2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.2.2. Ph−ơng pháp thực nghiệm
Trong luận án, ph−ơng pháp thực nghiệm đ−ợc sử dụng để xác định các đặc tr−ng cấu trúc và tính chất vật lý của vải và của kết cấu lớp quần áo; để tiến hành việc kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm và kiểm chứng kết quả mô phỏng; để đánh giá tính tiện nghi về nhiệt của hệ thống quần áo.
2.2.2.1. Xác định đặc tr−ng cấu trúc, tính chất vật lý của vải và của kết cấu lớp quần áo
• Chiều dày
Chiều dày của vải đ−ợc xác định từ ảnh chụp vải theo h−ớng vuông góc với
mặt cắt ngang bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) [90]. Kính hiển vi điện tử quét đ−ợc sử dụng là loại JEOL JSM 6360LV của Nhật có độ phóng đại cho phép từ 25
đến 30.000 lần, độ phân giải từ 3,5 đến 5 nm.
Mẫu vải đ−ợc gắn vào dụng cụ gá mẫu của thiết bị SEM bằng băng dính hai mặt, dùng kéo tạo mặt cắt ngang theo chiều dày của vải. Phủ một lớp vật liệu dẫn điện (vàng hoặc cacbon) lên mẫu. Đặt mẫu vào môi tr−ờng chân không. Xoay ống kính sao cho ống kính vuông góc với mặt cắt ngang của vải. Tiến hành chụp ảnh mẫu vải với độ phóng đại khoảng 40 đến 100 lần. Chiều dày của mẫu vải đ−ợc đo bằng th−ớc gắn trên kính với độ chính xác 1 àm. Lấy giá trị trung bình của 3 phép đo tại 3 vị trí khác nhau trên ảnh chụp của mẫu vải.
∼904 àm ∼ 113 m à
a) b)
Hình 2.3. Đo chiều dày vải trên ảnh chụp mặt cắt ngang của mẫu vải
Mặt cắt ngang của vải đ−ợc chọn song song với sợi có độ uốn cong nhiều hơn (cụ thể đối với các mẫu vải trên là sợi dọc). Đối với mẫu vải từ tơ filament (J1, J2, L1, L2), trên ảnh chụp mẫu vải, chiều dày vải đ−ợc xác định là khoảng cách giữa hai điểm của sợi tơ nằm trên cùng nhô ra ngoài nhất ở hai bề mặt vải (hình 2.3a). Đối với mẫu vải từ xơ thiên nhiên hoặc xơ stapen (các mẫu vải còn lại), chiều dày vải đ−ợc xác định là khoảng cách giữa hai nhóm đầu xơ của sợi vải nằm trên cùng nhô
ra ngoài nhất ở hai bề mặt vải (hình 2.3b) (chú ý chọn nhóm đầu xơ có mật độ lớn nhất trên ảnh chụp).
Đối với những kết cấu có nhiều lớp vải đặt sát nhau, vì xem kết cấu nh− một lớp vải t−ơng đ−ơng nên chiều dày của kết cấu bằng tổng chiều dày của các lớp vải thành phần.
• Độ xốp
Độ xốp của vải đ−ợc xác định theo công thức [23]: γ
δ − = 1
P (2.4)
Trong đó: δ- khối l−ợng thể tích của vải (mg.mm-3), γ- khối l−ợng riêng của vật chất tạo nên xơ và sợi (mg.mm-3)
Khối l−ợng thể tích của vải đ−ợc xác định theo công thức sau: b G . 001 , 0 = δ (2.5)
Trong đó: G- khối l−ợng 1 m2 vải (g.m-2), b- chiều dày của vải (mm)
Khối l−ợng riêng của vật liệu tạo nên vải có thể đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp thủy tĩnh, ph−ơng pháp dùng tỷ trọng kế và ph−ơng pháp thể tích khí. Trong tr−ờng hợp này, ph−ơng pháp dùng tỷ trọng kế picnomet đã đ−ợc sử dụng.
Nguyên tắc của ph−ơng pháp này là dựa trên cơ sở so sánh khối l−ợng của một thể tích xác định của mẫu vải đối với khối l−ợng của cùng một thể tích chất lỏng trong đó có chứa mẫu vải ở cùng một nhiệt độ.
Ph−ơng tiện đo bao gồm picnomet dung tích 25 ml có mao quản ở nút và cân điện tử loại Satorious GP1503S có thang đo tối đa đến 300 g, độ chính xác 0,0001 g. Chất lỏng đã biết khối l−ợng riêng đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp này là benzen do benzen không có phản ứng hóa học với các loại vật liệu dệt đã chọn để nghiên cứu. Điều kiện môi tr−ờng đo là điều kiện tiêu chuẩn.
Tiến hành xác định khối l−ợng G1 (g) của mẫu vải ở trong không khí, khối l−ợng G2 (g) của tỷ trọng kế có chứa đầy benzen có khối l−ợng riêng γ0 và khối l−ợng G3 (g) của tỷ trọng kế có chứa đầy benzen và mẫu vải.
