陳 莉，劉 皓

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300160)

防寒保暖服主要分為積極產(chǎn)熱式保暖服和消極阻熱式保暖服［1］。電熱服屬于積極產(chǎn)熱式保暖服，是將電熱元件織入或以其他方式嵌入到服裝內(nèi)，通過導(dǎo)線連接，利用電池提供電源，從而使服裝發(fā)熱［2］。

對于電熱服的研究，目前還處于初級階段。Scott［3］研究了適合在不同氣候條件下的電熱服。張海洲等［4］采用碳纖維和薄膜式加熱元件，同時研制出一套手部溫度主動加熱裝置，利用電子溫控實現(xiàn)了手部溫度的自動調(diào)節(jié)。吳為民［5］采用高強低伸紗線作為經(jīng)、緯紗，在靠布邊的地方引入金屬絲作為導(dǎo)電電極，緯向等距離地引入碳纖維與經(jīng)紗交織成布，將電極接在低電壓上，供電后能在短時間內(nèi)導(dǎo)電發(fā)熱，形成碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱布。Ozan等［6］采用不銹鋼導(dǎo)電紗線按照交互式電子加熱服裝設(shè)計的要求生產(chǎn)加熱板，通過便攜能量供應(yīng)裝置的作用獲得加熱功能。Liu等［7］將銀絲和鍍銀纖維采用機織的方法間隔地嵌入織物中，并對織物的導(dǎo)電發(fā)熱性能進行測試。盡管對可加熱服裝有了一些研究，但是對于針織結(jié)構(gòu)的可加熱服裝的報道卻很少。文獻［8］報導(dǎo)了對鍍銀長絲針織物的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電發(fā)熱性能研究結(jié)果，認為采用襯緯組織將鍍銀長絲等間距襯入到織物中，不僅能保證織物的發(fā)熱效果，而且能方便地控制織物的電阻。本文將不同根數(shù)的鍍銀長絲和單根不銹鋼長絲織入針織物中，對其電熱性能進行測試與評價。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

原料:鍍銀長絲(9.5 tex，佛山市順德瑞能達特殊塑料貿(mào)易有限公司)，綿羊毛紗(77.4 tex，市售)，不銹鋼長絲(直徑0.1 mm，廈門金綸科技有限公司)。

用綿羊毛紗線編織四平組織，如圖1(a)所示。織物橫密為52行/10 cm，縱密為78列/10 cm;鍍銀長絲和不銹鋼長絲以襯緯的方式［9］間隔地襯入到織物中，調(diào)節(jié)間隔的距離和串、并聯(lián)的方式能夠控制織物電阻，織物的長度和寬度分別為9 cm和8 cm。圖1(b)示出織物中分別襯入單根、2根、3根鍍銀長絲及不銹鋼長絲的排列情況。分別將奇數(shù)位置和偶數(shù)位置導(dǎo)電紗線的頭端與電源的兩極相接，圖1(b)的等效電路圖如圖1(c)所示。假設(shè)R1，R2，…，Rn均相等，則總電阻為R1/n，由此可知設(shè)計織物電阻的關(guān)系式為

式中:R為織物的總電阻;n為織物中導(dǎo)電紗線的根數(shù);l為一根導(dǎo)電紗線的長度;ρ為導(dǎo)電紗線的電阻率;S為導(dǎo)電紗線的橫截面積。

圖1 樣品的制備方式Fig.1 Preparation method of samples.(a)Figure of fabric;(b)Rank of conductive yarn in fabric;(c)Equivalent circuit diagram of fabric

1.2 最大負載電流測試

為防止織物通電后由于功率過大而燒毀導(dǎo)電紗線，影響織物的發(fā)熱效果，對導(dǎo)電紗線的最大負載電流進行測試。室溫下，將導(dǎo)電紗線兩端接到直流電源上，從0.05 A開始逐漸以0.01 A的增幅增加電流，在實驗要求電壓(12 V)范圍內(nèi)，記錄導(dǎo)電紗線燒毀時的電流數(shù)據(jù)作為最大負載電流。

1.3 熱穩(wěn)定性測試

熱穩(wěn)定性是指當織物的表面溫度達到穩(wěn)定時，電熱元件電阻的變化率［10］，數(shù)學(xué)表達式為

式中:φ為電阻變化率;R0為電熱元件的初始電阻;Rr為電熱元件加熱后的電阻。采用TASI-600表面溫度計測試織物表面溫度，電壓和電流采用Agilent34405A型數(shù)字萬用表測試，并運用伏安法計算電阻。

