服裝用發熱碳纖維串并聯模型對發熱效率及均勻性的影響

吳官正， 張玲， 范佳璇， 董維鋒， 韓曉果， 肖學良

(江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

傳統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，因而研發人員提出積極主動的發熱保暖模式[1]。他們認為發熱服裝對御寒保暖作用更大，特別適合某些寒冷地區的作業人員(如高海拔地區駐守士兵、登山運動員和極地考察站的工作人員等)。此類發熱服裝的內部裝有小塊面積的發熱片和移動式充電寶。目前，市面上的發熱片大多是基于碳纖維的發熱絲束組合而成，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，可以起到良好的發熱御寒功效，具有很好的應用前景。

碳纖維(CF)因其高比強度、高比模量、低線膨脹系數、低密度、抗腐蝕、耐高溫、優異的熱及電傳導性等功能特點[2]，在飛機制造、國防軍工、汽車、醫療器械、體育器材等領域有著廣泛的應用[3-5]。同時，在紡織服裝領域，結合碳纖維高比強度、比模量、耐疲勞、導電、發熱的優良性能，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電發熱性能，是提高碳纖維發熱面料應用的關鍵[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以上的工業級大絲束碳纖維。碳絲束內纖維根數越多，纖維接觸面積越大，發熱電阻就越小，有利于發熱功率的提升，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小，導熱系數大。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]，比較適合發熱纖維的性能要求。

當前較為成熟的碳纖維組合發熱模式比較單一，發熱面積小，發熱均勻性尚待考察。為了改變這一現狀，文中以碳纖維作為服裝發熱層，設計制備不同串并聯模式的發熱片。通過對碳纖維發熱層進行線路設計，研究發熱面料的發熱效率和發熱均勻性。期望得到的發熱面料在小于10 V低電壓下即可加熱使用，達到良好的發熱效果，促進人體的血液循環，滿足極寒地區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，藍色)，東莞佳聯達無紡布有限公司生產；6K,14K碳纖維發熱絲束，深圳東利電子有限公司生產。

1.1.2儀器 “4001”型學生電源(供應直流電壓范圍1.5～9 V)，江蘇樹興教學設備有限公司制造；VC890C+勝利數字萬用表，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 碳纖維發熱模型設計

1.2.1“∞”字型網格線路模型 取4根長240 mm的碳纖維制作成“∞”字型線路結構，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，制得發熱模塊作為電路中的外接發熱電阻，外接電源提供6 V電壓。閉合電路開關5 s后，采集線路模型中①～③ 3個點的發熱溫度[9]，記為發熱片的溫度分布。

圖1 碳纖維“∞”型發熱模型設計Fig.1 Design of carbon fibers with ′∞′ type heating model

1.2.2“井”字型網格線路模型 分別取6根長110和240 mm的碳纖維絲束制作成6×6網格型線路結構，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，制得發熱模塊作為電路中的外接發熱電阻。該發熱模型中含有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5 s后，采集網格型線路中7個交匯點①～⑦的發熱溫度，以探測該網絡模型的發熱均勻性。

圖2 碳纖維“井”字型發熱線路設計Fig.2 Design of carbon fibers wtih ′井′ type heating line

2 發熱材料性能測試

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熱網格材料的柔軟度。按GB/T 1449—2005纖維增強塑料彎曲性能進行實驗，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，當向前推進的碳纖維前端著地則停止推進。記錄其彎曲段的長度S，重復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電性能測試 取兩根長50 mm的6K碳纖維，十字交叉，按照發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發熱性能測試 類似于導電性能測試，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后發熱碳纖維絲束中間部位的溫度。

2.2 碳纖維絲束發熱模型性能測試

2.2.1導電性能測試 分別對6K,14K碳纖維編織的網格模型發熱片進行電阻測試，按照GB/T 32993—2016用數字萬用表測試發熱片兩個接線端口之間的電阻。

2.2.2發熱性能測試 按照1.2方案，采集設定的測試點溫度，分別探究“∞”字型和“井”字型網格模塊發熱片的溫度分布規律及單點溫度隨時間變化的規律。

3 結果與討論

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。測試結果表明，14K碳纖維絲束彈性模量低，更容易彎曲，具有更加優異的柔韌性和可加工性。作為制備柔性發熱片的基材，14K碳纖維展現出了更加優異的彎曲性能；而6K碳纖維的模量和剛性高于14K碳纖維絲束，導致在制備“∞”字型網格模型時不易控制。

圖4 碳纖維彎曲性能測試俯視和側視圖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，文中使用的發熱碳纖維絲直徑在5 ～ 7 μm，比羊絨纖維還細，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，表明實驗使用的發熱碳纖維具有優異的導電性能。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Fig.5 SEM images of carbon fibers

