電熱織物制備技術(shù)研究進(jìn)展

丁小蝶 唐 虹 張成蛟 唐天一

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)劍橋國際學(xué)校，北京，100029）

為了使長時間處于嚴(yán)寒環(huán)境中的人體僅通過增加服裝保暖性也能維持人體熱量平衡，研究人員開始探索可自主加熱且穩(wěn)定的電加熱元件，并集成于服裝中。常用的電加熱元件有電熱金屬絲、電熱膜及電熱織物3 種，其中電熱織物因具有透氣透濕性良好、柔軟度高且可根據(jù)需求裁剪等優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)與重要的研究方向［1］81。電熱織物是以一定的制備方法將電熱材料負(fù)載在紡織品基底材料上，根據(jù)焦耳加熱原理，將電能轉(zhuǎn)化為熱能［2］19，使得織物溫度升高，從而將熱量傳遞到周圍環(huán)境。目前，電熱織物開始應(yīng)用于日常保健、體育娛樂、低溫作業(yè)、醫(yī)療軍事等領(lǐng)域，如發(fā)熱護(hù)腰護(hù)膝、暖宮帶、電熱睡袋、滑雪服等滿足人們?nèi)粘１＝∨c體育娛樂的需求，冷庫工作服、海下潛水作業(yè)服［3］、高空清潔服［4］、軍隊(duì)防寒服［5］等則是針對低溫作業(yè)與特殊環(huán)境的需求。

1 制備技術(shù)

1.1 電熱材料

電熱織物由紡織品基底材料和電熱材料構(gòu)成，將電熱材料通過一定方法整合在不具有導(dǎo)電性質(zhì)的基體表面?；撞牧蠟榭椢锘蛩跃郯滨渲模?］，具有柔軟透氣、耐磨、絕緣、耐機(jī)械強(qiáng)度高、電阻率低等 特點(diǎn)，具體有棉織物［7］4691，［8］、滌綸織物、錦綸織物等；電熱材料包括金屬類材料、碳系材料、導(dǎo)電高聚物以及鍍金屬類材料等，其性能對電熱織物特性影響很大。

金屬類材料是最早應(yīng)用于電加熱產(chǎn)品的，以金屬長絲的形式與衣用纖維混紡成導(dǎo)電紗線，再與普通紗線經(jīng)機(jī)織、針織、刺繡工序加工后形成導(dǎo)電織物?；蛞越饘偌{米線的形式通過浸漬法等涂覆技術(shù)制備。通常采用電導(dǎo)率最高可達(dá)6.3×107S/cm、熱導(dǎo)率為429 W/（m·K）的銀材料［9］，除性能優(yōu)良外，柔韌性與抗菌性也較好，但拉伸狀態(tài)下易斷裂，無法保持較低電阻；其次是電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率僅次于銀的銅，其不僅來源廣泛，價格也遠(yuǎn)低于銀，但依舊存在易氧化，柔性較差等缺點(diǎn)。純金屬導(dǎo)電織物最常見的形式是將金屬纖維作為發(fā)熱元件直接植入普通服用織物中，如電熱毯、發(fā)熱墊就是將特制絕緣金屬發(fā)熱元件織入毛毯里。

