李 詩，劉 夙, b，龍海如, b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

電加熱織物是以導(dǎo)電材料制備柔性織物，再對導(dǎo)電柔性織物通電加熱來達(dá)到保暖的效果，它可以結(jié)合多種傳統(tǒng)紡織技術(shù)及導(dǎo)電材料獲得，在人體防護(hù)、保暖服裝、醫(yī)用、智能可穿戴等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。揭示導(dǎo)電織物的電熱性能與織物結(jié)構(gòu)、纖維材料間聯(lián)系可指導(dǎo)電加熱服裝材料設(shè)計(jì)。近年來，導(dǎo)電加熱產(chǎn)品越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。電加熱服作為一種積極保暖服，具有發(fā)熱效果好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1]，國內(nèi)外企業(yè)已開發(fā)多種電加熱服并投放市場[2]。市場上電加熱服的加熱元件主要分為金屬材料、石墨材料、導(dǎo)電高聚物材料和鍍金屬材料4大類[3]，其中，鍍銀紗線相較于其他材料，具有導(dǎo)電性良好和可織性的優(yōu)勢。針織物因其獨(dú)特的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，比機(jī)織物更加柔軟、懸垂性更好。因此，以針織方法制作導(dǎo)電加熱產(chǎn)品是未來的發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)外學(xué)者對緯編針織鍍銀導(dǎo)電針織物的電阻模型、發(fā)熱原料、組織結(jié)構(gòu)、電熱性能測試及評價(jià)等方面有所研究。在電阻模型方面：盧俊宇[4]研究了羅紋組織的電阻網(wǎng)絡(luò)模型，并對比了對角、中間兩點(diǎn)、中間四點(diǎn)等3種電極連接方式的電阻；Hamdani等[5]研究彈性紗與鍍銀紗線隔行織造的平紋組織的電阻模型；Li等[6]研究長度相關(guān)的電阻和接觸電阻，構(gòu)建導(dǎo)電平紋組織的電阻模型。在發(fā)熱原料方面：蔡倩文等[7]使用5種不同導(dǎo)電纖維制備緯編針織柔性織物，發(fā)現(xiàn)鍍銀纖維紗線的針織物較其他原料的織物表現(xiàn)出更大的導(dǎo)電性和強(qiáng)力；另外，李煜天等[8]使用不銹鋼纖維與滌綸混合編織成導(dǎo)電針織物，分析織物的導(dǎo)電靈敏度。在針織組織結(jié)構(gòu)方面：許靜嫻等[9]研究緯平針和雙羅紋組織導(dǎo)電織物的發(fā)熱性能；陳莉等[10]使用襯緯方式制得升溫快速、工作穩(wěn)定的緯編針織物；Hamdani等[11]用不銹鋼絲織造不同結(jié)構(gòu)的針織物，測試其發(fā)熱效率。在電熱性能測試及評價(jià)方面：王金鳳等[12]研究鍍銀導(dǎo)電針織物拉伸時的導(dǎo)電性能，測試了拉伸對電阻的影響；韓曉雪等[13]研究鍍銀導(dǎo)電織物縱向拉伸時的電力學(xué)性能；Kayacan等[14]設(shè)計(jì)制作了一款具有溫度控制系統(tǒng)的針織電加熱服并進(jìn)行評價(jià)；Wang等[15-16]研究電加熱服裝加熱效率的影響因素，并用暖體假人法評價(jià)了電加熱服。

綜上可知，對針織組織結(jié)構(gòu)的研究僅限于簡單針織組織，如平紋組織、羅紋組織和襯緯組織等，尚未有文獻(xiàn)對復(fù)雜的緯編針織提花結(jié)構(gòu)織物的發(fā)熱性能有所研究。提花結(jié)構(gòu)比平紋、羅紋等簡單組織，伸縮性小，織物表面更加平整。因此提出假設(shè)：針織導(dǎo)電提花結(jié)構(gòu)織物在人體穿著過程中產(chǎn)生的形變較小，織物內(nèi)部線圈滑移較小，穿著時不易造成織物電阻變化。因此，本文構(gòu)建緯編針織提花織物的電阻模型，并測試研究其電熱性能，以推進(jìn)智能針織發(fā)熱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 電阻模型的建立

