滌綸/碳納米管柔性發(fā)熱絲的制備及其性能

肖 淵， 李嵐馨， 尹 博， 劉歡歡

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

隨著納米科技的發(fā)展和紡織品功能的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)服裝家紡及產(chǎn)業(yè)用紡織品的要求越來(lái)越高[1]，在滿足基本功能需求的基礎(chǔ)上，不斷注重產(chǎn)品的附加功能，從而促使紡織品向智能化、交互式、功能高度集成化方向發(fā)展，出現(xiàn)了可依據(jù)外界變化而作出反應(yīng)的智能紡織品。發(fā)熱紡織品作為智能紡織品的一種，在提高織物御寒保暖性方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[2]，這類(lèi)紡織品除具有服飾的發(fā)熱和保暖功能外，還可實(shí)現(xiàn)人體對(duì)外界寒冷環(huán)境的適應(yīng)性，可依據(jù)不同生命器官的溫度需求，通過(guò)控制發(fā)熱絲電阻值提供/維持人體所需溫度[3]，實(shí)現(xiàn)戶外工作人員御寒、維持體溫等功能，因而在航空航天、戶外工作、極地探險(xiǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[4]。要使智能發(fā)熱紡織品具有良好的舒適性及安全性，要求用于制備紡織品的發(fā)熱絲具有導(dǎo)熱性好、耐腐蝕性佳、質(zhì)量輕、柔性好等特性，因此，制備具有此類(lèi)特點(diǎn)的柔性發(fā)熱絲尤為重要[5-6]。

目前，常見(jiàn)的柔性發(fā)熱絲主要有碳纖維及鍍銀紗線[7-9]。碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量、高含碳量的高性能纖維，具有良好的柔性和導(dǎo)電性能，可用于具有保健功能發(fā)熱保暖服裝的開(kāi)發(fā)；鍍銀金屬紗線是采用電鍍和化學(xué)鍍等方法，將金屬銀鍍?cè)谄胀喚€外表得到導(dǎo)電紗線，該紗線具有較合適的電導(dǎo)率、良好的柔軟性，可用于柔性加熱織物的加熱元件[10-11]。上述2種發(fā)熱元件均可實(shí)現(xiàn)發(fā)熱紡織品的制備，但碳纖維制成的發(fā)熱織物存在成本高、脆性強(qiáng)不易于編織，鍍銀紗線的材料成本高、制備工藝復(fù)雜[12]?；诖?，尋求一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、成本低、電熱學(xué)性能好的柔性發(fā)熱絲制備方法是目前研究的熱點(diǎn)。

由于碳納米管具有低密度、高拉伸強(qiáng)度等性能[13]，本文以碳納米管為填充材料，以滌綸紗線為基體，提出紗線表面均勻涂覆碳納米管制備發(fā)熱絲的方法。通過(guò)一體化涂覆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，完成紗線表面處理、碳納米管的涂覆、紗線固化成型及柔性化處理工藝，實(shí)現(xiàn)柔性發(fā)熱絲的初步制備，為后續(xù)發(fā)熱織物的研究奠定基礎(chǔ)。

1 滌綸/碳納米管發(fā)熱絲涂覆系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)的滌綸/碳納米管(CNTs)發(fā)熱絲涂覆系統(tǒng)如圖1所示。主要由聲波振動(dòng)均勻涂覆、紗線固化成形、紗線表面柔性化處理、紗線輸出速度控制等模塊組成。其中聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊利用揚(yáng)聲器帶動(dòng)盛有碳納米管溶液染槽按照一定的頻率振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滌綸紗線表面的均勻涂覆，揚(yáng)聲器振動(dòng)頻率可通過(guò)控制信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)進(jìn)行改變；固化成形模塊是將已涂覆碳納米管溶液的紗線送至恒溫控制箱中進(jìn)行固化，該恒溫箱由FCD-3000型智能溫度控制器進(jìn)行溫度控制，可實(shí)現(xiàn)0～400 ℃恒溫控制；柔性化處理模塊將涂覆固化成形的碳納米管紗線浸入柔性化處理溶液中，進(jìn)行表面柔性化處理并固化，減少碳納米管涂覆紗線在彎折時(shí)出現(xiàn)折裂和脫落；紗線輸出調(diào)速模塊以STC90C51單片機(jī)為控制器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)依照工藝要求完成紗線輸出速度控制。

