淺析碳纖維發(fā)熱織物的電熱性能

張小梅 石松林

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-8879

摘? 要：當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了全面提升，更好地促進(jìn)了紡織業(yè)的全面發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)于服裝也提出了更高的要求標(biāo)準(zhǔn)。所以說(shuō)自身的產(chǎn)品不僅要滿足基本需求，同時(shí)還要產(chǎn)生一定的附加值。在北方冬季季節(jié)相對(duì)比較寒冷，人們經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)風(fēng)濕痛等關(guān)節(jié)疾病，所以說(shuō)北方的人們往往更加注重自身的保暖。根據(jù)這樣的需求我們需要開發(fā)出一款攜帶更加便捷，產(chǎn)熱熱能更大的織物，利用這種織物制作成的衣物能夠起到良好的保健作用，避免人們受到寒冷的侵襲。而這兩種織物分為被動(dòng)式保暖和主動(dòng)式保暖，作為被動(dòng)式保暖主要是通過一定的熱量散發(fā)而保存體內(nèi)的熱量，不會(huì)出現(xiàn)任何的喪失，因此能夠達(dá)到抵御嚴(yán)寒的效果。同時(shí)主動(dòng)式產(chǎn)熱主要是借助外界纖維材料發(fā)熱，而源源不斷地為人身體輸送熱量，以此起到良好的保暖作用。

關(guān)鍵詞：碳纖維? 發(fā)熱織物? 電熱性能? 電阻? 發(fā)熱時(shí)間

中圖分類號(hào)：TS101.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（a）-0074-03

Analysis of Electrothermal Properties of Carbon Fiber Heating Fabric

ZHANG Xiaomei? SHI Songlin

（Beijing Jiajieneng Technology Co.， Ltd.， Beijing， 101102? China）

Abstract： At present， China's economy has achieved a comprehensive improvement， which has better promoted the comprehensive development of the textile industry. At the same time， people also put forward higher requirements and standards for clothing. Therefore， our products should not only meet the basic needs， but also produce certain added value. In the north， the winter season is relatively cold， people often have rheumatic pain and other joint diseases， so people in the North tend to pay more attention to their own warmth. According to this demand， we need to develop a kind of fabric which is more convenient to carry and produces more heat energy. The clothes made from this kind of fabric can play a good role in health care and avoid the invasion of cold. And these two kinds of fabrics are divided into passive warmth and active warmth， as passive warmth is mainly through a certain amount of heat to save the body's heat， there will be no loss， so it can achieve the effect of resisting cold. At the same time， the initiative is to produce heat， mainly with the help of external fiber materials to heat， and continuously transport heat for the human body， so as to play a good role in keeping warm.

Key Words： Carbon fiber; Heating fabric; Electrothermal performance; Resistance; Heating time

1? 對(duì)碳纖維發(fā)熱織物進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的取樣

樣品選擇上一定要按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選定，所以說(shuō)會(huì)選擇聚丙碳纖維作為主要的發(fā)熱織物，同時(shí)還要保證內(nèi)部的電阻達(dá)到5Ω。將這種特殊的碳纖維材料固定在洗滌棉混紡布面當(dāng)中，這樣將會(huì)有利于纖維長(zhǎng)絲的穩(wěn)定，同時(shí)還要確保密度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求[1]。

1.2 應(yīng)用的主要儀器設(shè)備

（1）使用精度更加準(zhǔn)確的電流表。（2）要應(yīng)用導(dǎo)電性能最佳的試線夾。（3）導(dǎo)電膠布的利用。（4）帶有USB的插口設(shè)備。（5）移動(dòng)插板設(shè)備。（6）連接導(dǎo)線。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程分析

通常情況下，要將實(shí)驗(yàn)室的溫度控制在10°左右，同時(shí)還要保證整體環(huán)境適度達(dá)到70%，將電源與表面碳纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行連接，然后通過電流產(chǎn)生一定的熱量，對(duì)于碳纖維長(zhǎng)絲的排列根數(shù)進(jìn)行改變，然后觀測(cè)出具體的熱量變化，以此確定具體的工藝參數(shù)數(shù)值[2]。

2? 織物表面根數(shù)與電阻及溫度的主要關(guān)系分析

以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，將碳纖維長(zhǎng)絲的長(zhǎng)度進(jìn)行固定，然后測(cè)量出具體的固定數(shù)值，數(shù)值確定之后進(jìn)行合股加粗處理，對(duì)于每個(gè)碳纖維的長(zhǎng)度組織進(jìn)行減少，然后進(jìn)行全面的發(fā)熱處理，并保證電源的功率在5V左右。針對(duì)每個(gè)碳纖維的距離進(jìn)行設(shè)定，采用交叉排列的方式進(jìn)行布局，將表面的基質(zhì)布料進(jìn)行固定處理。采取一定的通電處理之后，單位面積織物上的碳纖維個(gè)數(shù)與電阻變化的情況進(jìn)行記錄，測(cè)出具體溫度變化的情況，如果織物內(nèi)部的電阻變小，那么為了保持穩(wěn)定熱量輸出，要增加織物發(fā)熱面積，這樣才能夠保證碳纖維熱量產(chǎn)生更加均勻。圖1就是電阻溫度變化的曲線圖。

