針織加熱織物的熱電性能

劉 皓， 李 津， 陳 莉， 康衛(wèi)民， 楊海樂(lè)

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

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針織加熱織物的熱電性能

劉 皓1,2， 李 津1,2， 陳 莉1,2， 康衛(wèi)民1,2， 楊海樂(lè)1

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

為研究鍍銀導(dǎo)電長(zhǎng)絲在積極保暖服裝中應(yīng)用的可行性，對(duì)導(dǎo)電長(zhǎng)絲的熱電穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，并采用鍍銀導(dǎo)電長(zhǎng)絲和滌綸短纖紗制作了3種不同結(jié)構(gòu)的針織加熱織物以研究其加熱效果。結(jié)果顯示，鍍銀導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻隨著老化時(shí)間和老化溫度的增加而增大。通過(guò)提取和分析鍍銀導(dǎo)電長(zhǎng)絲和針織加熱織物表面的紅外溫度圖像，得出其表面最高平衡溫度與功率消耗密度呈正比關(guān)系，且針織加熱織物的功率消耗密度與模擬服裝內(nèi)部的平衡溫度也高度線性相關(guān)。

積極保暖； 鍍銀長(zhǎng)絲； 熱電性能； 針織加熱織物； 紅外溫度圖像

隨著材料技術(shù)和電子設(shè)備的改進(jìn)，智能服裝將變得越來(lái)越輕并且擁有更多的功能。智能服裝能夠獲取環(huán)境和人體的信息并且做出快速反應(yīng)以幫助人體避免寒冷、炎熱或來(lái)自其他方面的傷害[1-2]。加熱服裝是智能服裝的一個(gè)重要分支，由于人們生活水平的提高，對(duì)于服裝的熱舒適性的要求也越來(lái)越高。電加熱服裝(EHG)受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注，其具有化學(xué)反應(yīng)加熱式服裝所不具備的優(yōu)點(diǎn)，電加熱服裝能夠精確測(cè)量和控制服裝內(nèi)部的溫度以保持人體的舒適，能夠通過(guò)手持設(shè)備與人們進(jìn)行交互[3-4]。除了電子設(shè)備之外，服裝內(nèi)部加熱元件是電加熱服裝的關(guān)鍵部分，其性能的穩(wěn)定和加熱效果對(duì)于智能加熱服裝的性能至關(guān)重要。對(duì)于加熱織物和加熱服裝的研究已經(jīng)有很多的文獻(xiàn)和專利[5-6]。研究人員利用聚吡咯[7]、不銹鋼紗線[8-9]、超細(xì)銀絲[10]或鍍銀導(dǎo)電紗線[11]等導(dǎo)電材料制作出加熱織物，并對(duì)其加熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。HAMDANI Syed Talha Ali等[12]研究了針織物結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)屬性、織造方法、接觸點(diǎn)接觸壓力等因素對(duì)織物加熱性能的影響，并采用紅外溫度圖像研究了熱量在織物表面的分布狀況。加熱織物和加熱服裝除了尺寸和質(zhì)量2個(gè)重要指標(biāo)外，加熱織物的熱穩(wěn)定性、織物表面溫度的分布均勻性和功率消耗與溫度的關(guān)系也是非常重要的指標(biāo)。本文擬采用老化實(shí)驗(yàn)研究鍍銀紗線的熱穩(wěn)定性，并對(duì)其織造的3種不同結(jié)構(gòu)針織加熱織物的熱電性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，以期為柔性、穩(wěn)定和安全的加熱織物的開(kāi)發(fā)及性能評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 加熱針織物的制作

采用9.5 tex的鍍銀導(dǎo)電長(zhǎng)絲(CSPF，佛山市順德瑞能達(dá)特殊塑料貿(mào)易有限公司)和20 tex的滌綸短纖紗線(響水新茂紡織有限公司)在STOLL電腦橫機(jī)(CMS 320 TC，德國(guó))上織造了平針、羅紋和雙羅紋3種結(jié)構(gòu)的電加熱針織物(KHFs)。加熱針織物的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 針織加熱織物的尺寸

