鐵鉻鋁電發(fā)熱織物的功能性研究

劉艷玲 李婷婷 宋 飛 林佳弘 許炳銓

（1.天津工業(yè)大學，天津，300387；2.閩江學院，福建福州，350108）

隨著紡織品智能化的發(fā)展，普通織物難以滿足人們更高的保暖需求，開發(fā)質(zhì)輕且具有電熱保溫功能的服裝非常有必要。近年來，國內(nèi)外對電加熱服裝的研究較多，且有些技術已經(jīng)比較成熟。發(fā)熱元件大多在前胸、前腹、后腰、后背、關節(jié)等人體熱敏感部位［1］。目前電加熱服裝主要通過金屬發(fā)熱材料、電熱膜、碳纖維或石墨烯纖維等對服裝加熱，提高服裝的保暖性能。張猛等研究了以碳纖維為基質(zhì)材料的發(fā)熱織物電熱性能，通過改變碳纖維的排列以及外界的電學條件，觀察發(fā)熱織物的電阻、溫度和發(fā)熱時間等因素的變化情況［2］。許靜嫻等研制了鍍銀紗線電熱針織物，探討了不同組織結構對織物電熱性能的影響［3］。劉志艷等以銀漿作為導電原料，制備了柔性電熱復合織物，設計了串聯(lián)、并聯(lián)兩種電路，分析了兩種電路織物的動態(tài)升降溫過程及發(fā)熱的均勻性，并探究了電熱復合織物的電阻穩(wěn)定性及防水性能［4］。崔志英等研制了石墨烯電加熱服裝，測試了石墨烯電加熱服裝的電熱性能，并通過暖體假人對服裝的保暖性能進行模擬測試［5］。此外，QIU Kaili等提出了一種高性能的復合紅外輻射加熱織物，其具有良好的熱穩(wěn)定性、柔韌性、透氣性、導電性和能量轉(zhuǎn)換效率；這種夾芯結構的復合紅外輻射加熱織物可用于開發(fā)智能加熱紡織品和可穿戴加熱服裝［6］。OU Meilian等將部分氧化的液態(tài)金屬涂覆在織物上，制備出具有柔性、可拉伸和可穿戴的導電元件，并將其應用于衣服上［7］。此外，李萍等認為智能電加熱服裝在舒適性、功能性、服用性、安全性等方面均有尚未解決的問題，并指出電加熱服裝未來發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在個性化調(diào)溫、一體化織制、人衣交互、智能電加熱等功能升級方面［8］。

鐵鉻鋁電熱絲不僅具有高電阻率、高強度、高表面負荷、良好的抗氧化性能和較長的使用壽命等特點，而且還具有較好的可紡性，其在電發(fā)熱服裝領域具有良好的應用前景。本研究采用鐵鉻鋁電熱絲作為發(fā)熱元件，通過改變植入密度，織造出不同的電發(fā)熱織物，研究電發(fā)熱織物的電熱轉(zhuǎn)化性能和柔軟性能，并綜合評價不同電發(fā)熱織物的實用價值。

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

試驗材料：鐵鉻鋁電熱絲直徑0.10 mm，電阻率1.5μΩ·m，比熱0.494 J/（g·℃），導熱系數(shù)45.2 k J/（m·h·℃）；中空滌綸細度1.67 dtex，中空率5.6%。

1.2 電發(fā)熱織物的制備

織造前，使用并捻機對20 tex中空滌綸紗進行二合股加捻，增強紗線的強力，避免紗線在使用中斷裂。中空滌綸合股紗捻度32捻/10 cm。樣本制備使用小型梭織機，其幅寬30 cm，整經(jīng)時采用300根中空滌綸合股紗為經(jīng)紗，鐵鉻鋁電熱絲和中空滌綸合股紗為緯紗。兩種緯紗的織造配比分別為1∶3、1∶5、1∶7和1∶9，其對應織物分別記為織物1、織物2、織物3、織物4，織物中相鄰鐵鉻鋁電熱絲的距離分別為0.4 cm、0.7 cm、0.9 cm和1.2 cm。上機經(jīng)密100根/10 cm，由于鐵鉻鋁電熱絲與中空滌綸合股紗細度不同，鐵鉻鋁電熱絲較細，各樣本緯密略有不同，上機緯密90根/10 cm左右，織物組織均為平紋組織。隨著鐵鉻鋁電熱絲植入密度的減少，相鄰電熱絲的間距增大，中空滌綸合股紗根數(shù)逐漸增加。

