铁铬铝电发热织物的功能性研究

刘艳玲 李婷婷 宋 飞 林佳弘 许炳铨

（1.天津工业大学，天津，300387；2.闽江学院，福建福州，350108）

随着纺织品智能化的发展，普通织物难以满足人们更高的保暖需求，开发质轻且具有电热保温功能的服装非常有必要。近年来，国内外对电加热服装的研究较多，且有些技术已经比较成熟。发热元件大多在前胸、前腹、后腰、后背、关节等人体热敏感部位［1］。目前电加热服装主要通过金属发热材料、电热膜、碳纤维或石墨烯纤维等对服装加热，提高服装的保暖性能。张猛等研究了以碳纤维为基质材料的发热织物电热性能，通过改变碳纤维的排列以及外界的电学条件，观察发热织物的电阻、温度和发热时间等因素的变化情况［2］。许静娴等研制了镀银纱线电热针织物，探讨了不同组织结构对织物电热性能的影响［3］。刘志艳等以银浆作为导电原料，制备了柔性电热复合织物，设计了串联、并联两种电路，分析了两种电路织物的动态升降温过程及发热的均匀性，并探究了电热复合织物的电阻稳定性及防水性能［4］。崔志英等研制了石墨烯电加热服装，测试了石墨烯电加热服装的电热性能，并通过暖体假人对服装的保暖性能进行模拟测试［5］。此外，QIU Kaili等提出了一种高性能的复合红外辐射加热织物，其具有良好的热稳定性、柔韧性、透气性、导电性和能量转换效率；这种夹芯结构的复合红外辐射加热织物可用于开发智能加热纺织品和可穿戴加热服装［6］。OU Meilian等将部分氧化的液态金属涂覆在织物上，制备出具有柔性、可拉伸和可穿戴的导电元件，并将其应用于衣服上［7］。此外，李萍等认为智能电加热服装在舒适性、功能性、服用性、安全性等方面均有尚未解决的问题，并指出电加热服装未来发展趋势主要表现在个性化调温、一体化织制、人衣交互、智能电加热等功能升级方面［8］。

铁铬铝电热丝不仅具有高电阻率、高强度、高表面负荷、良好的抗氧化性能和较长的使用寿命等特点，而且还具有较好的可纺性，其在电发热服装领域具有良好的应用前景。本研究采用铁铬铝电热丝作为发热元件，通过改变植入密度，织造出不同的电发热织物，研究电发热织物的电热转化性能和柔软性能，并综合评价不同电发热织物的实用价值。

1 试验

1.1 试验材料与设备

试验材料：铁铬铝电热丝直径0.10 mm，电阻率1.5μΩ·m，比热0.494 J/（g·℃），导热系数45.2 k J/（m·h·℃）；中空涤纶细度1.67 dtex，中空率5.6%。

1.2 电发热织物的制备

织造前，使用并捻机对20 tex中空涤纶纱进行二合股加捻，增强纱线的强力，避免纱线在使用中断裂。中空涤纶合股纱捻度32捻/10 cm。样本制备使用小型梭织机，其幅宽30 cm，整经时采用300根中空涤纶合股纱为经纱，铁铬铝电热丝和中空涤纶合股纱为纬纱。两种纬纱的织造配比分别为1∶3、1∶5、1∶7和1∶9，其对应织物分别记为织物1、织物2、织物3、织物4，织物中相邻铁铬铝电热丝的距离分别为0.4 cm、0.7 cm、0.9 cm和1.2 cm。上机经密100根/10 cm，由于铁铬铝电热丝与中空涤纶合股纱细度不同，铁铬铝电热丝较细，各样本纬密略有不同，上机纬密90根/10 cm左右，织物组织均为平纹组织。随着铁铬铝电热丝植入密度的减少，相邻电热丝的间距增大，中空涤纶合股纱根数逐渐增加。

1.3 测试方法

利用U 3402A型台式数字万用表（广州汇锦电子科技有限公司）测试各电发热织物的电阻。利用FLIR T 530型24°红外热像仪（霸州市汇能电力科技有限公司）测试电发热织物的表面温度。按照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》测试织物弯曲长度，取织物中间15 cm×1.5 cm的样本，测试4次取平均值。利用MMT型液态水分管理测试仪（深圳市新玛有限科技公司）测试织物液态水分管理能力。利用YG606l型平板式保温仪（莱州市电子仪器有限公司）测试织物保温性能。

2 试验结果与讨论

2.1 电热丝植入密度对电阻的影响

通过电阻测试可知，织物1~织物4的相邻电热丝之间的平均电阻值分别是36.705Ω、48.466Ω、76.558Ω、97.506Ω。由物理知识可知，电阻R=ρL/S。其中，L为物体长度，S为物体横截面积，比例系数ρ为物体电阻系数或电阻率。由此公式计算得出织物1的电阻为33.133Ω，其与织物1测得的电阻值相接近，随着相邻电热丝间距的增大，所测得电阻也逐渐增大。这是因为电热丝之间的距离增大，两根电热丝之间的纱线增多，并且纱线的电阻率比电热丝的电阻率要大，所以当两根电热丝的间距越大，其电阻也就越大。