碳納米管、石墨烯、炭黑等碳系材料以納米顆粒的形式附著在普通纖維表層，也可形成導(dǎo)電纖維。相比于金屬導(dǎo)電材料，這類材料的原材料來源廣，柔性更好，便于織造成更貼合人體的服裝，且可隨意裁剪，因此應(yīng)用更為廣泛。其中碳納米碳管電導(dǎo)率在1 000 S/cm～2 000 S/cm［10］81，熱導(dǎo)率在3 000 W/（m·K）～3 500 W/（m·K），具有拉伸性能高、電流載荷量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、量輕等優(yōu)點(diǎn)［11］。但其徑向熱交換性能較低，且存在團(tuán)聚現(xiàn)象以及交結(jié)糾纏現(xiàn)象，致使碳納米管更難以穩(wěn)定、均勻地分散。石墨烯導(dǎo)熱性能高于碳納米管，電導(dǎo)率高達(dá)1×108S/cm［12］、強(qiáng)度高彎折性好、抗菌效果顯著，但在空氣中易氧化成氧化石墨烯，性能降低，且制備技術(shù)繁瑣。碳纖維不僅熱效率高、安全性好且質(zhì)量輕，可與紡織法結(jié)合，開發(fā)兼具發(fā)熱保暖和醫(yī)療保健功效的紡織品。目前市場具有代表性的電熱織物JERNANO 碳納米管薄膜具有超輕、超薄、超柔等特點(diǎn)，可1 s 快速升溫，最高發(fā)熱溫度檔至53 ℃，電熱轉(zhuǎn)換率達(dá)99.9%，控溫精度達(dá)0.1 ℃；可實(shí)現(xiàn)40 次標(biāo)準(zhǔn)機(jī)洗、10 萬次耐彎折揉搓，抗拉強(qiáng)力達(dá)100 N，可運(yùn)用在穿戴式加熱產(chǎn)品中。但此類產(chǎn)品價格貴，制備過程十分耗能。

有機(jī)導(dǎo)電材料包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔4 大類。通常采用涂層類方法制備導(dǎo)電織物。聚吡咯成本低、穩(wěn)定性好、成膜性好，是紡織材料中應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電聚合物，也是開發(fā)電子智能紡織品的較好選擇之一。聚吡咯電導(dǎo)率在1×102S/cm～1×103S/cm，成本低、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、成膜性好、導(dǎo)電性強(qiáng)［13］，但較難以紡織法織造，較難控制電阻精度。

鍍金屬類材料是以電鍍、化學(xué)鍍或者真空鍍的方式，將柔韌性好的金屬鍍在普通紗線或纖維上所得到的導(dǎo)電紗線，是近年來導(dǎo)電纖維的研究新方向之一。與純金屬相比，屬于間接利用金屬材料的導(dǎo)電性能，且更容易編織成電熱織物。如鍍銀纖維具有較好的可紡性與抗菌性、靜電防護(hù)性［14］，但在水洗與脫落氧化方面存在一定缺陷，且金屬鍍層工藝較為復(fù)雜，耐用性較差。

1.2 加工工藝

1.2.1 涂層法

涂層法包括浸漬法、噴涂法、刮涂法、絲網(wǎng)印刷法、原位聚合法、氣相聚合法等制備方法。這類方法與紡織法相比簡便易行，采用織物作為基底材料，通過調(diào)節(jié)涂層工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)電熱性能與電熱織物的柔性和強(qiáng)度。

浸漬法簡單易行，無需復(fù)雜貴重的設(shè)備，但常需要多次浸漬，比較耗時，而且很難控制織物表層導(dǎo)電涂層的均勻性，以致于影響最終電熱元件的發(fā)熱效果?？筛淖兘n液濃度［7］4691、浸漬時間、浸漬次數(shù)［15］和干燥條件等確定最優(yōu)工藝參數(shù)，增加織物導(dǎo)電涂層的黏附性，提高導(dǎo)電性、產(chǎn)熱能力和穩(wěn)定性。相對于浸漬法來說，噴涂法與刮涂法則是分別通過在織物表面噴涂溶液與在織物表面以刮涂導(dǎo)電復(fù)合材料的工藝制備電熱織物。所制備的導(dǎo)電涂層相對均勻，效率高，但噴涂法液體損耗量大、易污染環(huán)境，刮涂法只適用于輕薄涂層。而絲網(wǎng)印刷法利用刮板擠壓油墨，可以將不同形狀和寬度的導(dǎo)電線路和圖案直接印刷在柔性基底表面。該方法具有簡單通用、成本低和可規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，不過涂層的性能受印刷工藝參數(shù)、導(dǎo)電油墨、印刷圖案和基底的影響較大。當(dāng)印刷次數(shù)達(dá)到一定量后，表面導(dǎo)電油墨趨于飽和，表面溫度變化不大［16］。與其他涂層類方法相比，原位聚合法、氣相聚合法［17］1427所制備的電熱元件，具有工藝簡單，耗時較短，導(dǎo)電材料能進(jìn)入織物內(nèi)部的優(yōu)點(diǎn)［10］83，也是采用聚吡咯等導(dǎo)電聚合物制備電熱織物的常用方法。通過將反應(yīng)性單體、氧化劑、織物三者相互混合，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后，聚合物沉積在織物表面制得電熱織物。但存在成本相對較高，較難把握涂層的均勻性，且對操作控制和單體質(zhì)量的要求較高等不足［18］。

