服裝用發(fā)熱碳纖維串并聯(lián)模型對發(fā)熱效率及均勻性的影響

吳官正， 張玲， 范佳璇， 董維鋒， 韓曉果， 肖學(xué)良

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

傳統(tǒng)的保暖服裝屬于被動式御寒保暖，利用纖維之間的靜止空氣阻隔熱量散失，但使用一段時間后該類服裝的保暖性能會因空氣層的變化而下降，因而研發(fā)人員提出積極主動的發(fā)熱保暖模式[1]。他們認(rèn)為發(fā)熱服裝對御寒保暖作用更大，特別適合某些寒冷地區(qū)的作業(yè)人員(如高海拔地區(qū)駐守士兵、登山運動員和極地考察站的工作人員等)。此類發(fā)熱服裝的內(nèi)部裝有小塊面積的發(fā)熱片和移動式充電寶。目前，市面上的發(fā)熱片大多是基于碳纖維的發(fā)熱絲束組合而成，在外接5 V左右低壓電源時，能夠快速為服裝提供高效的熱量，升溫速度快，熱量大，可以起到良好的發(fā)熱御寒功效，具有很好的應(yīng)用前景。

碳纖維(CF)因其高比強度、高比模量、低線膨脹系數(shù)、低密度、抗腐蝕、耐高溫、優(yōu)異的熱及電傳導(dǎo)性等功能特點[2]，在飛機制造、國防軍工、汽車、醫(yī)療器械、體育器材等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-5]。同時，在紡織服裝領(lǐng)域，結(jié)合碳纖維高比強度、比模量、耐疲勞、導(dǎo)電、發(fā)熱的優(yōu)良性能，如何降低碳纖維絲束的模量，使其柔軟，同時保證其良好的導(dǎo)電發(fā)熱性能，是提高碳纖維發(fā)熱面料應(yīng)用的關(guān)鍵[6]。碳纖維按用途可分為：24K(1K為1 000根單絲)以下的宇航級小絲束碳纖維和48K以上的工業(yè)級大絲束碳纖維。碳絲束內(nèi)纖維根數(shù)越多，纖維接觸面積越大，發(fā)熱電阻就越小，有利于發(fā)熱功率的提升，但碳纖維絲束的柔軟性會降低[7]。碳纖維原材料決定了其本征導(dǎo)電性能，通常單根碳纖維電阻率在5～17 μΩ·m，同時碳纖維的熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大。碳纖維可以耐急冷急熱，即使從3 000 ℃的高溫突然降到室溫也不會炸裂[8]，比較適合發(fā)熱纖維的性能要求。

當(dāng)前較為成熟的碳纖維組合發(fā)熱模式比較單一，發(fā)熱面積小，發(fā)熱均勻性尚待考察。為了改變這一現(xiàn)狀，文中以碳纖維作為服裝發(fā)熱層，設(shè)計制備不同串并聯(lián)模式的發(fā)熱片。通過對碳纖維發(fā)熱層進(jìn)行線路設(shè)計，研究發(fā)熱面料的發(fā)熱效率和發(fā)熱均勻性。期望得到的發(fā)熱面料在小于10 V低電壓下即可加熱使用，達(dá)到良好的發(fā)熱效果，促進(jìn)人體的血液循環(huán)，滿足極寒地區(qū)人員對御寒服裝的性能要求。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1原料 聚丙烯無紡布(25 g/m2，藍(lán)色)，東莞佳聯(lián)達(dá)無紡布有限公司生產(chǎn)；6K,14K碳纖維發(fā)熱絲束，深圳東利電子有限公司生產(chǎn)。

1.1.2儀器 “4001”型學(xué)生電源(供應(yīng)直流電壓范圍1.5～9 V)，江蘇樹興教學(xué)設(shè)備有限公司制造；VC890C+勝利數(shù)字萬用表，深圳驛生勝利科技有限公司制造；SU1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司制造；GM320紅外測溫儀，深圳標(biāo)智儀表有限公司制造；FLIR E5紅外熱像儀，美國FLIR公司制造。

