鍍銀導(dǎo)電紗的分布對織物電熱性能的影響

林思伶，李 龍，張悅雯，吳 磊，嚴(yán) 婕，胡錦健

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710048)

0 引 言

導(dǎo)電纖維或織物的研發(fā)是智能紡織服裝發(fā)展的基礎(chǔ),是將智能服裝輕便化、舒適化的重要途徑。與傳統(tǒng)的織物不同,導(dǎo)電織物不僅具有一定的導(dǎo)電性且具有導(dǎo)電金屬材料所沒有的服用性能,可用于防靜電[1]、電加熱[2]、醫(yī)用防護(hù)與監(jiān)測[3]、防電磁輻射等[4]多功能服裝面料設(shè)計中。柔性電加熱材料[5]是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的材料，導(dǎo)電聚合物材料[6]、碳基導(dǎo)電材料[7]、金屬導(dǎo)電紗[8-9]等是目前用于電加熱織物的電加熱元件。生產(chǎn)電加熱織物的方法有多種，有機(jī)織法[10-11]、針織法[12-13]，以及通過原位聚合法[14]、置換還原法[15]、涂覆法[16-17]等方法賦予織物導(dǎo)電性的電加熱織物。柔性電加熱紡織品因其可反復(fù)加熱且加熱溫度可控已成為未來智能紡織品的重點(diǎn)研究方向之一[18]。智能電加熱服裝能為低溫環(huán)境下工作和生活的人們供暖，提高穿著者的熱舒適性[19]。另外，局部的積極保暖還能有效緩解風(fēng)濕性疾病患者的疼痛。因此電加熱織物被廣泛應(yīng)用于個人防護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、網(wǎng)絡(luò)娛樂、電子通訊和運(yùn)動檢測等領(lǐng)域。

目前對電加熱織物的研究主要集中在改善導(dǎo)電紗及導(dǎo)電織物的導(dǎo)電均勻性和提高加熱溫度上[20-21]。為了在實(shí)際應(yīng)用中提高服裝的熱舒適性，避免局部供暖過度的潛在危險，研究其導(dǎo)電性及傳熱規(guī)律具有重要意義。本文以滌綸鍍銀紗為例，用機(jī)織法織制不同組織結(jié)構(gòu)的織物，研究鍍銀導(dǎo)電紗在織物中的分布對織物電熱性的影響，探討不同組織結(jié)構(gòu)織物的導(dǎo)電性及其傳熱規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 滌綸鍍銀紗(70 D/70 f×4)；滌/棉混紡紗(14.06 tex×2)。

1.1.2 儀器 UT39A數(shù)字萬用表(優(yōu)利德科技有限公司)；四探針測試儀RTS-8(廣州四探針測試有限公司)；VHX-5000型超景深三維顯微鏡系統(tǒng)(VHX，基恩施(中國)有限公司); DP310型直流穩(wěn)壓電源(深圳市邁斯泰克電子有限公司)；TIX640熱紅外成像儀(美國FUCKE(福祿克)公司)；SGA598型半自動小樣織機(jī)(江陰市通源紡機(jī)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

首先保持紗線密度、經(jīng)緯紗、織物經(jīng)緯密度等設(shè)計參數(shù)不變，只改變織物組織，并對其性能進(jìn)行表征，得出各組織結(jié)構(gòu)的織物的電熱性能參數(shù)。在織造過程中，以導(dǎo)電紗為緯紗，滌/棉混紡紗為經(jīng)紗。由于單根導(dǎo)電紗電阻較大，且經(jīng)緯紗細(xì)度差異大會改變織物的幾何結(jié)構(gòu)相，影響織物耐磨等服用性能[22]。因此在織造過程中將4根導(dǎo)電紗合股作為緯紗。通過整經(jīng)、穿綜、穿筘等織前準(zhǔn)備，將紋版圖輸入半自動小樣織機(jī)上進(jìn)行織造。選用筘號為70齒/2英寸(70齒/5.08 cm)的鋼筘，采用順穿法，2根紗穿一筘，織制經(jīng)密均為345根/10 cm，緯密均為157根/10 cm的3種不同組織結(jié)構(gòu)的試樣。然后，用VHX-5000型超景深三維顯微鏡系統(tǒng)對3種織物樣品結(jié)構(gòu)表面形貌進(jìn)行觀察。如圖1所示。

(a) 平紋織物

圖1(a)為平紋織物，由于經(jīng)向組織點(diǎn)等于緯向組織點(diǎn)，所以平紋組織為同面組織，其交織點(diǎn)很多，浮長最短，經(jīng)緯紗交織最為緊密，因此，平紋織物的質(zhì)地堅牢、外觀平挺。圖1(b)為一上三下斜紋織物。斜紋織物正反面的斜線方向相反，斜紋組織的經(jīng)緯交織點(diǎn)比平紋少，因此堅牢度較平紋織物差，但斜紋織物的質(zhì)地光滑且柔軟。圖1(c)為五枚三飛緯面緞紋織物。三原組織中緞紋組織是最復(fù)雜的，浮長最長，其交織點(diǎn)較少，組織點(diǎn)間隔距離有規(guī)律且均勻，織物手感柔軟且光澤好。