1.2.2 紡織法

紡織法通過針織、機(jī)織和刺繡［2］21，［10］82-83等 技術(shù)，將金屬纖維、鍍金屬絲線和碳基纖維等導(dǎo)電加熱材料織入或縫入織物中。紡織法加工的電熱織物可以更好地貼合人體，在賦予織物電熱性能的同時，又能保證電熱材料的力學(xué)性能不被損壞。但此法易受內(nèi)部電熱材料的排布設(shè)計(jì)、柔性和耐久性等因素的影響。

針織法是將導(dǎo)電紗線與普通紗線通過線圈的形式相互串套織造電熱織物，其結(jié)構(gòu)簡單，舒適性與透氣性好，但結(jié)構(gòu)狀態(tài)不穩(wěn)定，易變形，對織物的電熱性能造成影響。機(jī)織以一定的組織結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電紗線與普通紗線進(jìn)行經(jīng)緯紗交織制備電熱織物。所制備的電熱織物緊密均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)熱均勻性好［1］81，導(dǎo)電紗形變相對較小，對導(dǎo)電紗線的拉伸強(qiáng)度和耐磨性有一定要求。刺繡法將導(dǎo)電紗線以設(shè)計(jì)電路圖案縫入織造好的基底材料中。這種制備工藝具有電路設(shè)計(jì)更靈活，使用較少導(dǎo)電紗線，具有可裁剪性和可定制性等優(yōu)點(diǎn)［19］，但易受內(nèi)部導(dǎo)電紗線的柔性影響。

在完成基底材料與導(dǎo)電材料的前期準(zhǔn)備工作后，通過不斷完善涂層工藝緩解部分涂層類制備加熱元件涂層不均勻的問題，或選擇合適的紡織類制備技術(shù)，都有助于制備電熱性能優(yōu)良的電熱織物。雖然目前電熱織物存在多種成形方法，但在發(fā)熱均勻及工藝簡化等方面仍需進(jìn)一步研究。

2 電熱織物設(shè)計(jì)

制備性能優(yōu)良的電熱織物，除了考慮電熱織物制備技術(shù)的影響，還要對電熱織物電熱材料排布、電熱織物形狀以及電熱織物的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 電熱材料排布設(shè)計(jì)

選擇相同的織物材料時，合理設(shè)計(jì)電熱織物中電熱材料的植入密度，不僅有利于控制織物加熱成本，還可以保證電熱織物良好的發(fā)熱特性，達(dá)到較好的發(fā)熱均勻性。有研究表明在機(jī)織物中導(dǎo)電紗線加熱單元隨著間距變小，電熱織物最大加熱溫度與升溫速率也隨之變高，發(fā)熱均勻性越好［20］。YEN R H 等人［21］762發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電紗線之間的距離與導(dǎo)電紗線的寬度之比在4、8、16 時，發(fā)熱均勻性分別為96%、88%和59%。這主要是因?yàn)楫?dāng)織物電阻一定時，非導(dǎo)電紗間隔根數(shù)的成比例減少導(dǎo)致織物單位面積上導(dǎo)電紗根數(shù)增多，單位面積發(fā)熱元件數(shù)量增多，織物最大加熱溫度升高，溫度上升速率變大，但導(dǎo)電紗間距過短會造成電路短路。

2.2 電熱織物形狀設(shè)計(jì)

