鍍銀紗線電熱針織物的開(kāi)發(fā)及性能評(píng)價(jià)

許靜嫻， 劉 莉， 李 俊

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051； 3. 北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院， 北京 100029)

鍍銀紗線電熱針織物的開(kāi)發(fā)及性能評(píng)價(jià)

許靜嫻1，2， 劉 莉3， 李 俊1，2

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051； 3. 北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院， 北京 100029)

為開(kāi)發(fā)保暖服用電加熱針織物，使用鍍銀紗線織造了6款不同組織、不同鍍銀紗線含量的加熱織物?；陔娂訜崮K及紅外線溫度采集系統(tǒng)，對(duì)6款織物進(jìn)行了電熱性能實(shí)驗(yàn)，選取其中熱穩(wěn)定性最好、產(chǎn)熱量最多的一款織物進(jìn)行服裝模擬發(fā)熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：常溫下，雙羅紋組織織物的電阻值比緯平針組織低，且電阻熱穩(wěn)定性更好；鍍銀紗線含量越高電阻值越低；通電時(shí)雙羅紋組織織物表面溫度分布更均勻且其中鍍銀長(zhǎng)絲和滌綸短纖喂入比為3∶7的試樣升溫最明顯，在6 V電壓下，以該試樣為發(fā)熱元件的服裝面料系統(tǒng)表面可獲得35 ℃的加熱溫度，足以起到發(fā)熱保暖效果且能保證人體熱舒適性。

電加熱織物； 鍍銀紗線； 電熱性能； 電阻

電加熱技術(shù)以其加熱效果好、加熱溫度可控、可反復(fù)加熱等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到保暖服裝的開(kāi)發(fā)中[1]，不少企業(yè)已開(kāi)發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品并投放市場(chǎng)[2]?，F(xiàn)階段市場(chǎng)上的電加熱服裝大都以碳纖維作為發(fā)熱元件，加熱后溫度最高可達(dá)80 ℃。然而，由于碳纖維價(jià)格昂貴，作為碳纖維的替代品，銀系纖維得到關(guān)注和研究。已有研究主要集中在鍍銀紗線織物的發(fā)熱性能方面，例如：不同的組織結(jié)構(gòu)對(duì)鍍銀紗線織物電熱性能、熱穩(wěn)定性或表面溫度分布均勻性的影響[3-5]；以及機(jī)械外力對(duì)鍍銀紗線織物發(fā)熱率的影響[6]等。鮮有研究從服裝應(yīng)用或人體著裝熱需求的角度來(lái)研究該種織物，這就局限了鍍銀技術(shù)在電加熱服裝上的實(shí)際應(yīng)用。

本文擬采用鍍銀紗線作為發(fā)熱元件設(shè)計(jì)并試制發(fā)熱織物，在對(duì)其電熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，模擬其在服裝中的實(shí)際應(yīng)用情況，研究鍍銀紗線織物作為保暖服裝發(fā)熱元件的可行性，為電加熱材料的選擇和電加熱服裝的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 織物樣本試制

1.1 發(fā)熱元件

發(fā)熱材料[7]分為電熱金屬絲、電熱膜和電熱織物3大類(lèi)，前2類(lèi)質(zhì)地較硬，不易與人體貼合，著裝舒適性差，目前服裝中使用最多的是電加熱織物。電加熱織物是使用柔性導(dǎo)電纖維純紡或與其他纖維交織而成，具備柔軟、可洗滌、與人體貼合好等優(yōu)點(diǎn)，常見(jiàn)的導(dǎo)電纖維有碳纖維和鍍銀纖維2大類(lèi)。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維，具有柔軟可加工性和良好的導(dǎo)電發(fā)熱性能和電磁屏蔽性能，且發(fā)熱時(shí)能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線，兼具發(fā)熱保暖和醫(yī)療保健的功效[8]；鍍銀纖維即在纖維表面鍍一層金屬銀。銀是金屬元素中導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好[9]，且能有效的儲(chǔ)熱及反射熱的材料，其對(duì)熱的反射作用遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)作用，所以在寒冷氣候中能防止人體熱量逃逸散失。

