電熱織物制備技術研究進展

丁小蝶 唐 虹 張成蛟 唐天一

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.對外經濟貿易大學劍橋國際學校，北京，100029）

為了使長時間處于嚴寒環境中的人體僅通過增加服裝保暖性也能維持人體熱量平衡，研究人員開始探索可自主加熱且穩定的電加熱元件，并集成于服裝中。常用的電加熱元件有電熱金屬絲、電熱膜及電熱織物3 種，其中電熱織物因具有透氣透濕性良好、柔軟度高且可根據需求裁剪等優勢成為研究熱點與重要的研究方向［1］81。電熱織物是以一定的制備方法將電熱材料負載在紡織品基底材料上，根據焦耳加熱原理，將電能轉化為熱能［2］19，使得織物溫度升高，從而將熱量傳遞到周圍環境。目前，電熱織物開始應用于日常保健、體育娛樂、低溫作業、醫療軍事等領域，如發熱護腰護膝、暖宮帶、電熱睡袋、滑雪服等滿足人們日常保健與體育娛樂的需求，冷庫工作服、海下潛水作業服［3］、高空清潔服［4］、軍隊防寒服［5］等則是針對低溫作業與特殊環境的需求。

1 制備技術

1.1 電熱材料

電熱織物由紡織品基底材料和電熱材料構成，將電熱材料通過一定方法整合在不具有導電性質的基體表面。基底材料為織物或水性聚氨酯樹脂基材［6］，具有柔軟透氣、耐磨、絕緣、耐機械強度高、電阻率低等 特點，具體有棉織物［7］4691，［8］、滌綸織物、錦綸織物等；電熱材料包括金屬類材料、碳系材料、導電高聚物以及鍍金屬類材料等，其性能對電熱織物特性影響很大。

金屬類材料是最早應用于電加熱產品的，以金屬長絲的形式與衣用纖維混紡成導電紗線，再與普通紗線經機織、針織、刺繡工序加工后形成導電織物。或以金屬納米線的形式通過浸漬法等涂覆技術制備。通常采用電導率最高可達6.3×107S/cm、熱導率為429 W/（m·K）的銀材料［9］，除性能優良外，柔韌性與抗菌性也較好，但拉伸狀態下易斷裂，無法保持較低電阻；其次是電導率與熱導率僅次于銀的銅，其不僅來源廣泛，價格也遠低于銀，但依舊存在易氧化，柔性較差等缺點。純金屬導電織物最常見的形式是將金屬纖維作為發熱元件直接植入普通服用織物中，如電熱毯、發熱墊就是將特制絕緣金屬發熱元件織入毛毯里。

碳納米管、石墨烯、炭黑等碳系材料以納米顆粒的形式附著在普通纖維表層，也可形成導電纖維。相比于金屬導電材料，這類材料的原材料來源廣，柔性更好，便于織造成更貼合人體的服裝，且可隨意裁剪，因此應用更為廣泛。其中碳納米碳管電導率在1 000 S/cm～2 000 S/cm［10］81，熱導率在3 000 W/（m·K）～3 500 W/（m·K），具有拉伸性能高、電流載荷量高、結構穩定、量輕等優點［11］。但其徑向熱交換性能較低，且存在團聚現象以及交結糾纏現象，致使碳納米管更難以穩定、均勻地分散。石墨烯導熱性能高于碳納米管，電導率高達1×108S/cm［12］、強度高彎折性好、抗菌效果顯著，但在空氣中易氧化成氧化石墨烯，性能降低，且制備技術繁瑣。碳纖維不僅熱效率高、安全性好且質量輕，可與紡織法結合，開發兼具發熱保暖和醫療保健功效的紡織品。目前市場具有代表性的電熱織物JERNANO 碳納米管薄膜具有超輕、超薄、超柔等特點，可1 s 快速升溫，最高發熱溫度檔至53 ℃，電熱轉換率達99.9%，控溫精度達0.1 ℃；可實現40 次標準機洗、10 萬次耐彎折揉搓，抗拉強力達100 N，可運用在穿戴式加熱產品中。但此類產品價格貴，制備過程十分耗能。

