自發(fā)熱針織手套的結(jié)構(gòu)與性能

劉麗妍， 何亞娥， 劉皓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

?

自發(fā)熱針織手套的結(jié)構(gòu)與性能

劉麗妍， 何亞娥， 劉皓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

為滿足低溫環(huán)境工作及熱舒適性的要求，針對人體手部易冷問題，采用鍍銀導(dǎo)電纖維作為發(fā)熱元件，在全自動手套編織機(jī)上通過添紗、襯墊、襯緯的方式，將鍍銀導(dǎo)電纖維織入手套手掌部位，并配以適當(dāng)?shù)碾姵亟M成閉合電路，進(jìn)行導(dǎo)電發(fā)熱。測試不同組織結(jié)構(gòu)手套的發(fā)熱性能。結(jié)果表明，襯緯編織方式便于形成電路，且并聯(lián)襯緯方式優(yōu)于串聯(lián)方式；實驗初期手套溫度與輸入功率呈線性增加，之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表面溫度分布較為均勻，從而起到保暖及改善人體手部溫度的作用。

自發(fā)熱；針織手套；成型編織；鍍銀紗線；電導(dǎo)熱

遮體保暖是服裝的基本功能。隨著社會的不斷進(jìn)步，人類對服裝的要求越來越高，功能性服裝層出不窮[1-3]。其中，隨著環(huán)境溫度的變化自動調(diào)節(jié)人體熱量平衡，以此確保人體熱量和舒適性的發(fā)熱服裝特別受到關(guān)注[4]。此類發(fā)熱服裝要求對溫度變化作出迅速反應(yīng)，穿戴方便，且質(zhì)輕保暖，以便靈活運動[5- 6]。中國、日本、韓國等國在該領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究工作，并且取得了重要成果。目前,國內(nèi)外研究開發(fā)的發(fā)熱保暖服裝已涉及到衣、鞋、帽、褲、襪和手套等方面。保暖發(fā)熱服裝通常選用各種保暖發(fā)熱材料，利用不同發(fā)熱機(jī)理實現(xiàn)服裝的主動發(fā)熱[7-8]。針對在低溫環(huán)境下工作人員以及手部易冷人群，為提高工作效率同時滿足人體熱舒適性的要求[9]，設(shè)計開發(fā)佩戴在手部主動加熱的裝置變得十分有意義。文中研發(fā)一種自發(fā)熱針織手套，選用鍍銀導(dǎo)電發(fā)熱纖維作為發(fā)熱元件，配以適當(dāng)電源，組成閉合回路，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)針織手套的發(fā)熱功能，起到保暖及改善人體手部溫度的作用。

1 原料及手套類型選取

1.1 原料選取

鍍銀纖維是在聚合物的表面鍍一層銀而得到的功能性纖維。鍍銀纖維具有很多優(yōu)良特性，利用鍍銀纖維做成的產(chǎn)品有很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，廣泛應(yīng)用于紡織和服裝等領(lǐng)域[10]。文中考慮到手套的保暖性能，地紗采用10.5 s羊絨紗線，電導(dǎo)熱紗線(3合股)采用線密度為28.2 tex鍍銀纖維紗線。

1.2 手套類型選取

針織手套款式通常可分為3種：插指手套、獨指手套和分指手套。插指手套是一種不覆蓋四指的手套，即把四指露在外面；獨指手套是只有把大拇指分出來的手套，又稱巴掌手套；文中所設(shè)計的手套為分指手套，如圖1所示。這種手套依照手的形狀設(shè)計，手指和手掌的設(shè)計分工明確，這種分指不僅有獨指手套的保暖性，而且有插指手套的靈活性，所以在寒冷環(huán)境下，尤其對從事精細(xì)工作的人而言，更愿意選擇既保暖又不影響工作的分指手套。

