碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的制備及其在散香服裝面料中的應用

董 科， 趙 晨， 朱焱陌陌， 錢 坤， 肖學良

(江南大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，人們開始崇尚健康的生活方式，對具有抗菌、防護及保健效果的功能紡織品需求日益增加[1-2]。其中，散香面料將含藥物成分的芳香劑與織物結合，能改善人們生理和心理健康狀況，同時具有醫(yī)療保健功效，為緩解憂郁、鎮(zhèn)靜安神等提供有效途徑[3]。

碳纖維是一種高性能纖維[4]，力學性能優(yōu)異，耐腐蝕性強，使用壽命較長，被廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[5-6]。同時，碳纖維具有優(yōu)異的電熱性能[7]，相對于金屬發(fā)熱材料，碳發(fā)熱材料的電熱轉(zhuǎn)化效率高，輻射傳熱效果好，空間制熱速度快，在1.5～12 V低電壓區(qū)工作時便能達到良好的發(fā)熱量[8]，符合發(fā)熱面料的要求。此外，碳纖維發(fā)熱的電磁輻射量極小，對人體基本無害[9-10]。

將碳纖維發(fā)熱結構應用于芳香面料中，利用發(fā)熱碳纖維快速改變面料溫度，從而控制芳香微膠囊散香速率。隨著面料溫度的變化，殼芯中填充的芳香精油、芳香劑等通過微膠囊殼壁的微孔不斷釋放出來[11]。與普通芳香型靜態(tài)揮發(fā)面料相比，溫控散香面料留香性能更好[12]，散香具有可控性，能夠根據(jù)不同情況釋放出不同濃度的香味，是一種安全環(huán)保的新型材料[13]。因此，基于發(fā)熱碳纖維研發(fā)的溫控芳香微膠囊發(fā)熱散香面料，具備獨特的溫控發(fā)熱性能，在醫(yī)療保健方面具有一定的應用價值[14]。

然而，目前較為成熟的碳纖維組合發(fā)熱模式比較單一，發(fā)熱面積小，發(fā)熱均勻性待考察[15]，且關于應用碳纖維發(fā)熱結構溫控散香面料的研究并不成熟，因而如何控制碳纖維均勻發(fā)熱使面料穩(wěn)定散香是要解決的重點問題。文中將碳纖維制備成“∞”型和“#”型兩種發(fā)熱網(wǎng)絡結構，通過調(diào)控結構參數(shù)與外接電壓對發(fā)熱網(wǎng)絡的發(fā)熱性能進行研究，最后將碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡與經(jīng)溫控緩釋微膠囊整理過的棉布復合，制備電熱溫控散香的功能面料，并研究不同發(fā)熱結構對面料散香性能的影響，探索碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡在功能面料中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1材料 3K碳纖維長絲(1.44 Ω/cm)，上海碳辰新材料科技有限公司生產(chǎn)；棉布(經(jīng)密320根/dm、緯密280根/dm的平紋織物)，山東華紡股份有限公司生產(chǎn)。

1.1.2儀器 Victor VC890D數(shù)字萬用表，深圳驛生勝利科技有限公司制造；溫控散香微膠囊(PERF-NANO，香橙味)，蘇州喜寶紡織助劑有限公司制造；FLIR E5紅外熱成像儀，美國菲利爾公司制造；電熱鼓風干燥箱(220 V)，余姚星辰儀表廠制造；J1202型穩(wěn)壓電源，泰州滬江教學設備有限公司制造；梅特勒ME204E型電子天平測量儀，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司制造。

1.2 測試準備

1.2.1“∞”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡制備 圖1為“∞”型碳纖維網(wǎng)絡結構。以兩根碳纖維長絲為一組，制成單個條狀“∞”型線路結構[見圖1(a)]；進一步將4組條狀結構組合，形成4×4規(guī)格的碳纖維網(wǎng)絡，其中碳纖維交叉處使用膠帶固定，使其接觸良好。以單位圓形周長為參數(shù)，將圓形網(wǎng)孔周長分別設置為6，7，8，9，10 cm，使用碳纖維長絲制備4×4規(guī)格的碳纖維“∞”型網(wǎng)絡，并將碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡結構固定在棉布上[見圖1(b)]。