1.2 碳纖維發(fā)熱模型設(shè)計

1.2.1“∞”字型網(wǎng)格線路模型 取4根長240 mm的碳纖維制作成“∞”字型線路結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。圖1中碳纖維絲束通過平鋪的方式，疊加在一起，然后用雙面膠固定，制得發(fā)熱模塊作為電路中的外接發(fā)熱電阻，外接電源提供6 V電壓。閉合電路開關(guān)5 s后，采集線路模型中①～③ 3個點的發(fā)熱溫度[9]，記為發(fā)熱片的溫度分布。

圖1 碳纖維“∞”型發(fā)熱模型設(shè)計Fig.1 Design of carbon fibers with ′∞′ type heating model

1.2.2“井”字型網(wǎng)格線路模型 分別取6根長110和240 mm的碳纖維絲束制作成6×6網(wǎng)格型線路結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。圖2中碳纖維絲束通過平鋪的方式，疊加在一起，然后用雙面膠固定，制得發(fā)熱模塊作為電路中的外接發(fā)熱電阻。該發(fā)熱模型中含有38個交叉點(36加2個端點)，外接電源同樣提供6 V電壓。閉合電路開關(guān)5 s后，采集網(wǎng)格型線路中7個交匯點①～⑦的發(fā)熱溫度，以探測該網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)熱均勻性。

圖2 碳纖維“井”字型發(fā)熱線路設(shè)計Fig.2 Design of carbon fibers wtih ′井′ type heating line

2 發(fā)熱材料性能測試

2.1 碳纖維性能測試

2.1.1彎曲性能測試 彎曲性能決定了碳纖維發(fā)熱網(wǎng)格材料的柔軟度。按GB/T 1449—2005纖維增強塑料彎曲性能進(jìn)行實驗，圖3為碳纖維彎曲性能示意。分別取長300 mm的6K,14K碳纖維各一根，前端對齊放置在高度H=6 mm的紙板上，以相同的力和速度向前平推兩根碳纖維絲束，當(dāng)向前推進(jìn)的碳纖維前端著地則停止推進(jìn)。記錄其彎曲段的長度S，重復(fù)5次，取S的平均值。

圖3 碳纖維彎曲性能測試示意 Fig.3 Schematic diagram for testing the flexural properties of carbon fibers

2.1.2掃描電鏡分析 取少量碳纖維樣品，在電子顯微鏡中觀察其纖維的表面形貌，測試電壓5 kV，電流20 μA。

2.1.3導(dǎo)電性能測試 分別取長600 mm的6K和14K碳纖維各一束，分別測試其長度為100,200,300,400,500,600 mm時的電阻。

2.1.4碳纖維絲束交叉點導(dǎo)電性能測試 取兩根長50 mm的6K碳纖維，十字交叉，按照發(fā)熱片模型的方式用雙面膠固定，測試單根50 mm碳纖維電阻和交叉兩根碳纖維的電阻。同理，測試14K碳纖維在交叉點處的電阻。

2.1.5發(fā)熱性能測試 類似于導(dǎo)電性能測試，分別取長600 mm的 6K和14K碳纖維絲束，在絲束兩端接上6 V電壓，分別測試其長度為100,200,300,400,500,600 mm,通電10 min后發(fā)熱碳纖維絲束中間部位的溫度。

2.2 碳纖維絲束發(fā)熱模型性能測試

2.2.1導(dǎo)電性能測試 分別對6K,14K碳纖維編織的網(wǎng)格模型發(fā)熱片進(jìn)行電阻測試，按照GB/T 32993—2016用數(shù)字萬用表測試發(fā)熱片兩個接線端口之間的電阻。

2.2.2發(fā)熱性能測試 按照1.2方案，采集設(shè)定的測試點溫度，分別探究“∞”字型和“井”字型網(wǎng)格模塊發(fā)熱片的溫度分布規(guī)律及單點溫度隨時間變化的規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 彎曲性能

圖4為碳纖維絲束彎曲性能的測試結(jié)果。圖4(a) 為碳絲束彎曲測試前，6K及14K碳纖維束以相同的速度向前平推；圖4(b)為兩類絲束在自身重力作用下開始發(fā)生彎曲，而得到的俯視圖。通過碳纖維絲束接觸底面時平推長度或距離來判斷碳纖維絲束的彎曲性能[10]。由圖4可知，14K碳纖維前端先于6K碳纖維前端觸碰到桌面，5次測得6K碳纖維和14K碳纖維前端平均彎曲長度分別為12.6 mm和11.3 mm。測試結(jié)果表明，14K碳纖維絲束彈性模量低，更容易彎曲，具有更加優(yōu)異的柔韌性和可加工性。作為制備柔性發(fā)熱片的基材，14K碳纖維展現(xiàn)出了更加優(yōu)異的彎曲性能；而6K碳纖維的模量和剛性高于14K碳纖維絲束，導(dǎo)致在制備“∞”字型網(wǎng)格模型時不易控制。

