电热织物的研究现状及展望

陈 安 刘 茜

（上海工程技术大学，上海，201620）

近年来，随着科学技术的发展和人们对服装观念的转变，服装的舒适性、功能性和安全性日益受到重视。在严寒时期，边防战士、军警、野外勘察员等户外工作者面临着较低的温度。传统的冬季服装虽能够阻止热量流失，起到保暖作用，但是臃肿厚重，保暖效果不好，属于消极式保暖。智能发热服装是指能够通过新型技术收集处理人体或环境的温度信息，并做出相应指令和调控服装温度的新型智能服装。智能发热服装能够主动产生热量，通常由电热织物、电源、导线、集成电路等零部件组合制备而成，可以很好地为人体提供必需的热量，属于积极式保暖。在智能发热服装中，电热织物是最主要的组成部件，因此电热织物的研究与开发在一定程度上决定了智能发热服装的研究与发展。

本文介绍目前常见的几类电热织物所使用的电热元件，并从物理结构、基本性能、研究现状等方面对其进行了分析，概括了目前最主要的5种电热织物制备方法，展望了电热织物未来的发展趋势。

1 电热元件类别

电热元件是指能够将电能转换为热能的材料，其性能直接影响电热织物的电热性能和发热效果。目前应用于电热织物的电热元件可归纳为3 类，即碳基导电材料、金属导电纱线和导电聚合物材料。

1.1 碳基导电材料

1.1.1 碳纤维长丝

碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料，其导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，具有良好的导电导热性能。碳纤维导电机理取决于非定域π 电子；随π 电子的增多，取向度提高，导电面积增大，电阻率降低，导电性能变好［1］。碳纤维拉伸强度高，但是剪切强度低，因此在制备电热织物时需要选择适合碳纤维的织造工艺，并进行复杂的应力计算，以免出现剪切断裂。

1.1.2 碳纳米管

碳纳米管是一种六边形排列的碳原子多层同轴圆管新型材料。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，因此具有优异的电学性能。碳纳米管电导率在1 000 S/cm～2 000 S/cm，可通过电流密度高达106A/cm。碳纳米管具有热导率高和长径比大的特点，因而其轴向的热交换性能很高，径向的热交换性能较低。通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性的高热传导材料［2］。ARBAB Alivra Ayoub 等以多臂碳纳米管为基材，利用阳离子化血清蛋白制备了一种由球蛋白⁃血清⁃牛白蛋白合成的多臂碳纳米管，可将其制成碳纳米管浓缩物；这种浓缩物可以印刷在机织物、非织造布、PET 片材上［3］。

1.1.3 石墨烯

石墨烯是一种由碳原子以SP2 杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料［4］。石墨烯具有优异的电学和热学性能，目前在电热织物、传感器、柔性显示屏等领域得到了广泛的应用。有研究表明：石墨烯电热膜具有低电阻和高热传导率的特点［5］。石墨烯虽然具有优异的电学和热学性能，但是由于石墨中含有孔状结构，使得石墨烯较脆，且在空气中易被氧化形成氧化石墨烯。丰富含氧官能团的引入，使得氧化石墨烯的电学、力学和光学性能大大降低［6］。

1.2 金属导电纱线

1.2.1 镀银纱线

镀银纱线是将银离子通过电镀、化学镀或真空镀的方法镀在普通纱线或长丝上所得到的导电纱线。银离子可以在纱线或长丝表面附着形成银离子层。研究表明：当镀银锦纶长丝每平方米表面附着的银离子含量为15%/m2时，其单位长度电阻为4 Ω/cm～10 Ω/cm。但拉伸会破坏银离子层的连续性，从而影响镀银纱线的导电性能。杜西超等研究表明：当镀银锦纶长丝线密度小于7.77 tex 时，在基体锦纶长丝断裂前，表面银离子层受拉伸先断裂，导致纱线失去导电性能［7］。

由于镀银纱线的独特结构，使其保留了和普通纱线一样的可纺性。因此，镀银纱线可以通过机织、针织、刺绣等方法与普通纺织品结合制成电热织物。镀银纱线除了具有较好的导电性能外，还具有防静电、防辐射和抗菌等功能。

1.2.2 不锈钢纱线

不锈钢纤维作为一种新型纺织原料，具有较好的传热性、导电性、可纺性和耐磨等性能，适用于电热织物的开发。根据不锈钢纤维直径的不同，可以开发出不同类型的不锈钢纱线。直径为6 μm～12 μm 的不锈钢短纤能与棉、毛、涤纶等纤维混纺制成不锈钢混纺纱。直径为15 μ m～50 μm 的不锈钢长丝可与普通纤维在细纱工序复合成纱。例如：王建明等通过转杯纺制备了36.4 tex 不锈钢长丝［8］；段亚峰等在花式捻线机上，使用不锈钢长丝、涤纶丝和棉纤维开发了多种花式纱［9］。