圖1 “∞”型碳纖維網(wǎng)絡結構Fig.1 "∞" type carbon fiber network structure

1.2.2“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡制備 圖2為“#”型碳纖維網(wǎng)絡。使用10根碳纖維長絲，組成4×4 規(guī)格的“#”型方格狀網(wǎng)絡結構[見圖2(a)]，并使用膠帶固定碳纖維交叉節(jié)點。以單位方格周長為參數(shù)，制備單位方格周長為4，6，8，10，12 cm的4×4規(guī)格碳纖維“#”型網(wǎng)絡。為防止碳纖維脫散，用膠帶將碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡固定在棉布上[見圖2(b)]。

圖2 “#”型碳纖維網(wǎng)絡結構 Fig.2 "#" type carbon fiber network structure

1.3 測試方法

1.3.1碳纖維網(wǎng)絡電阻的測定與仿真驗證 碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的阻抗是評估發(fā)熱性能的重要參數(shù)。根據(jù)焦耳定律，在相同電壓條件下，電阻越小，通電時所產(chǎn)生的焦耳熱越多，其決定了發(fā)熱量以及發(fā)熱速率。碳纖維交織網(wǎng)絡的串并聯(lián)比較復雜，因此有必要建立能準確預測相關結構中通用碳纖維網(wǎng)絡電阻的阻抗模型。

利用Multisim軟件制作“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡電阻模型，并進行仿真實驗，算出不同結構不同參數(shù)下的碳纖維網(wǎng)絡電阻。此外，使用數(shù)字萬用表分別測試并記錄各個碳纖維網(wǎng)絡的總體電阻(見圖3)。

圖3 碳纖維網(wǎng)絡阻抗測試Fig.3 Impedance test of carbon fiber network

1.3.2碳纖維網(wǎng)絡電熱性能測試

1)多種單位網(wǎng)格參數(shù)下碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能測試。將不同單位網(wǎng)格參數(shù)的“∞”型和“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡外接上穩(wěn)壓電源，設置穩(wěn)壓電源的電壓為8 V，通電發(fā)熱時間為240 s，在測試過程中使用熱成像儀持續(xù)記錄碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱過程，并每隔10 s取一次紅外熱成像圖內(nèi)最高溫度與最低溫度數(shù)據(jù)。

2)不同電壓下碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能測試。為比較“∞”型和“#”型的碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡，選用單位網(wǎng)格周長為6 cm的“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡進行測試與對比。將外接穩(wěn)壓電源的電壓分別調(diào)整為2，4，6，8，10，12 V，通電發(fā)熱時間為240 s，使用熱成像儀每10 s記錄其發(fā)熱狀態(tài)，并收集溫度隨通電時間變化的數(shù)據(jù)(見圖4)。

圖4 碳纖維網(wǎng)絡實驗Fig.4 Carbon fiber network experiment

1.3.3碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱散香性能測試 配置芳香微膠囊整理液，其中水與芳香劑的體積比為1∶1，取1塊純白棉布，將棉布在配制好的芳香微膠囊整理液中處理30 min后取出，再將棉布在80 ℃烘箱中烘干處理30 min，取出后剪裁成相同大小的3塊布，分別與單位網(wǎng)格周長為6 cm的“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡復合，編號為1#，2#，另將3#布設置為空白樣。將3塊樣品置于烘箱中處理10 min，分別測其質(zhì)量。1#，2#分別通8 V電源，3#布不進行處理，使其自然散香，240 s后分別測試并記錄剩余質(zhì)量。

2 結果與討論

2.1 碳纖維網(wǎng)絡的電阻與仿真驗證

根據(jù)等效電阻電路圖，利用Multisim軟件制作“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡的電阻模型，將單位長度碳纖維的電阻參數(shù)帶入，并設置電壓為220 V，進行仿真模擬實驗，計算并模擬出不同結構不同單位網(wǎng)格參數(shù)下的碳纖維網(wǎng)絡電阻。圖5為單位網(wǎng)格參數(shù)為6 cm的碳纖維網(wǎng)絡電阻模型模擬。使用萬用電表測試真實條件下碳纖維網(wǎng)絡的電阻，模擬測試的結果見表1、表2。

圖5 碳纖維網(wǎng)絡的電阻模型模擬Fig.5 Resistance model simulation of carbon fiber network

表1 “∞”型碳纖維網(wǎng)絡阻抗

表2 “#”型碳纖維網(wǎng)絡阻抗

由表1和表2可以看出，模擬測試與實際測試的電阻值相近，其誤差都小于1 Ω，這表明建立的阻抗模型與實際碳纖維網(wǎng)絡吻合性良好，可以預測該種碳纖維網(wǎng)絡的阻抗，同時也證明了實際測試電阻值的準確性。

