Thermal Insulation of High Performance Fibrous Materials

Mohanapriya Venkataraman, M.Tech.

Doctoral thesis

Abstract:

Clothing protects mankind from the extremes of nature. The mixture of fibers, air and moisture define the thermal properties of textiles. Evaluation of various insulation materials and measurement of thermal properties of textile materials is important to evaluate usefulness of textiles in extreme weather condition. The purpose of this research to study various thermal measurement techniques for different combinations of insulation materials and coatings; explore new methods to measure thermal characteristics at various temperatures and seek further understanding of heat transfer in fibrous medium, both normal as well as less than 1 micrometer. New instruments were fabricated to measure thermal properties at sub-zero temperatures and correlate with other conventional methods. Convective heat transfer through insulation material with aerogel was studied, analyzed and simulation using computational models. Polyester and polyethylene nonwoven fabrics embedded with silica aerogel of varying thicknesses, struto nonwoven fabrics and a few commercially available thermal insulation clothing materials were used as samples. Thermal properties of and electrospun poly urethane (PUR) and Polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofibers embedded with silica aerogel were studied. The study concludes that the selected aerogel treated fabrics have high thermal performance and thermal response as insulators as compared with other fabrics. It was concluded that nanofibers are useful for thermal insulation. The newly fabricated instruments and PIV were suitable to measure conductivity and convection at sub-zero temperatures. The findings in this study are significant and can be used for further research in the area of thermal Insulation of high performance fibrous materials.

Abstract:

Oblečení chrání lidstvo před extrémními projevy přírody. Kromě poskytování ochrany, je také nutné, aby textilie zajištovaly fyziologické komfort. Typ a uspořádání vláken v textiliích, vlastnosti okolního vzduchu a fyziologické projevy nositele jsou hlavní složky tepelné pohody. Základní konstrukční parametry vícevrstvého oblečení jsou tloušťky, plošné hmotnosti a hustoty vláken jednotlivých vrstev. Různé tkaniny a povrchové úpravy by měly být studovány za účelem optimalizace tepelných vlastností vysoce výkonných textilií. Aerogel na bázi oxidu křemičitého, objevený Kistlerem v 1930, je pevná látka s nízkou hustotou, nízkou optickou indexem lomu, nízkou tepelnou vodivostí, nízkou rychlosti šíření zvuku, vysokou měrnou povrchovou plochou a nízkou dielektrickou konstantou. Vzhledem ke svým super-izolačním vlastnostem a speciálním přenosem tepla v komplexní nanoporézní struktuře, jde o velmi slibný material pro vysoce funkční textilie. Měření tepelných vlastností textilních materiálů je důležité pro vyhodnocení použitelnosti textilií v extrémních povětrnostních podmínkách. Zařízení používaná pro měření tepelných vlastnosti textilií však pracují na základě různých fyzikálních principů a různých podmínek, což limituje možnosti jjich přímého porovnání. Cílem tohoto výzkumu bylo porovnání různých metod měření tepelných vlastnosti textilií pro různé kombinace textilních materiálů a povrchových úprav; prozkoumání možností nové metody pro měření tepelných vlastností textilií při různých teplotách a popis výsledků s ohledem na jednotlivé typy (zejména vedení a proudění) přenosu tepla. Pro tepelná měření byly vybrány různé typy tepelně izolačních textilií, připravených v laboratorním měřítku nebo volně přístupných na trhu. Byly porovnány tepelné vlastnosti těchto materiálů s ohledem na tepelně izolační vlastnosti při extrémních klimatických podmínkách (teploty pod bodem mrazu). Byly připraveny speciální měřicí sytémy pro měření za těchto nestandardních podmínek. Do studie bylo zahrnuto zkoumání mechanismů přestupu tepla přes vláknité izolační vrstvy, kde je průměr vláken je menší než 1 mikrometr. Tento výzkum je příspěvkem k selekci měřicích technik a nalezení vhodných izolačních struktur vhodných pro tyto extrémní podmínky. Zjištění uvedená v této studii jsou zajímavá jak pro další výzkum, tak i pro parktické aplikace. Mohou být použita pro další výzkum v oblasti aerogelem ošetřených netkaných textilií, přenosu tepla přes porézní média, výrobu nestandardních měřicích zařízení využívající alternativních technik pro tepelná měření a v neposlední řadě pro realizaci simulačních výpočtů pomocí různých matematických a výpočetních modelů.

Keywords

Termovizní měření, izolační materiály, přenos tepla, Aerogel, elektrostatického zvlákňování.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 9. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 10. 3. 2016
• Supervisor: doc. Rajesh Mishra, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering