丝印涤纶面料的电加热性能研究

文/孔令红 冯迪飞 罗秋兰

随着科技发展和生活水平提高，人们对于服装的功能要求也随之增加。电热服是一种功能服装，它可以在寒冷环境下为人们提供热量。在电力能源出现的时期，发明家们就开始了对电热服的研究，最早在第二次世界大战时期，为飞机驾驶员配备了装有类似电热毯的电热元件的皮夹克，用于抵御高空的低温寒冷环境[1]。近年来，电加热服的发热材料已经比较成熟，国内外学者对于电加热的研究更加深入，尤其是它的集成化和服用性能，由此产生的相关产品更是数不胜数，已经在军事、寒冷环境以及临床治疗等领域得到了广泛应用[2-3]。

美国的陆军实验室对不同的电加热衣物进行研究，研究探索了电加热服的性能。他们发现穿着电加热服装可以减少热量散失，增加在寒冷环境中的忍耐时间[4]。由背心、电池和加热载体组成遥控式电加热服，可实现不同发热功率的遥控操作，使衣内表面温度不低于50℃[5]。Kempson等人设计制作了一款电加热手套用来治疗肢端动脉痉挛症等疾病，并通过热成像仪拍出的温度分布来为医学治疗提供参考信息，并已经证实电发热手套对于该类疾病的治疗有着巨大的作用。在该领域，国内学者针对在冬天无法被衣物保护而遭受寒冷温度刺激的手部，开发出一种在低温环境下主动加热的技术，可实现手部温度的自动调节，并保障手部在寒冷低温环境下能够正常进行活动[6]。随着电加热技术的不断发展，逐渐出现了背心、内衣和夹克等电加热相关产品，目前正逐步进入大众视野，未来的应用前景相当广阔。

本文主要通过测试新开发的碳纤维浆料丝印织物的电热性能，使用不同的测试方法对其发热稳定性和耐久性进行分析，为电热服的规范化评价与广泛应用提供研究基础。

1 测试部分

1.1 测试仪器

Instron 3365 CRE型强力机、弯曲屈挠测试仪、UT61数字万用表、智能手机用红外热像设备、RPS3005C-2直流稳压电源。

1.2 测试样品

弹性针织面料为基底制备的发热面料（嘉兴益泰乐电子有限公司提供），共9块。

1.3 测试评价方法

1.3.1 发热性能测试设计

（1）首先用万用表测试面料整体的电阻，然后通过测试出的整体电阻大小来判断需要外接的电压大小，在外接合适大小的电压下，测试记录其达到50℃所需要的时间。

（2）将是否可以达到50℃作为判断标准，从中筛选出部分发热面料，用红外成像设备拍摄其发热的均匀性，以其是否发热均匀作为标准从中再挑选出发热面料测试其在通电状态下的电阻稳定性。

（3）在外接合适的电压后，根据筛选出的发热面料在通电之后的电阻变化，得到发热面料通电后整体电阻大小变化的情况，以此判断面料的加热稳定性。

1.3.2 力学性能测试设计

（1）设计了面料拉伸测试试验[7]，以模拟服装日常穿着过程中身上的衣物会不断受到拉伸。根据FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》，使用CRE型强力机对发热面料分别进行横向和纵向的定伸长拉伸处理，伸长率25%，循环5次。拉伸测试后，测试其电阻。根据电阻的变化来判断该面料的耐拉伸性能。

（2）设计了面料耐屈挠测试试验[8]，以模拟服装日常生活穿着过程中会有很多不同的弯曲动作。根据GB/T 12586—2003《橡胶或塑料涂覆织物耐屈挠破坏性能测定》标准中的方法C，设计对发热面料进行2000次左右屈挠处理，然后用万用表测试电阻的变化，根据其电阻变化情况来判断该面料的挠曲—发热稳定性。

2 结果与讨论

2.1 丝印发热面料的电热性能

2.1.1 发热能力

本文分别将9块布进行编号，然后用数字万用表测试其整体电阻，根据其整体电阻的大小来选择外接不同伏数的电压，测试试样达到50℃的发热时间，从中初步挑选出合适的发热面料进行接下来的测试，测试结果如表1所示。

表1 各试样达到50℃所需要的发热时间

从表1中可以看到，在规定时间能达到50℃的发热面料共有7块，分别是编号为FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、FR-8、FR-9，这7块发热面料在对应的电压下都能够在较短时间内快速地升温至50℃，可以看出这几块面料有着很好的发热效率。

2.1.2 发热均匀性

我们对挑选出的7块发热面料继续用热成像仪器进行拍摄，得到了它们在对应电压下的发热情况，如图1所示。

图1 红外热成像图片

从图1中我们可以很明显地看到发热面料FR-8、FR-9接触点位置出现发热严重的现象，产生这种现象的原因是因为导线接触点连接处的电阻太大，甚至可以和发热层的电阻相同，当电流在导线接触点连接处消耗之后，流入发热层的电流就会变小，根据P=I2R的公式可以得出，在电阻相同时，电流越大，产生的热能越大，因此在图像中产生了导线接触点连接处发热严重的情况。发热面料FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6的发热图像显示接触点没有发热，其他地方发热很均匀，发热层的每一点位置的温度都非常接近，这几块发热面料合理利用图形设计，很好地解决了导线接触连接处电阻过大造成的发热严重的情况。

2.1.3 发热稳定性

将发热均匀的发热面料接通合适的电压，持续通电1分钟后，记录RPS3005C-2直流稳压电源所显示的电压与电流的数据，计算得出发热面料通电之后的电阻，再与整体电阻进行对比计算后得出电阻的变化率，用于分析面料的发热稳定性，结果如表2所示。

表2 电阻测试情况

从表2计算出的电阻变化率可以看到，这几款发热面料的通电稳定性比较优良，在通电后电阻都会略有上升，但是上升的幅度并不大，说明丝印面料具有良好的发热稳定性。

2.2 丝印发热面料的力学性能

2.2.1 发热面料的拉伸—电阻稳定性

使用数字万用表测试未拉伸面料和拉伸处理后面料的整体电阻，测试情况如表3所示。

表3 整体电阻拉伸前后变化

使用热成像仪拍摄未拉伸面料和拉伸处理后面料的发热图像，拍摄结果如图2所示。

图2 拉伸前后面料发热变化图像

从表3可以看到，经过了多次拉伸，发热面料的整体电阻并没有因为拉伸的原因而发生太大的变化，发热面料的发热情况也没有因为经过拉伸而改变，发热面料具有较好的耐拉伸性能。

2.2.2 发热面料的屈挠-电阻稳定性

用数字万用表分别测试了发热面料屈挠前后的整体电阻，测试的结果如表4所示。

表4 屈挠前后整体电阻变化

从表4可以发现发热面料经受2000次屈挠处理后，发热面料的电阻没有发生太大的变化，说明这些发热面料有着很好的耐屈挠性能。

3 结论

通过测定试样的电阻变化率、红外热成像图、拉伸-电阻变化率、屈挠-电阻变化率等参数，可评估加热面料的加热均匀性、使用稳定性，为此类功能面料的性能检测提供参考依据。