2 自發(fā)熱針織手套的設(shè)計與編織

2.1 手套組織設(shè)計

文中發(fā)熱針織手套的發(fā)熱原理是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)針織手套的自發(fā)熱。在設(shè)計針織手套的組織時，充分考慮所使用編織機(jī)器全成型能力、手套的保暖性以及手套發(fā)熱裝置的合理安裝，手套的地組織選用平針空轉(zhuǎn)組織。鍍銀導(dǎo)電紗線作為發(fā)熱主體，需要織入手套。由于所選用的鍍銀紗線比較光滑，且有彈性，紗線之間抱合力低，不便彎曲成圈；同時考慮鍍銀導(dǎo)電紗線的連續(xù)性、編織性能和導(dǎo)電發(fā)熱效果，采用三股鍍銀紗線通過添紗組織、襯墊組織、襯緯組織的方式，將其編織在針織手套的手掌部位，即手心和手背均使用連續(xù)的地組織紗線及鍍銀導(dǎo)電紗線共同編織。鍍銀紗線編織組織如圖2所示。

2.2 手套的編織

手套編織選用日本島精SWG 061N型全成型電腦橫機(jī)進(jìn)行打板和編織。根據(jù)所設(shè)計的形狀和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行編織樣板的繪制和尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)的確定，將打版系統(tǒng)中打好的樣板保存文件后，導(dǎo)入機(jī)器中，執(zhí)行編織動作，下機(jī)后即得到具有不同鍍銀紗線結(jié)構(gòu)的針織手套。

3 自發(fā)熱針織手套電熱性能測試與結(jié)果分析

3.1 手套電路連接

根據(jù)鍍銀纖維紗線襯入組織的不同形式，選取4份測試手套樣品，分別為襯墊組織、添紗組織、串聯(lián)襯緯組織和并聯(lián)襯緯組織。在電路連接部分，將織好的手套接上電源、開關(guān)等輔助電子元件。正常情況下，手套接通電路后，手套表面的溫度逐漸上升，并發(fā)熱，手套持續(xù)發(fā)熱的時間與電源有關(guān)?？紤]電源攜帶方便性，手套舒適美觀性，選用紐扣電源，組成閉合回路。手套織物與電源連接情況如圖3所示。特別注意并聯(lián)襯緯組織的手套中，鍍銀纖維紗線的奇數(shù)位置伸出端應(yīng)接在同一電極上，偶數(shù)位置的伸出端接在另一電極上。在接電源時，應(yīng)防止奇數(shù)路和偶數(shù)路的鍍銀導(dǎo)電紗線接觸，造成短路現(xiàn)象。

3.2 測試儀器

Agilent 34405A 型數(shù)字萬用表、 Agilent U3402A 型數(shù)字電流表，東莞市科信電子儀器有限公司制造；高德TMTP8紅外熱像儀，武漢高德紅外股份有限公司制造；繼電器，上海京浙實業(yè)有限公司制造；溫度儀，天津津天溫度儀表科技有限公司制造；等。

3.3 手套電熱性能測試與結(jié)果分析

3.3.1 手套電阻測試 導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性能的優(yōu)劣與單位時間內(nèi)流過纖維截面的電荷量，材料對電流的阻礙能力以及流過材料橫截面的電荷量有關(guān)，常用導(dǎo)電材料的電阻表示[11-12]。表征紗線的導(dǎo)電性為紗線的比電阻。文中使用3股鍍銀纖維紗線，經(jīng)測試其平均長度比電阻為3.13 Ω/cm。將連接好電路的測試手套進(jìn)行電阻測試：得到襯墊組織的手套電阻為114.7 Ω，添紗組織的手套電阻為119.6 Ω，串聯(lián)襯緯組織的手套電阻為266 Ω，并聯(lián)襯緯組織的手套電阻為24.6 Ω。

3.3.2 手套發(fā)熱均勻性測試 在不同的電壓下，測試各種組織手套的表面溫度，觀察表面溫度隨電壓的變化情況，用紅外攝像儀拍攝手套表面溫度的變化。圖4～圖7分別為不同電壓下，襯墊組織、添紗組織、串聯(lián)襯緯組織、并聯(lián)襯緯組織手套溫度逐漸趨于穩(wěn)定時的發(fā)熱狀態(tài)。

