電加熱機織物的發熱性能及發熱均勻性探討

孟小奕 和杉杉 周心怡 李嘉玲 饒倉爾 薛文良

1. 東華大學 a.產業用紡織品教育部工程研究中心,b.紡織學院,上海 201620;2. 聯通(浙江)產業互聯網有限公司,浙江 杭州 310051

低溫環境下,積極響應的供熱方式能夠快速調節人體微環境溫度,改善人體熱舒適度。與某些極易受環境和人體微環境影響、溫度調節有限的積極發熱方式不同[1],電加熱具有反應時間短、溫度易控制、綠色無污染等特點[2],已廣泛應用于防寒保暖[3-4]、物理熱療[5]、運動康復輔助[6-7]、智能可穿戴[8-11]等領域。目前,電加熱服已逐漸成為市場上最常見的智能防寒保暖服裝。

發熱性能和發熱均勻性是電加熱織物的重要指標。織物局部溫度過高或過低都會使人體產生不適感,當電加熱織物產生嚴重溫度差異時,織物局部甚至可能會被燒穿。服用紡織品的發熱性能和發熱均勻性主要受電加熱元件、織造方式、電路設計和工藝參數等因素影響。一維導電紗制備的電加熱織物柔軟輕薄、透氣性好,適用于制備服用紡織品[12]。常見的有關一維導電加熱元件的研究結論有:金屬絲如細銅絲加熱溫度高,但易氧化和老化[13];金屬/鍍金屬紗溫度適宜,織成的織物具有柔性,但電阻不易控制[14-15],溫度不穩定[16-17];碳基導電紗低壓下溫度高、加熱穩定性好,但不耐水洗[18];在碳纖維表面鍍金屬可提高電導率,但力學性能會降低,且不適用于制備柔性織物[19-20]。

常見的電加熱織物織造方式有3種:刺繡法,即借助刺繡工藝將銅絲等金屬絲與柔性織物復合,通過調節金屬絲長度控制電阻及功率密度,但表面裸露的金屬絲易氧化,這會造成發熱不均勻[21];針織法,所得織物更柔軟,但拉伸時電阻會發生變化,電加熱效果受影響;機織法,所得織物伸縮率小,電阻穩定性好,但電加熱元件引入時會引起紗線磨損。此外,電路的設計也會影響織物的整體電阻值及加熱穩定性。研究表明:串聯式電加熱機織物比并聯式電加熱機織物的發熱均勻性更好[22];并聯結構中,電加熱元件“∞”字形排布的織物表面溫度比“井”字形排布的織物表面溫度分布更均勻[23]。此外,工藝參數也會直接影響織物的發熱效果:織物結構越緊密,發熱均勻性越好[24];金屬/鍍金屬紗排列越稀疏,瞬時表面溫度低,發熱均勻性更好[25]。

目前,表征織物表面溫度均勻性的方法有直方圖法[26]、像素二值法[22]、溫度三維圖法[27]、溫度均勻系數法[28]等。直方圖法操作簡單,但無法表征空間位置溫度的分布;像素二值法誤差較大;溫度三維圖最為直觀,但樣品之間較難量化比較;溫度均勻系數雖能解決指標量化的問題,但表征由一維導電加熱元件制備的電加熱織物時,還存在溫度測點取點均落在加熱元件上的偶然性,因此需對該方法進一步優化。

為了改善發熱均勻性,本試驗優化了溫度均勻系數測試方法,并以不銹鋼纖維紗為發熱金屬絲制備電加熱機織物,基于正交試驗設計織物制備方案,探究不同工藝參數對電加熱織物發熱性能和溫度均勻性的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料與儀器

經紗選用28.12 tex的本白黏膠紗;緯紗選用19.68 tex的本白黏膠紗,并間隔插入直徑為275 μm的2股并捻不銹鋼纖維紗。

采用JZ00348型數碼提花機(浙江澳亞織造股份有限公司)制備機織物;采用AN155 M型直流穩壓電源(供應直流電壓0～15 V,ANTELVES公司)開展溫升和散熱測試;采用DLX890C+型萬用表(中國德力西電氣有限公司)測試電阻;采用FLIR T640型紅外熱像儀(美國FLIR公司)測試發熱均勻性。

1.2 電加熱機織物的制備

采用提花機制備黏膠/不銹鋼纖維紗織物,其中不銹鋼纖維紗通過手動引緯參與織造。本文將深入研究織造工藝對黏膠/不銹鋼纖維紗織物發熱性能的影響規律。選擇緯紗排列規律、緯紗密度和織物組織結構作為正交試驗設計的主要影響因素。緯紗排列規律三水平A1、A2、A3依次為1根不銹鋼纖維紗+3根黏膠紗、1根不銹鋼纖維紗+5根黏膠紗、1根不銹鋼纖維紗+7根黏膠紗;緯紗密度三水平B1、B2、B3依次為6.5、8.5、10.5 根/cm;織物組織結構三水平C1、C2、C3依次為經二重1/3、經二重1/5、經二重1/7。