以單面針織兩色提花建立電阻模型，單面提花的背面效果為浮線，將線圈與浮線構(gòu)建幾何模型，以導(dǎo)電紗線成圈數(shù)在織物總線圈數(shù)的百分比(10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%)為變量，探究導(dǎo)電紗線長度與導(dǎo)電織物電阻間的關(guān)系。

1.1 單面針織兩色提花線圈結(jié)構(gòu)

單面針織兩色提花是兩種紗線交替成圈，當(dāng)一種紗線在正面成圈時，其反面是另一種紗線的浮線。圖1為導(dǎo)電紗線成圈數(shù)在織物總線圈數(shù)的占比20%的導(dǎo)電織物，其中，紅色紗線為非導(dǎo)電紗線1，綠色紗線為非導(dǎo)電紗2，橙色紗線為鍍銀紗線，鍍銀紗線隨非導(dǎo)電紗2添紗織造，即鍍銀紗線始終處于非導(dǎo)電紗2底層。鍍銀紗線與非導(dǎo)電紗2的直徑相差數(shù)十倍，因此在織物正面鍍銀紗線不顯露。

圖1 單面針織兩色提花線圈導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Loop diagram of two-color single knitted jacquard conductive fabric structures

假設(shè)：在織造導(dǎo)電提花織物時，鍍銀紗線始終添紗于非導(dǎo)電紗2下方，不同行的導(dǎo)電紗線互不影響，相鄰線圈互不影響，不產(chǎn)生接觸電阻。織物總電阻為每一橫行線圈與浮線總長的導(dǎo)電紗并聯(lián)電阻。

1.2 簡化模型

對于一塊尺寸為10 cm×10 cm、針數(shù)為m、行數(shù)為n的織物，L1為成圈線圈長度，L2為浮線長度，W為導(dǎo)電紗線成圈數(shù)在織物總線圈數(shù)的百分比，則不同導(dǎo)電紗線成圈數(shù)在織物總線圈數(shù)占比下織物的導(dǎo)電紗長度為

LW=mn[WL1+(1-W)L2]，W=10%，20%，…，90%

(1)

推導(dǎo)導(dǎo)電紗長度與W的關(guān)系為

mn(L1-L2)

(2)

式中：tanθ為導(dǎo)電紗線長度與W呈直線的斜率。

1.3 根據(jù)簡化模型建立電阻模型

根據(jù)電學(xué)理論中，導(dǎo)體電阻的計(jì)算式為

(3)

式中：ρ為材料電阻率；L為材料長度；S為材料橫截面積。

(4)

根據(jù)式(4)可推導(dǎo)導(dǎo)電紗線的電阻為

(5)

式中：D為導(dǎo)電紗直徑。

由式(1)結(jié)合式(5)，可以得到導(dǎo)電紗線電阻與成圈數(shù)比例的關(guān)系為

(6)

對于織物電阻而言，假設(shè)最理想狀態(tài)下每一橫行的線圈與浮線為串聯(lián)關(guān)系，而各橫行為并聯(lián)關(guān)系，則各行之間不產(chǎn)生接觸電阻。每一橫行支路電阻為

R支路=m[WRL1+(1-W)RL2]

(7)

(8)

整理式(8)得：

(9)

結(jié)合式(6)和(9)可以發(fā)現(xiàn)，織物電阻與紗線電阻的關(guān)系為

(10)

