緯編提花導電針織物的電熱性能

李 詩，劉 夙, b，龍海如, b

(東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

電加熱織物是以導電材料制備柔性織物，再對導電柔性織物通電加熱來達到保暖的效果，它可以結合多種傳統紡織技術及導電材料獲得，在人體防護、保暖服裝、醫用、智能可穿戴等領域有廣闊的應用前景。揭示導電織物的電熱性能與織物結構、纖維材料間聯系可指導電加熱服裝材料設計。近年來，導電加熱產品越來越受到國內外學者的關注。電加熱服作為一種積極保暖服，具有發熱效果好、環保等優點[1]，國內外企業已開發多種電加熱服并投放市場[2]。市場上電加熱服的加熱元件主要分為金屬材料、石墨材料、導電高聚物材料和鍍金屬材料4大類[3]，其中，鍍銀紗線相較于其他材料，具有導電性良好和可織性的優勢。針織物因其獨特的網孔結構，比機織物更加柔軟、懸垂性更好。因此，以針織方法制作導電加熱產品是未來的發展趨勢。

目前國內外學者對緯編針織鍍銀導電針織物的電阻模型、發熱原料、組織結構、電熱性能測試及評價等方面有所研究。在電阻模型方面：盧俊宇[4]研究了羅紋組織的電阻網絡模型，并對比了對角、中間兩點、中間四點等3種電極連接方式的電阻；Hamdani等[5]研究彈性紗與鍍銀紗線隔行織造的平紋組織的電阻模型；Li等[6]研究長度相關的電阻和接觸電阻，構建導電平紋組織的電阻模型。在發熱原料方面：蔡倩文等[7]使用5種不同導電纖維制備緯編針織柔性織物，發現鍍銀纖維紗線的針織物較其他原料的織物表現出更大的導電性和強力；另外，李煜天等[8]使用不銹鋼纖維與滌綸混合編織成導電針織物，分析織物的導電靈敏度。在針織組織結構方面：許靜嫻等[9]研究緯平針和雙羅紋組織導電織物的發熱性能；陳莉等[10]使用襯緯方式制得升溫快速、工作穩定的緯編針織物；Hamdani等[11]用不銹鋼絲織造不同結構的針織物，測試其發熱效率。在電熱性能測試及評價方面：王金鳳等[12]研究鍍銀導電針織物拉伸時的導電性能，測試了拉伸對電阻的影響；韓曉雪等[13]研究鍍銀導電織物縱向拉伸時的電力學性能；Kayacan等[14]設計制作了一款具有溫度控制系統的針織電加熱服并進行評價；Wang等[15-16]研究電加熱服裝加熱效率的影響因素，并用暖體假人法評價了電加熱服。

綜上可知，對針織組織結構的研究僅限于簡單針織組織，如平紋組織、羅紋組織和襯緯組織等，尚未有文獻對復雜的緯編針織提花結構織物的發熱性能有所研究。提花結構比平紋、羅紋等簡單組織，伸縮性小，織物表面更加平整。因此提出假設：針織導電提花結構織物在人體穿著過程中產生的形變較小，織物內部線圈滑移較小，穿著時不易造成織物電阻變化。因此，本文構建緯編針織提花織物的電阻模型，并測試研究其電熱性能，以推進智能針織發熱產品的設計開發。

1 電阻模型的建立

以單面針織兩色提花建立電阻模型，單面提花的背面效果為浮線，將線圈與浮線構建幾何模型，以導電紗線成圈數在織物總線圈數的百分比(10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%)為變量，探究導電紗線長度與導電織物電阻間的關系。

1.1 單面針織兩色提花線圈結構

單面針織兩色提花是兩種紗線交替成圈，當一種紗線在正面成圈時，其反面是另一種紗線的浮線。圖1為導電紗線成圈數在織物總線圈數的占比20%的導電織物，其中，紅色紗線為非導電紗線1，綠色紗線為非導電紗2，橙色紗線為鍍銀紗線，鍍銀紗線隨非導電紗2添紗織造，即鍍銀紗線始終處于非導電紗2底層。鍍銀紗線與非導電紗2的直徑相差數十倍，因此在織物正面鍍銀紗線不顯露。

