電發(fā)熱織物在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用

朱國慶，盧業(yè)虎

(1.蘇州市纖維檢驗(yàn)院，江蘇 蘇州 215128；2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；3.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，柔性智能可穿戴紡織品日益成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)娛樂、農(nóng)業(yè)探測、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。其中，柔性智能加熱服裝能夠基于外部環(huán)境或內(nèi)部人體的動(dòng)態(tài)信息變化而靈敏反應(yīng)并主動(dòng)產(chǎn)熱，從而滿足穿著者的不同保暖性能需求，避免嚴(yán)寒對(duì)人體的侵害[1-2]。因此主動(dòng)產(chǎn)熱式智能加熱服裝的研發(fā)具有十分重要的意義。

現(xiàn)階段，主動(dòng)加熱形式主要有太陽能、化學(xué)能、相變材料及電發(fā)熱等。太陽光蓄熱材料制備的發(fā)熱紡織品安全穩(wěn)定，綠色環(huán)保[3]，但由于受太陽光強(qiáng)度制約、光電轉(zhuǎn)換率低，較難達(dá)到理想的升溫效果[4]。利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量實(shí)現(xiàn)保暖的發(fā)熱紡織品雖然具有升溫速度快，成本低和方法簡易的優(yōu)勢(shì)，但由于反應(yīng)溫度難以控制，化學(xué)反應(yīng)不可逆無法重復(fù)使用，以及發(fā)熱不持久等問題，限制了該產(chǎn)品的應(yīng)用市場。相變發(fā)熱紡織品雖然過程易控，但只能在限定的溫度范圍內(nèi)吸熱、放熱，因此限制了其應(yīng)用范圍。由上所述，太陽能、化學(xué)能、相變材料均存在著不可避免的缺陷，難以滿足長時(shí)間低溫環(huán)境戶外作業(yè)的保暖需求。電發(fā)熱材料是指在一定的通電電壓下能夠發(fā)生焦耳效應(yīng)，將電能高效轉(zhuǎn)變成熱能的材料，制得的電發(fā)熱紡織品因能夠精確控制溫度、可調(diào)節(jié)溫域廣和調(diào)溫速度快而具有更為廣闊的應(yīng)用前景[5]。

1 電發(fā)熱織物概述

1.1 電發(fā)熱織物的組成和工作原理

電發(fā)熱紡織品的組成主要包括基體材料、電熱層材料(導(dǎo)電導(dǎo)熱材料、輔助材料)及外接導(dǎo)電材料(電極片、導(dǎo)線)3部分。其中，作為電發(fā)熱紡織品主體部分的電發(fā)熱材料，對(duì)織物的發(fā)熱性能起決定性作用[6]。電發(fā)熱材料具有一定的導(dǎo)電性，且能將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射放出熱量[7-8]，實(shí)現(xiàn)加熱供暖。

1.2 電發(fā)熱織物的設(shè)計(jì)原則

(1)加熱穩(wěn)定性

電發(fā)熱織物的發(fā)熱材料應(yīng)提供均勻恒定的發(fā)熱功率，做到溫度可控、性能穩(wěn)定。織物應(yīng)能承受使用中拉、折、壓等負(fù)荷作用下的變形，頻繁的冷-熱循環(huán)、長期通電狀態(tài)導(dǎo)致的材料疲勞等。

(2)溫度均勻性

電發(fā)熱紡織品應(yīng)保證織物發(fā)熱各處溫度均勻一致，避免嚴(yán)重的溫度差異導(dǎo)致局部燒穿，甚至引發(fā)危險(xiǎn)。而影響其溫度均勻性的因素主要包括發(fā)熱面積、涂層種類、織物厚度和紗線纖度等。

(3)服用安全性

電發(fā)熱智能可穿戴紡織品為保證人體安全，電源通常使用12 V以下的直流電壓[9]。且織物最大的表面溫度不應(yīng)該對(duì)人體有危險(xiǎn)，要避免加熱部分與皮膚直接接觸。另外，電發(fā)熱織物應(yīng)耐高溫、阻燃，可通過設(shè)置電路故障時(shí)自動(dòng)斷開電源的電路保護(hù)裝置[10]，以保證在使用時(shí)溫度較高或使用時(shí)間較久，電發(fā)熱織物仍不會(huì)發(fā)生自燃等危害，保護(hù)人體安全。