2 試驗(yàn)部分

2.1 緯編提花導(dǎo)電針織物的制備

2.1.1 原料

導(dǎo)電紗線選用鍍銀紗線(7.78 tex和44.44 tex，7.78 tex鍍銀紗線電阻率為1.89×10-4Ω·cm，青島亨通偉業(yè)公司)，普通紗線選用羊毛紗(41.67 tex，黑色和白色，浙江中鼎紡織有限公司)。

2.1.2 織物

鍍銀導(dǎo)電織物效果如圖2所示，其導(dǎo)電部分分為電極區(qū)和導(dǎo)電區(qū)。電極區(qū)的寬度為1 cm和長度為10 cm，使用44.44 tex鍍銀紗線織造。提花導(dǎo)電區(qū)的尺寸為10 cm×10 cm，橫密為65縱行/10 cm，縱密為78橫列/10 cm，以黑白兩色羊毛紗與7.78 tex鍍銀紗線提花織造導(dǎo)電區(qū)，其中鍍銀紗線與白色羊毛紗添紗，再與兩個電極區(qū)相嵌完成。廢紗區(qū)使用滌綸紗織造。不同導(dǎo)電紗成圈占比下共織造9種提花花型，如圖3所示，其中，綠色為導(dǎo)電紗，紅色為羊毛紗。為使織物發(fā)熱效果均勻，在設(shè)計(jì)提花花型時盡量保證導(dǎo)電紗均勻分布。所有織物采用德國STOLLADF 530-32W E7.2型電腦橫機(jī)織造。

圖2 鍍銀導(dǎo)電織物效果圖Fig.2 Effect image of the conductive fabric knitted by silver-plated yarns

2.2 測試方法

2.2.1 鍍銀導(dǎo)電紗線的電阻測試

為研究織物中導(dǎo)電紗長度與織物面電阻的關(guān)系，需要先測試單根鍍銀紗線的電阻。參照J(rèn)B/T 9283—1999《萬用電表》，取一張潔凈的A4紙，在紙上畫出直線，標(biāo)出20 cm線段，每1 cm標(biāo)注1次，將鍍銀紗線用絕緣膠帶平行貼于標(biāo)注線段旁，使用Agilent數(shù)字萬用表測量鍍銀紗線電阻，當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定時記錄數(shù)據(jù)。在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下進(jìn)行測試，取同一水平的3根鍍銀紗線分別測試，結(jié)果取平均值。

2.2.2 緯編提花導(dǎo)電針織物的面電阻測試

織物面電阻測試示意圖如圖4所示，在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下，使用Keithley數(shù)字萬用表連接電腦與織物，配合Keithley專用軟件KickStart，記錄每秒鐘電阻的數(shù)值。為使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，將接觸面為1 cm×10 cm的銅塊與織物電極區(qū)完全貼合。分別測試導(dǎo)電織物1和60 min內(nèi)的織物電阻，記錄最后一秒的測量值。

圖4 織物面電阻測試Fig.4 Illustration of measurement for fabric resistances

2.2.3 緯編提花導(dǎo)電針織物拉伸狀態(tài)的電阻測試

針織服裝在穿著過程中由于人體的運(yùn)動會產(chǎn)生形變，因此研究電加熱服在人體穿著過程中的電熱性能需要測試鍍銀織物在拉伸狀態(tài)下的面電阻。在2.2.2節(jié)織物面電阻測試的基礎(chǔ)上，將織物置于自制的電阻測試夾具上，給織物分別施加1、2、5、10 N的橫向拉力，測試其在1.2 V直流電壓下1 min時的電阻并記錄拉伸長度。

2.2.4 緯編提花導(dǎo)電針織物的溫度測試

為研究導(dǎo)電織物的電熱性能，依據(jù)GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗(yàn)方法》，在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下，結(jié)合2.2.2節(jié)，將織物放在試樣架上，使用FOTRIC 688型熱像儀拍攝織物加熱過程，測溫距離為50 cm，將熱像儀固定在支架上，配合AnalyzIR軟件可在電腦上看到熱像儀視場，調(diào)整織物位置使之處于熱像儀視場中央。給織物施加2.4 V的直流電壓，在織物通電升溫的同時，記錄下織物的初始溫度，每隔1 min采集1次溫度，共記錄1 h內(nèi)的織物溫度變化。