2.2 电热丝植入密度对表面温度影响

采用红外热像仪观察各个电发热织物的表面温度，图1中呈黄色部分为织物接入电源部分，即发热部分，试验时植入电热丝的4块织物接入电源的宽度均为5 cm，未植入电热丝织物的表面温度即视为室温20.40℃。将电热丝加热10 s后，织物1~织物4的表面最高温度分别为29.10℃、28.00℃、26.70℃、25.50℃。结果发现，相对于纯涤纶织物的表面温度而言，植入电热丝的织物表面温度均有所上升，其中织物1表面温度最高。在各织物的电热丝两端加上不同的电压，电源一般采用12 V以下人体安全直流电压［9］。经测试得出，该织物在其他电压作用下升温较慢，而在10 V电压的作用下，在10 s时温度可达28℃~30℃。该发热织物具有加热迅速、使用安全、热效率高等特点。此外，测量各织物左上、右上、中间、左下、右下相隔5 cm的电阻值，织物1~织物4的5次测量平均电阻值分别为2 377.256Ω、2 965.939Ω、3 601.399Ω、4 171.643Ω。再由焦耳定律计算每块织物在通电10 s时所放出的热量ΔQ。试验所用电热丝热容Cm为0.494 J/（g·℃），根据Cm=ΔQ/ΔT，可计算出变化温度ΔT，进而得到各织物通电加热到的最高温度，结果见表1。通过公式计算所得出的数据和红外热像仪扫描所测的数据比较接近，说明通过红外热像仪扫描对织物的发热性能测试是成功的。

图1 红外热像仪扫描图像

表1 织物表面温度数值计算

2.3 织物刚柔性测试

根据GB/T 18318.1—2009，采用斜面法测试织物的刚柔性。由公式（1）计算得出弯曲长度C（cm），由公式（2）计算得出抗弯刚度B（cN·cm）［10］，结果见表2。

式中：l为试样滑出长度，θ为试样自由端下垂后和固定点连线与水平面的夹角，一般为45°，G为织物单位面积质量（g/㎡），T为织物厚度（mm）。

表2 织物刚柔性有关数据

从表2可知，4种电发热织物的弯曲长度和抗弯刚度随着电热丝植入密度的减小而下降，且均高于纯涤纶织物的弯曲长度和抗弯刚度。织物1的弯曲长度和抗弯刚度都最大，纯涤纶织物最小。由于织物的抗弯刚度越大越难弯曲，从数据可知，电热丝植入密度越大的织物越难弯曲，电发热织物的表面较硬挺。而纯涤纶织物具有较好弯曲能力，织物相对柔软。因此，电热丝植入密度越大，织物虽有较好的发热效率，但硬挺度升高，面料失去柔和舒适手感的同时也失去了实际的使用价值。

2.4 液态水分管理能力测试

纺织品液态水分管理性能对衣着舒适度有着重要影响。织物液态水分管理能力分为7个级别：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、水分穿透及液态水分管理［11］。各织物液态水分管理能力见表3。

表3 MMT水分管理测试仪测试指标数据

根据GB/T 21655.2—2019《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》的规定，可以得出纯涤纶织物具有最大的整体液态水分管理能力，但从其他指标上看，除面层浸润时间外，其各项指标均未达到标准要求。织物4具有最小的整体液态水分管理能力，说明织物4的水分管理能力差。该织物的面层浸润、面层吸水速率均处于3级，面层最大浸润半径可达到最大值，而面层和里层水分扩散速度都仅达到1级，说明织物4仅具有吸湿性，其水分扩散速度差。织物3的整体液态水分管理能力值0.378 9，织物面层能在2 s内浸润，面层水分扩散达到3级标准，织物的最大浸润半径达到最小值且面层与里层的最大浸润半径相同，其余各项指标并不满足标准要求。织物2的整体液态水分管理能力值0.400 4，除面层可在短时间内浸润，其各项指标均未达到标准要求，最大浸润半径达到最小值且面层与里层的最大浸润半径相同。织物1的整体液态水分管理能力值0.308 2，其面层浸润时间和面层水分扩散速度均能达到4级，且面层最大浸润半径达到最大值，但其余各项指标均未达到标准要求，说明织物1具有很好的速干性。织物中电热丝对织物的液态水传导性能有一定的影响，且电热丝的植入密度与织物的液态水分管理能力不呈正比关系。

2.5 保温隔热性能测试

在织物保温性能测试中，试验中保护板以及底板在加热膜的控制下始终保持和试验板相同的温度，即35℃，由于试验板和保护板、底板之间温度相同，没有温差，故无法产生热传递，试验板的温度只能够通过布样覆盖的上方传递，通过试验板加热到恒温所需要的时间可以得出布样保温率和散热量，以此反映织物的保温隔热性能［12］，结果见图2。由图2可以知，试验板放置织物后比空白试验板散热量降低了很多，织物的整体保温效果较好。其中，织物4保温效果最佳，散热量最低。相比纯涤纶织物，织物4的散热量要高一点，这是因为织物4中含有电热丝，其导热性能较好，而相比其他电热丝比例的织物，织物4的发热性较差，散热量少。因此，织物1具有良好的发热性能，但其保温效果最差。这是因为织物1中的金属丝最多，其孔隙较大，涤纶纱线比金属丝具有更好的保温性。此外，织物2和织物3整体效果不错。相比纯涤纶织物，随着电热丝植入比例的增大，织物保温率逐渐降低，但散热量变大。总体而言，织物3具有较好的综合性能。

图2 不同织造配比织物的散热量和保温率

3 结论

（1）在电热丝与中空涤纶合股纱织造配比为1∶3时，所织造的电发热织物在附加电压10 V时，其表面温度达到29.10℃，均高于其他织造配比织物。这是由于电热丝越密集，电发热织物的发热效果越好，但同时密集的电热丝使得电发热织物变得硬挺，其舒适度下降。

（2）在电热丝与中空涤纶合股纱织造配比为1∶9时，电发热织物具有良好的保温效果，其散热量最低。但该电发热织物发热性能差，其原因是电热丝数量过少，因此电发热织物更多体现出纤维的保温性与柔软性，而发热性能被减弱。

（3）在电热丝与中空涤纶合股纱织造配比为1∶7时，即织物3具有良好的发热性能、保温性能和可服用性。因此，该织造配比电发热织物的综合性能较理想，其实用价值较高。