制備電熱織物時，對其電路圖案、尺寸、厚度等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，有助于提高其電熱性能。由于平面型電熱織物彈性有限，需要可變形的電路來提高整體穿著的舒適性，為此開發(fā)并研究了各種電路樣式的可穿戴電熱織物，如條紋形、馬蹄形、U 形、半圓形和橢圓形等。研究人員對不同形狀的電路圖案進(jìn)行模擬與比較，發(fā)現(xiàn)馬蹄形效果最優(yōu)，能夠適應(yīng)機(jī)械應(yīng)力帶來的變形［22］，并且這種馬蹄形電路圖案中的弧形區(qū)域會阻礙內(nèi)部自由電子的流動，使得不易移動的自由電子相互碰撞從而增加了電熱織物的電阻。此外，電熱織物尺寸的縮小有助于提高其電熱性能。KIM H 等人［23］經(jīng)探究發(fā)現(xiàn)在相同圖案的電路中，馬蹄形電熱織物尺寸分別為50 mm×50 mm、75 mm×75 mm、100 mm×100 mm，在施加40 V 電壓后溫度分別達(dá)到101 ℃、65.5 ℃、49.8 ℃。馬蹄形電路圖案尺寸越小，弧形區(qū)域內(nèi)半徑越小，電子更容易碰撞，其振幅與高度越小，電熱織物發(fā)熱均勻性越好。當(dāng)電熱織物尺寸不變時，隨著厚度增加，會導(dǎo)致熱量流向更大的范圍，溫度分布變得更加均勻。厚度為1.2 mm 的電熱織物能夠達(dá)到96%的發(fā)熱均勻性［21］767。然而，較厚的電熱織物也需要更長時間達(dá)到目標(biāo)溫度。

2.3 電熱織物分布設(shè)計(jì)

長時間暴露在冷環(huán)境中，人體會產(chǎn)生冷應(yīng)激。與四肢相比，向人體軀干區(qū)域供熱在抵御寒冷方面效果更為明顯。熱量可以通過循環(huán)血液由軀干部位到達(dá)肢端、再到達(dá)皮膚表層，與外界進(jìn)行熱交換，血液中的熱量從軀干部位出發(fā)開始逐漸散失。因此加熱位置大多選擇胸部、腹部、上背部、下背部等部位［24-25］。而與其他身體部位相比，四肢又由于比表面積較其他區(qū)域更大且局部代謝率較低，因此對冷環(huán)境感知更為敏感。例如，冷暴露會減少流向手部的血流量，降低工作中手部的靈活性，嚴(yán)重時會對手部造成傷害［26］。雖然沒有足夠的研究表明，對足部這些四肢部位加熱可以提高身體的整體體溫，但向足部供暖會影響局部知覺反應(yīng)，而這種知覺反應(yīng)可以提高整體的熱舒適感［27］。此外，像膝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等易受寒冷空氣影響產(chǎn)生疾病的關(guān)節(jié)部位，也需要重點(diǎn)保護(hù)。

3 性能指標(biāo)

電熱織物性能主要包括電熱性能與服用性能。國外對于電熱織物的研究已較成熟，主要集中在電熱織物性能的研究和制備新型電熱元件。而國內(nèi)對這方面的研究多集中在對電熱織物的制備技術(shù)和性能測試上，但對于電熱織物的性能指標(biāo)、測試方法都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如IEC 60335—2—17：2022《Household and similar electrical appliances-Safety-Part 2-17：Particular requirements for blankets，pads，clothing and similar flexible heating appliances》等國外標(biāo)準(zhǔn)主要涉及的是家用和類似用途的加熱地毯等電熱器件，偏重于電器安全；而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中各性能的測試都稍有提及，但不全面，如國內(nèi)GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗(yàn)方法》規(guī)定了部分電熱性能與力學(xué)性能的相關(guān)測試方法，T/CNTAC 24—2018《電加熱服裝》主要是針對服裝質(zhì)量要求、電器安全要求等方面制定的標(biāo)準(zhǔn)，以及GB/T 23108—2021《家用和類似用途電熱墊性能測試方法》則是替代原有標(biāo)準(zhǔn)修改了溫度均勻性的試驗(yàn)方法、增加了洗滌次數(shù)的要求等部分性能指標(biāo)與測試方法。因此，國內(nèi)外現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)都缺少關(guān)于電熱織物電熱性能、服用性能中對安全性、舒適性、耐用性等指標(biāo)的一系列全面測試評價體系。