有機導電材料包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔4 大類。通常采用涂層類方法制備導電織物。聚吡咯成本低、穩定性好、成膜性好，是紡織材料中應用最廣泛的導電聚合物，也是開發電子智能紡織品的較好選擇之一。聚吡咯電導率在1×102S/cm～1×103S/cm，成本低、質量輕、穩定性好、成膜性好、導電性強［13］，但較難以紡織法織造，較難控制電阻精度。

鍍金屬類材料是以電鍍、化學鍍或者真空鍍的方式，將柔韌性好的金屬鍍在普通紗線或纖維上所得到的導電紗線，是近年來導電纖維的研究新方向之一。與純金屬相比，屬于間接利用金屬材料的導電性能，且更容易編織成電熱織物。如鍍銀纖維具有較好的可紡性與抗菌性、靜電防護性［14］，但在水洗與脫落氧化方面存在一定缺陷，且金屬鍍層工藝較為復雜，耐用性較差。

1.2 加工工藝

1.2.1 涂層法

涂層法包括浸漬法、噴涂法、刮涂法、絲網印刷法、原位聚合法、氣相聚合法等制備方法。這類方法與紡織法相比簡便易行，采用織物作為基底材料，通過調節涂層工藝參數來調節電熱性能與電熱織物的柔性和強度。

浸漬法簡單易行，無需復雜貴重的設備，但常需要多次浸漬，比較耗時，而且很難控制織物表層導電涂層的均勻性，以致于影響最終電熱元件的發熱效果。可改變浸漬液濃度［7］4691、浸漬時間、浸漬次數［15］和干燥條件等確定最優工藝參數，增加織物導電涂層的黏附性，提高導電性、產熱能力和穩定性。相對于浸漬法來說，噴涂法與刮涂法則是分別通過在織物表面噴涂溶液與在織物表面以刮涂導電復合材料的工藝制備電熱織物。所制備的導電涂層相對均勻，效率高，但噴涂法液體損耗量大、易污染環境，刮涂法只適用于輕薄涂層。而絲網印刷法利用刮板擠壓油墨，可以將不同形狀和寬度的導電線路和圖案直接印刷在柔性基底表面。該方法具有簡單通用、成本低和可規模化生產等優點，不過涂層的性能受印刷工藝參數、導電油墨、印刷圖案和基底的影響較大。當印刷次數達到一定量后，表面導電油墨趨于飽和，表面溫度變化不大［16］。與其他涂層類方法相比，原位聚合法、氣相聚合法［17］1427所制備的電熱元件，具有工藝簡單，耗時較短，導電材料能進入織物內部的優點［10］83，也是采用聚吡咯等導電聚合物制備電熱織物的常用方法。通過將反應性單體、氧化劑、織物三者相互混合，經化學反應后，聚合物沉積在織物表面制得電熱織物。但存在成本相對較高，較難把握涂層的均勻性，且對操作控制和單體質量的要求較高等不足［18］。

1.2.2 紡織法

紡織法通過針織、機織和刺繡［2］21，［10］82-83等 技術，將金屬纖維、鍍金屬絲線和碳基纖維等導電加熱材料織入或縫入織物中。紡織法加工的電熱織物可以更好地貼合人體，在賦予織物電熱性能的同時，又能保證電熱材料的力學性能不被損壞。但此法易受內部電熱材料的排布設計、柔性和耐久性等因素的影響。

針織法是將導電紗線與普通紗線通過線圈的形式相互串套織造電熱織物，其結構簡單，舒適性與透氣性好，但結構狀態不穩定，易變形，對織物的電熱性能造成影響。機織以一定的組織結構將導電紗線與普通紗線進行經緯紗交織制備電熱織物。所制備的電熱織物緊密均勻，結構穩定，發熱均勻性好［1］81，導電紗形變相對較小，對導電紗線的拉伸強度和耐磨性有一定要求。刺繡法將導電紗線以設計電路圖案縫入織造好的基底材料中。這種制備工藝具有電路設計更靈活，使用較少導電紗線，具有可裁剪性和可定制性等優點［19］，但易受內部導電紗線的柔性影響。

在完成基底材料與導電材料的前期準備工作后，通過不斷完善涂層工藝緩解部分涂層類制備加熱元件涂層不均勻的問題，或選擇合適的紡織類制備技術，都有助于制備電熱性能優良的電熱織物。雖然目前電熱織物存在多種成形方法，但在發熱均勻及工藝簡化等方面仍需進一步研究。

