珠附著上涼感衣布料的瞬間, 水珠會與布料形成極小的接觸角 ( 如圖三十六 ) b. 迅速, 以水珠在布料上的投影面積為基礎, 水珠迅速被吸收形成水膜 ( 如圖三十七 ) c. 確認表面水珠已被完全吸收後, 將布料自載臺拿起, 發現載臺上有明顯水分殘留的跡象 因此得知, 涼感衣纖維是傾向於將水分吸收, 並排出布料 ( 圖三十五 A. 5-6), 與發熱衣布料的吸收是兩種截然不同的吸水機制 ( 圖三十五 A.) 涼感衣懸空架置顯微側視圖 18
( 圖三十五 B.) 涼感衣懸空架置顯微側視圖 ( 圖三十六 ) 涼感衣水珠吸收顯微側視圖 19
( 圖三十七 ) 涼感衣水珠吸收顯微俯視圖 4. 涼感衣纖維的水珠吸收若滴水在涼感衣纖維上, 發現纖維會將水珠向旁邊拋開, 並不是將它吸收 ( 如圖三十八 ) 聯結前面涼感衣的水實驗, 實驗結果顯示, 涼感衣布料重量變化極小 ( 圖十七 ), 這裡涼感衣纖維將水珠拋開的現象, 更能夠解釋其重量變化小的原因 ( 圖三十八 ) 涼感衣纖維水珠吸收顯微俯視圖 5. 純羊毛布料的水珠吸收 a. 水珠附著上純羊毛布料的瞬間, 水珠會以類似蓮花效應的結構, 形成極大的接觸角 ( 如圖三十九左 ) 與發熱衣相同, 這托住水珠於布料表面的功臣, 就是純羊毛布料的上層類不織布結構 b. 很久過後, 水珠仍以類似蓮花效應的結構, 在布料上屹立不搖 ( 如圖三十九右 ), 此時, 將水珠移除布料表面, 發現布料表面是乾燥的 c. 因此得知, 純羊毛纖維的特質是不易吸收水分, 而它的保溫原理, 也會與發熱衣的吸水發熱不同, 是利用空氣層來保暖 20
( 圖三十九 ) 純羊毛水珠吸收顯微側視圖 6. 純棉布料的水珠吸收 a. 水珠附著上純棉布料的瞬間, 形成極大的接觸角 ( 如圖四十 1) b. 很快的, 水珠會逐漸擴散, 滲入布料形成水膜, 由圖片可知, 水珠接觸角逐漸變小, 曲率半徑變大 ( 如圖四 3-4) c. 純棉水膜的停留時間較長, 漸漸, 水膜慢慢擴散只在布料上留下大片水痕, 除去布料後, 發現載臺上殘留明顯水漬, 得知純棉布料的吸水機制與涼感衣相似 ( 圖四十 5-6) ( 圖四十 ) 純棉懸空架置顯微側視圖 21
( 圖四十一 ) 純棉水珠吸收顯微俯視圖四 發熱模型與理論討論布料吸水物理模型如下圖四十二由上到下為發熱衣吸水過程的示意圖 A 圖顯示, 水珠一開始在發熱衣上的附著, 類似蓮花效應 B 圖顯示, 類不織布結構的中空纖維能幫助吸水, 使水珠漸漸縮小 C 圖顯示, 吸水表面積擴大, 吸水的纖維表面積大於水珠投影面積 ( 圖四十二 ) 發熱衣吸水模型與接觸角示意圖 22
如下圖四十三由上到下為涼感衣吸水過程的示意圖 A 圖顯示, 水珠在涼感衣上的附著, 接觸角較發熱衣小, 且因纖維排列整齊, 水分極容易向下滲透 B 圖顯示, 涼感衣水分大多沿著孔徑下滲, 水分不像發熱衣一樣向外擴張, 水珠投影面積與最終吸水表面積相同 ( 圖四十三 ) 涼感衣吸水模型示意圖 如圖四十四為純羊毛吸水模型與接觸角示意圖 ( 圖四十四 ) 純羊毛吸水模型與接觸角示意圖 23
溫度 ( ) 五 布料表面改質 表面改質, 是利用改變布料特性, 間接改變布料表面的特性, 進而影響曲率半徑 r 研究發現, 改質後, 布料對水的性質會回復到原先的物理性質, 布料傾向於親水, 容易凝結水珠, 可以減緩洗滌劑對布料物理性質的破壞 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 時間 (s) 原 洗過 洗過 + 照過 ( 圖四十九 ) 原始發熱衣照射紫外線, 與洗滌劑對發熱衣影響 將這些布料進行恆溫箱水實驗, 得知以下結論 : 1. 洗滌劑清潔過的發熱衣, 一分鐘內,, 發熱效果式微 推測是中空纖維被殘留清潔劑堵塞, 無法有效吸水放出凝結熱, 發揮發熱效果 2. 若將洗滌過的發熱衣, 利用紫外線照射後, 進行恆溫箱水實驗, 發現一分鐘內, 與全新發熱衣的發熱效果差異極小, 即發熱衣在經過紫外光照射後, 發熱效果恢復 3. 目前市面上, 有些消費者反應, 發熱衣經過清潔後, 發熱效果變差, 這些消費者在清潔發熱衣時, 可能是使用烘衣機將布料烘乾, 沒有經過陽光自然曝曬過的發熱衣, 無法利用紫外線將殘留洗滌劑去除, 中空纖維被洗滌劑堵塞的結果, 發熱效果自然降低 而解決這個問題的方法很簡單, 只要將發熱衣曝曬, 發熱效果就會回復了 24