注：織物橫、縱向尺寸是以線圈的橫、縱方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的。

1.2 導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電熱穩(wěn)定性測(cè)試

剪取15 cm長(zhǎng)度的導(dǎo)電長(zhǎng)絲30根，每根紗線的兩端分別被2片高純鋁片夾持，中間間隔10 cm，導(dǎo)電長(zhǎng)絲被分成3組貼在3片紙板上，每根紗線被編號(hào)并通過(guò)USB 4065萬(wàn)用電表測(cè)量其電阻。3組導(dǎo)電長(zhǎng)絲被分別放入溫度為80、100、120 ℃的3個(gè)烘箱中。每隔24 h測(cè)量紗線的電阻并記錄。

1.3 針織加熱織物的表面溫度測(cè)試

采用紅外攝像機(jī)TP8，ADAM 4015、4017和4060、USB 4065(測(cè)量分辨率為6位半)開(kāi)發(fā)了織物紅外熱性能測(cè)試儀(如圖1所示)，并利用Vitual Studio2008 開(kāi)發(fā)了其測(cè)量控制軟件。該測(cè)量?jī)x能夠利用固態(tài)繼電器控制加熱織物的電源，用電壓表和電流表精確測(cè)量加熱織物兩端的電壓和流過(guò)的電流，用紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄織物表面的溫度圖像，紅外攝像機(jī)的分辨率為384像素×288像素，溫度測(cè)量精度為±1 ℃，軟件采集的實(shí)際頻率可達(dá)16幀/s。由于織物通電后表面溫度在開(kāi)始階段上升迅速，隨后溫度變化趨于平穩(wěn)，因此為了減少采集的數(shù)據(jù)量，在織物加熱過(guò)程中采用變頻的方式采集紅外溫度圖像，開(kāi)始階段的采集頻率為5幀/s，穩(wěn)定階段為1幀/s，而散熱階段為0.5幀/s。

圖1 織物熱性能測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Pricinple diagram of fabric thermal performance apparatus

1.4 針織加熱織物的加熱性能測(cè)試

功率消耗和平衡溫度的關(guān)系對(duì)于加熱織物和加熱服裝的設(shè)計(jì)非常重要。3種不同的覆蓋織物(A，B和C)被用于模擬不同的服裝，A，B和C覆蓋織物的熱阻分別為0.23、0.31、 0.36 mK/W。A 覆蓋織物由3層織物構(gòu)成：純棉平紋織物，1 cm厚的滌棉絮和純棉平紋織物，B與A 覆蓋織物有相同的結(jié)構(gòu)，但其中間層是2cm厚的滌棉絮。C覆蓋織物為1 cm厚的滌綸搖粒絨織物。采用自主研制的溫度控制和功率測(cè)量系統(tǒng)[10]測(cè)量在預(yù)設(shè)溫度下織物內(nèi)部的功率消耗。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 針織加熱織物功率消耗測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of power consumption measurement of KHFs

測(cè)量單元被放置在一個(gè)溫度和濕度均可調(diào)節(jié)的老化箱內(nèi)，2層襯底被放置在針織加熱織物的上下2層，在上層襯底的上面放上保暖用的覆蓋織物。在每2層之間分別放置1～2個(gè)PT100溫度傳感器，功率測(cè)量軟件采用LabVIEW 2011軟件工具開(kāi)發(fā)。 在不同的平衡溫度(5、10、15、20、25、28℃)和不同的環(huán)境溫度(0、-10、-20 ℃)下測(cè)量了雙羅紋加熱織物在3種不同覆蓋織物下的功率消耗。