這2類(lèi)纖維中，目前使用較多的是碳纖維，在7 V電壓下，碳纖維服裝發(fā)熱溫度可達(dá)80 ℃，但這一溫度顯然不是人體熱舒適溫度，且碳纖維成本較高。本文嘗試使用鍍銀紗線設(shè)計(jì)織造發(fā)熱織物。

1.2 樣本設(shè)計(jì)與織造

以20 tex的滌綸短纖紗和9.5 tex鍍銀長(zhǎng)絲織造6款10 cm×10 cm的導(dǎo)電織物，織物參數(shù)如表1所示，包括緯平針和雙羅紋2種組織，每種組織分別設(shè)計(jì)3種鍍銀長(zhǎng)絲和滌綸短纖的喂入比，即縱向10行線圈內(nèi)鍍銀長(zhǎng)絲和滌綸短纖的行數(shù)比。

表1 鍍銀紗線加熱織物參數(shù)Tab.1 Parameters of heated textiles based on silver-coated yarns

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 鍍銀紗線織物電熱性能實(shí)驗(yàn)

在溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(50±2)% 的恒溫恒濕條件下，測(cè)試本文實(shí)驗(yàn)6塊電熱織物樣本的電熱性能，包括：常溫下織物的電阻、通電狀態(tài)下織物的電阻、織物的導(dǎo)電發(fā)熱性能3個(gè)實(shí)驗(yàn)。參照J(rèn)B/T 9283—1999《萬(wàn)用電表》測(cè)試織物電阻，參照GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗(yàn)方法》測(cè)試導(dǎo)電發(fā)熱性能。

2.1.1 常溫下織物電阻值測(cè)試

如圖1所示織物電阻值測(cè)試示意圖，首先，將織物兩側(cè)露出的鍍銀紗線用鋁片夾持固定住，使織物內(nèi)部鍍銀紗線得以連接起來(lái)，然后，將數(shù)字型萬(wàn)用電表的兩極a和b分別與織物兩側(cè)的鋁片連接，使織物內(nèi)部形成并聯(lián)電路，通過(guò)萬(wàn)用電表讀取織物阻值，即并聯(lián)電路阻值。

2.1.2 通電狀態(tài)下織物電阻值測(cè)試

通常情況下，金屬導(dǎo)體的電阻會(huì)隨溫度的升高而增大。對(duì)于加熱織物而言，電壓大小會(huì)影響織物溫度，從而影響電阻值。為測(cè)試6塊織物的電阻值熱穩(wěn)定性，分別對(duì)其施以1、2、3、4、5、6 V電壓，待織物表面溫度達(dá)到穩(wěn)定后，使用萬(wàn)用電表讀出通過(guò)織物的電流大小，然后基于伏安法計(jì)算出織物的電阻值。

2.1.3 通電狀態(tài)下織物發(fā)熱性能測(cè)試

分別在1、2、3、4、5、6 V電壓下測(cè)試織物的發(fā)熱性能，本文研究采用織物表面的溫升和溫度分布均勻性2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表征。測(cè)試采用織物熱性能測(cè)試儀[6]，該測(cè)試儀包括紅外線照相機(jī)、恒溫箱、溫度傳感器、電腦、電源、溫度信號(hào)采集模塊等，通過(guò)溫度傳感器獲取織物表面溫度，通過(guò)紅外線照相機(jī)獲取織物表面溫度場(chǎng)。

2.2 服裝發(fā)熱效果模擬實(shí)驗(yàn)

模擬發(fā)熱織物實(shí)際應(yīng)用于服裝時(shí)的狀況，將6塊電熱織物樣本中發(fā)熱性能最好、熱性能最穩(wěn)定的1塊織物放在2塊精紡羊毛織物中間，形成三明治結(jié)構(gòu)的織物系統(tǒng)，進(jìn)行服裝發(fā)熱效果模擬實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。在絕熱泡沫板上放置待測(cè)織物，調(diào)節(jié)電壓大小，由溫度傳感器獲取織物系統(tǒng)的表面溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 織物電阻值