1.3 測試方法

利用U 3402A型臺式數(shù)字萬用表（廣州匯錦電子科技有限公司）測試各電發(fā)熱織物的電阻。利用FLIR T 530型24°紅外熱像儀（霸州市匯能電力科技有限公司）測試電發(fā)熱織物的表面溫度。按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》測試織物彎曲長度，取織物中間15 cm×1.5 cm的樣本，測試4次取平均值。利用MMT型液態(tài)水分管理測試儀（深圳市新瑪有限科技公司）測試織物液態(tài)水分管理能力。利用YG606l型平板式保溫儀（萊州市電子儀器有限公司）測試織物保溫性能。

2 試驗結果與討論

2.1 電熱絲植入密度對電阻的影響

通過電阻測試可知，織物1~織物4的相鄰電熱絲之間的平均電阻值分別是36.705Ω、48.466Ω、76.558Ω、97.506Ω。由物理知識可知，電阻R=ρL/S。其中，L為物體長度，S為物體橫截面積，比例系數(shù)ρ為物體電阻系數(shù)或電阻率。由此公式計算得出織物1的電阻為33.133Ω，其與織物1測得的電阻值相接近，隨著相鄰電熱絲間距的增大，所測得電阻也逐漸增大。這是因為電熱絲之間的距離增大，兩根電熱絲之間的紗線增多，并且紗線的電阻率比電熱絲的電阻率要大，所以當兩根電熱絲的間距越大，其電阻也就越大。

2.2 電熱絲植入密度對表面溫度影響

采用紅外熱像儀觀察各個電發(fā)熱織物的表面溫度，圖1中呈黃色部分為織物接入電源部分，即發(fā)熱部分，試驗時植入電熱絲的4塊織物接入電源的寬度均為5 cm，未植入電熱絲織物的表面溫度即視為室溫20.40℃。將電熱絲加熱10 s后，織物1~織物4的表面最高溫度分別為29.10℃、28.00℃、26.70℃、25.50℃。結果發(fā)現(xiàn)，相對于純滌綸織物的表面溫度而言，植入電熱絲的織物表面溫度均有所上升，其中織物1表面溫度最高。在各織物的電熱絲兩端加上不同的電壓，電源一般采用12 V以下人體安全直流電壓［9］。經(jīng)測試得出，該織物在其他電壓作用下升溫較慢，而在10 V電壓的作用下，在10 s時溫度可達28℃~30℃。該發(fā)熱織物具有加熱迅速、使用安全、熱效率高等特點。此外，測量各織物左上、右上、中間、左下、右下相隔5 cm的電阻值，織物1~織物4的5次測量平均電阻值分別為2 377.256Ω、2 965.939Ω、3 601.399Ω、4 171.643Ω。再由焦耳定律計算每塊織物在通電10 s時所放出的熱量ΔQ。試驗所用電熱絲熱容Cm為0.494 J/（g·℃），根據(jù)Cm=ΔQ/ΔT，可計算出變化溫度ΔT，進而得到各織物通電加熱到的最高溫度，結果見表1。通過公式計算所得出的數(shù)據(jù)和紅外熱像儀掃描所測的數(shù)據(jù)比較接近，說明通過紅外熱像儀掃描對織物的發(fā)熱性能測試是成功的。

圖1 紅外熱像儀掃描圖像

表1 織物表面溫度數(shù)值計算

2.3 織物剛?cè)嵝詼y試

根據(jù)GB/T 18318.1—2009，采用斜面法測試織物的剛?cè)嵝?。由公式?）計算得出彎曲長度C（cm），由公式（2）計算得出抗彎剛度B（cN·cm）［10］，結果見表2。

式中：l為試樣滑出長度，θ為試樣自由端下垂后和固定點連線與水平面的夾角，一般為45°，G為織物單位面積質(zhì)量（g/㎡），T為織物厚度（mm）。

表2 織物剛?cè)嵝杂嘘P數(shù)據(jù)

從表2可知，4種電發(fā)熱織物的彎曲長度和抗彎剛度隨著電熱絲植入密度的減小而下降，且均高于純滌綸織物的彎曲長度和抗彎剛度?？椢?的彎曲長度和抗彎剛度都最大，純滌綸織物最小。由于織物的抗彎剛度越大越難彎曲，從數(shù)據(jù)可知，電熱絲植入密度越大的織物越難彎曲，電發(fā)熱織物的表面較硬挺。而純滌綸織物具有較好彎曲能力，織物相對柔軟。因此，電熱絲植入密度越大，織物雖有較好的發(fā)熱效率，但硬挺度升高，面料失去柔和舒適手感的同時也失去了實際的使用價值。