由圖4、圖5可以看出，對于襯墊組織及添紗組織編織的手套，隨著電壓的升高，溫度有所升高，但發(fā)熱效果不均勻，熱量集中于靠近電源連接處，而遠(yuǎn)離電源的另一端幾乎沒有發(fā)熱效果。經(jīng)過一段時間的通電后，手套中其他部位的溫度均沒有升高。究其原因，可能是襯墊與添紗兩種組織參與編織，紗線在成圈過程中有一定程度的彎曲變形，使得手套中鍍銀紗線就近形成閉合回路而遠(yuǎn)端斷路。由圖6可以看出，串聯(lián)襯緯組織的手套，隨著電壓的升高，溫度升高，在整個電路連接中，鍍銀纖維紗線都參與發(fā)熱，發(fā)熱較均勻。由圖7可以看出，對于并聯(lián)襯緯組織的手套，襯緯紗線未經(jīng)彎曲變形，基本平直均勻分布，形成良好的并聯(lián)回路，且均參與發(fā)熱；隨著電壓的變化，溫度變化比較快，溫度變化與電壓成正比，發(fā)熱效果均勻且明顯。

由圖6和圖7可以看出，串聯(lián)襯緯組織的手套，當(dāng)電壓達(dá)到12 V時，手套的溫度達(dá)到穩(wěn)定均勻狀態(tài)；并聯(lián)襯緯組織的手套，當(dāng)電壓達(dá)到6 V時，手套的溫度達(dá)到穩(wěn)定均勻狀態(tài)。本研究不僅要滿足手套自發(fā)熱的功能，還應(yīng)使手套攜帶方便，盡量減小電源尺寸，由此選擇使用并聯(lián)襯緯組織進(jìn)行鍍銀紗線的編織。

3.3.3 并聯(lián)電路手套熱穩(wěn)定性測試與結(jié)果分析 并聯(lián)襯緯組織手套，在電壓一定的情況下，手套的溫度會隨著時間的增加而變高，經(jīng)過一段時間后，手套的溫度達(dá)到最高值，這時溫度趨于穩(wěn)定。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)電壓越高時，手套能夠達(dá)到的最高溫度值也越大，手套的發(fā)熱、散熱和蓄熱三者達(dá)到平衡的時間也就越長。在不同的電壓下測試手套的實際電流和最大溫度見表1。

表1 不同電壓下手套的實際電壓、電流和最大溫度

由表1可以看出，隨著測試電壓的升高，手套的溫度也升高，兩者呈現(xiàn)近似的正比關(guān)系，當(dāng)電壓為6 V時，溫度達(dá)到30.3 ℃。手套的電流始終保持在0.01 A～0.16 A的范圍內(nèi)，實際電壓的最大值不超過6 V，也就是說隨著輸入功率的增大，手套的發(fā)熱幅度也增大。

4 結(jié)語

通過對自發(fā)熱針織手套進(jìn)行款式、組織及電路的設(shè)計與性能研究，可知導(dǎo)電鍍銀紗線以襯緯方式編入織物，便于形成穩(wěn)定電路，其發(fā)熱效果優(yōu)于添紗和襯墊組織；并聯(lián)襯緯方式優(yōu)于串聯(lián)方式，手套溫度與輸入功率呈線性增加，之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表面溫度分布較為均勻。并聯(lián)襯緯電路最高溫度可達(dá)30 ℃。研發(fā)的針織發(fā)熱手套結(jié)構(gòu)簡單，方便攜帶，能夠達(dá)到手部局部發(fā)熱的功能，從而起到保暖及改善人體手部溫度的作用。

[1] 李瑤，陳婷婷，楊旭東．紡織用導(dǎo)電纖維及其應(yīng)用[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010，28(4)：32-35.

LI Yao, CHEN Tingting, YANG Xudong. Conductive fibers for textiles and its applications[J].Technical Textiles,2010,28(4):32-35.(in Chinese)

[2] 任萍,劉靜.可加熱服裝技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 紡織科學(xué)研究,2008(3)：21-27.