1.3 性能測試

1.3.1 導(dǎo)電性 采用UT39A數(shù)字萬用表對鍍銀導(dǎo)電紗進(jìn)行電阻測試。其測試環(huán)境為溫度(20±2) ℃，濕度(50±3)%，每種試樣測試10次并記錄其電阻值。

1.3.2 方阻 將待測織物試樣放在RTS-8四探針測試儀上，電流量程設(shè)置為10 μA。每塊織物試樣測試10次并記錄測試結(jié)果。

1.3.3 電熱性能 在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(50±3)%的環(huán)境下，將織物的兩端連接在DP310型直流穩(wěn)壓電源的2根導(dǎo)線夾子上，施加直流電壓，使待測試樣產(chǎn)生熱量，使用TIX640熱紅外成像儀實(shí)時觀察導(dǎo)電織物在不同電壓下，溫度隨時間的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電紗電阻

隨機(jī)選取5根滌綸鍍銀紗，將其兩端固定并放在絕緣板上，用UT39A數(shù)字萬用表分別測試自然狀態(tài)下長度為2、4、6、8、10 cm滌綸鍍銀紗的電阻值，記錄并取其平均值，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 滌綸鍍銀紗長度-電阻關(guān)系

鍍層均勻的導(dǎo)電紗線的電阻應(yīng)隨著紗線長度呈線性增長[23]。從圖2可以看出，滌綸鍍銀紗的電阻隨紗線長度呈線性變化，說明該滌綸鍍銀紗的鍍層均勻。

2.2 導(dǎo)電織物方阻

用織物測試儀測得平紋織物厚度為0.41 mm，斜紋織物厚度為0.45 mm，緞紋織物厚度為0.55 mm?？椢镌胶?，紗線的屈曲程度越小，交織點(diǎn)越少，浮長越長?？椢锓阶铚y試結(jié)果如表1所示。

表 1 導(dǎo)電織物方阻Tab.1 Square resistance of conductive fabrics 單位：(Ω·口-1)

從表1可看出，3種樣品的方阻大小依次為平紋織物>斜紋織物>緞紋織物。由方阻的定義知

R=ρl/(wd)

式中：l為材料長度;w為寬度;d為高度(即材料厚度);ρ為材料電阻率。由于l=w，因此R=ρ/d。方阻的大小與材料的特性和厚度有關(guān)。平紋織物的交織點(diǎn)最多，厚度最小，因此其方阻最大；斜紋織物的厚度比緞紋織物的厚度小，因此其方阻比緞紋織物的方阻??；緞紋織物的交織點(diǎn)最少，厚度最大，因此其方阻最小。

2.3 導(dǎo)電織物的電熱性能

在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(50±3)%的恒溫恒濕環(huán)境下，在導(dǎo)電織物兩端分別施加0.8、1.0、1.5 V的電壓，并進(jìn)行熱紅外成像測試。結(jié)果如圖3所示。

(a) 平紋織物

從圖3可以看出，導(dǎo)電織物的熱紅外成像圖的溫度顏色變化由外到內(nèi)分別是藍(lán)色、綠色、黃色、紅色和白色，表示由低到高的溫度。隨著電壓的增加，導(dǎo)電織物的表面溫度增大。在0.8、1.0、1.5 V電壓下，平紋織物最高溫度分別達(dá)到45.6、54.6、98.9 ℃;斜紋織物最高溫度分別達(dá)到59.5、63、109 ℃;緞紋織物最高溫度分別達(dá)到62.8、76.5、123.2 ℃。

在不同負(fù)載電壓下導(dǎo)電紗織物的溫度隨時間變化如圖4所示。

(a) 平紋織物

從圖4可以看出，導(dǎo)電織物的表面溫度隨著負(fù)載電壓的增加而升高，當(dāng)施加一定電壓時，在50 s內(nèi)溫度迅速上升。加熱過程中施加電壓越低溫度波動越小。當(dāng)關(guān)閉電源時，溫度迅速下降。相同電壓下，緞紋織物的最大平衡溫度最大，平紋織物最??；電壓為0.8 V時，緞紋織物與平紋織物的表面平衡溫度的差值小于電壓為1.5 V時的表面平衡溫度差值。由電熱熱量公式Q=(U2/R)×t可知，電壓越大，發(fā)熱量越大，在電壓和時間一定時，發(fā)熱量與電阻成反比。由于平紋織物的方阻比緞紋織物和斜紋織物的方阻大，在一定的電壓和時間下，平紋織物產(chǎn)生的發(fā)熱量少，表面溫度較低。緞紋織物的方阻最大，在一定的電壓和時間下，緞紋織物產(chǎn)生的發(fā)熱量最大，緞紋織物的表面溫度最高。

3 結(jié) 論

1) 織物電熱性能由滌/棉混紡紗與導(dǎo)電紗的交織點(diǎn)決定，交織點(diǎn)越少，屈曲數(shù)越少，導(dǎo)電紗的浮長越長，織物越厚，其方阻越小。方阻測試結(jié)果為緞紋織物<斜紋織物<平紋織物。

2) 相同條件下，緞紋織物表面平衡溫度最高，斜紋織物次之，平紋織物最低。平紋織物的方阻值最大，織物的導(dǎo)電性能相對較差，故平紋織物表面平衡溫度最低。在實(shí)驗(yàn)電壓范圍內(nèi)，電壓越高，緞紋織物與平紋織物的平衡溫度差值越大。