圖1 滌綸/CNTs發(fā)熱絲涂覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of polyester/CNTs heating wire coating system

2 滌綸/CNTs發(fā)熱絲的制備與測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

滌綸紗線，線密度為89 tex，市售；羧基化多壁碳納米管(CNTs-006-2C)，羧基含量2.00%，內(nèi)徑為5～10 nm，外徑為10～20 nm，長(zhǎng)度為10～30 μm，分析純，蘇州碳豐石墨烯科技有限公司；聚氧乙烯月桂醚(Brij-30)，高純級(jí)，上海譜振生物科技有限公司；3-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿，分析純，上海譜振生物科技有限公司)；丁腈乳膠，固含量為45%，pH值為10，工業(yè)級(jí)，靖江市通高化工有限公司；水性聚氨酯樹(shù)脂，工業(yè)級(jí)，廣州冠志新材料科技有限公司。

2.2 碳納米管懸浮液的制備

將4.5 g碳納米管、0.6 g 3-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿和0.45 g聚氧乙烯十二烷基磺酸醚依次加入150 mL去離子水中，超聲3 h得到均勻分散的碳納米管懸浮液。

2.3 滌綸紗線預(yù)處理

直接涂覆碳納米管溶液時(shí)附著性差，為改善滌綸紗線的表面形態(tài)，增加表面的粗糙性，提高涂覆的效果[14-15]，本文采用堿減量法對(duì)紗線表面進(jìn)行處理。具體的處理工藝為：將滌綸紗線浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、溫度為100 ℃的NaOH溶液中，保持2 min后取出，冷卻至室溫，經(jīng)洗滌晾干待用。

2.4 滌綸/CNTs發(fā)熱絲的制備

在上述基礎(chǔ)上，將碳納米管懸浮液倒入染槽，然后將處理后的滌綸紗線浸入碳納米管溶液中，再送入固化成形模塊中烘干，得到初步成形的滌綸/CNTs發(fā)熱絲。具體工藝為：浸染3 min，浸染溫度為30 ℃，聲波振動(dòng)頻率20 Hz；固化成形時(shí)間為3 min，溫度為110 ℃。

2.5 滌綸/CNTs發(fā)熱絲的柔性化處理

為提高上述制備的發(fā)熱絲的耐磨和可洗滌性，需要進(jìn)行柔性化處理。具體工藝為：將發(fā)熱絲浸入溫度為70 ℃的柔性化處理溶液(水性聚氨酯和丁腈橡膠1∶1共混)一定時(shí)間,然后烘干，此時(shí)發(fā)熱絲表面包覆一層防水洗的彈性薄膜，得到處理后的滌綸/CNTs發(fā)熱絲。

2.6 滌綸/CNTs發(fā)熱絲性能測(cè)試

為測(cè)量成形后滌綸發(fā)熱絲電阻率，在室溫條件下，取長(zhǎng)度分別為1、5、10、15 cm的CNTs/滌綸發(fā)熱絲各10段，測(cè)量不同長(zhǎng)度紗線電阻的平均值R，經(jīng)下式可計(jì)算出紗線的電阻率：

ρ=RS/L

式中：S為紗線橫截面積，1.82×10-2cm2；L為紗線的長(zhǎng)度，cm。

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)熱絲表面形貌分析

采用上述工藝方法制備出的外觀柔性發(fā)熱絲的外觀如圖2所示。可看出，涂覆后滌綸紗線表面光滑、尺寸均勻，包覆效果較好，無(wú)脫落、結(jié)塊等現(xiàn)象。

圖2 發(fā)熱絲Fig.2 Molding heating wire photos

3.2 發(fā)熱絲導(dǎo)電性能分析

對(duì)成形的發(fā)熱絲電阻率進(jìn)行測(cè)量，得到電阻率隨紗線長(zhǎng)度變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同發(fā)熱絲長(zhǎng)度與電阻率變化Fig.3 Different heating wire length and resistivity changes