1.4 電熱溫升和發(fā)熱均勻性測試

電熱溫升是指輸入電壓一定時，電熱元件的升溫時間(每隔20 s)和織物表面瞬時溫度的變化情況。溫度測試位置為織物中心，測試儀器采用TASI-600表面溫度計。織物發(fā)熱均勻性采用高德TMTP8紅外熱像儀，測試時儀器距離織物中心的垂直距離為80 cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電紗線的最大負載電流

采用1.2測試方法測得10 cm導(dǎo)電紗線的最大負載電流如表1所示。

表1 導(dǎo)電紗線的最大負載電流Tab.1 Maximum load current of conductive yarn

根據(jù)表1的結(jié)果，設(shè)計低壓發(fā)熱針織物，在規(guī)定的電壓下設(shè)計織物的電阻，參照式(1)，設(shè)計時通過每組導(dǎo)電紗的電流不能超過其對應(yīng)的最大負載電流。

2.2 織物的熱穩(wěn)定性

圖2示出4組樣品的電阻變化率隨溫度變化的曲線。從圖中可看出:隨著穩(wěn)定工作溫度的增加，襯入不銹鋼長絲的織物的電阻變化率明顯增加，33℃時電阻變化率達到18%，而其他3種襯入鍍銀長絲織物的電阻變化率稍有增加，且三者電阻變化的差異并不十分明顯，33℃時電阻變化率約2%;對于3種襯入鍍銀長絲的織物，襯入的根數(shù)越多，電阻變化率變化幅度相對較大，這可能是與紗線內(nèi)部導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的增強有關(guān)［7］。

圖2 4組樣品的電阻變化率與溫度曲線Fig.2 Curves of resistance change rate-temperature of four groups of samples

2.3 織物的電熱升溫特性

圖3示出分別襯入不同導(dǎo)電紗織物的電熱升溫曲線。

圖3 襯入不同導(dǎo)電紗織物的電熱升溫曲線Fig.3 Electric heating temperature rise curves of fabrics inlaid different conductive yarns.(a)Inlaid one silver-plated filaments;(b)Inlaid two silver-plated filaments;(c)Inlaid three silver-plated filaments;(d)Inlaid one stainless steel filament

由圖3可見:1)襯入導(dǎo)電紗線后，織物的電熱升溫曲線單調(diào)遞增。通電初期，織物的溫度隨著通電時間的延長逐漸上升，上升至一定溫度后趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象可能是由于織物的發(fā)熱和散熱特性引起的，通電初期織物的發(fā)熱速率較大，織物的溫度升高，隨著加熱時間的延長，織物的溫度越來越高，此時散熱速率逐漸增大，直至等于發(fā)熱速率，這時織物的電熱效應(yīng)趨于穩(wěn)定;2)輸入電壓越高，溫度升高的速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度越高;3)襯入導(dǎo)電紗線的電阻，不銹鋼長絲＜3根鍍銀長絲＜2根鍍銀長絲＜單根鍍銀長絲，圖中可見織物電阻越小，通電初期溫度升高的速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度也越高且時間較短;4)5 V電壓下，襯入3根鍍銀長絲織物的穩(wěn)定工作溫度為36.7℃，襯入不銹鋼長絲織物的穩(wěn)定工作溫度為37.8℃，人體感覺最合適的溫度是32℃左右［4］，因此織物升高的溫度能夠滿足人體需求。

2.4 織物表面溫度均勻性

織物表面溫度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 織物紅外熱像儀測試結(jié)果Fig.4 Testing results of thermal infrared image.(a)Inlaid one silver-plated filament;(b)Inlaid two silver-plated filament;(c)Inlaid three silver-plated filament;(d)Inlaid one stainless steel filament

由直方圖顯示結(jié)果可知，織物表面溫度分布較均勻，尤其是襯入鍍銀長絲的織物，表面溫度最高與最低相差不超過1℃。

3 結(jié)論

1)對于襯入鍍銀長絲的織物，襯入的鍍銀長絲的根數(shù)越多，織物的電阻越小，通電初期升溫速度越快，達到穩(wěn)定工作的溫度越高;5 V電壓下，采用3根鍍銀長絲襯入的織物其穩(wěn)定工作溫度為36.7℃，說明如用低壓供電，襯入鍍銀長絲的織物升高的溫度能夠滿足人體的需求;襯入鍍銀長絲的織物，通電后隨著工作溫度的升高，電阻變化率較小;織物柔軟，適合貼身穿著。

2)對于襯入不銹鋼長絲的織物，在相同電壓下，穩(wěn)定工作溫度最高;通電后，隨著工作溫度的升高，電阻變化率較大;織物較為剛硬，不適合貼身穿著。

3)采用襯緯方式將導(dǎo)電紗線等間距襯入到織物中，便于控制總電阻和各并聯(lián)電阻，各并聯(lián)電阻相等，使得織物通電后表面溫度發(fā)熱均勻。

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