3.3 導電性能

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異的導電性能。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，基本呈現線性增大的規律，同時測得的單束14K碳纖維導電性能優于6K碳纖維，說明碳纖維束的導電性能與測試長度和碳纖維含量有關，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，表明碳纖維絲束內纖維數量與其接觸點電阻略有相關性，其相關程度需進一步探索。

圖7 碳纖維交叉電阻的測試結果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“∞”字型網格和“井”字型網格線路模型對應兩端的電阻分別為4.6，5.5 Ω；圖8(c)和圖8(d)中14K碳纖維絲束相應的模型兩端電阻分別為8.2，8.7 Ω。由圖8可知，“∞”字型網格和“井”字型網格線路發熱模型電路中有多個重復單元格組成，單元格電路之間并聯連接，所測得的電阻均小于10 Ω，導電性能良好。在6 V的直流電壓下，單位時間內能夠釋放出較多的熱能，滿足實際發熱的應用需求。實驗測得，6K碳纖維“∞”型網格和“井”字型網格發熱模型均比14K碳纖維對應的發熱模型導電性能優良，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果。

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

3.6 發熱性能

3.6.1單根碳纖維發熱性能 圖9為單束6K，14K碳纖維導熱性能的測試結果。結合圖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 單根碳纖維絲束發熱溫度與絲束長度的關系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碳纖維絲束的發熱溫度隨絲束長度增加而逐漸降低，且兩根絲束的發熱溫度差距較小，14K碳纖維絲束發熱量稍大。結合碳纖維導電發熱性能，以及實際發熱片需求考慮[13]，一般選用≤240 mm長的碳纖維制備發熱服中的發熱片較為合理。

3.6.2碳纖維線路模型的發熱性能 圖10為6K碳纖維“∞”字型網格線路發熱性能測試結果。常溫下，6V直流電壓使得“∞”字型發熱片迅速升溫，10 min內在位置3個交叉點①，②，③溫度分別達到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“∞”字型線路設計發熱性能Fig.10 Heating performance test chart of 6K carbon fibers with ′∞′ type line design

圖11為6K碳纖維“井”字狀網格模型的發熱性能測試結果。

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

常溫下，網格型發熱片亦迅速升溫，10 min內7個交叉點①～⑦溫度分別達到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“∞”字型線路模型的發熱性能測試結果。常溫下，“∞”字型發熱片迅速升溫，10 min內3個交叉點①～③溫度分別達到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“∞”字型線路設計發熱性能測試Fig.12 Heating performance test chart of 14K carbon fibers with ′∞′ type line design

圖13為14K碳纖維“井”字狀網格模型的發熱性能測試結果。常溫下，網格型發熱片迅速升溫，10 min內7個交叉點①～⑦溫度分別達到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”字型線路設計發熱性能測試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網格型線路結構模型(見圖14(a))。制作發熱片作為電路中的外接發熱電阻，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網格型線路結構各交叉點用雙面膠固定，得到網格型結構模型(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，碳纖維發熱絲相對而言整體發熱更加均勻。由此可知，雙面膠對發熱碳纖維散熱有一定影響，但是雙面膠使得結構更加穩固，碳纖維整體發熱相對而言更加均勻。

綜上所述，碳纖維具有優異的發熱性能，在6 V直流工作電壓下升溫迅速，且能保持相對穩定的高溫狀態，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發現，14K碳纖維絲束“∞”字型線路設計和“井”字型網格型線路模型中，各點達到的溫度總體上較6K碳纖維“∞”字型線路設計和“井”字型網格型線路對應點的溫度高；“∞”字型線路設計溫度分布比“井”字型網格模型更均勻，并且“井”字型網格發熱片中間區域溫度低、兩側溫度高，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 結語

碳纖維絲束具有優異的導電導熱性能。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，能夠達到發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行了測試，結果發現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熱效果。“∞”字型和“井”字型網格模型將每個小單元格并在一起，形成發熱串并聯電路。這種線路設計的發熱片，總電阻值不超過10 Ω，可滿足6 V低電壓下的應用要求。6K碳纖維束交叉點電阻低于14K碳纖維。其構成的“∞”字型和“井”字型網格模型電阻均較14K碳纖維對應的值小，導電性能和發熱性能也更加優異。另外，在6 V直流電壓下，6K，14K碳纖維束制成的“∞”字型和“井”字型網格模型發熱片均有良好的發熱效果，在通電情況下網格能夠維持恒定的溫度范圍，滿足市場對發熱片的應用要求。