基于三因素三水平正交試驗方案制備9組樣品,并按H1～H9依次命名(表1)。

表1 正交試驗方案Tab.1 Orthogonal test schemes

1.3 溫升和散熱測試

接通或斷開電源后,利用一段時間內織物表面的瞬時溫度表征織物的電熱溫升性能和散熱性能。具體測試為:在恒溫恒濕環境中對測試樣品兩端施加6 V電壓,先進行溫升測試,測試時間為40 min;再斷開電源,進行散熱測試,測試時間為20 min。測試過程中,每隔2 min記錄織物表面瞬時溫度。

1.4 發熱功率密度

發熱功率密度表征的是電加熱機織物溫升時單位面積織物所需的功率大小。發熱功率密度與材料的發熱性能正相關,發熱功率密度越大,發熱性能越優異。

測試電加熱機織物的電壓、電流以及實際加熱面積,再根據式(1)計算織物的發熱功率密度。每組樣品測10次,結果取平均值。

σ=UI/S

(1)

式中:σ為織物的發熱功率密度,W/m2;U為通過織物兩端的電壓,V;I為通過織物的電流,A;S為加熱的織物表面積,cm2。

1.5 發熱均勻性

溫度均勻系數表征的是織物表面瞬時溫度的分布情況,其反映了電加熱織物表面溫度的一致性即發熱均勻性。溫度均勻系數越高,則織物表面瞬時溫度越不均勻。測試時,先依據GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》中的九宮格取點法確定溫度測點,再按式(2)計算溫度均勻系數。但針對一維金屬加熱元件制得的電加熱機織物,考慮到溫度測點存在均落在加熱元件上的偶然性,本文對九宮格取點法進行了優化,即溫度測點分別取9、25、49、81、121、169點進行研究,以優選出最佳溫度測點取點數。

(2)

式中:α為溫度均勻系數;T0為電加熱機織物表面幾何中心處的溫度,K;Ti為電加熱機織物第i點的溫度,K;n為除電加熱機織物表面幾何中心處溫度測點外的溫度測點取點數。

2 結果與討論

2.1 織物溫升和散熱曲線

織物兩端接入6 V電壓后,織物表面幾何中心的溫升曲線如圖1所示。接通電源5 min內,織物快速升溫,其中H3、H5、H6和H9溫度超過45 ℃,升溫速率較其他織物的更高;之后繼續升溫,在30～40 min時織物溫度趨于穩定,其中H3、H5、H6穩態平衡時的最大瞬時表面溫度超過50 ℃,最高達60 ℃,H7和H8穩態平衡時的最大瞬時表面溫度相對較低,其中H7僅為39 ℃。有研究表明:60 ℃熱源接觸人體1 min將導致蛋白質凝固,并造成皮膚不可逆的損害[28];49 ℃熱源接觸人體3 min,將引起紅斑,持續9 min將導致表皮壞死[29];人體長時間接觸45 ℃的熱源,雖感覺不燙,但長時間接觸后痛覺神經會麻木,導致低溫燙傷[30]。本文的溫升試驗結果表明,H4、H8和H7穩態平衡時的最大瞬時表面溫度能夠穩定在不超過45 ℃,三者符合電發熱織物的應用需求。

圖1 電加熱機織物樣品的溫升及散熱曲線Fig.1 Temperature rise and heat dissipation curves of electric heating woven fabrics

圖1還顯示了接入電源40 min后斷開電源,織物表面幾何中心的溫度?？梢钥闯?在電源斷開后的4 min內,織物表面溫度驟降,8 min時溫度逐步趨向初始溫度。由于熱量會從高溫區域傳向低溫區域,故本研究主要考慮不銹鋼纖維紗的熱量向織物內部的熱傳導及與織物表面空氣形成熱對流。根據能量守恒定律,接入電源后,生成的熱量會向織物表面及空氣層快速傳遞,織物表面溫度持續上升。當織物表面溫度不變時,織物的整體熱量不再發生變化,此時電加熱產生的熱量等于織物向空氣層擴散的熱量,即織物達到傳熱學上的穩態平衡。斷電后,不銹鋼纖維紗不再產生熱量,但原有的熱量還會繼續向空氣中擴散;圖1中斷電20 min后即測試進行60 min時,織物表面幾何中心的溫度與試驗初始溫度有偏差,這也反映了各樣品的蓄熱能力。結合斷電后織物表面溫度的變化情況,比較一定時間內織物單位面積表面溫度的變化速率,得出織物蓄熱能力排序為H1>H2>H6>H3>H5>H4>H7>H9>H8。