常溫下6塊織物電阻值如表2所示，試樣1最大，試樣6最小。對(duì)比相同組織織物可發(fā)現(xiàn)，織物電阻值隨鍍銀長(zhǎng)絲含量的增加而降低，這是因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)采用的加熱織物與電極連接的方式使得織物內(nèi)部形成了并聯(lián)電路，鍍銀長(zhǎng)絲含量的增加導(dǎo)致各支路電阻變大，總電阻變小。分別對(duì)比試樣1和4、試樣2和5、試樣3和6，當(dāng)鍍銀長(zhǎng)絲喂入比相同時(shí)，雙羅紋組織比緯平針組織電阻小，這是因?yàn)殡p羅紋組織為雙層結(jié)構(gòu)，在同樣的試樣面積中，鍍銀長(zhǎng)絲的含量增加，支路電阻變大，導(dǎo)致總電阻下降。另外，雙羅紋結(jié)構(gòu)使得織物內(nèi)部紗線間的接觸點(diǎn)增多，導(dǎo)致各支路內(nèi)部又分出支路，從而降低了總電阻。

通電狀態(tài)下織物電阻值測(cè)試結(jié)果如圖3所示。隨著電壓的增加， 6塊織物電阻值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降比率分別為68%、47%、67%、45%、76%、43%。電壓越大，織物間電阻值差異越小。試樣6在不同電壓下的電阻值都是最小的。雙羅紋組織相比緯平針組織電阻變化幅度稍小，這與已有研究[6]結(jié)果一致，原因是緯平針組織結(jié)構(gòu)較松散，鍍銀紗線受熱膨脹時(shí)織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化幅度較大，導(dǎo)致紗線上接觸點(diǎn)間接觸面積的變化，所以電阻變化幅度也較大。分析鍍銀長(zhǎng)絲含量對(duì)電阻值變化的影響，發(fā)現(xiàn)含量最高的試樣3和6電阻值變化幅度最小，且在電壓大于3 V后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，試樣1、2、4在大于4 V后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，試樣5在觀測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

由上述常溫及通電狀態(tài)下織物電阻值測(cè)試結(jié)果可知，試樣6電阻值最小且熱穩(wěn)定性最好，可考慮將其作為后續(xù)模擬服裝發(fā)熱實(shí)驗(yàn)的樣本。

3.2 織物發(fā)熱效果

圖4、5示出6塊織物在6 V電壓下表面紅外照片及溫度三維圖。由紅外照片可知，試樣4、5、6表面鍍銀紗線和滌綸紗線所處位置的顏色差異比試樣1、2、3的小，由溫度三維圖可知，試樣4、6表面各處起伏相對(duì)較為緩和，說(shuō)明雙羅紋織物相比緯平針織物發(fā)熱更均勻，因?yàn)殡p羅紋結(jié)構(gòu)緊密，鍍銀長(zhǎng)絲與滌綸短纖間距離相對(duì)較短，熱傳導(dǎo)所波及范圍相對(duì)更廣，且相同電壓下，雙羅紋織物產(chǎn)熱及傳導(dǎo)熱更多，使得鍍銀紗線與滌綸紗線表面溫度差異更小。

圖6示出不同電壓下兩試樣表面最高溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，由圖可知，織物表面最高溫度隨電壓的增大而升高，在電壓低于5 V時(shí)，試樣4表面升溫不明顯，低于4 V時(shí)試樣6升溫不明顯，這是因?yàn)樵嚇?的電阻更大，當(dāng)電壓較低時(shí)，發(fā)熱功率低。比較6 V電壓下的最高溫度可知，試樣6最高溫度達(dá)到60 ℃，大于試樣4。

圖7示出試樣4、6電壓與消耗功率密度間關(guān)系圖。相同電壓下試樣6功率密度大于試樣4，說(shuō)明試樣6的單位面積產(chǎn)熱量更高。另外，2塊試樣的功率密度都與電壓顯著線性相關(guān)(R2>0.9)。

綜上，結(jié)合織物電阻值和發(fā)熱性能測(cè)試結(jié)果，選擇阻值最小且熱穩(wěn)定性最好、溫度分布最均勻且產(chǎn)熱量最多的試樣6進(jìn)行服裝加熱效果模擬實(shí)驗(yàn)。