圖1 單面針織兩色提花線圈導電織物結構圖Fig.1 Loop diagram of two-color single knitted jacquard conductive fabric structures

假設：在織造導電提花織物時，鍍銀紗線始終添紗于非導電紗2下方，不同行的導電紗線互不影響，相鄰線圈互不影響，不產生接觸電阻。織物總電阻為每一橫行線圈與浮線總長的導電紗并聯電阻。

1.2 簡化模型

對于一塊尺寸為10 cm×10 cm、針數為m、行數為n的織物，L1為成圈線圈長度，L2為浮線長度，W為導電紗線成圈數在織物總線圈數的百分比，則不同導電紗線成圈數在織物總線圈數占比下織物的導電紗長度為

LW=mn[WL1+(1-W)L2]，W=10%，20%，…，90%

(1)

推導導電紗長度與W的關系為

mn(L1-L2)

(2)

式中：tanθ為導電紗線長度與W呈直線的斜率。

1.3 根據簡化模型建立電阻模型

根據電學理論中，導體電阻的計算式為

(3)

式中：ρ為材料電阻率；L為材料長度；S為材料橫截面積。

(4)

根據式(4)可推導導電紗線的電阻為

(5)

式中：D為導電紗直徑。

由式(1)結合式(5)，可以得到導電紗線電阻與成圈數比例的關系為

(6)

對于織物電阻而言，假設最理想狀態下每一橫行的線圈與浮線為串聯關系，而各橫行為并聯關系，則各行之間不產生接觸電阻。每一橫行支路電阻為

R支路=m[WRL1+(1-W)RL2]

(7)

(8)

整理式(8)得：

(9)

結合式(6)和(9)可以發現，織物電阻與紗線電阻的關系為

(10)

2 試驗部分

2.1 緯編提花導電針織物的制備

2.1.1 原料

導電紗線選用鍍銀紗線(7.78 tex和44.44 tex，7.78 tex鍍銀紗線電阻率為1.89×10-4Ω·cm，青島亨通偉業公司)，普通紗線選用羊毛紗(41.67 tex，黑色和白色，浙江中鼎紡織有限公司)。

2.1.2 織物

鍍銀導電織物效果如圖2所示，其導電部分分為電極區和導電區。電極區的寬度為1 cm和長度為10 cm，使用44.44 tex鍍銀紗線織造。提花導電區的尺寸為10 cm×10 cm，橫密為65縱行/10 cm，縱密為78橫列/10 cm，以黑白兩色羊毛紗與7.78 tex鍍銀紗線提花織造導電區，其中鍍銀紗線與白色羊毛紗添紗，再與兩個電極區相嵌完成。廢紗區使用滌綸紗織造。不同導電紗成圈占比下共織造9種提花花型，如圖3所示，其中，綠色為導電紗，紅色為羊毛紗。為使織物發熱效果均勻，在設計提花花型時盡量保證導電紗均勻分布。所有織物采用德國STOLLADF 530-32W E7.2型電腦橫機織造。

圖2 鍍銀導電織物效果圖Fig.2 Effect image of the conductive fabric knitted by silver-plated yarns

2.2 測試方法

2.2.1 鍍銀導電紗線的電阻測試

為研究織物中導電紗長度與織物面電阻的關系，需要先測試單根鍍銀紗線的電阻。參照JB/T 9283—1999《萬用電表》，取一張潔凈的A4紙，在紙上畫出直線，標出20 cm線段，每1 cm標注1次，將鍍銀紗線用絕緣膠帶平行貼于標注線段旁，使用Agilent數字萬用表測量鍍銀紗線電阻，當讀數穩定時記錄數據。在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下進行測試，取同一水平的3根鍍銀紗線分別測試，結果取平均值。