另外，隨著單位網(wǎng)格參數(shù)的增加，所測得的網(wǎng)絡阻抗值增加。這是由于不同結構參數(shù)的碳纖維網(wǎng)絡中，并聯(lián)結構并未變化，而單個網(wǎng)格周長增加使得單位網(wǎng)格內(nèi)電阻增加，從而導致整個網(wǎng)絡阻抗呈上升趨勢。對比具有相同單位網(wǎng)格參數(shù)(6,8,10 cm)的“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)“∞”型碳纖維網(wǎng)絡的阻抗小于“#”型碳纖維網(wǎng)絡，這可能是由于“∞”型碳纖維網(wǎng)絡內(nèi)產(chǎn)生了更多的并聯(lián)網(wǎng)絡，因此相同參數(shù)下表現(xiàn)出更小的阻抗。

2.2 “∞”型碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能

2.2.1多種單位網(wǎng)格參數(shù)下“∞”型網(wǎng)絡發(fā)熱性能

在外接電壓為8 V的穩(wěn)壓電源下測試不同單位網(wǎng)格參數(shù)的“∞”型碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能，其中TH為熱成像圖的最高溫度，TL為最低溫度，測試結果如圖6所示。

圖6 “∞”型碳纖維網(wǎng)絡相同電壓不同單位網(wǎng)格參數(shù)的溫度變化Fig.6 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由圖6可以看出，所有“∞”型碳纖維網(wǎng)絡均具有優(yōu)異的發(fā)熱速率，10 s內(nèi)可迅速升溫，之后溫度緩慢上升，在50 s左右達到并保持最高溫度。這是碳纖維網(wǎng)絡與外界熱交換平衡(即發(fā)熱速率與散熱速率平衡)的結果。此外，隨著單位網(wǎng)格參數(shù)的減小，其所能達到的最高溫度升高。對比不同單位網(wǎng)格參數(shù)的發(fā)熱網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)單位網(wǎng)格參數(shù)為6 cm時的碳纖維網(wǎng)絡表現(xiàn)出最好的發(fā)熱速率以及發(fā)熱性能，其溫度能在10 s內(nèi)達到最高溫度43.2 ℃。這是由于隨著單位網(wǎng)格參數(shù)的減小，碳纖維網(wǎng)絡的阻抗值減小，根據(jù)焦耳定律Q=(U2/R)t，碳纖維網(wǎng)絡單位時間能產(chǎn)生更高的熱量，因此單位網(wǎng)格參數(shù)越小，網(wǎng)絡發(fā)熱性能越好。

2.2.2不同外接電壓下“∞”型網(wǎng)絡發(fā)熱性能 選擇單位網(wǎng)格參數(shù)為6 cm的“∞”型碳纖維網(wǎng)絡，測試在不同外接電壓下的發(fā)熱性能，測試結果如圖7所示。由圖7可知，隨著外接電壓的增加，碳纖維網(wǎng)絡所能達到的最高發(fā)熱溫度升高，達到最高溫度所需的時間也有一定程度的減少；且溫度升高的速率也與電壓大小呈正相關，碳纖維發(fā)熱結構能在12 V電壓下達到最高溫度94 ℃。

圖7 “∞”型碳纖維網(wǎng)絡相同單位網(wǎng)格參數(shù)不同電壓的溫度變化Fig.7 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.3 “#”型碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能

2.3.1不同單位網(wǎng)格參數(shù)下“#”型網(wǎng)絡發(fā)熱性能

在外接電壓為8 V的條件下測試不同單位網(wǎng)格參數(shù)的“#”型碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能，結果如圖8所示。

圖8 “#”型碳纖維網(wǎng)絡相同電壓不同單位網(wǎng)格參數(shù)的溫度變化Fig.8 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由圖8可知，在開始階段，“#”型碳纖維網(wǎng)絡的溫度迅速上升，能在10 s內(nèi)到達最高溫度與最低溫度的中間值，隨后溫度上升趨勢減緩，并在200 s左右達到最高溫度并保持穩(wěn)定。單位網(wǎng)格參數(shù)越小，其所能達到的最高溫度越高，單位網(wǎng)格參數(shù)為4 cm時最高溫度有顯著上升。所有碳纖維網(wǎng)絡達到最高溫度與最低溫度中間值所用的時間都很短，大約在10 s以內(nèi)，且隨著單位網(wǎng)格參數(shù)縮小，所用時間也有所縮短。不同單位網(wǎng)格參數(shù)“#”型碳纖維網(wǎng)絡的最低溫度基本一致，可能是由于該棉布的導熱性能較差。

