劉艷玲 李婷婷 宋 飛 林佳弘 許炳銓

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387；2.閩江學(xué)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電加熱服裝的研究較多，且有些技術(shù)已經(jīng)比較成熟。發(fā)熱元件大多在前胸、前腹、后腰、后背、關(guān)節(jié)等人體熱敏感部位［1］。目前電加熱服裝主要通過(guò)金屬發(fā)熱材料、電熱膜、碳纖維或石墨烯纖維等對(duì)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(guò)改變碳纖維的排列以及外界的電學(xué)條件，觀察發(fā)熱織物的電阻、溫度和發(fā)熱時(shí)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(jié)構(gòu)對(duì)織物電熱性能的影響［3］。劉志艷等以銀漿作為導(dǎo)電原料，制備了柔性電熱復(fù)合織物，設(shè)計(jì)了串聯(lián)、并聯(lián)兩種電路，分析了兩種電路織物的動(dòng)態(tài)升降溫過(guò)程及發(fā)熱的均勻性，并探究了電熱復(fù)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(cè)試了石墨烯電加熱服裝的電熱性能，并通過(guò)暖體假人對(duì)服裝的保暖性能進(jìn)行模擬測(cè)試［5］。此外，QIU Kaili等提出了一種高性能的復(fù)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(dǎo)電性和能量轉(zhuǎn)換效率；這種夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)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(dǎo)電元件，并將其應(yīng)用于衣服上［7］。此外，李萍等認(rèn)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(wèn)題，并指出電加熱服裝未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在個(gè)性化調(diào)溫、一體化織制、人衣交互、智能電加熱等功能升級(jí)方面［8］。

鐵鉻鋁電熱絲不僅具有高電阻率、高強(qiáng)度、高表面負(fù)荷、良好的抗氧化性能和較長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，而且還具有較好的可紡性，其在電發(fā)熱服裝領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本研究采用鐵鉻鋁電熱絲作為發(fā)熱元件，通過(guò)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(píng)價(jià)不同電發(fā)熱織物的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)45.2 k J/（m·h·℃）；中空滌綸細(xì)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(jī)對(duì)20 tex中空滌綸紗進(jìn)行二合股加捻，增強(qiáng)紗線的強(qiáng)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(jī)，其幅寬30 cm，整經(jīng)時(shí)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(duì)應(yīng)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(jī)經(jīng)密100根/10 cm，由于鐵鉻鋁電熱絲與中空滌綸合股紗細(xì)度不同，鐵鉻鋁電熱絲較細(xì)，各樣本緯密略有不同，上機(jī)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(cè)試方法

利用U 3402A型臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表（廣州匯錦電子科技有限公司）測(cè)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(cè)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(cè)定 第1部分：斜面法》測(cè)試織物彎曲長(zhǎng)度，取織物中間15 cm×1.5 cm的樣本，測(cè)試4次取平均值。利用MMT型液態(tài)水分管理測(cè)試儀（深圳市新瑪有限科技公司）測(cè)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(cè)試織物保溫性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電熱絲植入密度對(duì)電阻的影響

通過(guò)電阻測(cè)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(shí)可知，電阻R=ρL/S。其中，L為物體長(zhǎng)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(jì)算得出織物1的電阻為33.133Ω，其與織物1測(cè)得的電阻值相接近，隨著相鄰電熱絲間距的增大，所測(cè)得電阻也逐漸增大。這是因?yàn)殡姛峤z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(dāng)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(duì)表面溫度影響

采用紅外熱像儀觀察各個(gè)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(yàn)時(shí)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)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(cè)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(shí)溫度可達(dá)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(diǎn)。此外，測(cè)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(cè)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(jì)算每塊織物在通電10 s時(shí)所放出的熱量ΔQ。試驗(yàn)所用電熱絲熱容Cm為0.494 J/（g·℃），根據(jù)Cm=ΔQ/ΔT，可計(jì)算出變化溫度ΔT，進(jìn)而得到各織物通電加熱到的最高溫度，結(jié)果見表1。通過(guò)公式計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)和紅外熱像儀掃描所測(cè)的數(shù)據(jù)比較接近，說(shuō)明通過(guò)紅外熱像儀掃描對(duì)織物的發(fā)熱性能測(cè)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(jì)算

2.3 織物剛?cè)嵝詼y(cè)試

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

式中：l為試樣滑出長(zhǎng)度，θ為試樣自由端下垂后和固定點(diǎn)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(guān)數(shù)據(jù)

從表2可知，4種電發(fā)熱織物的彎曲長(zhǎng)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(zhǎng)度和抗彎剛度?？椢?的彎曲長(zhǎng)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(duì)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(shí)也失去了實(shí)際的使用價(jià)值。

2.4 液態(tài)水分管理能力測(cè)試

紡織品液態(tài)水分管理性能對(duì)衣著舒適度有著重要影響。織物液態(tài)水分管理能力分為7個(gè)級(jí)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(cè)試儀測(cè)試指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分：動(dòng)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(biāo)上看，除面層浸潤(rùn)時(shí)間外，其各項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?？椢?具有最小的整體液態(tài)水分管理能力，說(shuō)明織物4的水分管理能力差。該織物的面層浸潤(rùn)、面層吸水速率均處于3級(jí)，面層最大浸潤(rùn)半徑可達(dá)到最大值，而面層和里層水分?jǐn)U散速度都僅達(dá)到1級(jí)，說(shuō)明織物4僅具有吸濕性，其水分?jǐn)U散速度差?？椢?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(rùn)，面層水分?jǐn)U散達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，織物的最大浸潤(rùn)半徑達(dá)到最小值且面層與里層的最大浸潤(rùn)半徑相同，其余各項(xiàng)指標(biāo)并不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。織物2的整體液態(tài)水分管理能力值0.400 4，除面層可在短時(shí)間內(nèi)浸潤(rùn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，最大浸潤(rùn)半徑達(dá)到最小值且面層與里層的最大浸潤(rùn)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(rùn)時(shí)間和面層水分?jǐn)U散速度均能達(dá)到4級(jí)，且面層最大浸潤(rùn)半徑達(dá)到最大值，但其余各項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明織物1具有很好的速干性?？椢镏须姛峤z對(duì)織物的液態(tài)水傳導(dǎo)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(guān)系。

2.5 保溫隔熱性能測(cè)試

在織物保溫性能測(cè)試中，試驗(yàn)中保護(hù)板以及底板在加熱膜的控制下始終保持和試驗(yàn)板相同的溫度，即35℃，由于試驗(yàn)板和保護(hù)板、底板之間溫度相同，沒(méi)有溫差，故無(wú)法產(chǎn)生熱傳遞，試驗(yàn)板的溫度只能夠通過(guò)布樣覆蓋的上方傳遞，通過(guò)試驗(yàn)板加熱到恒溫所需要的時(shí)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(jié)果見圖2。由圖2可以知，試驗(yàn)板放置織物后比空白試驗(yàn)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(diǎn)，這是因?yàn)榭椢?中含有電熱絲，其導(dǎo)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?yàn)榭椢?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(cuò)。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?？傮w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(jié)論

（1）在電熱絲與中空滌綸合股紗織造配比為1∶3時(shí)，所織造的電發(fā)熱織物在附加電壓10 V時(shí)，其表面溫度達(dá)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(shí)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(shí)，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(guò)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(shí)，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(shí)用價(jià)值較高。