通過圖1進(jìn)一步地分析得出，如果碳纖維根數(shù)增多，導(dǎo)致電阻數(shù)值下降，內(nèi)部的溫度會(huì)產(chǎn)生一定的升高。出現(xiàn)這種情況主要是由于單位面積碳纖維根數(shù)的增多，導(dǎo)致并聯(lián)連接形式的增大，使得內(nèi)部電阻降低。如果外界電壓保持不變，那么內(nèi)部電阻降低將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部熱量的聚集，熱量在織物內(nèi)部會(huì)不斷地升高，從而使得內(nèi)部產(chǎn)生較好的熱量，以此能夠達(dá)到發(fā)熱的目的。在本次實(shí)驗(yàn)的過程中，要將碳纖維根數(shù)進(jìn)行組合交叉排列，并保證間距距離在25mm，如果對(duì)內(nèi)部的電阻進(jìn)行降低，那么內(nèi)部電流將會(huì)增大，有利于織物散發(fā)出良好的熱量，這樣才能夠保證織物達(dá)到良好的取熱目的[3]。

3? 織物表面根數(shù)與發(fā)熱時(shí)間及電源功率的主要關(guān)系分析

通過上一段的數(shù)據(jù)分析得出，對(duì)碳纖維根數(shù)與交叉排列方式有關(guān)，同時(shí)還要與碳纖維的電阻有一定的關(guān)聯(lián)，那么本段還需要電源功率與導(dǎo)電性能與導(dǎo)電效果存在哪種關(guān)系，并判斷出發(fā)熱效果與發(fā)熱時(shí)間是否存在一定的聯(lián)系。通過一定的數(shù)據(jù)分析得出，碳纖維的內(nèi)部電阻會(huì)隨著功率的升高而降低，同時(shí)也將會(huì)提高植物表面的溫度。另外從整體數(shù)據(jù)當(dāng)中也可以得出電源自身的功率也要與表面溫度成正比例關(guān)系。碳纖維在熱量轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中，主要是通過量子進(jìn)行傳導(dǎo)，并體現(xiàn)出一定的隔波傳熱性，而這種隔波傳熱性是微觀粒子不斷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，這種運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量，在進(jìn)一步的通電過程當(dāng)中，粒子會(huì)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)致內(nèi)部的溫度在不斷的提高，同時(shí)也會(huì)取得較好的熱輻射效果。主要是因?yàn)闊彷椛湓谝欢ǖ牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)法取得較好的效果，但是在碳纖維內(nèi)部隨著溫度的升高，熱輻射波長(zhǎng)將會(huì)變短，這樣將會(huì)提高碳纖維內(nèi)部能量的傳導(dǎo)，以此能夠提升熱輻射本身的性能，同時(shí)如果增大碳纖維表面積，會(huì)取得較好的散熱效果，不會(huì)由于內(nèi)部溫度過高而喪失使用價(jià)值，這樣將會(huì)進(jìn)一步提升發(fā)熱物的使用范圍通過一定的數(shù)據(jù)分析得出，碳纖維的內(nèi)部電阻會(huì)隨著功率的升高而降低，同時(shí)也將會(huì)提高植物表面的溫度。另外從整體數(shù)據(jù)當(dāng)中也可以得出，電源自身的功率也要與表面溫度成正比例關(guān)系。碳纖維在熱量轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中，主要是通過量子進(jìn)行傳導(dǎo)，并體現(xiàn)出一定的隔波傳熱性，而這種隔波傳熱性是微觀粒子不斷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，這種運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量，在進(jìn)一步的通電過程當(dāng)中，粒子會(huì)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)致內(nèi)部的溫度在不斷升高，同時(shí)也會(huì)取得較好的熱輻射效果。主要是因?yàn)闊彷椛湓谝欢ǖ牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)法取得較好的效果，但是在碳纖維內(nèi)部隨著溫度的升高，熱輻射波長(zhǎng)將會(huì)變短，這樣將會(huì)提高碳纖維內(nèi)部能量的傳導(dǎo)，以此能夠提升熱輻射本身的性能，同時(shí)如果增大碳纖維表面積，會(huì)取得較好的散熱效果，不會(huì)由于內(nèi)部溫度過高而喪失使用價(jià)值，這樣將會(huì)進(jìn)一步提升發(fā)熱物的使用范圍[4]。

