絲印滌綸面料的電加熱性能研究

文/孔令紅 馮迪飛 羅秋蘭

隨著科技發(fā)展和生活水平提高，人們對于服裝的功能要求也隨之增加。電熱服是一種功能服裝，它可以在寒冷環(huán)境下為人們提供熱量。在電力能源出現(xiàn)的時期，發(fā)明家們就開始了對電熱服的研究，最早在第二次世界大戰(zhàn)時期，為飛機駕駛員配備了裝有類似電熱毯的電熱元件的皮夾克，用于抵御高空的低溫寒冷環(huán)境[1]。近年來，電加熱服的發(fā)熱材料已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外學者對于電加熱的研究更加深入，尤其是它的集成化和服用性能，由此產(chǎn)生的相關產(chǎn)品更是數(shù)不勝數(shù)，已經(jīng)在軍事、寒冷環(huán)境以及臨床治療等領域得到了廣泛應用[2-3]。

美國的陸軍實驗室對不同的電加熱衣物進行研究，研究探索了電加熱服的性能。他們發(fā)現(xiàn)穿著電加熱服裝可以減少熱量散失，增加在寒冷環(huán)境中的忍耐時間[4]。由背心、電池和加熱載體組成遙控式電加熱服，可實現(xiàn)不同發(fā)熱功率的遙控操作，使衣內(nèi)表面溫度不低于50℃[5]。Kempson等人設計制作了一款電加熱手套用來治療肢端動脈痙攣癥等疾病，并通過熱成像儀拍出的溫度分布來為醫(yī)學治療提供參考信息，并已經(jīng)證實電發(fā)熱手套對于該類疾病的治療有著巨大的作用。在該領域，國內(nèi)學者針對在冬天無法被衣物保護而遭受寒冷溫度刺激的手部，開發(fā)出一種在低溫環(huán)境下主動加熱的技術，可實現(xiàn)手部溫度的自動調(diào)節(jié)，并保障手部在寒冷低溫環(huán)境下能夠正常進行活動[6]。隨著電加熱技術的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了背心、內(nèi)衣和夾克等電加熱相關產(chǎn)品，目前正逐步進入大眾視野，未來的應用前景相當廣闊。

本文主要通過測試新開發(fā)的碳纖維漿料絲印織物的電熱性能，使用不同的測試方法對其發(fā)熱穩(wěn)定性和耐久性進行分析，為電熱服的規(guī)范化評價與廣泛應用提供研究基礎。

1 測試部分

1.1 測試儀器

Instron 3365 CRE型強力機、彎曲屈撓測試儀、UT61數(shù)字萬用表、智能手機用紅外熱像設備、RPS3005C-2直流穩(wěn)壓電源。

1.2 測試樣品

彈性針織面料為基底制備的發(fā)熱面料（嘉興益泰樂電子有限公司提供），共9塊。

1.3 測試評價方法

1.3.1 發(fā)熱性能測試設計

（1）首先用萬用表測試面料整體的電阻，然后通過測試出的整體電阻大小來判斷需要外接的電壓大小，在外接合適大小的電壓下，測試記錄其達到50℃所需要的時間。

（2）將是否可以達到50℃作為判斷標準，從中篩選出部分發(fā)熱面料，用紅外成像設備拍攝其發(fā)熱的均勻性，以其是否發(fā)熱均勻作為標準從中再挑選出發(fā)熱面料測試其在通電狀態(tài)下的電阻穩(wěn)定性。

（3）在外接合適的電壓后，根據(jù)篩選出的發(fā)熱面料在通電之后的電阻變化，得到發(fā)熱面料通電后整體電阻大小變化的情況，以此判斷面料的加熱穩(wěn)定性。

1.3.2 力學性能測試設計

（1）設計了面料拉伸測試試驗[7]，以模擬服裝日常穿著過程中身上的衣物會不斷受到拉伸。根據(jù)FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》，使用CRE型強力機對發(fā)熱面料分別進行橫向和縱向的定伸長拉伸處理，伸長率25%，循環(huán)5次。拉伸測試后，測試其電阻。根據(jù)電阻的變化來判斷該面料的耐拉伸性能。

（2）設計了面料耐屈撓測試試驗[8]，以模擬服裝日常生活穿著過程中會有很多不同的彎曲動作。根據(jù)GB/T 12586—2003《橡膠或塑料涂覆織物耐屈撓破壞性能測定》標準中的方法C，設計對發(fā)熱面料進行2000次左右屈撓處理，然后用萬用表測試電阻的變化，根據(jù)其電阻變化情況來判斷該面料的撓曲—發(fā)熱穩(wěn)定性。