2 電熱織物設計

制備性能優良的電熱織物，除了考慮電熱織物制備技術的影響，還要對電熱織物電熱材料排布、電熱織物形狀以及電熱織物的分布進行設計。

2.1 電熱材料排布設計

選擇相同的織物材料時，合理設計電熱織物中電熱材料的植入密度，不僅有利于控制織物加熱成本，還可以保證電熱織物良好的發熱特性，達到較好的發熱均勻性。有研究表明在機織物中導電紗線加熱單元隨著間距變小，電熱織物最大加熱溫度與升溫速率也隨之變高，發熱均勻性越好［20］。YEN R H 等人［21］762發現導電紗線之間的距離與導電紗線的寬度之比在4、8、16 時，發熱均勻性分別為96%、88%和59%。這主要是因為當織物電阻一定時，非導電紗間隔根數的成比例減少導致織物單位面積上導電紗根數增多，單位面積發熱元件數量增多，織物最大加熱溫度升高，溫度上升速率變大，但導電紗間距過短會造成電路短路。

2.2 電熱織物形狀設計

制備電熱織物時，對其電路圖案、尺寸、厚度等進行合理設計，有助于提高其電熱性能。由于平面型電熱織物彈性有限，需要可變形的電路來提高整體穿著的舒適性，為此開發并研究了各種電路樣式的可穿戴電熱織物，如條紋形、馬蹄形、U 形、半圓形和橢圓形等。研究人員對不同形狀的電路圖案進行模擬與比較，發現馬蹄形效果最優，能夠適應機械應力帶來的變形［22］，并且這種馬蹄形電路圖案中的弧形區域會阻礙內部自由電子的流動，使得不易移動的自由電子相互碰撞從而增加了電熱織物的電阻。此外，電熱織物尺寸的縮小有助于提高其電熱性能。KIM H 等人［23］經探究發現在相同圖案的電路中，馬蹄形電熱織物尺寸分別為50 mm×50 mm、75 mm×75 mm、100 mm×100 mm，在施加40 V 電壓后溫度分別達到101 ℃、65.5 ℃、49.8 ℃。馬蹄形電路圖案尺寸越小，弧形區域內半徑越小，電子更容易碰撞，其振幅與高度越小，電熱織物發熱均勻性越好。當電熱織物尺寸不變時，隨著厚度增加，會導致熱量流向更大的范圍，溫度分布變得更加均勻。厚度為1.2 mm 的電熱織物能夠達到96%的發熱均勻性［21］767。然而，較厚的電熱織物也需要更長時間達到目標溫度。

2.3 電熱織物分布設計

長時間暴露在冷環境中，人體會產生冷應激。與四肢相比，向人體軀干區域供熱在抵御寒冷方面效果更為明顯。熱量可以通過循環血液由軀干部位到達肢端、再到達皮膚表層，與外界進行熱交換，血液中的熱量從軀干部位出發開始逐漸散失。因此加熱位置大多選擇胸部、腹部、上背部、下背部等部位［24-25］。而與其他身體部位相比，四肢又由于比表面積較其他區域更大且局部代謝率較低，因此對冷環境感知更為敏感。例如，冷暴露會減少流向手部的血流量，降低工作中手部的靈活性，嚴重時會對手部造成傷害［26］。雖然沒有足夠的研究表明，對足部這些四肢部位加熱可以提高身體的整體體溫，但向足部供暖會影響局部知覺反應，而這種知覺反應可以提高整體的熱舒適感［27］。此外，像膝關節、腕關節等易受寒冷空氣影響產生疾病的關節部位，也需要重點保護。