2 結(jié)果和討論

在11 d的老化后，120 ℃環(huán)境溫度下導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻急劇增加，電阻超過(guò)了儀器的測(cè)量最大值(100 MΩ)，而100、80 ℃環(huán)境下導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻分別增加了78% 和17.8%(見(jiàn)表2)。測(cè)量結(jié)果顯示在80 ℃環(huán)境下導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻先增加并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)加熱織物時(shí)，不僅需要考慮加熱織物的最高溫度，而加熱織物中局部導(dǎo)電長(zhǎng)絲的表面溫度也是設(shè)計(jì)當(dāng)中要考慮的一個(gè)非常重要的參數(shù)。

表2 導(dǎo)電長(zhǎng)絲電阻與老化時(shí)間

導(dǎo)熱公式為

式中：φ為總的熱流量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為導(dǎo)熱面積；δ為材料厚度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；ε為物體的發(fā)射率；σ為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)；T為物體的熱力學(xué)溫度。

導(dǎo)熱公式的右側(cè)顯示了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種熱轉(zhuǎn)移的形式，左側(cè)表示在一定的溫差和熱力學(xué)溫度下物體的熱量轉(zhuǎn)移量。由于導(dǎo)電長(zhǎng)絲兩端電壓恒定，因此其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量Q基本穩(wěn)定，在開(kāi)始加熱階段，導(dǎo)電長(zhǎng)絲與環(huán)境的溫度差很小，因?yàn)棣?

圖3示出導(dǎo)電長(zhǎng)絲表面最高溫度與時(shí)間關(guān)系。可看出，隨著通電時(shí)間的增加，溫度在增加，并最終達(dá)到穩(wěn)定的平衡溫度，表面最高溫度隨著負(fù)載電壓的增加而增加。

圖3 導(dǎo)電長(zhǎng)絲表面最高溫度與通電時(shí)間Fig.3 Surface maximum temperatures of CSPF vs. electrifying time

圖4示出導(dǎo)電長(zhǎng)絲的最高表面溫度與負(fù)載電壓及電壓與電流關(guān)系。由圖可看出溫度與電壓呈線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.961，且負(fù)載電壓與負(fù)載電流也高度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.998。這表明在導(dǎo)電長(zhǎng)絲的通電過(guò)程中，其電阻的穩(wěn)定性非常好。

圖4 導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電壓與最高溫度和電流關(guān)系Fig.4 Voltages of CSPF vs. maximum temperature(a) and current (b)

圖5示出3種針織加熱織物的紅外溫度圖像。可以看到其表面溫度穩(wěn)定均勻。圖6示出雙羅紋針織加熱織物的表面最高溫度隨時(shí)間和電壓變化的曲線。其原理與前述導(dǎo)電長(zhǎng)絲表面溫度變化類似。

圖5 在4 V電壓下平針、羅紋和雙羅紋 的紅外溫度圖像Fig.5 Infrared images(a), (c) and (e) and 3-D temperature images (b), (d) and (f) of plain, rib, interlock at 4 V

圖6 雙羅紋針織加熱織物的表面最高溫度與時(shí)間Fig.6 Surface maximum temperature of interlock KHFs vs. time

圖7示出3種不同結(jié)構(gòu)的針織加熱織物的功率密度與表面最大平衡溫度關(guān)系。由圖可看出二者呈線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.989，3種織物的關(guān)系曲線基本重合。這表明加熱織物的加熱效率與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，僅僅與織物的功率密度相關(guān)。要評(píng)價(jià)加熱織物的加熱性能，除了功率密度和額定功率外，加熱織物的電阻穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的參數(shù)。

圖7 3種不同結(jié)構(gòu)針織加熱織物的功率密度 與最高平衡溫度Fig.7 Power densities of three kinds of KHFs vs. maximum equilibrium temperature

圖8示出平針、羅紋和雙羅紋3種加熱織物的電阻與電壓關(guān)系。由圖可知，電阻會(huì)隨著負(fù)載電壓的增加而減小，其減小的比例分別為25%，4.3%和9.6%。平針結(jié)構(gòu)針織加熱織物電阻變化大的原因是其結(jié)構(gòu)比較松散，在導(dǎo)電長(zhǎng)絲受熱膨脹時(shí)，導(dǎo)電長(zhǎng)絲接觸點(diǎn)之間的接觸面積增加，因此其整體電阻減少得較多。