同時利用KickStart軟件記錄織物在1 h內(nèi)的電阻值，測試結(jié)果以電阻變化率φ[17]表示，如式(11)所示。

(11)

式中：R0為初始電阻；RW為工作態(tài)電阻。

3 結(jié)果和討論

3.1 鍍銀導(dǎo)電紗線的電阻

鍍銀紗線的電阻測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著鍍銀紗線長度的增大，其電阻值也增大，且電阻與長度呈線性關(guān)系。對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以得到長度(L)與電阻(R)的關(guān)系為R=6.166 1L,相關(guān)系數(shù)r2=0.968 5。

圖5 鍍銀紗線的長度與電阻關(guān)系Fig.5 Relationship between length and resistance of silver-plated yarns

3.2 緯編提花導(dǎo)電針織物的面電阻

當(dāng)測試時間為1 min時，緯編提花導(dǎo)電針織物的面電阻隨導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的變化如圖6所示。由圖6可知，隨著成圈數(shù)占比的增大，織物面電阻也增大，且電阻與成圈數(shù)占比呈線性關(guān)系。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，電阻(R)與成圈數(shù)占比(W)擬合曲線的關(guān)系式為R=1.372 9W+1.063 1，相關(guān)系數(shù)r2=0.975 6。

圖6 織物面電阻隨導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的變化Fig.6 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches

導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比為10%的導(dǎo)電織物在60 min內(nèi)的電阻變化如圖7所示。由圖7可知，織物在60 min內(nèi)電阻穩(wěn)定下降。電阻初始值為1.200 1 Ω，在60 min時達(dá)到最小值為1.197 3 Ω，電阻在60 min內(nèi)降幅為0.23%，下降幅度小且電阻值穩(wěn)定。因此為便捷測試，將測量1 min時的面電阻用于衡量織物電阻，不影響試驗(yàn)效果。

圖7 導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比為10%的導(dǎo)電織物 60 min內(nèi)的電阻變化Fig.7 The change of resistance within 60 min of conductive fabric in which the proportion of conductive stitches is 10%

3.3 緯編提花導(dǎo)電針織物拉伸狀態(tài)的電阻

緯編提花導(dǎo)電織物在0、1、2、5、10 N拉力下的電阻值隨導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的變化如圖8所示。在1、2、5、10 N拉力下織物形變量分別為0.5、0.9、1.9、2.4 cm。

圖8 不同拉力下織物面電阻隨導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的變化Fig.8 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches under different tensile forces

3.4 電阻模型驗(yàn)證

根據(jù)以上試驗(yàn)對1.3節(jié)建立的電阻模型式(8)進(jìn)行驗(yàn)證。

由表1可知，根據(jù)模型得到的電阻理論值與試驗(yàn)得到的織物面電阻絕對誤差不超過0.104 Ω，理論值與試驗(yàn)值最大相對誤差為6.42%?？赡墚a(chǎn)生誤差的原因：(1)試驗(yàn)所使用織物的個體差異；(2)測量時產(chǎn)生的誤差；(3)由環(huán)境引起的隨機(jī)誤差?？椢锩骐娮枥碚撝蹬c試驗(yàn)值吻合程度高，可以用該模型預(yù)測電阻。

表1 不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的織物面電阻理論值與試驗(yàn)值比較

3.5 緯編提花導(dǎo)電針織物的溫度

在室溫施加2.4 V直流電壓時，60 min內(nèi)不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的導(dǎo)電織物溫度隨時間變化如圖9所示。

圖9 不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的導(dǎo)電織物 60 min內(nèi)的溫度變化Fig.9 Temperature variation of different proportions of conductive stitches within 60 min