( 圖五十 ) 發熱衣洗後顯微圖 ( 有洗潔精殘留 ) ( 圖五十一 ) 涼感衣洗後顯微圖 ( 有洗潔精殘留 ) 25
( 圖五十二 ) 蠶絲洗後顯微圖 ( 有洗潔精殘留 ) ( 圖五十三 ) 全新發熱衣顯微圖 ( 圖五十四 ) 發熱衣改質後顯微圖 ( 上層類不織布結構消失 ) 理論依據 : 伍 討論 Wetting 理論 : 接觸角是一個界定濕潤程度 (wetting) 的指標, 也能判別物質的親疏水性 Wetting 是指兩種物質之間的交互作用力, 而我們可以由氣 - 液 - 固三個界面, 分別討論不同界面與 wetting 的關係, 包括所謂的毛細現象 Wetting 程度與水珠的接觸角有很大的關聯性, 且水珠的大小並不會影響 wetting 1.θ = 0: 在這種情況下, 我們稱該液體在固體表面上呈現完全潤濕的行為 2.0 <θ <π /2: 液體傾向於增加與固體的接觸面積, 進而減少空氣與固體的接觸面積, 以降低系統總能量 該液體在固體表面上聚成一個液滴形狀, 我們稱之為部分濕透狀態 3.π /2 <θ <π : 該液體在固體表面上仍呈現部分濕透行為 液體增傾向於減少與固體的接觸表面積, 以降低系統總能量 4.θ =π : 該液體在固體表面上呈現非濕透行為 26
( 圖四十五 )wetting 與接觸角的關係表 ( 圖四十六 ) 不同介面的 wetting 與接觸角的關係圖 27
( 圖四十七 )feat. 水珠曲率半徑 ( 圖四十八 )feat 玻片上的水珠接觸角 以發熱衣布料為例, 發熱衣一開始, 會像蓮花效應般, 將水珠托在纖維表面, 隨著時間的推移, 因為重力的沉降與纖維孔隙的關係, 使得水珠漸漸因為重力下滲, 接著, 因為毛細現象使水向周圍擴散, 造成發熱衣的 wetting 日本創意發熱 發熱噴霧 : 日本各地冬季時不斷創下低溫紀錄, 各種抗寒產品也紛紛出籠, 像是含有聚合物的保暖噴霧, 噴在毛帽或是手套, 這個原理類似發熱衣, 噴霧中的聚合物吸收人體散發的水蒸氣膨脹, 和纖維摩擦產生熱能, 噴一次能維持 90 分鐘 這種發熱噴霧, 是為了解決短時間內劇烈的溫度差異 ( 例如從室內高溫到室外低溫 ), 就好像發熱衣, 在水蒸氣從人體向環境快速擴散的過程中, 會有摩擦與凝結的現象 28
陸 結論 一 恆溫箱實驗 1. 控制溫 濕度下, 布料的溫度變化, 約一分鐘時會達到最高溫, 最高溫為發熱衣 41, 顯示發熱衣的發熱效果確實較佳 2. 控制溫 濕度下, 布料的重量變化, 前一分鐘重量上升迅速, 變化最多仍是發熱衣, 顯示發熱衣容易造成水珠的附著與通過 3. 分析溫度與重量數據, 由於沒有其他熱源供應, 顯示造成溫度上升的發熱機制與水珠的附著 ( 凝結放熱 ) 與通過 ( 摩擦生熱 ) 相關 二 顯微鏡實驗 1. 布料遇水時水珠的附著情形, 一開始, 發熱衣因為表面類不織布結構托住水珠, 接觸角極大, 但很快, 水分被纖維吸收, 水珠以圓球狀體積縮小 2. 布料遇水時水珠的吸收情形, 水珠在纖維吸收過程中, 水珠會移動, 使吸水表面積擴大 大表面積代表發熱衣與水蒸氣有許多的接觸作用, 導致大的重量變化, 進行凝結熱轉換與摩擦生熱 3. 抽絲後的發熱衣纖維在單獨一線 兩線並排 交叉排列等不同狀態下, 更能明顯觀察發熱衣的水氣附著情形, 是由表面類不織布結構來呈現 4. 