2.3.2不同外接電壓下“#”型網(wǎng)絡發(fā)熱性能 選擇單位網(wǎng)格參數(shù)為6 cm的“#”型碳纖維網(wǎng)絡，測試不同電壓下的發(fā)熱性能，結果如圖9所示。由于該單位網(wǎng)格參數(shù)的碳纖維網(wǎng)絡在8 V以上的電壓下過載，因此并未列在圖9中。由圖9可知，隨著電壓的增加，碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡所能維持的最高發(fā)熱溫度升高，且初始的升溫速率也相應升高，說明“#”型碳纖維網(wǎng)絡的升溫速率與最高發(fā)熱溫度及電壓呈正相關。

圖9 “#”型碳纖維網(wǎng)絡相同單位網(wǎng)格參數(shù)不同電壓的溫度變化Fig.9 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.4 “∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱性能對比

在外接電壓為8 V、單位網(wǎng)格參數(shù)為6 cm的條件下，比較“∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡的溫度變化情況，結果如圖10所示。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，相同電壓、相同單位網(wǎng)格參數(shù)下，“#”型碳纖維結構的發(fā)熱效果更好。圖10中，“#”型比“∞”型碳纖維網(wǎng)絡所能達到的最高溫度高，即在交叉點處，“#”型比“∞”型碳纖維網(wǎng)絡的最高溫度高。這是因為熱成像儀所測的最高溫度就是交叉點溫度，就單一碳纖維而言，“∞”型比“#”型實際參與發(fā)熱的碳纖維長度更長，所含電阻更大，實際經(jīng)過一根碳纖維的電流更小。無論是哪種碳纖維網(wǎng)絡，其交叉點處均為兩根碳纖維交疊而成，故“#”型比“∞”型在交叉點處的電流大，根據(jù)焦耳定理Q=I2Rt，“#”型碳纖維網(wǎng)絡交叉點處溫度更高，即相同電壓、相同單位網(wǎng)格參數(shù)下，“#”型碳纖維網(wǎng)絡的發(fā)熱溫度更高。

圖10 “∞”型與“#”型碳纖維網(wǎng)絡相同條件下的溫度變化Fig.10 Temperature variations in the "∞" type and "#" type carbon fiber network with the same parameter and the same voltage

2.5 散香實驗

表3為分別使用“∞”型與“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡復合面料的發(fā)熱散香性能。

表3 “∞”型與“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡復合面料的散香情況

由表3可知，在相同電壓條件下，散香速率：1#布>2#布>3#布，由于芳香微膠囊在常溫下散香速率較慢，因此3#布質(zhì)量幾乎沒有變化；而1#布表現(xiàn)出最大的散香量，這是因為“∞”型結構的碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡能在短時間內(nèi)較快達到其最高溫度，這與碳纖維網(wǎng)絡發(fā)熱測試的結果相匹配。測試結果表明，可通過設計碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的結構以及參數(shù)來調(diào)控散香面料的散香速率。

3 結 語

綜上所述，“∞”型和“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡結構均表現(xiàn)出優(yōu)異的快速發(fā)熱性能。隨著單位網(wǎng)格參數(shù)的增加，兩種導電網(wǎng)絡的總電阻逐步上升，所能達到的最高溫度呈下降趨勢；隨著外接電壓的增加，發(fā)熱網(wǎng)絡結構所能達到的最高溫度也隨之增加。在單位網(wǎng)格參數(shù)與外接電壓均相同的條件下，“∞”型碳纖維網(wǎng)絡能以較快的升溫速率達到相對應的最高溫度；“#”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡所能達到最高溫度(69.9 ℃)高于“∞”型碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的最高溫度(55.9 ℃)。

此外，基于碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡制備了自散香的服裝面料。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過改變碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的結構或參數(shù)調(diào)節(jié)其升溫速率以及最高溫度的大小，從而控制溫控散香面料的散香速率。文中實驗旨在為碳纖維發(fā)熱網(wǎng)絡的研究提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。