2.4 液態(tài)水分管理能力測試

紡織品液態(tài)水分管理性能對衣著舒適度有著重要影響?？椢镆簯B(tài)水分管理能力分為7個級別：防水、拒水、慢速吸收并慢速干燥、快速吸收并慢速干燥、快速吸收并快速干燥、水分穿透及液態(tài)水分管理［11］。各織物液態(tài)水分管理能力見表3。

表3 MMT水分管理測試儀測試指標數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態(tài)水分傳遞法》的規(guī)定，可以得出純滌綸織物具有最大的整體液態(tài)水分管理能力，但從其他指標上看，除面層浸潤時間外，其各項指標均未達到標準要求?？椢?具有最小的整體液態(tài)水分管理能力，說明織物4的水分管理能力差。該織物的面層浸潤、面層吸水速率均處于3級，面層最大浸潤半徑可達到最大值，而面層和里層水分擴散速度都僅達到1級，說明織物4僅具有吸濕性，其水分擴散速度差。織物3的整體液態(tài)水分管理能力值0.378 9，織物面層能在2 s內(nèi)浸潤，面層水分擴散達到3級標準，織物的最大浸潤半徑達到最小值且面層與里層的最大浸潤半徑相同，其余各項指標并不滿足標準要求?？椢?的整體液態(tài)水分管理能力值0.400 4，除面層可在短時間內(nèi)浸潤，其各項指標均未達到標準要求，最大浸潤半徑達到最小值且面層與里層的最大浸潤半徑相同。織物1的整體液態(tài)水分管理能力值0.308 2，其面層浸潤時間和面層水分擴散速度均能達到4級，且面層最大浸潤半徑達到最大值，但其余各項指標均未達到標準要求，說明織物1具有很好的速干性?？椢镏须姛峤z對織物的液態(tài)水傳導性能有一定的影響，且電熱絲的植入密度與織物的液態(tài)水分管理能力不呈正比關系。

2.5 保溫隔熱性能測試

在織物保溫性能測試中，試驗中保護板以及底板在加熱膜的控制下始終保持和試驗板相同的溫度，即35℃，由于試驗板和保護板、底板之間溫度相同，沒有溫差，故無法產(chǎn)生熱傳遞，試驗板的溫度只能夠通過布樣覆蓋的上方傳遞，通過試驗板加熱到恒溫所需要的時間可以得出布樣保溫率和散熱量，以此反映織物的保溫隔熱性能［12］，結果見圖2。由圖2可以知，試驗板放置織物后比空白試驗板散熱量降低了很多，織物的整體保溫效果較好。其中，織物4保溫效果最佳，散熱量最低。相比純滌綸織物，織物4的散熱量要高一點，這是因為織物4中含有電熱絲，其導熱性能較好，而相比其他電熱絲比例的織物，織物4的發(fā)熱性較差，散熱量少。因此，織物1具有良好的發(fā)熱性能，但其保溫效果最差。這是因為織物1中的金屬絲最多，其孔隙較大，滌綸紗線比金屬絲具有更好的保溫性。此外，織物2和織物3整體效果不錯。相比純滌綸織物，隨著電熱絲植入比例的增大，織物保溫率逐漸降低，但散熱量變大。總體而言，織物3具有較好的綜合性能。

圖2 不同織造配比織物的散熱量和保溫率

3 結論

（1）在電熱絲與中空滌綸合股紗織造配比為1∶3時，所織造的電發(fā)熱織物在附加電壓10 V時，其表面溫度達到29.10℃，均高于其他織造配比織物。這是由于電熱絲越密集，電發(fā)熱織物的發(fā)熱效果越好，但同時密集的電熱絲使得電發(fā)熱織物變得硬挺，其舒適度下降。

（2）在電熱絲與中空滌綸合股紗織造配比為1∶9時，電發(fā)熱織物具有良好的保溫效果，其散熱量最低。但該電發(fā)熱織物發(fā)熱性能差，其原因是電熱絲數(shù)量過少，因此電發(fā)熱織物更多體現(xiàn)出纖維的保溫性與柔軟性，而發(fā)熱性能被減弱。

（3）在電熱絲與中空滌綸合股紗織造配比為1∶7時，即織物3具有良好的發(fā)熱性能、保溫性能和可服用性。因此，該織造配比電發(fā)熱織物的綜合性能較理想，其實用價值較高。