3.3 服裝模擬發(fā)熱效果

試樣6模擬服裝發(fā)熱過(guò)程中捕捉到的在6 V電壓下羊毛面料表面最高溫度達(dá)到了35 ℃。文獻(xiàn)[10]表明，人體皮膚較舒適溫度范圍為32～37 ℃，當(dāng)皮膚溫度低于32 ℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不舒適的冷感，高于37 ℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不舒適的熱感，所以在6 V電壓下試樣6獲得的35 ℃的加熱溫度在人體熱舒適范圍內(nèi)，即使用鍍銀紗線作為發(fā)熱元件足以起到加熱保暖的作用，且不會(huì)使人體產(chǎn)生不舒適的熱感。相比之下，市場(chǎng)上的碳纖維電熱服發(fā)熱溫度高達(dá)80 ℃，產(chǎn)熱量雖高，但熱量過(guò)高會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以本文研究開(kāi)發(fā)的鍍銀長(zhǎng)絲行數(shù)與滌綸短纖行數(shù)為3/7的雙羅紋組織發(fā)熱織物可取代碳纖維運(yùn)用到電加熱服裝中。

4 結(jié) 論

本文選擇鍍銀長(zhǎng)絲作為導(dǎo)電發(fā)熱元件與滌綸短纖交織，織造了6種加熱織物。研究結(jié)果表明：1)常溫下雙羅紋織物電阻小于緯平針織物，且鍍銀長(zhǎng)絲含量越高，阻值越小。通電下織物電阻隨電壓的增大呈減小趨勢(shì)，雙羅紋組織電阻熱穩(wěn)定性更好且其中鍍銀長(zhǎng)絲含量最高的試樣6熱穩(wěn)定性最好，電壓達(dá)到3 V后，電阻幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)。2)通電后，織物表面紅外圖像和溫度三維圖顯示，雙羅紋組織織物加熱后表面溫度分布更均勻，其中試樣4、 6分布最均勻，且6 V電壓下試樣6功率密度更大，產(chǎn)熱量更多，加熱溫度達(dá)60 ℃。3)模擬服裝發(fā)熱實(shí)驗(yàn)顯示，在6 V電壓下，織物系統(tǒng)獲得了35 ℃的表面溫度，足以給人體提供加熱保暖功能且不會(huì)造成不舒適的熱感。

使用鍍銀長(zhǎng)絲作為發(fā)熱元件織造保暖服用加熱織物具有可行性，今后可考慮開(kāi)發(fā)鍍銀紗線電加熱服裝。

FZXB

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Development and performance evaluation of electrically-heated
textile based on silver-coated yarn

XU Jingxian1,2, LIU Li3, LI Jun1,2

(1.Fashion·ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology(DonghuaUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200051,China; 3.SchoolofFashionArtandEngineering,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China)

This paper tends to develop a piece of electrical heating textile for thermal clothing. Six pieces of heating textiles with different textures and different silver-coated yarn contents were knitted. The electric heating properties of the six samples were tested, based on an electric heating module and an infrared temperature acquisition system. Then, the one, which performs best in thermal stability and heat generation, was picked out for electrically heated clothing simulation. The test results indicated that the resistance of interlock stitch is lower than plain stitch. And the higher the silver-coated yarn content is, the lower the resistance becomes. Also, the thermal stability of resistance shows better with interlock texture. When charged, the temperature distribution of interlock stitch is more uniform than plain stitch, and the temperature rise of the sample, with the rate of silver coated and polyester yarn of 3∶7, is most obvious. The simulation test of thermal clothing′ s heating properties showed that the temperature of the clothing surface, with the sample mentioned above as the heating element, could reach 35 ℃ at 6 V. Consequently, the textile knitted with silver-coated yarns can provide enough heat to the body while maintaining its thermal comfort.

electrically-heated textile; silver-coated yarn; thermal-electric property; electrical resistance

10.13475/j.fzxb.20151005905

2015-10-27

2016-08-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(15D110735/36)

許靜嫻(1992—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)榉b舒適性與功能性。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

TS 186.9

A