相比于不锈钢混纺纱，不锈钢长丝复合纱的制备流程较短，纱线不匀率较低，加工简单，具有更少的毛羽和更好的耐磨性，适合机织法制备电热织物［10］。

1.2.3 金属铜丝

铜丝具有良好的导电和导热性能，价格低廉，已被逐渐作为电热织物的电热元件。柏妍妍选用半径为0.1 mm 的紫铜丝作为电热元件，设计串联电路，将紫铜丝和非织造衬通过热压黏合制成电热织物，测试结果表明：该电热织物的导线间距越小，表面平衡温度越高，温差越小，发热更均匀，表现出较好的电热温升性能［11］。

铜丝虽然具有良好的导电和导热性能，但是根据电热织物的规格不同，所用的纱线的线密度也千变万化。一般对细铜丝的直径有较高的要求。此外，铜丝的柔性不好，不适合用机织法和针织法制备电热织物。

1.3 导电聚合物材料

聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺被称为三大导电聚合物，都具有良好的导电性能，在电热织物领域中应用较为广泛。导电聚合物一般是由单体在织物表面发生聚合反应，形成聚合物附着于织物表面制成电热织物。

1.3.1 聚吡咯

吡咯单体是C，N 五元杂环分子，常温下呈无色油状液体，微溶于水，无毒。聚吡咯是吡咯单体通过聚合所形成的一种导电性良好的聚合物，聚吡咯的电导率可达到102S/cm，且空气稳定性好。ACQUA L D 等分别采用气相法和液相法将聚吡咯包在棉、粘胶、莱赛尔等纤维素纤维中制备了导电纺织品，研究发现：聚吡咯在液相纤维中完全渗透，而在气相纤维中只部分渗透［12］。

1.3.2 聚噻吩

聚噻吩是一种常见的导电聚合物，导电性能好，价格昂贵。聚3，4⁃乙烯二氧噻吩是一种聚噻吩类本征导电聚合物材料，经聚对苯乙烯磺酸钠盐掺杂后获得稳定的聚（3，4⁃乙烯二氧噻吩）⁃聚苯乙烯磺酸悬浮液［13］。WU Chiehhan 等将聚（3，4⁃乙烯二氧噻吩）⁃聚苯乙烯磺酸与聚（苯乙烯⁃丙烯酸正丁酯）导电复合物通过旋转涂覆和浸泡涂覆的方法附着到PET 非织造布上，做成了柔性导电复合膜，测得聚（3，4⁃乙烯二氧噻吩）⁃聚苯乙烯磺酸质量分数为10%时电导率高达88 S/cm［14］。

1.3.3 聚苯胺

聚苯胺具有特殊的电学性能，经掺杂后具有导电性能，可制得各种特殊功能的设备和材料，如电极材料、电磁屏蔽材料和电热织物等。张洪锋等采用原位吸附聚合法，以苯胺为单体，过硫酸铵为氧化剂，制备了防静电聚苯胺改性羊毛纤维［15］。柯贵珍等以棉织物为基布，苯胺为单体，过硫酸铵为氧化剂，盐酸为掺杂剂，通过原位聚合方式制备了聚苯胺复合棉织物［16］。

2 电热织物成形方法

目前电热织物的成形方法有多种，使用较多的有机织法、针织法、刺绣法、涂覆法、原位聚合法等。以下对每种成形方法的工艺及研究现状进行阐述。

2.1 机织法

机织法是在织机上将电热元件与普通纱线按一定规律交织。需要选择长丝、纱线类的电热元件，并且对电热元件的拉伸强度和耐磨性能有一定的要求。金属导电纱线、碳纤维长丝适合机织法制备电热织物。

LIU Hao 等选择镀银纱线作为电热元件，通过机织法制备了柔性电热织物，研究了织物的额定功率与最高温度之间的定量关系，以及功率与平衡温度之间的定量关系，结果表明：额定功率与最高温度之间、功率与平衡温度之间有很强的正 线 性 关 系［17］。OZAN Kayacan 选 用 不 锈 钢 长丝，采用机织法制备了不同规格的单层和多层电热织物，测试发现：不同层数的织物具有不同的电阻值，因而具有不同的加热温度［18］。李雅芳采用机织方法制备了镀银纱线电热织物，测试结果表明：5 V 电压下，该电热织物平衡温度能达到60 ℃以上［19］。吴为民采用高强低伸纱线作为经纱和纬纱，纬向等距离引入碳纤维与经纱交织制得电热织物，对其施加电压后，织物能在短时间内导电发热［20］。

将电热元件作为经纱或纬纱织入织物中会因为普通纱线和金属导电纱线、碳纤维长丝的织缩率不同，导致布面不平整。若将电热元件以衬垫纱的方式织入织物中，则可以提高织物平整度。