3 2 1 0 1. G G G G − + = γ γ (2.6) Trong đó: γ0- khối l−ợng riêng của benzen, γ 0= 0,8706 mg.mm-3 ở 270C [27].
Đối với những kết cấu gồm nhiều lớp vải đặt sát nhau, vì xem kết cấu nh− là một lớp vải t−ơng đ−ơng nên độ xốp t−ơng đ ơng đ− −ợc xác định theo nguyên tắc pha trộn nh− sau:
Xét lớp vải thứ i, độ xốp của lớp vải này đ−ợc viết nh− sau: i kki vi kki i Fb V V V P . = = (2.7)
Trong đó: Pi, bi, Vkki, Vvi- độ xốp, chiều dày, thể tích không khí, thể tích toàn bộ mẫu vải của lớp thứ i, F- diện tích của các mẫu vải.
Từ công thức (2.7), có thể viết là: i i kki i i kki b P V b P V F . . Σ Σ = = (2.8)
Độ xốp t−ơng đ−ơng của kết cấu nhiều lớp vải đặt sát nhau đ−ợc viết nh− sau:
i kki v kk td F b V V V P Σ Σ = = . (2.9)
Thay công thức (2.8) vào công thức (2.9), ta có công thức xác định độ xốp t−ơng đ−ơng của kết cấu gồm nhiều lớp vải đặt sát nhau:
i i i td b b P P Σ Σ = . (2.10) • Độ che phủ
Độ che phủ của kết cấu lớp đ−ợc xác định là tỷ lệ phần trăm giữa diện tích phần bề mặt da cơ thể ng−ời đ−ợc phủ quần áo và diện tích da của toàn bộ cơ thể:
100 . F F ct * ct = ε (2.11)
Trong đó: ε- độ che phủ của kết cấu lớp (%), Fct- diện tích bề mặt cơ thể ng ời (mm− 2) F*
ct- diện tích phần bề mặt cơ thể ng−ời đ−ợc phủ quần áo (mm2)
• Độ thẩm thấu không khí
Độ thẩm thấu không khí Darcy của vải đ−ợc xác định theo công thức sau [50]: p u b KD vl ∆ =η. . (2.12)
Trong đó: η- độ nhớt động lực học của không khí (N.m-2.s), η= 18,4427.10-6
N.s.m-2 ở 270C [19], bvl- chiều dày của vải (m), ∆p- độ chênh áp suất qua vải (Pa), u- tốc độ thể tích trung bình của dòng không khí đi qua vải (m.s-1).
Tốc độ thể tích của dòng không khí đi qua vải đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp thực nghiệm trên thiết bị đo độ thoáng khí Air Permeability Tester SDL 21 theo ISO 9237-95 (TCVN 5092-90) với độ chênh áp suất giữa hai bề mặt mẫu vải là 10 mm cột n−ớc (hình 2.4). Quá trình đo đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng điều kiện tiêu chuẩn [32].
Hình 2.4. Thiết bị đo độ thoáng khí của vải và kết cấu lớp quần áo Đối với các mẫu vải dựng, do kích th−ớc lỗ rỗng quá lớn, không thể xác định đ−ợc độ thẩm thấu không khí trên thiết bị đo trên do giới hạn của thiết bị. Do vậy, độ thẩm thấu không khí của các mẫu vải dựng đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp tính toán theo công thức đ−ợc rút ra từ công thức tính độ thẩm thấu không khí của kết cấu nhiều lớp vải [61]. Cụ thể, chọn một kết cấu 3 lớp vải đặt sát nhau gồm 1 lớp vải dựng, 1 lớp vải ngoài và 1 lớp vải lót. Tốc độ dòng không khí đi qua kết cấu nhiều lớp vải có quan hệ với tốc độ dòng không khí khi đi qua kết cấu 1 lớp vải thành phần theo công thức sau [61]:
l d n u u u u 1 1 1 1 + + = (2.13)
Trong đó: u, un, ud, ul - lần l−ợt là tốc độ dòng không khí đi qua kết cấu 3 lớp vải, kết cấu 1 lớp vải ngoài, kết cấu 1 lớp vải dựng và kết cấu 1 lớp vải lót (với cùng một độ chênh áp suất giữa hai bề mặt kết cấu).
Từ công thức (2.13) rút ra công thức tính tốc độ dòng không khí đi qua kết cấu 1 lớp vải dựng: l n d u u u u 1 1 1 1 − − = (2.14)
Đối với những kết cấu nhiều lớp vải đặt sát nhau, độ thẩm thấu không khí Darcy cũng đ−ợc xác định t−ơng tự nh− đối với kết cấu 1 lớp vải bằng công thức (2.12), trong đó bvl là chiều dày của kết cấu và u là tốc độ dòng không khí đi qua kết cấu.
2.2.2.2. Kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm và kiểm chứng kết quả mô phỏng
Nội dung kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm bao gồm: kiểm tra sự ổn định của nhiệt độ lõi nhiệt, xác định thời gian để mô hình đạt tới trạng thái ổn định, kiểm tra độ đồng đều của nhiệt độ và độ ẩm không khí trên bề mặt hình trụ, nhiệt độ bề mặt hình trụ khi không phủ vải, tốc độ của dòng không khí do quạt thổi và tốc độ thoát
hơi n−ớc từ bề mặt hình trụ.
