可加熱緯編針織物的電熱性能

陳 莉，劉 皓

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300160)

防寒保暖服主要分為積極產熱式保暖服和消極阻熱式保暖服［1］。電熱服屬于積極產熱式保暖服，是將電熱元件織入或以其他方式嵌入到服裝內，通過導線連接，利用電池提供電源，從而使服裝發(fā)熱［2］。

對于電熱服的研究，目前還處于初級階段。Scott［3］研究了適合在不同氣候條件下的電熱服。張海洲等［4］采用碳纖維和薄膜式加熱元件，同時研制出一套手部溫度主動加熱裝置，利用電子溫控實現(xiàn)了手部溫度的自動調節(jié)。吳為民［5］采用高強低伸紗線作為經、緯紗，在靠布邊的地方引入金屬絲作為導電電極，緯向等距離地引入碳纖維與經紗交織成布，將電極接在低電壓上，供電后能在短時間內導電發(fā)熱，形成碳纖維導電發(fā)熱布。Ozan等［6］采用不銹鋼導電紗線按照交互式電子加熱服裝設計的要求生產加熱板，通過便攜能量供應裝置的作用獲得加熱功能。Liu等［7］將銀絲和鍍銀纖維采用機織的方法間隔地嵌入織物中，并對織物的導電發(fā)熱性能進行測試。盡管對可加熱服裝有了一些研究，但是對于針織結構的可加熱服裝的報道卻很少。文獻［8］報導了對鍍銀長絲針織物的結構及其導電發(fā)熱性能研究結果，認為采用襯緯組織將鍍銀長絲等間距襯入到織物中，不僅能保證織物的發(fā)熱效果，而且能方便地控制織物的電阻。本文將不同根數(shù)的鍍銀長絲和單根不銹鋼長絲織入針織物中，對其電熱性能進行測試與評價。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

原料:鍍銀長絲(9.5 tex，佛山市順德瑞能達特殊塑料貿易有限公司)，綿羊毛紗(77.4 tex，市售)，不銹鋼長絲(直徑0.1 mm，廈門金綸科技有限公司)。

用綿羊毛紗線編織四平組織，如圖1(a)所示。織物橫密為52行/10 cm，縱密為78列/10 cm;鍍銀長絲和不銹鋼長絲以襯緯的方式［9］間隔地襯入到織物中，調節(jié)間隔的距離和串、并聯(lián)的方式能夠控制織物電阻，織物的長度和寬度分別為9 cm和8 cm。圖1(b)示出織物中分別襯入單根、2根、3根鍍銀長絲及不銹鋼長絲的排列情況。分別將奇數(shù)位置和偶數(shù)位置導電紗線的頭端與電源的兩極相接，圖1(b)的等效電路圖如圖1(c)所示。假設R1，R2，…，Rn均相等，則總電阻為R1/n，由此可知設計織物電阻的關系式為

式中:R為織物的總電阻;n為織物中導電紗線的根數(shù);l為一根導電紗線的長度;ρ為導電紗線的電阻率;S為導電紗線的橫截面積。

圖1 樣品的制備方式Fig.1 Preparation method of samples.(a)Figure of fabric;(b)Rank of conductive yarn in fabric;(c)Equivalent circuit diagram of fabric

1.2 最大負載電流測試

為防止織物通電后由于功率過大而燒毀導電紗線，影響織物的發(fā)熱效果，對導電紗線的最大負載電流進行測試。室溫下，將導電紗線兩端接到直流電源上，從0.05 A開始逐漸以0.01 A的增幅增加電流，在實驗要求電壓(12 V)范圍內，記錄導電紗線燒毀時的電流數(shù)據(jù)作為最大負載電流。

1.3 熱穩(wěn)定性測試

熱穩(wěn)定性是指當織物的表面溫度達到穩(wěn)定時，電熱元件電阻的變化率［10］，數(shù)學表達式為

式中:φ為電阻變化率;R0為電熱元件的初始電阻;Rr為電熱元件加熱后的電阻。采用TASI-600表面溫度計測試織物表面溫度，電壓和電流采用Agilent34405A型數(shù)字萬用表測試，并運用伏安法計算電阻。

1.4 電熱溫升和發(fā)熱均勻性測試

電熱溫升是指輸入電壓一定時，電熱元件的升溫時間(每隔20 s)和織物表面瞬時溫度的變化情況。溫度測試位置為織物中心，測試儀器采用TASI-600表面溫度計?？椢锇l(fā)熱均勻性采用高德TMTP8紅外熱像儀，測試時儀器距離織物中心的垂直距離為80 cm。

2 結果與討論

2.1 導電紗線的最大負載電流

采用1.2測試方法測得10 cm導電紗線的最大負載電流如表1所示。

表1 導電紗線的最大負載電流Tab.1 Maximum load current of conductive yarn

根據(jù)表1的結果，設計低壓發(fā)熱針織物，在規(guī)定的電壓下設計織物的電阻，參照式(1)，設計時通過每組導電紗的電流不能超過其對應的最大負載電流。

2.2 織物的熱穩(wěn)定性

圖2示出4組樣品的電阻變化率隨溫度變化的曲線。從圖中可看出:隨著穩(wěn)定工作溫度的增加，襯入不銹鋼長絲的織物的電阻變化率明顯增加，33℃時電阻變化率達到18%，而其他3種襯入鍍銀長絲織物的電阻變化率稍有增加，且三者電阻變化的差異并不十分明顯，33℃時電阻變化率約2%;對于3種襯入鍍銀長絲的織物，襯入的根數(shù)越多，電阻變化率變化幅度相對較大，這可能是與紗線內部導電、導熱性能的增強有關［7］。

圖2 4組樣品的電阻變化率與溫度曲線Fig.2 Curves of resistance change rate-temperature of four groups of samples