2.2 發熱功率密度

9組電加熱機織物的發熱功率密度如表2所示。從表2可知:在相同的輸入電壓下,9組樣品中H2、H3的發熱功率密度(σ)較大,H7、H8的發熱功率密度較小;H3的發熱功率密度是H7的3倍多,前者單位面積產生的熱量更多,溫度更高,這在圖1中也得到了印證,原因在于H3中不銹鋼纖維紗排列根數更多,間隔更小,加之緯密較大,故H3中不銹鋼纖維紗的有效加熱面積更小,而H7采用經二重1/7組織結構,該結構較H3疏松,熱量散失較多,故H7整體蓄熱能力較差。

表2 電加熱機織物的發熱功率密度Tab.2 Heating power densities of electric heating woven fabrics

2.3 織物均勻性

制備的電加熱機織物的溫度均勻系數如圖2所示。由圖2可知,隨著有效加熱面積內溫度測點取點數的增加,溫度均勻系數先增加后逐漸趨于穩定。其中,當溫度測點取超過81點時,溫度均勻系數無明顯增長趨勢,故確定溫度測點取81點作為本研究中可信的均勻度評價方案。溫度測點取81點時測得電加熱機織物的溫度均勻系數如圖3所示。

圖2 電加熱機織物的溫度均勻系數Fig.2 Temperature uniformity coefficients of electric heating woven fabrics

電加熱機織物的溫度三維圖如圖4所示,從中可以更為直觀地看出織物表面溫度的分布:H2和H3的溫度均勻系數遠大于其他樣品,H2的溫度分布在34.3～59.8 ℃,H3的溫度分布在28.0～52.4 ℃;H4、H5和H6表面溫度分布較平均,結合圖3中三者的溫度均勻系數,表明使用溫度均勻系數表征表面溫度分布可靠。

2.4 正交試驗結果分析

2.4.1 發熱性能

以發熱功率密度為研究對象,各因素對電加熱機織物發熱性能的正交試驗極差分析結果見表3。從表3可知,就發熱性能來說,最優條件是A1B3C3,該條件下制備的電加熱機織物具有最大的發熱功率密度,各因素影響顯著性排序為A>B>C。從試驗設計來看,緯紗排列規律和緯紗密度會直接影響有效加熱面積。有效加熱面積越小,發熱功率密度越大。再結合圖1可知,發熱功率密度越大,短時間內溫升速率和穩態平衡時最大瞬時表面溫度越高。此外,織物組織結構越緊密,織物散熱越少,蓄熱能力越強。

表3 發熱功率密度極差分析Tab.3 Analysis range of heating power densities

2.4.2 發熱均勻性

以溫度均勻系數為研究對象,各因素對電加熱機織物發熱均勻性的正交試驗極差分析結果見表4。溫度均勻系數越小,織物的發熱均勻性越好。從表4可知,就發熱均勻性而言,最優條件是A2B1C1,該條件下制備的電加熱機織物具有最小的溫度均勻系數,各因素影響顯著性排序為A>B>C。接入電源后,不銹鋼纖維紗在通電過程中會不斷地向織物表面和空氣傳遞熱量,并在不銹鋼纖維紗周圍形成溫度分布場,直到不銹鋼纖維紗和織物、空氣形成的復合熱場達到熱平衡,此時繼續產生的熱量等于織物在空氣和織物中散失的熱量。緯紗中不銹鋼纖維紗和黏膠紗間隔較大或緯密較小時,電加熱元件間的物理距離增加,溫度分布場的高溫度區域相互分離,織物表面溫度減小;緯紗中不銹鋼纖維紗和黏膠紗間隔較小或緯密較大時,高溫區域疊加,織物表面溫度增加。但過小的紗線間隔不利于高溫分布區域的有效利用,過大的紗線間隔不利于溫度均勻分布。雙層織物組織結構決定了織物的緊密度和空隙,使織物在產生熱量的過程中一方面熱量散失減少,另一方面熱量在織物的二維平面內傳導,織物發熱均勻性得到改善。

表4 溫度均勻系數極差分析

3 結論

(1)溫升試驗結果表明,H4、H8和H7穩態平衡時的最大瞬時表面溫度能夠穩定在不超過45 ℃,符合電發熱織物的應用要求。散熱試驗結果表明,織物蓄熱能力排序為H1>H2>H6>H3>H5>H4>H7>H9>H8。

(2)隨著有效加熱面積內溫度測點取點數的增加,溫度均勻系數先增加后逐漸趨于穩定。當溫度測點取超過81點時,溫度均勻系數無明顯增長趨勢,故確定溫度測點取81點作為本研究中可信的均勻度評價方案。

(3)當電加熱機織物的緯紗排列規律為1根不銹鋼纖維紗+3根黏膠紗、緯紗密度為10.5根/cm及組織結構為經二重1/7時,織物具有較為優異的發熱性能,發熱功率密度為857.23 W/m2;當電加熱機織物的緯紗排列規律為1根不銹鋼纖維紗+5根黏膠紗、緯紗密度為6.5根/cm及組織結構為經二重1/3時,織物具有較為優異的發熱均勻性。

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