2.2.2 緯編提花導電針織物的面電阻測試

織物面電阻測試示意圖如圖4所示，在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下，使用Keithley數字萬用表連接電腦與織物，配合Keithley專用軟件KickStart，記錄每秒鐘電阻的數值。為使測試結果更加準確，將接觸面為1 cm×10 cm的銅塊與織物電極區完全貼合。分別測試導電織物1和60 min內的織物電阻，記錄最后一秒的測量值。

圖4 織物面電阻測試Fig.4 Illustration of measurement for fabric resistances

2.2.3 緯編提花導電針織物拉伸狀態的電阻測試

針織服裝在穿著過程中由于人體的運動會產生形變，因此研究電加熱服在人體穿著過程中的電熱性能需要測試鍍銀織物在拉伸狀態下的面電阻。在2.2.2節織物面電阻測試的基礎上，將織物置于自制的電阻測試夾具上，給織物分別施加1、2、5、10 N的橫向拉力，測試其在1.2 V直流電壓下1 min時的電阻并記錄拉伸長度。

2.2.4 緯編提花導電針織物的溫度測試

為研究導電織物的電熱性能，依據GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》，在溫度為(20±2) ℃和相對濕度為(50±2)%的恒溫恒濕條件下，結合2.2.2節，將織物放在試樣架上，使用FOTRIC 688型熱像儀拍攝織物加熱過程，測溫距離為50 cm，將熱像儀固定在支架上，配合AnalyzIR軟件可在電腦上看到熱像儀視場，調整織物位置使之處于熱像儀視場中央。給織物施加2.4 V的直流電壓，在織物通電升溫的同時，記錄下織物的初始溫度，每隔1 min采集1次溫度，共記錄1 h內的織物溫度變化。

同時利用KickStart軟件記錄織物在1 h內的電阻值，測試結果以電阻變化率φ[17]表示，如式(11)所示。

(11)

式中：R0為初始電阻；RW為工作態電阻。

3 結果和討論

3.1 鍍銀導電紗線的電阻

鍍銀紗線的電阻測試結果如圖5所示。由圖5可知，隨著鍍銀紗線長度的增大，其電阻值也增大，且電阻與長度呈線性關系。對數據進行線性擬合，可以得到長度(L)與電阻(R)的關系為R=6.166 1L,相關系數r2=0.968 5。

圖5 鍍銀紗線的長度與電阻關系Fig.5 Relationship between length and resistance of silver-plated yarns

3.2 緯編提花導電針織物的面電阻

當測試時間為1 min時，緯編提花導電針織物的面電阻隨導電紗成圈數占比的變化如圖6所示。由圖6可知，隨著成圈數占比的增大，織物面電阻也增大，且電阻與成圈數占比呈線性關系。對數據進行擬合，電阻(R)與成圈數占比(W)擬合曲線的關系式為R=1.372 9W+1.063 1，相關系數r2=0.975 6。

圖6 織物面電阻隨導電紗成圈數占比的變化Fig.6 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches

導電紗成圈數占比為10%的導電織物在60 min內的電阻變化如圖7所示。由圖7可知，織物在60 min內電阻穩定下降。電阻初始值為1.200 1 Ω，在60 min時達到最小值為1.197 3 Ω，電阻在60 min內降幅為0.23%，下降幅度小且電阻值穩定。因此為便捷測試，將測量1 min時的面電阻用于衡量織物電阻，不影響試驗效果。

圖7 導電紗成圈數占比為10%的導電織物 60 min內的電阻變化Fig.7 The change of resistance within 60 min of conductive fabric in which the proportion of conductive stitches is 10%

3.3 緯編提花導電針織物拉伸狀態的電阻

緯編提花導電織物在0、1、2、5、10 N拉力下的電阻值隨導電紗成圈數占比的變化如圖8所示。在1、2、5、10 N拉力下織物形變量分別為0.5、0.9、1.9、2.4 cm。

圖8 不同拉力下織物面電阻隨導電紗成圈數占比的變化Fig.8 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches under different tensile forces