2.3 織物的電熱升溫特性

圖3示出分別襯入不同導電紗織物的電熱升溫曲線。

圖3 襯入不同導電紗織物的電熱升溫曲線Fig.3 Electric heating temperature rise curves of fabrics inlaid different conductive yarns.(a)Inlaid one silver-plated filaments;(b)Inlaid two silver-plated filaments;(c)Inlaid three silver-plated filaments;(d)Inlaid one stainless steel filament

由圖3可見:1)襯入導電紗線后，織物的電熱升溫曲線單調遞增。通電初期，織物的溫度隨著通電時間的延長逐漸上升，上升至一定溫度后趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象可能是由于織物的發(fā)熱和散熱特性引起的，通電初期織物的發(fā)熱速率較大，織物的溫度升高，隨著加熱時間的延長，織物的溫度越來越高，此時散熱速率逐漸增大，直至等于發(fā)熱速率，這時織物的電熱效應趨于穩(wěn)定;2)輸入電壓越高，溫度升高的速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度越高;3)襯入導電紗線的電阻，不銹鋼長絲＜3根鍍銀長絲＜2根鍍銀長絲＜單根鍍銀長絲，圖中可見織物電阻越小，通電初期溫度升高的速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度也越高且時間較短;4)5 V電壓下，襯入3根鍍銀長絲織物的穩(wěn)定工作溫度為36.7℃，襯入不銹鋼長絲織物的穩(wěn)定工作溫度為37.8℃，人體感覺最合適的溫度是32℃左右［4］，因此織物升高的溫度能夠滿足人體需求。

2.4 織物表面溫度均勻性

織物表面溫度測試結果如圖4所示。

圖4 織物紅外熱像儀測試結果Fig.4 Testing results of thermal infrared image.(a)Inlaid one silver-plated filament;(b)Inlaid two silver-plated filament;(c)Inlaid three silver-plated filament;(d)Inlaid one stainless steel filament

由直方圖顯示結果可知，織物表面溫度分布較均勻，尤其是襯入鍍銀長絲的織物，表面溫度最高與最低相差不超過1℃。

3 結論

1)對于襯入鍍銀長絲的織物，襯入的鍍銀長絲的根數(shù)越多，織物的電阻越小，通電初期升溫速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度越高;5 V電壓下，采用3根鍍銀長絲襯入的織物其穩(wěn)定工作溫度為36.7℃，說明如用低壓供電，襯入鍍銀長絲的織物升高的溫度能夠滿足人體的需求;襯入鍍銀長絲的織物，通電后隨著工作溫度的升高，電阻變化率較小;織物柔軟，適合貼身穿著。

2)對于襯入不銹鋼長絲的織物，在相同電壓下，穩(wěn)定工作溫度最高;通電后，隨著工作溫度的升高，電阻變化率較大;織物較為剛硬，不適合貼身穿著。

3)采用襯緯方式將導電紗線等間距襯入到織物中，便于控制總電阻和各并聯(lián)電阻，各并聯(lián)電阻相等，使得織物通電后表面溫度發(fā)熱均勻。

［1］ 莊梅玲，張曉楓.電熱服的性能評價［J］.青島大學學報:工程技術版，2004，19(2):54-58.ZHUANG Meiling，ZHANG Xiaofeng.Heat performance evaluation of electric heating garment［J］.Journal of Qingdao University:Engineering and Technology Edition，2004，19(2):54-58.

［2］ 任萍，劉靜.可加熱服裝技術的研究進展［J］.紡織科學研究，2008(3):12-18.REN Ping，LIU Jing.Research progress of the heat-able garment technology ［J］.Textile Scientific Research，2008(3):12-18.

［3］ SCOTT R A.The technology of electrically heated clothing［J］.Ergonomics，1988，31:1065-1081.

［4］ 張海洲，陳曉.低溫環(huán)境下手部溫度主動加熱技術的研究［J］.中國個體防護裝備，2008(2):16-18.ZHANG Haizhou，CHEN Xiao.Research on hand active-heating technology under low temperature conditions ［J］.China Personal Protective Equipment，2008(2):16-18.

［5］ 吳為民.碳纖維導電發(fā)熱布的制造工藝［J］.南通大學學報:自然科學版，2008，7(4):45-48.WU Weimin.The weaving technology of electrically conductive heating fabric of carbon fiber［J］.Journal of Nantong University:Natural Science Edition，2008，7(4):45-48.

［6］ OZAN Kayacan， ENDER Bulgun， OZGE Sahin.Implementation of steel-based fabric panels in a heated garment design［J］.Textile Research Journal，2009，79:1427-1437.

［7］ LIU Hao，ZHANG Yi，CHEN Li，et al.Development and characterization of flexible heating fabric based on conductive filaments ［J］.Measurement，2012(45):1855-1865.

［8］ 陳莉，劉皓，周麗.鍍銀長絲針織物的結構與其導電發(fā)熱性能［J］.紡織學報，2013，34(10):52-56.CHEN Li，LIU Hao，ZHOU Li.Analysis on silverplated filament knitted fabric knitting and electric heating performance［J］.Journal of Textile Research，2013，34(10):52-56.

［9］ 楊堯棟，宋廣禮.針織物組織與產品設計［M］.北京:中國紡織出版社，1998:36-37.YANG Yaodong，SONG Guangli.Texture of Knitted Fabric and Product Design［M］.Beijing:China Textile＆Apparel Press，1998:36-37.

［10］ 曹偉偉.碳素電熱元件的電熱輻射性能研究［D］.濟南:山東大學，2009:31-57.CAO Weiwei.Study on the electric heating and thermal radiance performance properties of the carbon heating element［D］.Jinan:Shandong University，2009:31-57.