电热织物制备技术研究进展.pdf
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1、第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology电热织物制备技术研究进展丁小蝶1 唐虹1 张成蛟1 唐天一2(1.南通大学,江苏南通,226019;2.对外经济贸易大学剑桥国际学校,北京,100029)摘要:总结电热织物制备技术中有关电热材料、加工工艺、织物设计以及性能测试的关键问题。从这 4个方面入手,分别介绍了金属类材料、碳系材料、导电高聚物以及镀金属类等 4类电热材料及特性,探讨了涂层法与纺织法两类制备方法的特点,围绕目标需求重点开展了电热材料排布设计、电热织物形状设计与分布设计,并对其主要电热性能与服用性能指标的测试方法与标准进行分析。认为
2、:电热织物制备不仅需要考虑合理的材料选用及灵活的制备技术,也需要采用优良的测试方法与评价体系。关键词:电热织物;制备技术;电热材料;性能指标;织物设计中图分类号:TS959.9 文献标志码:A 文章编号:1000-7415(2023)09-0074-05Research progress of electrothermal fabric preparation technologyDING Xiaodie1 TANG Hong1 ZHANG Chengjiao1 TANG Tianyi2(1.Nantong University,Nantong,226019,China;2.Universit
3、y of International Business and Economics Cambridge International School,Beijing,100029,China)Abstract Key issues related to electrothermal material,processing technology,fabric design and performance test in the preparation technology of electrothermal fabric were summarized.Starting from these fou
4、r aspects,four types of electrothermal material and their characteristics were introduced,including metal material,carbon material,conductive polymer and metal plating material.The characteristics of coating method and spining&weaving method were discussed.The layout design of electrothermal materia
5、l,shape design and distribution design of electrothermal fabric were focused on the target requirements.Test methods and standards of the main electrothermal performance and wearing performance indicators were analyzed.It is considered that the preparation of electrothermal fabric not only requires
6、consideration of reasonable material selection and flexible preparation technology,but also requires the use of better test methods and evaluation systems.Key Words electrothermal fabric,preparation technology,electrothermal material,performance index,fabric design为了使长时间处于严寒环境中的人体仅通过增加服装保暖性也能维持人体热量平
7、衡,研究人员开始探索可自主加热且稳定的电加热元件,并集成于服装中。常用的电加热元件有电热金属丝、电热膜及电热织物 3种,其中电热织物因具有透气透湿性良好、柔软度高且可根据需求裁剪等优势成为研究热点与重要的研究方向1 81。电热织物是以一定的制备方法将电热材料负载在纺织品基底材料上,根据焦耳加热原理,将电能转化为热能2 19,使得织物温度升高,从而将热量传递到周围环境。目前,电热织物开始应用于日常保健、体育娱乐、低温作业、医疗军事等领域,如发热护腰护膝、暖宫带、电热睡袋、滑雪服等满足人们日常保健与体育娱乐的需求,冷库工作服、海下潜水作业服3、高空清洁服4、军队防寒服5等则是针对低温作业与特殊环境
8、的需求。1 制备技术1.1电热材料电热织物由纺织品基底材料和电热材料构成,将电热材料通过一定方法整合在不具有导电性质的基体表面。基底材料为织物或水性聚氨酯树脂基材6,具有柔软透气、耐磨、绝缘、耐机械强度高、电阻率低等特点,具体有棉织物7 4691,8、涤科技进展作者简介:丁小蝶(1998),女,在读硕士研究生;唐虹,通信作者,教授,收稿日期:2023-04-11】【74第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology纶织物、锦纶织物等;电热材料包括金属类材料、碳系材料、导电高聚物以及镀金属类材料等,其性能对电热织物特性影响很大。金属类材料是最早应用
9、于电加热产品的,以金属长丝的形式与衣用纤维混纺成导电纱线,再与普通纱线经机织、针织、刺绣工序加工后形成导电织物。或以金属纳米线的形式通过浸渍法等涂覆技术制备。通常采用电导率最高可达 6.3107 S/cm、热导率为 429 W/(m K)的银材料9,除性能优良外,柔韧性与抗菌性也较好,但拉伸状态下易断裂,无法保持较低电阻;其次是电导率与热导率仅次于银的铜,其不仅来源广泛,价格也远低于银,但依旧存在易氧化,柔性较差等缺点。纯金属导电织物最常见的形式是将金属纤维作为发热元件直接植入普通服用织物中,如电热毯、发热垫就是将特制绝缘金属发热元件织入毛毯里。碳纳米管、石墨烯、炭黑等碳系材料以纳米颗粒的形式