發熱衣布料的表面類不織布結構, 能幫助 wetting, 造成發熱衣有較大的接觸角, 成為發熱衣能發熱的最主要原因, 因此, 有了好的 wetting, 發熱衣利用凝結熱的發熱有了可靠的證據 三 物理解釋 1. 上述實驗中, 發熱衣的水珠附著與吸收模型, 一開始成蓮花結構, 接著, 因為表面類不織布結構的吸水, 吸水表面積向四周擴大, 幫助布料更迅速吸收水分, 最後, 水珠完全吸收進布料, 表面剩下水漬 2. 各種布料的 wetting 程度不同, 以發熱衣來說,wetting 能力使得發熱衣上水珠的附著, 有較小的曲率半徑與較大的接觸角, 更容易通過布料, 在水氣通過布料時, 凝結放熱 摩擦生熱, 便是發熱的主因 四 布料表面改質 清潔發熱衣時, 若用烘衣機將布料烘乾, 發熱衣沒有經過太陽光的紫外線照射, 中空纖維被洗滌劑的堵塞無法消除, 發熱效果降低 要解決這個問題, 只要將發熱衣曝曬, 發熱效果就會回復 五 應用 1. 將來發熱衣的製作技術, 應該可以著重於 wetting 能力的開發與纖維表面絨毛的形狀, 來強化發熱效果, 達到 Heat-Tech 的要求 2. 透過紫外光的布料改質, 可以使發熱衣的使用年限更高, 不會有使用者所抱怨的 : 只能穿個一年, 發熱衣的效果就會不見 3. 透過纖維顯微技術, 可以直接分析廠商的 Heat-Tech 技術是否屬實 29
柒 參考資料與其他 1. 台北市立蘭雅國中郭妙霓老師 -- 穿衣風格與服裝密碼.ppt 編織法 ( 梭織, 針織, 不織布 ) http://www.slideshare.net/miaoniguo/2010906 2. 林昭榮 - 特殊的界面活性劑與異常的潤濕現象 Atypical Surfactant & Unusual Wetting 3. 科學人雜誌 - 結合工學與美學的紡織 編織法 ( 平紋斜紋緞紋緯織經織 ) http://sa.ylib.com/magcont.aspx?unit=easylearn&id=1882 4. Abraham Marmur (2003). "Wetting of Hydrophobic Rough Surfaces: To be heterogeneous or not to be". Langmuir 19 (20): 8343 8348. doi:10.1021/la0344682 5. Härth M., Schubert D.W., Simple Approach for Spreading Dynamics of Polymeric Fluids, Macromol. Chem. Phys., 213, 654 665. DOI: 10.1002/macp.201100631 6. Wikipedia-wetting http://en.wikipedia.org/wiki/wetting 7. Wikipedia-contact angle http://en.wikipedia.org/wiki/contact_angle 未來展望 : 目前市面上的發熱衣, 以我們的恆溫箱實驗 顯微滴水實驗來看的話, 穿久應該會有濕濕的感覺出現, 也就是說, 如果在發熱衣外部, 加上一層防風的衣物, 水分便無法排除 所以如果發熱衣表層纖維加上 Goretex 技術 防風排汗, 但水氣仍可通過, 發熱衣就可以單穿, 可把水蒸氣排出, 但冷空氣無法進入 因此發熱衣的改善, 可以建議嘗試一種 三明治型 的改良方法 1. 最內層的纖維, 是要排汗效果較好, 可以將人體產生的水蒸氣向外排出, 保持衣物的乾爽 2. 中間一層纖維應為發熱材質, 可利用內層排出的水蒸氣進行凝結放熱 摩擦生熱 3. 最外面一層再一層排汗效果較佳的纖維, 以利通過的水蒸氣 凝結後的水珠離開布料, 也可以利用 Goretex( 防風排汗 ) 的布料當作最外層 30