3.4 電阻模型驗證

根據以上試驗對1.3節建立的電阻模型式(8)進行驗證。

由表1可知，根據模型得到的電阻理論值與試驗得到的織物面電阻絕對誤差不超過0.104 Ω，理論值與試驗值最大相對誤差為6.42%。可能產生誤差的原因：(1)試驗所使用織物的個體差異；(2)測量時產生的誤差；(3)由環境引起的隨機誤差。織物面電阻理論值與試驗值吻合程度高，可以用該模型預測電阻。

表1 不同導電紗成圈數占比的織物面電阻理論值與試驗值比較

3.5 緯編提花導電針織物的溫度

在室溫施加2.4 V直流電壓時，60 min內不同導電紗成圈數占比的導電織物溫度隨時間變化如圖9所示。

圖9 不同導電紗成圈數占比的導電織物 60 min內的溫度變化Fig.9 Temperature variation of different proportions of conductive stitches within 60 min

由圖9可知，織物溫度隨時間延長而逐漸升高。在試驗開始的2 min內，織物溫度迅速上升，隨后溫度緩慢上升直至達到平衡。在織物溫度迅速上升的階段，織物產熱速率大于散熱，導致溫度迅速上升；當溫度上升至產熱、散熱速率相等時，織物溫度達到平衡。W為10%～40%的織物平衡溫度依次降低，溫度為52.8～62.9 ℃；W為50%～90%的織物平衡溫度相近，保持在48.8～50.7 ℃。

不同導電紗成圈數占比的導電織物60 min內的電阻變化率如圖10所示。

圖10 不同導電紗成圈數占比的導電織物60 min內的 電阻變化率Fig.10 Resistance variance ratio of different proportions of conductive stitches within 60 min

由圖10可知：W為10%～80%的織物在0～1.7 min的電阻變化率快速增大，在1.7 min左右達到峰值隨后略微下降；W為90%的織物電阻變化率隨時間緩慢增大。在通電過程中，W為10%和30%的織物電阻變化率較大，電阻變化率最大為3.28%；W為20%、40%～70%、90%織物電阻變化率為0.7%～1.5%；W為80%的織物電阻變化率小于0.5%。所有試樣的電阻變化率均較小，其熱穩定性好。

W為60%的織物二維和三維紅外圖像如圖11所示。圖11(a)為通電后1、2、5和60 min時的二維紅外圖像，織物中心點溫度分別為35.4、39.3、42.8、48.8 ℃。織物在1 min時溫度為平衡溫度的72.5%，織物升溫速度快。圖像顏色差異顯示，織物中間區域溫度高于邊緣，這是由于施加電壓所使用的銅塊溫度遠低于織物。圖11(b)為織物在60 min時的三維紅外圖像，可以看出織物導電區域表面各處起伏緩和，溫度差異小，發熱比較均勻。這是因為提花組織的結構緊密平整，鍍銀紗線與羊毛紗線距離近，熱傳導范圍廣，因此提花織物的表面溫度差異小。

4 結 語

本文使用7.78 tex鍍銀紗線針織成圈數占比為10%～90%的9塊單面提花織物，并構建其電阻模型，該模型可預測導電織物的電阻值。對鍍銀紗線及導電提花針織物進行電阻測試，結果表明：導電紗的成圈數占比與織物電阻呈良好的線性正相關關系，電阻在60 min內降幅為0.23%，電阻值穩定。不同導電紗成圈數占比的導電織物在0～10 N外加拉力作用下，W為10%～50%的織物在拉力狀態下電阻較穩定，電阻變化率最大為0.92%，W為60%～90%的織物隨拉力的增大而電阻值減小，電阻變化率最大為2.23%，織物面電阻穩定性較好；在通電時導電織物溫度逐漸上升，后趨于穩定，織物平衡溫度為48.8～62.9 ℃，紅外圖像顯示織物發熱均勻，電阻變化率最大為3.28%，表明織物熱穩定性好。本文構建的電阻模型理論計算值與測試值相吻合，理論值與試驗值最大相對誤差為6.42%，兩者吻合程度高，可以用電阻模型預測不同導電紗成圈數占比的織物電阻值。此研究可為針織提花電加熱服的開發提供依據和方案。