(4)織物舒適性

由于電發(fā)熱織物的原料和制備工藝不同，電發(fā)熱織物的舒適性有所差異。因此，電熱織物在選擇原料和織物的制備工藝時(shí)需要著重考慮[11]，力求使織物在具有較好的熱濕舒適性的同時(shí)，又富有柔性、彈性和靈活度。

(5)節(jié)能環(huán)保性

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，設(shè)計(jì)電發(fā)熱織物時(shí)需考慮低成本和綠色環(huán)保性，可回收利用和可降解性，發(fā)熱源盡可能采用清潔能源，提高織物的電發(fā)熱轉(zhuǎn)換效率，提高同等條件下的發(fā)熱效率。

2 電發(fā)熱織物的研究現(xiàn)狀

按導(dǎo)電纖維的種類，目前的電發(fā)熱織物的分類主要包括：金屬類電發(fā)熱織物、碳系電發(fā)熱織物、高聚物電發(fā)熱織物。

2.1 金屬類電發(fā)熱織物

(1)金屬類電發(fā)熱材料的種類

金屬類電發(fā)熱材料的種類主要包括混紡普通紗線和金屬電阻絲形成導(dǎo)電織物以及纖維外鍍金屬涂層編織形成導(dǎo)電織物,即金屬類混紡電發(fā)熱材料和鍍金屬類電發(fā)熱材料[12]。

(2)金屬類電發(fā)熱紡織品制備工藝

金屬纖維與衣用纖維混紡構(gòu)成電發(fā)熱織物，織造方法主要分為以下3種：(1)機(jī)織法，機(jī)織法需要選擇長絲、紗線類柔性好、拉伸強(qiáng)度高且耐磨性能優(yōu)的電熱元件，如金屬導(dǎo)電紗線，所得織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使用時(shí)形變??；(2)針織法，針織法可根據(jù)平針、羅紋、雙羅紋等針織方法進(jìn)一步改善織物的電發(fā)熱溫度的均勻性[13]，相比機(jī)織物，針織紡織品的服用性能較好，柔軟、透氣且舒適，但因易形變的線圈結(jié)構(gòu)，織物的發(fā)熱穩(wěn)定性較難控制[14]；(3)刺繡法，刺繡法相對(duì)于針織法和機(jī)織法更靈活多變，可精確控制紗線的長度和間隔，可根據(jù)需要改變電熱元件的電路排布，可任意縫在不同的織物基底上，更為方便地調(diào)整織物的電阻，并且制備工藝簡單，節(jié)省導(dǎo)電紗線，制作成本較低。金屬混紡類和鍍金屬類紗線均可通過刺繡法形成電發(fā)熱織物。

2.2 碳系電發(fā)熱織物

(1)碳系電發(fā)熱材料的種類

碳系電發(fā)熱材料包括碳纖維、石墨烯、碳納米管等電發(fā)熱材料[15]，現(xiàn)今最常見使用的是碳纖維電發(fā)熱材料，但因石墨烯和納米碳管制備的電發(fā)熱織物更具優(yōu)異的光電力學(xué)性能[16]，仍在不斷探索中。

(2)碳系電發(fā)熱紡織品制備工藝

除了碳纖維長絲適合機(jī)織法制備電發(fā)熱織物外，大多碳系電發(fā)熱紡織品的制備工藝可按照氧化法和非氧化法劃分，氣相、液相氧化法以及等離子體氧化法均是氧化法；以浸漬涂層法、共聚接枝法等為代表的是非氧化法[17]。其中以浸漬涂覆法[18]為代表的表面處理法為主要制備工藝[19]，該法工藝流程簡單，基布種類要求低，且生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)。若是導(dǎo)電涂層均勻包覆則電發(fā)熱性優(yōu)良，但因沉淀通常難以均勻地分散、在使用過程中反復(fù)摩擦脫落，使得導(dǎo)電性能不穩(wěn)定，缺乏耐久性[20]。此外，所需設(shè)備和能源成本也較高。

2.3 高聚物電發(fā)熱織物

(1)高聚物電發(fā)熱材料的種類

聚乙炔導(dǎo)電材料的成功研制開啟了“高分子材料導(dǎo)電”的大門，并通過摻雜共軛聚合物制備各種不同導(dǎo)電性能的聚合物[21-22]。其中，3大導(dǎo)電聚合物分別是聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺。