3.1 電熱性能

織物電熱性能很大程度上取決于電熱材料的選擇。因此性能優(yōu)良的電熱材料應(yīng)該具有電熱轉(zhuǎn)換率高、升溫效率高、發(fā)熱穩(wěn)定并散熱均勻的效果，能快速解決人體的保暖問題，滿足人體熱舒適性能的服裝需求。為此，陳莉等［28］51將鍍銀長絲襯入針織物中，探究并分析其電熱性能。在5 V電壓下，織物穩(wěn)定工作溫度能滿足人體最合適溫度，達(dá)到36.7 ℃以上；在設(shè)定環(huán)境溫度下，電阻變化率僅為2%；織物表面溫度分布均勻，表面溫差不超過1 ℃。通過相關(guān)性能研究［17］1427，［28］51-53，［29］，對電熱性能的測試主要包括最大加熱溫度、升溫時間、發(fā)熱均勻性（溫度分布系數(shù)）、熱穩(wěn)定性（電阻變化率）等，前三項(xiàng)可采用GB/T 7287—2008 或GB/T 23108—2021 進(jìn)行測試，熱穩(wěn)定性可采用AATCC 76—2018《織物表面電阻率》進(jìn)行測試。

3.2 服用性能

由于電熱織物主要運(yùn)用于服裝服飾中，與人體皮膚接觸，存在一定安全隱患。因此在設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮電熱織物的安全性能，尤其是電學(xué)安全性。主要包括移動電源安全性、電器安全性、電磁兼容性、電發(fā)熱安全性、特殊存放安全性［30］，以及短路保護(hù)裝置。為保障人體使用安全或穿戴附有電熱織物的產(chǎn)品，所制備的電熱產(chǎn)品應(yīng)在安全電壓的范疇內(nèi)，即額定輸入電壓不大于12 V［31］。人們在根據(jù)自身需求挑選市面上已有的電熱產(chǎn)品時，產(chǎn)品的柔性、舒適性也是重點(diǎn)考慮的方向。除了通過織物抗彎剛度來判斷電熱織物的柔性外，也可以利用真人穿著試驗(yàn)進(jìn)行舒適性能測試評價，從客觀的角度監(jiān)測人體在特定環(huán)境下穿著附有電熱織物的服裝后生理指標(biāo)的變化情況，與此同時對受試者進(jìn)行主觀感受的舒適性評價。根據(jù)個別用戶的需求，電加熱服裝需在戶外環(huán)境或相對惡劣的環(huán)境下使用，尤其是雨雪天氣下，為避免突發(fā)狀況，充分考慮用戶在使用過程中對通電時間、防水性、耐水洗性等服用性能的要求。對于安全性能（電安全性），測試參照GB 4706.8—2008《家用和類似用途電器的安全 電熱毯、電熱墊及類似柔性發(fā)熱器具的特殊要求》以及GB 4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》；對于舒適性能（剛?cè)嵝裕瑴y試參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定第1 部分：斜面法》；對于耐用性能，耐彎曲性和通電壽命測試參照GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗(yàn)方法》，防水性能測試參照GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級（IP 代碼）》，耐水洗性能測試參照GB/T 23108—2021《家用和類似用途電熱墊性能測試方法》。

4 結(jié)語

電熱織物是功能加熱服裝中電能轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵部件。根據(jù)需求設(shè)計(jì)電熱織物時，應(yīng)綜合考慮每種電熱材料、制備工藝的特點(diǎn)，結(jié)合電熱織物電熱材料與設(shè)計(jì)因素，制定合適的制備技術(shù)與設(shè)計(jì)方案，揚(yáng)長避短，以達(dá)到最終的性能要求。隨著電熱織物研究的深入，未來可以在保證其輕便透氣的同時兼具電熱性能；在保證用電安全的前提下，開發(fā)出具有良好防水性能的電熱材料，提高產(chǎn)品的通電壽命和洗滌維護(hù)的便捷性；重點(diǎn)對其材料選用、制備工藝以及性能測試方法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步探索和研究。將電熱織物與當(dāng)前新材料、微型傳感器等新型電子技術(shù)相結(jié)合，貼合市場需求，對不同用戶進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)，才能更好地實(shí)現(xiàn)電熱織物的功能化、智能化和產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)一步拓寬電熱織物的應(yīng)用領(lǐng)域。