圖4 碳纖維彎曲性能測試俯視和側(cè)視圖Fig.4 Front and side view of bending performance test of carbon fibers

3.2 SEM表征分析

圖5為6K和14K碳纖維絲束在SEM下表面形貌。由圖5可知，文中使用的發(fā)熱碳纖維絲直徑在5 ～ 7 μm，比羊絨纖維還細(xì)，纖維呈圓柱形，表面光潔，排列整齊，纖維之間理論上是線接觸，在壓力作用下會有面接觸，從而降低了絲束的整體導(dǎo)電性。在未做噴金處理的情況下，圖5顯示了清晰的碳纖維表面形貌，表明實驗使用的發(fā)熱碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。另外，光潔的纖維表面說明在碳纖維交叉接觸時需要有一定的壓力，以減少碳纖維絲束間的接觸電阻[11-12]。

圖5 碳纖維的SEM圖片F(xiàn)ig.5 SEM images of carbon fibers

3.3 導(dǎo)電性能

碳纖維絲束電阻測試如圖6所示。由圖6可知，在長100 mm的6K，14K碳纖維之間測試的體電阻(測試壓力控制在10 N)分別為9.5，6.5 Ω，證明兩種碳纖維絲束具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。由圖6(c)可知，6K，14K碳纖維電阻值均隨著長度的增加而增大，基本呈現(xiàn)線性增大的規(guī)律，同時測得的單束14K碳纖維導(dǎo)電性能優(yōu)于6K碳纖維，說明碳纖維束的導(dǎo)電性能與測試長度和碳纖維含量有關(guān)，長度越長，纖維含量越少，則碳纖維束的電阻越大。

圖6 碳纖維電阻測試 Fig.6 Resistance test chart of carbon fibers

3.4 碳纖維交叉點電阻

碳纖維交叉點電阻測試如圖7所示。兩束絲束間利用雙面膠粘合，粘合力度一致。圖7(a)中長50 mm的6K碳纖維電阻為5.9 Ω；圖7(b)中兩根長50 mm的6K碳纖維交叉點的電阻為51.6 Ω；圖7(c)中長50 mm的14K碳纖維電阻為5.3 Ω；圖7(d)中兩根長50 mm的14K碳纖維交叉點電阻為53.2 Ω。測試結(jié)果表明，長50 mm 的6K和14K碳纖維絲束電阻相差不大，且電阻值較小。兩根6K碳纖維絲束垂直交叉點電阻略小于14K碳纖維垂直交叉點電阻，表明碳纖維絲束內(nèi)纖維數(shù)量與其接觸點電阻略有相關(guān)性，其相關(guān)程度需進(jìn)一步探索。

圖7 碳纖維交叉電阻的測試結(jié)果Fig.7 Cross resistance of test results of carbon fibers

3.5 碳纖維線路電阻

碳纖維絲束發(fā)熱線路模型的電阻測試如圖8所示。圖8(a)和圖8(b)中6K碳纖維“∞”字型網(wǎng)格和“井”字型網(wǎng)格線路模型對應(yīng)兩端的電阻分別為4.6，5.5 Ω；圖8(c)和圖8(d)中14K碳纖維絲束相應(yīng)的模型兩端電阻分別為8.2，8.7 Ω。由圖8可知，“∞”字型網(wǎng)格和“井”字型網(wǎng)格線路發(fā)熱模型電路中有多個重復(fù)單元格組成，單元格電路之間并聯(lián)連接，所測得的電阻均小于10 Ω，導(dǎo)電性能良好。在6 V的直流電壓下，單位時間內(nèi)能夠釋放出較多的熱能，滿足實際發(fā)熱的應(yīng)用需求。實驗測得，6K碳纖維“∞”型網(wǎng)格和“井”字型網(wǎng)格發(fā)熱模型均比14K碳纖維對應(yīng)的發(fā)熱模型導(dǎo)電性能優(yōu)良，驗證了6K碳纖維交叉電阻小于14K碳纖維交叉電阻的測試結(jié)果。