3 性能指標

電熱織物性能主要包括電熱性能與服用性能。國外對于電熱織物的研究已較成熟，主要集中在電熱織物性能的研究和制備新型電熱元件。而國內對這方面的研究多集中在對電熱織物的制備技術和性能測試上，但對于電熱織物的性能指標、測試方法都沒有統一的標準。如IEC 60335—2—17：2022《Household and similar electrical appliances-Safety-Part 2-17：Particular requirements for blankets，pads，clothing and similar flexible heating appliances》等國外標準主要涉及的是家用和類似用途的加熱地毯等電熱器件，偏重于電器安全；而國內標準中各性能的測試都稍有提及，但不全面，如國內GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》規定了部分電熱性能與力學性能的相關測試方法，T/CNTAC 24—2018《電加熱服裝》主要是針對服裝質量要求、電器安全要求等方面制定的標準，以及GB/T 23108—2021《家用和類似用途電熱墊性能測試方法》則是替代原有標準修改了溫度均勻性的試驗方法、增加了洗滌次數的要求等部分性能指標與測試方法。因此，國內外現存的標準都缺少關于電熱織物電熱性能、服用性能中對安全性、舒適性、耐用性等指標的一系列全面測試評價體系。

3.1 電熱性能

織物電熱性能很大程度上取決于電熱材料的選擇。因此性能優良的電熱材料應該具有電熱轉換率高、升溫效率高、發熱穩定并散熱均勻的效果，能快速解決人體的保暖問題，滿足人體熱舒適性能的服裝需求。為此，陳莉等［28］51將鍍銀長絲襯入針織物中，探究并分析其電熱性能。在5 V電壓下，織物穩定工作溫度能滿足人體最合適溫度，達到36.7 ℃以上；在設定環境溫度下，電阻變化率僅為2%；織物表面溫度分布均勻，表面溫差不超過1 ℃。通過相關性能研究［17］1427，［28］51-53，［29］，對電熱性能的測試主要包括最大加熱溫度、升溫時間、發熱均勻性（溫度分布系數）、熱穩定性（電阻變化率）等，前三項可采用GB/T 7287—2008 或GB/T 23108—2021 進行測試，熱穩定性可采用AATCC 76—2018《織物表面電阻率》進行測試。

3.2 服用性能

由于電熱織物主要運用于服裝服飾中，與人體皮膚接觸，存在一定安全隱患。因此在設計時，應充分考慮電熱織物的安全性能，尤其是電學安全性。主要包括移動電源安全性、電器安全性、電磁兼容性、電發熱安全性、特殊存放安全性［30］，以及短路保護裝置。為保障人體使用安全或穿戴附有電熱織物的產品，所制備的電熱產品應在安全電壓的范疇內，即額定輸入電壓不大于12 V［31］。人們在根據自身需求挑選市面上已有的電熱產品時，產品的柔性、舒適性也是重點考慮的方向。除了通過織物抗彎剛度來判斷電熱織物的柔性外，也可以利用真人穿著試驗進行舒適性能測試評價，從客觀的角度監測人體在特定環境下穿著附有電熱織物的服裝后生理指標的變化情況，與此同時對受試者進行主觀感受的舒適性評價。根據個別用戶的需求，電加熱服裝需在戶外環境或相對惡劣的環境下使用，尤其是雨雪天氣下，為避免突發狀況，充分考慮用戶在使用過程中對通電時間、防水性、耐水洗性等服用性能的要求。對于安全性能（電安全性），測試參照GB 4706.8—2008《家用和類似用途電器的安全 電熱毯、電熱墊及類似柔性發熱器具的特殊要求》以及GB 4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》；對于舒適性能（剛柔性），測試參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定第1 部分：斜面法》；對于耐用性能，耐彎曲性和通電壽命測試參照GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》，防水性能測試參照GB/T 4208—2017《外殼防護等級（IP 代碼）》，耐水洗性能測試參照GB/T 23108—2021《家用和類似用途電熱墊性能測試方法》。

4 結語

電熱織物是功能加熱服裝中電能轉化為熱能的關鍵部件。根據需求設計電熱織物時，應綜合考慮每種電熱材料、制備工藝的特點，結合電熱織物電熱材料與設計因素，制定合適的制備技術與設計方案，揚長避短，以達到最終的性能要求。隨著電熱織物研究的深入，未來可以在保證其輕便透氣的同時兼具電熱性能；在保證用電安全的前提下，開發出具有良好防水性能的電熱材料，提高產品的通電壽命和洗滌維護的便捷性；重點對其材料選用、制備工藝以及性能測試方法與標準進一步探索和研究。將電熱織物與當前新材料、微型傳感器等新型電子技術相結合，貼合市場需求，對不同用戶進行個性化設計，才能更好地實現電熱織物的功能化、智能化和產業化，進一步拓寬電熱織物的應用領域。