REN Ping, LIU Jing. Research progress of heating technologies in garments[J]. Research of Textiles Sciences,2008(3):21-27.(in Chinese)

[3] 張小雪.基于太陽能利用的發(fā)熱服裝研究[J]. 國際紡織導(dǎo)報, 2014(3): 55- 60.

ZHANG Xiaoxue. Research of fever garment based on solar energy[J]. Melliand China,2014(3): 55- 60.(in Chinese)

[4] 任萍,楊陽,劉靜.人體足部傳熱數(shù)值模擬及加熱實驗[J]. 紡織學(xué)報,2009，30(3):42- 46.

REN Ping, YANG Yang, LIU Jing. Numerical simulation of heat transfer of human foot and heating experiments[J].Journal of Textile Research,2009，30(3):42- 46.(in Chinese)

[5] 唐世君,郭詩珧.電加熱服裝的研制[J]. 防護(hù)裝備技術(shù)研究,2013(5):5-8.

TANG Shijun, GUO Shizhao.Development of electric heating clothing[J].China Personal Protective Equipment,2013(5):5-8.(in Chinese)

[6] 楊建均．有關(guān)人體產(chǎn)熱與散熱的分析[J]．生物學(xué)教學(xué),2008，33(9)：65．

YANG Jianjun. Analysis of heat radiation of human body[J].Teaching of Biology,2008，33(9)：65．(in Chinese)

[7] 劉茜．服裝絮填材料保暖性能的研究[J]．上海紡織科技,2008，36(12)：9-11．

LIU Xi. Research on thermal insulation of garment fiber fill[J].Shanghai Textile Science and Technology,2008，36(12)：9-11．(in Chinese)

[8] 王敏，李?。l(fā)熱保暖服裝材料的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品,2009，27(4)：6-9．

WANG Min, LI Jun. Current status and development trend of exothermic warmth etention material for garment[J]. Technical Textiles, 2009，27(4)：6-9．(in Chinese)

[9] 任萍．可穿戴式人體熱舒適系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用[D]．北京：中國科學(xué)院,2009：1．

[10] 陳莉,劉皓,周麗．鍍銀長絲針織物的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電發(fā)熱性能[J]．紡織學(xué)報,2013(10): 52-56.

CHEN Li, LIU Hao, ZHOU Li. Structure and electric heating performance of silver-plated filament knitted fabrics[J]. Journal of Textile Research,2013(10): 52-56.(in Chinese)

[11] LIU Zhe，WANG Xiuchen．Manufactureand performance evaluation of solar garment[J]. Journal of Cleaner Production，2012，42(3):96-102．

[12] Rantanen J，Impio J,Karinsalo T,et al．Smart clothing prototype for the arctic environment[J]．Personal and Ubiquitous Computing，2002,6(1):3-16.

(責(zé)任編輯：盧杰，邢寶妹)

Structures and Properties of Self-Heating Knitted Gloves

LIU Liyan， HE Ya'e， LIU Hao

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In order to meet the requirements for human thermal comfortability and working in low temperature environment , self-heating gloves were integral knitted via automatic Shima Seiki knitting machine. Together with a suitable cell, electric heat conduction silver-coated fibers were knitted into palm part of gloves by fleecy, plating and inlay to make a closed circuit. The heating properties of gloves with different knitting structures and connection ways were tested and analyzed. It was found that the inlay structure was more convenient to form a circuit. The heating effect of parallel circuit was better than that series one's. The temperature of self-heating gloves in parallel connection increased with input powerand could reach a stable value . The distribution of temperature on the surface of palms part was uniform, which could help hands keeping warm to a certain extent.

self-heating, knitted gloves, integral knit, silver-coated fiber, electric heat conduction

2016-06-20；

2016-07-30。

國家自然科學(xué)基金項目(51473122)。

劉麗妍(1978—)，女，副教授，博士。主要研究方向為紡織新材料的開發(fā)和制備技術(shù)。Email:liuliyan2001@sina.com

TS 941.3

A

2096-1928(2016)04-0347-05