圖8 碳纖維線路模型的電阻測試結(jié)果Fig.8 Resistance test results of carbon fibers with line model

3.6 發(fā)熱性能

3.6.1單根碳纖維發(fā)熱性能 圖9為單束6K，14K碳纖維導(dǎo)熱性能的測試結(jié)果。結(jié)合圖6的測試，隨著碳纖維長度的增加，碳纖維的電阻值也逐漸增大。

圖9 單根碳纖維絲束發(fā)熱溫度與絲束長度的關(guān)系Fig.9 Relationship between the heating temperature of a single carbon fiber tow and the length of the tow

圖9中，碳纖維絲束在6 V直流電壓和通電10 min的條件下，單根6K，14K碳纖維絲束的發(fā)熱溫度隨絲束長度增加而逐漸降低，且兩根絲束的發(fā)熱溫度差距較小，14K碳纖維絲束發(fā)熱量稍大。結(jié)合碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱性能，以及實際發(fā)熱片需求考慮[13]，一般選用≤240 mm長的碳纖維制備發(fā)熱服中的發(fā)熱片較為合理。

3.6.2碳纖維線路模型的發(fā)熱性能 圖10為6K碳纖維“∞”字型網(wǎng)格線路發(fā)熱性能測試結(jié)果。常溫下，6V直流電壓使得“∞”字型發(fā)熱片迅速升溫，10 min內(nèi)在位置3個交叉點①，②，③溫度分別達(dá)到71.8，64.3，74.1 ℃，1 h后3點溫度仍維持在77.9，67.6，79.0 ℃。圖10(d) 顯示①，③兩點在6 V電壓下迅速升溫至70 ℃以上。在接通電源的情況下，一直穩(wěn)定在70 ℃以上高溫；斷電后，①和③點迅速降至常溫，表明碳纖維絲束在通電情況下依靠釋放紅外線維持高溫，但不具備保溫性能。

圖10 6K碳纖維“∞”字型線路設(shè)計發(fā)熱性能Fig.10 Heating performance test chart of 6K carbon fibers with ′∞′ type line design

圖11為6K碳纖維“井”字狀網(wǎng)格模型的發(fā)熱性能測試結(jié)果。

圖11 6K碳纖維“井”字型線路設(shè)計發(fā)熱性能Fig.11 Heating performance test chart of 6K carbon fibers with ′井′ type line design

常溫下，網(wǎng)格型發(fā)熱片亦迅速升溫，10 min內(nèi)7個交叉點①～⑦溫度分別達(dá)到47.8，49.6，56.3，78.8，45.8，48.6和37.5 ℃,1 h后7個點溫度仍維持在46.0，44.5，55.3，70.7，41.5，46.5和43.3 ℃。圖11 (d) 顯示①和④兩點在6 V電壓下迅速升溫，在接通電源的情況下，一直在開始測得的溫度上下波動，斷電后①和④點迅速降至常溫。

圖12為14K碳纖維絲束“∞”字型線路模型的發(fā)熱性能測試結(jié)果。常溫下，“∞”字型發(fā)熱片迅速升溫，10 min內(nèi)3個交叉點①～③溫度分別達(dá)到52.5，62.8，85.5 ℃，1 h后3個點溫度仍維持在51.6，63.6，82.5 ℃。圖12 (d) 顯示①，③兩點在6 V電壓下迅速升溫至50 ℃以上，在接通電源的情況下，一直穩(wěn)定在50 ℃以上高溫，斷電后①，③點迅速降至常溫。

圖12 14K碳纖維“∞”字型線路設(shè)計發(fā)熱性能測試Fig.12 Heating performance test chart of 14K carbon fibers with ′∞′ type line design