由圖9可知，織物溫度隨時間延長而逐漸升高。在試驗(yàn)開始的2 min內(nèi)，織物溫度迅速上升，隨后溫度緩慢上升直至達(dá)到平衡。在織物溫度迅速上升的階段，織物產(chǎn)熱速率大于散熱，導(dǎo)致溫度迅速上升；當(dāng)溫度上升至產(chǎn)熱、散熱速率相等時，織物溫度達(dá)到平衡。W為10%～40%的織物平衡溫度依次降低，溫度為52.8～62.9 ℃；W為50%～90%的織物平衡溫度相近，保持在48.8～50.7 ℃。

不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的導(dǎo)電織物60 min內(nèi)的電阻變化率如圖10所示。

圖10 不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的導(dǎo)電織物60 min內(nèi)的 電阻變化率Fig.10 Resistance variance ratio of different proportions of conductive stitches within 60 min

由圖10可知：W為10%～80%的織物在0～1.7 min的電阻變化率快速增大，在1.7 min左右達(dá)到峰值隨后略微下降；W為90%的織物電阻變化率隨時間緩慢增大。在通電過程中，W為10%和30%的織物電阻變化率較大，電阻變化率最大為3.28%；W為20%、40%～70%、90%織物電阻變化率為0.7%～1.5%；W為80%的織物電阻變化率小于0.5%。所有試樣的電阻變化率均較小，其熱穩(wěn)定性好。

W為60%的織物二維和三維紅外圖像如圖11所示。圖11(a)為通電后1、2、5和60 min時的二維紅外圖像，織物中心點(diǎn)溫度分別為35.4、39.3、42.8、48.8 ℃?？椢镌? min時溫度為平衡溫度的72.5%，織物升溫速度快。圖像顏色差異顯示，織物中間區(qū)域溫度高于邊緣，這是由于施加電壓所使用的銅塊溫度遠(yuǎn)低于織物。圖11(b)為織物在60 min時的三維紅外圖像，可以看出織物導(dǎo)電區(qū)域表面各處起伏緩和，溫度差異小，發(fā)熱比較均勻。這是因?yàn)樘峄ńM織的結(jié)構(gòu)緊密平整，鍍銀紗線與羊毛紗線距離近，熱傳導(dǎo)范圍廣，因此提花織物的表面溫度差異小。

4 結(jié) 語

本文使用7.78 tex鍍銀紗線針織成圈數(shù)占比為10%～90%的9塊單面提花織物，并構(gòu)建其電阻模型，該模型可預(yù)測導(dǎo)電織物的電阻值。對鍍銀紗線及導(dǎo)電提花針織物進(jìn)行電阻測試，結(jié)果表明：導(dǎo)電紗的成圈數(shù)占比與織物電阻呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，電阻在60 min內(nèi)降幅為0.23%，電阻值穩(wěn)定。不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的導(dǎo)電織物在0～10 N外加拉力作用下，W為10%～50%的織物在拉力狀態(tài)下電阻較穩(wěn)定，電阻變化率最大為0.92%，W為60%～90%的織物隨拉力的增大而電阻值減小，電阻變化率最大為2.23%，織物面電阻穩(wěn)定性較好；在通電時導(dǎo)電織物溫度逐漸上升，后趨于穩(wěn)定，織物平衡溫度為48.8～62.9 ℃，紅外圖像顯示織物發(fā)熱均勻，電阻變化率最大為3.28%，表明織物熱穩(wěn)定性好。本文構(gòu)建的電阻模型理論計(jì)算值與測試值相吻合，理論值與試驗(yàn)值最大相對誤差為6.42%，兩者吻合程度高，可以用電阻模型預(yù)測不同導(dǎo)電紗成圈數(shù)占比的織物電阻值。此研究可為針織提花電加熱服的開發(fā)提供依據(jù)和方案。