2.2 针织法

针织法是将普通纱线和导电纱线通过线圈的形式相互串套的织造方法。导电纱线在织物中可以作为线圈横列，也可以作为衬垫纱添入织物中。与机织法相比，针织法所制备的电热织物具有更好的柔软性和透气性。

陈莉等将镀银长丝加入针织物中制备了不同组织的电热织物，并对其电热性能进行对比分析，结果表明：添纱组织和双罗纹组织制备的电热 织 物 加 热 效 果 较 好［21⁃22］。SYED Talha Ali Hamdani 等研究了针织电热织物的结合点接触压力对加热性能的影响，对拉伸后织物的温度分布进行了观察，发现针织电热织物的结合点有一个最小的接触阈值力，一旦达到这个力，再拉伸织物将不会对热量产生影响［23］。卢俊宇在织物中加入镀银纱线横列制成针织电热织物，对电路连接方式进行了探究，试验证明：针织电热织物以中间四点连接时电阻最小，表面温度分布最均匀［24］。

针织法制备的电热织物中导电纱线易变形，影响其电阻值的大小，从而影响电热织物的发热性能。因此，以针织法制备电热织物时应尽量选用较为紧密的组织结构。此外，针织法还可以制备一体成形的服装，未来可以通过此方法实现一体成形电热服的研发。

2.3 刺绣法

刺绣法是一种将电热元件按照设计好的电路缝入织物中制备电热织物的方法，具有制备工艺简单、电路设计灵活等特点。KARPAGAM K R 等使用镍铬丝，通过刺绣的方式将其缝合在棉织物中制得了电热织物，对织物施加电压后能够快速发热［25］。

刺绣法相对于机织法和针织法而言更为灵活多变，能够将电热元件按照任意并联、串联或更为复杂的电路缝入到不同的织物基底上，而机织法和针织法对电热元件的集成方式控制不如刺绣法，并且会使用较多的导电纱线。

2.4 涂覆法

涂覆法一般是将由碳基导电材料制备的导电涂料通过涂覆、印刷等方式整理到织物表面制成电热织物的方法。KIM Hyelim 等将石墨烯纳米板包覆在棉织物表面，采用镀银纱线作为电极制成电热织物。当对该电热织物施加5 V 电压时，其 表 面 温 度 约 为48 ℃［26］。LAKSHITHA R等通过丝网印刷将导电碳黑墨水整理到织物表面制成电热织物，织物通电加热反应速度快，无明显滞后现象，并且加热效果稳定，通过测试和拟合后发现，织物的施加电压与表面温度呈现非线性相关［27］。FUGETSU Bunshi 等将石墨烯附着在织物表面形成一层石墨烯导电薄层，测得其电阻率在102Ω～1010Ω 之间［28］。

涂覆法制备工艺简单，对基布的种类要求低，在保证涂覆均匀的情况下，织物导电性能良好。但是涂覆法所制备的电热织物经过反复使用摩擦后，织物表面导电涂层易脱落，影响电热性能。

2.5 原位聚合法

原位聚合法是以聚合物导电材料为电热元件制备电热织物的常用方法。将反应性单体与催化剂全部加入织物中，经聚合反应后，聚合物沉积在织物表面制得电热织物。

SUBBANKAR Maity 等通过原位化学聚合法将吡咯附着于织物表面制得电热织物，随着施加电压的升高，织物表面温度呈指数上升，电热织物在低电压范围内呈线性电压⁃电流关系［29］。SYED Talha Ali Hamdani 等以锦纶针织物为基布，通过原位聚合法制备了电热织物，通电不到3 min 时织物表面温度能够达到114 ℃［30］。

原位聚合法和涂覆法类似，对基布的种类没有过多限制，但是制备工艺较为复杂。从织物结构来看，涂覆法是将导电涂料附着在织物表面，很少渗透进入织物内部。而原位聚合法所制备的电热织物，导电材料会进入织物内部。

3 结语

电热织物是一种将电能转化为热能的智能织物，具有制备工艺简单、发热效率高、温度可控等特点。电热织物的主要工作部件为织物中的电热元件，各类电热元件的特性各异，适用的电热织物制备方法也不尽相同，选择适合的电热元件及加工方法是制备电热性能良好的电热织物的关键。目前需要解决的是电热织物与服装的结合，以及电热元件自身的耐水洗性。人体日常活动会产生肢体移动，造成电热元件产生相对位移和接触压力变化，这种变化会影响电热织物的使用效果。因此，在电热织物的结构上还需要做出进一步探索和研究，期望做出舒适性好、产热稳定、耐水洗性好的新型电热织物。随着对电热织物的研究不断深入，其在医疗、储能、防护等方面必将得到广泛应用。