圖13為14K碳纖維“井”字狀網(wǎng)格模型的發(fā)熱性能測試結(jié)果。常溫下，網(wǎng)格型發(fā)熱片迅速升溫，10 min內(nèi)7個交叉點①～⑦溫度分別達(dá)到42.5，44.7，50.6，67.7，42.6，49.8和38.2 ℃,1 h后7個點溫度仍維持在47.1，45.4，49.5，73.9，46.3，50.1和46.9 ℃。圖13 (d) 顯示①，④兩點在6 V電壓下迅速升溫，在接通電源的情況下，一直在10 min時所對應(yīng)的溫度上下波動，斷電后①，④點迅速降至常溫。

圖13 14K碳纖維“井”字型線路設(shè)計發(fā)熱性能測試Fig.13 Heating performance test chart of 14K carbon fibers with ′井′ type line design

3.6.3交叉點雙面膠對碳纖維散熱性能的影響 圖14為交叉點雙面膠影響碳纖維散熱性能的對比情況。取3根長80 mm及3根長60 mm的碳纖維絲束編織成3×3網(wǎng)格型線路結(jié)構(gòu)模型(見圖14(a))。制作發(fā)熱片作為電路中的外接發(fā)熱電阻，各交叉點均不用雙面膠固定，用紅外熱成像儀拍得紅外熱成像圖(見圖14(c))，其溫度范圍為25.4～82.2 ℃。將3×3網(wǎng)格型線路結(jié)構(gòu)各交叉點用雙面膠固定，得到網(wǎng)格型結(jié)構(gòu)模型(見圖14(b))，拍得紅外熱成像圖(見圖14(d))，其溫度范圍為25.6～76.5 ℃。對比圖14(c)和圖14(d)可以看出,交叉點未粘合雙面膠模型能夠達(dá)到的最高溫度更高，二者最高溫度相差不大；但是粘合雙面膠的模型，碳纖維發(fā)熱絲相對而言整體發(fā)熱更加均勻。由此可知，雙面膠對發(fā)熱碳纖維散熱有一定影響，但是雙面膠使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，碳纖維整體發(fā)熱相對而言更加均勻。

綜上所述，碳纖維具有優(yōu)異的發(fā)熱性能，在6 V直流工作電壓下升溫迅速，且能保持相對穩(wěn)定的高溫狀態(tài)，通過熱輻射等方式向周圍傳遞熱量，斷電后降溫迅速。通過比較圖10～圖13發(fā)現(xiàn)，14K碳纖維絲束“∞”字型線路設(shè)計和“井”字型網(wǎng)格型線路模型中，各點達(dá)到的溫度總體上較6K碳纖維“∞”字型線路設(shè)計和“井”字型網(wǎng)格型線路對應(yīng)點的溫度高；“∞”字型線路設(shè)計溫度分布比“井”字型網(wǎng)格模型更均勻，并且“井”字型網(wǎng)格發(fā)熱片中間區(qū)域溫度低、兩側(cè)溫度高，存在明顯的溫度梯度。

圖14 交叉點雙面膠影響碳纖維散熱性能的對比Fig.14 Comparison of cross point double-sided adhesives affecting heat dissipation performance of carbon fibers

4 結(jié)語

碳纖維絲束具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。隨著單束碳纖維長度增加，其電阻呈線性增加；在兩端工作電壓不變時，能夠達(dá)到發(fā)熱溫度隨著長度增加而降低的效果。

文中對6K及14K碳纖維束的柔軟性能進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)14K碳纖維絲束相對柔軟。在長度超過300 mm和6 V工作電壓的情況下，測得單束碳纖維幾乎沒有發(fā)熱效果。“∞”字型和“井”字型網(wǎng)格模型將每個小單元格并在一起，形成發(fā)熱串并聯(lián)電路。這種線路設(shè)計的發(fā)熱片，總電阻值不超過10 Ω，可滿足6 V低電壓下的應(yīng)用要求。6K碳纖維束交叉點電阻低于14K碳纖維。其構(gòu)成的“∞”字型和“井”字型網(wǎng)格模型電阻均較14K碳纖維對應(yīng)的值小，導(dǎo)電性能和發(fā)熱性能也更加優(yōu)異。另外，在6 V直流電壓下，6K，14K碳纖維束制成的“∞”字型和“井”字型網(wǎng)格模型發(fā)熱片均有良好的發(fā)熱效果，在通電情況下網(wǎng)格能夠維持恒定的溫度范圍，滿足市場對發(fā)熱片的應(yīng)用要求。