10、附着在普通纤维表层,也可形成导电纤维。相比于金属导电材料,这类材料的原材料来源广,柔性更好,便于织造成更贴合人体的服装,且可随意裁剪,因此应用更为广泛。其中碳纳米碳管电导率在 1 000 S/cm2 000 S/cm10 81,热导率在 3 000 W/(m K)3 500 W/(m K),具有拉伸性能高、电流载荷量高、结构稳定、量轻等优点11。但其径向热交换性能较低,且存在团聚现象以及交结纠缠现象,致使碳纳米管更难以稳定、均匀地分散。石墨烯导热性能高于碳纳米管,电导率高达 1108 S/cm12、强度高弯折性好、抗菌效果显著,但在空气中易氧化成氧化石墨烯,性能降低,且制备技术繁琐。碳纤维不仅
11、热效率高、安全性好且质量轻,可与纺织法结合,开发兼具发热保暖和医疗保健功效的纺织品。目前市场具有代表性的电热织物 JERNANO 碳纳米管薄膜具有超轻、超薄、超柔等特点,可 1 s快速升温,最高发热温度档至 53,电热转换率达 99.9%,控温精度达 0.1;可实现 40 次标准机洗、10 万次耐弯折揉搓,抗拉强力达 100 N,可运用在穿戴式加热产品中。但此类产品价格贵,制备过程十分耗能。有机导电材料包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔 4大类。通常采用涂层类方法制备导电织物。聚吡咯成本低、稳定性好、成膜性好,是纺织材料中应用最广泛的导电聚合物,也是开发电子智能纺织品的较好选择之一。聚吡咯电导
12、率在1102 S/cm1103 S/cm,成本低、质量轻、稳定性好、成膜性好、导电性强13,但较难以纺织法织造,较难控制电阻精度。镀金属类材料是以电镀、化学镀或者真空镀的方式,将柔韧性好的金属镀在普通纱线或纤维上所得到的导电纱线,是近年来导电纤维的研究新方向之一。与纯金属相比,属于间接利用金属材料的导电性能,且更容易编织成电热织物。如镀银纤维具有较好的可纺性与抗菌性、静电防护性14,但在水洗与脱落氧化方面存在一定缺陷,且金属镀层工艺较为复杂,耐用性较差。1.2加工工艺1.2.1涂层法涂层法包括浸渍法、喷涂法、刮涂法、丝网印刷法、原位聚合法、气相聚合法等制备方法。这类方法与纺织法相比简便易行,采
13、用织物作为基底材料,通过调节涂层工艺参数来调节电热性能与电热织物的柔性和强度。浸渍法简单易行,无需复杂贵重的设备,但常需要多次浸渍,比较耗时,而且很难控制织物表层导电涂层的均匀性,以致于影响最终电热元件的发热效果。可改变浸渍液浓度7 4691、浸渍时间、浸渍次数15和干燥条件等确定最优工艺参数,增加织物导电涂层的黏附性,提高导电性、产热能力和稳定性。相对于浸渍法来说,喷涂法与刮涂法则是分别通过在织物表面喷涂溶液与在织物表面以刮涂导电复合材料的工艺制备电热织物。所制备的导电涂层相对均匀,效率高,但喷涂法液体损耗量大、易污染环境,刮涂法只适用于轻薄涂层。而丝网印刷法利用刮板挤压油墨,可以将不同形状
14、和宽度的导电线路和图案直接印刷在柔性基底表面。该方法具有简单通用、成本低和可规模化生产等优点,不过涂层的性能受印刷工艺参数、导电油墨、印刷图案和基底的影响较大。当印刷次数达到一定量后,表面导电油墨趋于饱和,表面温度变化不大16。与其他涂层类方法相比,原位聚合法、气相聚合法17 1427所制备的电热元件,具有工艺简单,耗时较短,导电材料能进入织物内部的优点10 83,也是采用聚吡咯等导电聚合物制备电热织物的常用方法。通过将反应性单体、氧化剂、织物三者相互混合,经化学反应后,聚合物沉积在织物表面制得电热织物。但存在成本相对较高,较难把握涂层的均匀性,且对操作控制和单体质量的要求较高等不足18。】【
15、75第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology1.2.2纺织法纺织法通过针织、机织和刺绣2 21,10 8283等技术,将金属纤维、镀金属丝线和碳基纤维等导电加热材料织入或缝入织物中。纺织法加工的电热织物可以更好地贴合人体,在赋予织物电热性能的同时,又能保证电热材料的力学性能不被损坏。但此法易受内部电热材料的排布设计、柔性和耐久性等因素的影响。针织法是将导电纱线与普通纱线通过线圈的形式相互串套织造电热织物,其结构简单,舒适性与透气性好,但结构状态不稳定,易变形,对织物的电热性能造成影响。机织以一定的组织结构将导电纱线与普通纱线进行经纬纱交织制
16、备电热织物。所制备的电热织物紧密均匀,结构稳定,发热均匀性好1 81,导电纱形变相对较小,对导电纱线的拉伸强度和耐磨性有一定要求。刺绣法将导电纱线以设计电路图案缝入织造好的基底材料中。这种制备工艺具有电路设计更灵活,使用较少导电纱线,具有可裁剪性和可定制性等优点19,但易受内部导电纱线的柔性影响。在完成基底材料与导电材料的前期准备工作后,通过不断完善涂层工艺缓解部分涂层类制备加热元件涂层不均匀的问题,或选择合适的纺织类制备技术,都有助于制备电热性能优良的电热织物。虽然目前电热织物存在多种成形方法,但在发热均匀及工艺简化等方面仍需进一步研究。2 电热织物设计制备性能优良的电热织物,除了考虑电热织
17、物制备技术的影响,还要对电热织物电热材料排布、电热织物形状以及电热织物的分布进行设计。2.1电热材料排布设计选择相同的织物材料时,合理设计电热织物中电热材料的植入密度,不仅有利于控制织物加热成本,还可以保证电热织物良好的发热特性,达到较好的发热均匀性。有研究表明在机织物中导电纱线加热单元随着间距变小,电热织物最大加热温度与升温速率也随之变高,发热均匀性越好20。YEN R H 等人21 762发现导电纱线之间的距离与导电纱线的宽度之比在 4、8、16时,发热均匀性分别为 96%、88%和 59%。这主要是因为当织物电阻一定时,非导电纱间隔根数的成比例减少导致织物单位面积上导电纱根数增多,单位面
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