(2)高聚物電發(fā)熱紡織品制備工藝

可通過原位聚合、電化學(xué)和浸漬[23]等方法在纖維表面涂層，制備導(dǎo)電高聚物電發(fā)熱織物[24]。如基體為熱塑性樹脂的電發(fā)熱材料通常采用熔融法制備，此法的優(yōu)點(diǎn)是可利用熔融的高聚物本身的高黏性，使得填料分散[25-26]；溶劑溶解法因制備工藝較簡單，能耗較低，應(yīng)用較為廣泛。但導(dǎo)電填料易團(tuán)聚，易使發(fā)熱不均勻[27]。目前采用主要方法是原位聚合法，原位聚合法不同于涂覆法的導(dǎo)電涂料僅附著織物表面，而是進(jìn)入織物內(nèi)部。雖然該類制備工藝對(duì)基布的種類限制少，但是工藝相對(duì)復(fù)雜。

3 電發(fā)熱織物的比較

基于電發(fā)熱織物的研究現(xiàn)狀，不同電發(fā)熱材料、織物在應(yīng)用和研發(fā)上存在的優(yōu)缺點(diǎn)，及其在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用概況，詳見表1。

表1 電發(fā)熱紡織品的纖維材料、制備方式和基本性能

4 電發(fā)熱材料在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用展望

4.1 柔性可穿戴領(lǐng)域?qū)щ姴牧系脑O(shè)計(jì)要求

在柔性可穿戴領(lǐng)域，導(dǎo)電纖維是基礎(chǔ)性的關(guān)鍵材料，可應(yīng)用在各種傳感器、電容器、驅(qū)動(dòng)器等柔性電子器件的開發(fā)和集成上，因其結(jié)構(gòu)可變化性、組合可設(shè)計(jì)性等特性，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

制備紡織基柔性力學(xué)傳感器的導(dǎo)電纖維不僅要具備作為電子器件的優(yōu)良導(dǎo)電性、高度靈敏性、穩(wěn)定信號(hào)傳輸性以及使用耐久性等，還需要符合作為柔性可穿戴紡織品材料的高彈性及回復(fù)性、舒適性，并盡可能滿足尺寸微型化、器件輕量化等要求。

4.2 柔性可穿戴領(lǐng)域電發(fā)熱材料的迭代發(fā)展

現(xiàn)存的金屬基、碳系、高聚物材料制備的電發(fā)熱織物具有諸多局限性，已逐漸無法滿足市場需求。因此隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合型電發(fā)熱織物應(yīng)運(yùn)而生?？筛鶕?jù)需求將不同種的導(dǎo)電材料(金屬基材料、碳系材料、導(dǎo)電高聚物材料等)進(jìn)行復(fù)合，通過優(yōu)化纖維結(jié)構(gòu)和制備方法，使得制備的復(fù)合型電發(fā)熱紡織品具備優(yōu)異電性能，同時(shí)保證柔韌性，從而解決傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維制備織物困難的問題?？梢灶A(yù)見，未來復(fù)合型電發(fā)熱材料將在柔性可穿戴領(lǐng)域的制備材料中成為中流砥柱，并將不斷迭代升級(jí)。

4.3 柔性可穿戴領(lǐng)域電發(fā)熱材料的前景展望

雖然現(xiàn)階段柔性可穿戴智能電子產(chǎn)品仍處早期探索階段，但未來必將著重開發(fā)高性能的導(dǎo)電纖維，改進(jìn)不同的電極材料或創(chuàng)新制備工藝，研究電發(fā)熱材料和其他柔性纖維的組合，制備更優(yōu)性能的復(fù)合型柔性可穿戴紡織品，實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短。改進(jìn)傳統(tǒng)的導(dǎo)電纖維并與人們?nèi)粘７b服飾集成，推進(jìn)研發(fā)復(fù)合型電子集成產(chǎn)品，助力柔性電子織物發(fā)展。作為一種功能性的導(dǎo)電纖維，因其制得的紡織品成本低廉、輕薄透氣、柔軟可穿戴和變形易回復(fù)等優(yōu)勢(shì)，必將在柔性可穿戴智能紡織品領(lǐng)域大放光彩。