Những thực nghiệm để kiểm chứng kết quả của bài toán mô phỏng đ−ợc tiến hành trên mô hình thực nghiệm nói trên, nhằm kiểm tra sự phù hợp của kết quả mô phỏng với so với thực nghiệm.
Những thiết bị đo và ph−ơng tiện sử dụng:
• Thiết bị đo tốc độ gió Velocity Measuring Probe Testo 400 với khoảng tốc độ đo đ−ợc từ 0ữ20 m/s, độ chính xác ±0,03 m/s ở 22 0C. Thiết bị này đ−ợc sử dụng để kiểm tra tốc độ dòng không khí do quạt thổi.
• 18 cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí SHT11 đ−ợc gắn trên bề mặt hình trụ cơ thể ng−ời ở các vị trí khác nhau để kiểm tra độ đồng đều của phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí trên bề mặt hình trụ (Những thông số kỹ thuật của loại cảm biến này đ−ợc thể hiện trong bảng P7.1 của Phụ lục 7).
• Cân điện tử loại Tanita 1144 có thang đo tối đa đến 1000 g, độ chính xác 1 g đ−ợc sử dụng để xác định khối l−ợng n−ớc trong bình đong của mô hình thực nghiệm nhằm kiểm tra tốc độ thoát hơi n−ớc từ bề mặt hình trụ.
• Đồng hồ bấm giây đ−ợc sử dụng để xác định khoảng thời gian đo.
2.2.2.3. Ph−ơng pháp mặc thử để đánh giá tính tiện nghi về nhiệt của hệ thống quần áo
Trên thực tế, có thể sử dụng ph−ơng pháp kiểm tra trên ma-nơ-canh nhiệt hoặc ph−ơng pháp mặc thử để đánh giá tính tiện nghi về nhiệt của một hệ thống quần áo. Tuy nhiên, ph−ơng pháp đánh giá trên ma-nơ-canh nhiệt không đ−ợc sử dụng rộng rãi do một ma-nơ-canh nhiệt mô phỏng gần giống nhất hình dạng, sự vận động, sự tỏa nhiệt- thoát mồ hôi và cơ chế điều chỉnh nhiệt của cơ thể ng−ời có giá rất cao và hiện có rất ít trên thế giới. Ph−ơng pháp mặc thử đ−ợc sử dụng phổ biến hơn do ph−ơng pháp này th−ờng cho kết quả đánh giá một cách trực tiếp và cụ thể. Ph−ơng pháp mặc thử cho phép thu thập những phản ứng của con ng−ời khi mặc thử quần áo trong những điều kiện môi tr−ờng thực tế và khi thực hiện những dạng hoạt động vật lý xác định. Những phản ứng này bao gồm cả những cảm nhận chủ quan và những biến đổi sinh lý của đối t−ợng mặc.
Trong luận án này, ph−ơng pháp mặc thử đã đ−ợc áp dụng để đánh giá tính tiện nghi về nhiệt của các hệ thống quần áo bảo hộ lao động thông qua việc đánh giá trạng thái nhiệt của cơ thể ng−ời khi mặc thử quần áo. Trong đó, chỉ tiêu quan trọng nhất đ−ợc lựa chọn làm cơ sở để đánh giá là nhiệt độ cơ thể ng−ời, bao gồm nhiệt độ trung tâm và nhiệt độ da trung bình.
Những thiết bị đo và ph−ơng tiện sử dụng:
• Thiết bị đo nhiệt độ da loại LT-8 của hãng Gram- Nhật Bản đ−ợc sử dụng để xác định nhiệt độ cơ thể ng−ời. Thiết bị có 8 đầu đo nhiệt độ loại EV và có độ chính xác đến 0,010C. Trong đó 1 đầu đo hình cầu có đ−ờng kính 1,5 mm dùng để đo nhiệt độ trực tràng, 7 đầu đo nhiệt độ bề mặt dùng để đo nhiệt độ da của cơ thể ng−ời. Mỗi đầu đo nhiệt độ bề mặt đ−ợc gắn trên một miếng kim loại hình tròn có đ−ờng kính 5 mm và chiều dày 1 mm. Dây nối của mỗi đầu đo có chiều rộng 2 mm, chiều dày 1 mm và chiều dài 2 m.
• Thiết bị đo điều kiện môi tr−ờng vi khí hậu Testo 400 với khoảng nhiệt độ đo đ−ợc từ -49,9 ữ 99,9 0C, độ chính xác ±0,1 0C, khoảng độ ẩm không khí đo đ−ợc từ 0 ữ 100 %, độ chính xác ±1 %, khoảng tốc độ gió đo đ−ợc từ 0ữ20 m/s, độ chính xác ±0,03 m/s ở 22 0C. Thiết bị Testo 400 đ−ợc sử dụng để xác định nhiệt độ, độ ẩm t−ơng đối và tốc độ gió trong buồng vi khí hậu.