圖8 3種不同結(jié)構(gòu)針織加熱織物的電阻與負(fù)載電壓Fig.8 Resistance of three kinds of KHFs vs. loading voltage

表3示出A，B和C 3種覆蓋織物在不同設(shè)定溫度和環(huán)境溫度下的功率消耗。由于加熱織物的設(shè)計(jì)功率為6.5 W，要提高功率需要提高輸入電壓，這將會(huì)導(dǎo)致織物內(nèi)部導(dǎo)電紗線局部溫度過(guò)高而被破壞。表3顯示在-10 ℃環(huán)境溫度下，加熱織物的設(shè)定功率無(wú)法使A，B 2種覆蓋織物內(nèi)部溫度達(dá)到28 ℃，而在-20 ℃的環(huán)境溫度下，加熱織物的設(shè)定功率只能使A和B 2種覆蓋織物內(nèi)部達(dá)到10 ℃左右。

表3 在不同的環(huán)境溫度和覆蓋織物下的功率消耗

在不同的環(huán)境溫度下，覆蓋織物內(nèi)部的設(shè)定溫度與消耗的功率之間的關(guān)系為

式中：y表示加熱織物的功率消耗，W；x表示覆蓋織物內(nèi)部的設(shè)定溫度，℃。

可見(jiàn)，覆蓋織物內(nèi)部的設(shè)定溫度與功率消耗呈高度的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)了0.963 7。

3 結(jié) 論

采用導(dǎo)電長(zhǎng)絲和滌綸短纖紗織造了平針、羅紋和雙羅紋3種針織結(jié)構(gòu)加熱織物。經(jīng)過(guò)11 d的老化后，120 ℃溫度下導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻超出儀器的測(cè)量范圍，而在100、80 ℃環(huán)境下導(dǎo)電長(zhǎng)絲的電阻分別增加了78% 和17.8%。通過(guò)分析加熱織物的紅外溫度圖像數(shù)據(jù)，加熱織物表面最大平衡溫度和功率消耗密度高度線性相關(guān)。測(cè)量結(jié)果也顯示了在模擬服裝內(nèi)的平衡溫度與功率消耗呈線性關(guān)系，且羅紋與雙羅紋結(jié)構(gòu)的加熱織物比平針結(jié)構(gòu)加熱織物的電阻更穩(wěn)定。由于針織加熱織物具有制作簡(jiǎn)單和表面溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)，其在積極保暖領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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Thermal-electrical properties of knitted heating fabrics

LIU Hao1,2, LI Jin1,2, CHEN Li1,2, KANG Weimin1,2, YANG Haile1

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China； 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileCompositeMaterials,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

To investigate the feasibility of coated silver polymeric filament (CSPFs) used in active warming clothing, some experiments were performed for testing the thermal-electrical stability of CSPFs, and three kinds of knitted heating fabrics (KHFs) were designed and fabricated by using CSPFs and polyester yarns to study their heating effects. Experimental results showed resistances of CSPFs increased with ageing time and ageing temperature. By taking and analyzing infrared temperature images of KHFs and CSPFs, surface maximum equilibrium temperatures of KHFs and CSPFs are strongly linear correlative with the power consumption density. Furthermore, the power consumption density of KHFs is also strongly linear positive correlative with the inner equilibrium temperature of mimetic clothing.

active warming; coated silver polymeric filament; thermal-electrical performance; knitted heating fabric; infrared temperature image

10.13475/j.fzxb.201501005005

2013-12-19

2014-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51473122)；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(20120321)

劉皓(1977—)，男，博士。研究方向?yàn)橹悄芗徔棥⒉牧虾椭悄芊b。E-mail:liuhao@tjpu.edu.cn。

TS 186.9

A