由圖3可看出，紗線平均電阻率隨長(zhǎng)度變化趨于穩(wěn)定，其標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸變小。在長(zhǎng)度為15 cm時(shí)紗線電阻率為24.895 Ω·cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.473 Ω · cm，電阻率波動(dòng)較小，說(shuō)明碳納米管在滌綸紗線表面涂覆較均勻。

3.3 發(fā)熱絲的微觀形貌分析

為了進(jìn)一步觀察CNTs/滌綸發(fā)熱絲表面涂覆的微觀形貌，取長(zhǎng)度為1 cm滌綸紗線為樣品，借助掃描電子顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀察，得到其微觀結(jié)構(gòu)照片如圖4所示。

圖4 發(fā)熱絲的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of heating wire

從圖4可看出，涂覆后的滌綸紗線被完整包覆，表面致密且平整，由高倍圖還可看出碳納米管間相互交織形成均勻的涂覆層。

3.4 發(fā)熱絲發(fā)熱性能分析

為測(cè)量發(fā)熱絲的發(fā)熱性能，取15根5 cm長(zhǎng)的發(fā)熱絲和未經(jīng)處理的滌綸紗線通過(guò)相互交錯(cuò)編織成如圖5所示結(jié)構(gòu)，用導(dǎo)電銅箔膠帶將發(fā)熱絲兩端短接，形成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，測(cè)得并聯(lián)后的電阻值約為1.49×103Ω。對(duì)編織的單元通入36 V直流電壓，采用電子溫度計(jì)對(duì)通電后溫度的變化進(jìn)行采集，得到溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖5 發(fā)熱絲編織結(jié)構(gòu)Fig.5 Braided structure of heating wire

圖6 發(fā)熱絲發(fā)熱溫度隨時(shí)間變化Fig.6 Heating wire heating temperature changes with time

從圖6可看出，發(fā)熱絲溫度增長(zhǎng)隨時(shí)間基本呈線性變化，并且在4 min時(shí)，溫度可達(dá)50.3 ℃。說(shuō)明制備的發(fā)熱絲可實(shí)現(xiàn)通電發(fā)熱。后續(xù)可通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米管溶液濃度等參數(shù)對(duì)發(fā)熱絲的發(fā)熱性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.5 發(fā)熱絲耐洗滌性能分析

取長(zhǎng)度為10 cm的發(fā)熱絲置于水中，在常溫條件下，經(jīng)磁力攪拌器在1 500 rad/min條件下機(jī)械攪拌，后經(jīng)40 ℃烘干處理，水洗10次。未洗滌前電阻率記為ρ0，洗滌后電阻率記為ρi，則變化率計(jì)算公式為

測(cè)得不同水洗次數(shù)與發(fā)熱絲電阻率的變化如表1所示。

表1 發(fā)熱絲的電阻率隨水洗次數(shù)的變化Tab.1 Resistivity of heating wire changes with washing number

從表1可看出，隨洗滌次數(shù)增加，發(fā)熱絲電阻率的變化率先增大后趨于穩(wěn)定，洗滌2次后，電阻率的變化率基本穩(wěn)定。后續(xù)還可通過(guò)改變?nèi)嵝蕴幚硪旱臐舛燃皽囟鹊裙に噮?shù)進(jìn)一步提高成形紗線的耐洗滌效果。

4 結(jié) 論

1)開(kāi)發(fā)了集聲波振動(dòng)均勻涂覆、紗線表面柔性化處理、紗線的固化成形等為一體的紗線表面碳納米管均勻涂覆系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)滌綸/碳納米管柔性發(fā)熱絲的制備。

2)成形紗線電阻率測(cè)量及微觀形貌觀察顯示成形的碳納米管涂覆滌綸紗線電阻率穩(wěn)定，紗線表面光滑、涂覆均勻。

3)成形的柔性發(fā)熱絲發(fā)熱測(cè)試結(jié)果表明，在36 V電壓下，編織結(jié)構(gòu)表面4 min內(nèi)可獲得50.3 ℃的加熱溫度，初步實(shí)現(xiàn)發(fā)熱絲的制備。