4? 發(fā)電時(shí)間對(duì)電阻產(chǎn)生的影響分析

對(duì)碳纖維表面進(jìn)行排列處理，在不同的電源功率之下，對(duì)電阻阻值進(jìn)行充分地測(cè)試并完成記錄保存，在實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候要將溫度設(shè)定在0度，然后繪制出電阻阻值與時(shí)間的變化曲線。通過數(shù)據(jù)曲線分析得出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)將會(huì)對(duì)織物內(nèi)部的電阻產(chǎn)生一定的影響。出現(xiàn)這種情況的變化，主要是因?yàn)樘祭w維機(jī)制布面表面連接是一個(gè)整合的回路，但是在這個(gè)整合的回路內(nèi)部，碳纖維與布面結(jié)合形成了一個(gè)絕緣體，絕緣體的存在將會(huì)對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生下降，這種不良現(xiàn)象的存在將會(huì)因?yàn)橥婋娏鬟^大而出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象，這部分絕緣電流會(huì)隨著電阻阻值的升高而逐漸變小，通過這種變化將會(huì)對(duì)整個(gè)導(dǎo)電性能進(jìn)行穩(wěn)定處理。除此之外，在整個(gè)通電過程當(dāng)中，由于不斷的熱量產(chǎn)生外在溫度升高將會(huì)出現(xiàn)一定的氧化反應(yīng)，表面的溝槽和孔洞將會(huì)逐漸被氧化，保證各個(gè)碳纖維之間形成網(wǎng)格化的通聯(lián)，同時(shí)也有利于電流和熱量的銜接，使得碳纖維之間的聯(lián)系變得更加緊密，如果對(duì)內(nèi)部的電阻進(jìn)行降低，有利于導(dǎo)線性能的提升。通過實(shí)驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)分析得出。通電時(shí)間的長(zhǎng)短要對(duì)電阻阻值變化存在一定的影響，但是我們通過這些數(shù)據(jù)分析得出不會(huì)出現(xiàn)太大的影響[5-7]。

5? 通電次數(shù)對(duì)電阻產(chǎn)生的影響分析

前期保證接入的電源穩(wěn)定，通電一段時(shí)間之后進(jìn)行斷電處理，同時(shí)還要保證每次鍛煉間隔在20min以內(nèi)，然后對(duì)表面電阻同通斷電次數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。通過這種數(shù)據(jù)分析得出電阻阻值幾乎沒有出現(xiàn)較大的變化，主要是因?yàn)樘祭w維在高溫高熱的條件下，內(nèi)部處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有對(duì)電阻產(chǎn)生微妙的影響，所以說(shuō)數(shù)值沒有出現(xiàn)任何的波動(dòng)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定狀態(tài)[8]。除此之外，碳纖維在進(jìn)行發(fā)熱的過程當(dāng)中，保證熱量能夠進(jìn)行逸散處理，這樣將會(huì)有利于電熱性能的良好轉(zhuǎn)換。

6? 結(jié)語(yǔ)

在近幾年的發(fā)展過程當(dāng)中，對(duì)于發(fā)熱織物提出了更高的要求，不僅要表現(xiàn)出良好的舒適功能，同時(shí)還要體現(xiàn)出良好的性價(jià)比，因此我們一定要加大研究力度，開發(fā)出一款發(fā)熱織物能夠被廣大群眾所接受，對(duì)人體能夠做出重要的保護(hù)，避免受到外在任何因素的干擾。為每個(gè)人的身體健康作出重要的保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 張猛，富秀榮.碳纖維發(fā)熱織物的電熱性能研究[J].合成纖維，2018，44（11）：25-27.

[2] 史俊輝.電加熱碳纖維機(jī)織物電熱性能預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2020.

[3] 朱波，曹偉偉，張秀玲，等.碳素纖維發(fā)熱元件電熱性能的研究[J].材料科學(xué)與工藝，2018（3）：65-71.

[4] 王磊波，曹軍，張秀軍，等.碳素纖維發(fā)熱元件電熱性能的研究[J].材料科學(xué)與工藝，2020，18（3）：356-362.

[5] 韓晨晨.碳纖維織物在熱流沖擊下傳熱和形變性能研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2019.

[6] 庹凱泓，賈國(guó)強(qiáng)，劉卓.一種基于碳纖維織物的電熱畫制備方法，CN109649066A[P].2019.

[7] 田天賀.碳纖維織物的化學(xué)改性及在電—熱轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2020.

[8] 張妍.電加熱服裝的服用性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2017.