2 結果與討論

2.1 絲印發(fā)熱面料的電熱性能

2.1.1 發(fā)熱能力

本文分別將9塊布進行編號，然后用數(shù)字萬用表測試其整體電阻，根據(jù)其整體電阻的大小來選擇外接不同伏數(shù)的電壓，測試試樣達到50℃的發(fā)熱時間，從中初步挑選出合適的發(fā)熱面料進行接下來的測試，測試結果如表1所示。

表1 各試樣達到50℃所需要的發(fā)熱時間

從表1中可以看到，在規(guī)定時間能達到50℃的發(fā)熱面料共有7塊，分別是編號為FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、FR-8、FR-9，這7塊發(fā)熱面料在對應的電壓下都能夠在較短時間內(nèi)快速地升溫至50℃，可以看出這幾塊面料有著很好的發(fā)熱效率。

2.1.2 發(fā)熱均勻性

我們對挑選出的7塊發(fā)熱面料繼續(xù)用熱成像儀器進行拍攝，得到了它們在對應電壓下的發(fā)熱情況，如圖1所示。

圖1 紅外熱成像圖片

從圖1中我們可以很明顯地看到發(fā)熱面料FR-8、FR-9接觸點位置出現(xiàn)發(fā)熱嚴重的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因為導線接觸點連接處的電阻太大，甚至可以和發(fā)熱層的電阻相同，當電流在導線接觸點連接處消耗之后，流入發(fā)熱層的電流就會變小，根據(jù)P=I2R的公式可以得出，在電阻相同時，電流越大，產(chǎn)生的熱能越大，因此在圖像中產(chǎn)生了導線接觸點連接處發(fā)熱嚴重的情況。發(fā)熱面料FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6的發(fā)熱圖像顯示接觸點沒有發(fā)熱，其他地方發(fā)熱很均勻，發(fā)熱層的每一點位置的溫度都非常接近，這幾塊發(fā)熱面料合理利用圖形設計，很好地解決了導線接觸連接處電阻過大造成的發(fā)熱嚴重的情況。

2.1.3 發(fā)熱穩(wěn)定性

將發(fā)熱均勻的發(fā)熱面料接通合適的電壓，持續(xù)通電1分鐘后，記錄RPS3005C-2直流穩(wěn)壓電源所顯示的電壓與電流的數(shù)據(jù)，計算得出發(fā)熱面料通電之后的電阻，再與整體電阻進行對比計算后得出電阻的變化率，用于分析面料的發(fā)熱穩(wěn)定性，結果如表2所示。

表2 電阻測試情況

從表2計算出的電阻變化率可以看到，這幾款發(fā)熱面料的通電穩(wěn)定性比較優(yōu)良，在通電后電阻都會略有上升，但是上升的幅度并不大，說明絲印面料具有良好的發(fā)熱穩(wěn)定性。

2.2 絲印發(fā)熱面料的力學性能

2.2.1 發(fā)熱面料的拉伸—電阻穩(wěn)定性

使用數(shù)字萬用表測試未拉伸面料和拉伸處理后面料的整體電阻，測試情況如表3所示。

表3 整體電阻拉伸前后變化

使用熱成像儀拍攝未拉伸面料和拉伸處理后面料的發(fā)熱圖像，拍攝結果如圖2所示。

圖2 拉伸前后面料發(fā)熱變化圖像

從表3可以看到，經(jīng)過了多次拉伸，發(fā)熱面料的整體電阻并沒有因為拉伸的原因而發(fā)生太大的變化，發(fā)熱面料的發(fā)熱情況也沒有因為經(jīng)過拉伸而改變，發(fā)熱面料具有較好的耐拉伸性能。

2.2.2 發(fā)熱面料的屈撓-電阻穩(wěn)定性

用數(shù)字萬用表分別測試了發(fā)熱面料屈撓前后的整體電阻，測試的結果如表4所示。

表4 屈撓前后整體電阻變化

從表4可以發(fā)現(xiàn)發(fā)熱面料經(jīng)受2000次屈撓處理后，發(fā)熱面料的電阻沒有發(fā)生太大的變化，說明這些發(fā)熱面料有著很好的耐屈撓性能。

3 結論

通過測定試樣的電阻變化率、紅外熱成像圖、拉伸-電阻變化率、屈撓-電阻變化率等參數(shù)，可評估加熱面料的加熱均勻性、使用穩(wěn)定性，為此類功能面料的性能檢測提供參考依據(jù)。