碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱織物的開發(fā)及性能評(píng)價(jià)

沈宇皓 彭佳佳

（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215000）

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選擇與織造

1.1.1 材料選擇

實(shí)驗(yàn)選用的碳纖維長(zhǎng)絲是以1K 聚丙烯纖維為原料，通過(guò)200～300℃預(yù)氧化，1000～1500℃碳化，最后進(jìn)行上漿整理制成的。

1.1.2 設(shè)計(jì)織造

實(shí)驗(yàn)中，以1K 碳纖維長(zhǎng)絲和41.1tex 棉纖維為材料，織造8 款20 cm（緯）10 cm（經(jīng)）導(dǎo)電發(fā)熱織物，織物參數(shù)如表1 所示，包括平紋和斜紋這2 種基本組織，每種組織各設(shè)計(jì)4 種不同比例的棉纖維和碳纖維的緯紗用量，即一個(gè)組織循環(huán)內(nèi)的碳纖維緯紗根數(shù)與棉纖維緯紗根數(shù)比。最后在緯紗兩端用銅片夾持固定，作為電極，以方便后面實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

表1 碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱織物參數(shù)

1.2 碳纖維紗線的測(cè)試

1.2.1 不通電時(shí)的電阻測(cè)試

在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（55±3）%的恒溫恒濕環(huán)境中（接下來(lái)測(cè)試都在這個(gè)環(huán)境下進(jìn)行），量取5根長(zhǎng)度為6cm 的碳纖維長(zhǎng)絲試樣進(jìn)行測(cè)試，保證其自然伸直，在紗線中間取5cm，兩端多余部分用銅片夾持固定，參照J(rèn)B/T9283-1999《萬(wàn)用電表》，用數(shù)字型外用電表的兩極分別連接碳纖維長(zhǎng)絲已經(jīng)被銅片夾持的兩端連接處。當(dāng)顯示的電阻值趨于平穩(wěn)后，記錄數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)使用此方法測(cè)試10cm（長(zhǎng)度量取11cm）、15cm（長(zhǎng)度量取16cm）、20cm（長(zhǎng)度量取21cm）的碳纖維長(zhǎng)絲電阻值。最后計(jì)算分析，公式采用長(zhǎng)度比電阻，即：

式中：R 為一定長(zhǎng)度紗線的電阻，Ω；L 為紗線的長(zhǎng)度，cm。

1.2.2 通電時(shí)的電阻測(cè)試

同樣量取5 根長(zhǎng)度為6cm 的碳纖維長(zhǎng)絲試樣進(jìn)行測(cè)試，保證其自然伸直，在紗線中間取5cm，兩端多余部分用銅片夾持固定并接入直流電源，分別對(duì)其施加1～6V 的電壓。記錄各電壓下通過(guò)紗線的電流大小，然后繼續(xù)使用此方法測(cè)試10cm、15cm、20cm 長(zhǎng)絲的電流大小。最后通過(guò)伏安法計(jì)算電阻和電阻變化率，即：

式中：λ 為電阻變化率，%；R0為初始電阻，Ω；Rt為通電后的電阻，Ω。

1.3 碳纖維織物的測(cè)試

1.3.1 不通電時(shí)的電阻測(cè)試

用萬(wàn)用電表的兩極分別與織物兩側(cè)的銅片連接（如圖1），使織物形成并聯(lián)電路，通過(guò)萬(wàn)用電表讀取織物在不通電時(shí)的電阻值。

圖1 通電時(shí)不同長(zhǎng)度碳纖維的電阻

1.3.2 通電時(shí)的電阻測(cè)試

分別對(duì)織物通1～6V 的電流，當(dāng)其表面溫度達(dá)到穩(wěn)定后，使用萬(wàn)用電表測(cè)得此時(shí)通過(guò)織物的電流大小，然后通過(guò)伏安法計(jì)算出織物的電阻值，并計(jì)算電阻變化率。

1.3.3 升溫速率測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定對(duì)織物輸入電壓為4.5V，測(cè)試時(shí)將織物置于隔熱裝置中，升溫過(guò)程中使用紅外測(cè)溫儀在織物上方垂直距離為30cm 的地方測(cè)量，并確保測(cè)量位置始終處于織物的中心位置。記錄下每隔2 秒織物上升的溫度。

1.3.4 最大溫度測(cè)試

持續(xù)對(duì)織物輸入4.5V 的電流，使織物溫度上升到某一數(shù)值后保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，此時(shí)記錄數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為該織物在相同實(shí)驗(yàn)條件下，4.5V 電壓時(shí)輸入的最大溫度。

1.3.5 降溫速率測(cè)試

在4.5V 電壓下，織物到達(dá)最大溫度后，關(guān)掉電源以停止對(duì)織物的電壓輸入。此時(shí)使用紅外測(cè)溫儀在距離織物上方垂直距離為30cm 的地方測(cè)量，并確保測(cè)量位置始終處于織物中心位置。記錄下每隔2 秒織物下降的溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維紗線的電熱穩(wěn)定性

在溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（55±3）%的恒溫恒濕環(huán)境下，不通電時(shí)，不同長(zhǎng)度紗線的平均電阻值如表2 所示，5cm 的碳纖維長(zhǎng)絲電阻最小，20cm 的碳纖維長(zhǎng)絲電阻最大，電阻隨紗線長(zhǎng)度的增大而增大。

表2 不通電時(shí)不同長(zhǎng)度碳纖維紗線的平均電阻值

表3 不通電時(shí)導(dǎo)電發(fā)熱織物的電阻值

碳纖維紗線通電過(guò)程中電阻的穩(wěn)定性與最終成品的導(dǎo)電發(fā)熱性能密切相關(guān)。在通電情況下，碳纖維紗線的電阻值測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。隨著電壓的增加，不同長(zhǎng)度的紗線的電阻值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降比率分別為15.7%，16.6%，16.2%，22.0%。紗線長(zhǎng)度為5cm 時(shí)，電阻變化幅度最小；紗線長(zhǎng)度為20cm 時(shí)，電阻變化幅度最大。這是由于20cm 長(zhǎng)度的碳纖維纖維絲束中的單絲束受熱膨脹，而過(guò)長(zhǎng)的纖維絲束更容易分散和脫散，使得絲束內(nèi)部出現(xiàn)不連結(jié)的地方，以致此時(shí)的碳纖維紗線電阻變化幅度最大，同時(shí)20cm 的碳纖維紗線長(zhǎng)度更長(zhǎng)，與空氣接觸面積更大，產(chǎn)熱和散熱情況更加復(fù)雜。

2.2 碳纖維織物的電熱穩(wěn)定性能

不通電時(shí)，8 塊織物的電阻值如表1 所示，其中8號(hào)試樣的電阻值最大，5 號(hào)試樣的電阻值最小，織物的電阻阻值隨著一個(gè)組織循環(huán)內(nèi)碳纖維和棉纖維長(zhǎng)度之比的減小而增大，即織物的電阻阻值隨著相同大小試樣中碳纖維根數(shù)的減少而增大，并且斜紋組織的電阻變化率相較于平紋組織更為明顯。原因是平紋組織中碳纖維緯紗之間平行排列，而斜紋組織中碳纖維斜向排列，紗線上接觸點(diǎn)情況更為復(fù)雜。

在通電情況下，碳纖維織物的電阻值測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。隨著電壓的增加，碳纖維織物的電阻值與上面測(cè)試中碳纖維的電阻值（圖1）呈現(xiàn)一樣的下降趨勢(shì)。平紋組織1～4 號(hào)試樣的電阻下降率分別為55.56%，59.03%，53.76%，55.20%，斜紋組織5～8 號(hào)試樣的電阻下降率分別為63.49%，47.84%，59.39%，75.47%。8 號(hào)試樣波動(dòng)最大，因?yàn)? 號(hào)試樣碳纖維緯紗比例少（比例為1:8），紗線間接觸情況復(fù)雜，織物升溫失溫頻繁，導(dǎo)致織物的電阻值不斷變動(dòng)。同時(shí)，通電后織物的電阻值剛開始下降時(shí)波動(dòng)較為劇烈，隨后趨于平緩。6 號(hào)試樣的電阻值較小且電熱穩(wěn)定性最好。

圖2 通電時(shí)碳纖維織物的電阻

2.3 碳纖維織物發(fā)熱效果分析

8 塊碳纖維織物在通電狀態(tài)下（電壓始終為4.5V）織物表面中心溫度上升曲線如圖3 所示。從圖3 可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，碳纖維織物表面的溫度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。通電初期，織物的溫度迅速上升，通電一段時(shí)間后，上升逐漸趨緩。這是因?yàn)橥姵跗诳椢锏漠a(chǎn)熱量大于散熱量，隨著織物溫度的上升，織物與外界環(huán)境的溫差增大，散熱量逐漸增大，直至等于產(chǎn)熱量，最后織物表面溫度趨于穩(wěn)定。8 塊試樣對(duì)比中，1 號(hào)、2 號(hào)、5 號(hào)、6號(hào)升溫速度快，溫度高。

圖3 電加熱織物升溫曲線

8 塊織物在通電6 分鐘后，溫度雖趨于平穩(wěn)，但仍有上升的跡象。為此實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)保持通電，探究4.5V 電壓情況下，8 塊織物溫度的極值點(diǎn)。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)保持一段時(shí)間不變化或極小變化，此時(shí)我們讀出讀數(shù)，1～8 號(hào)樣布的溫度極大值點(diǎn)分別為38℃，36.5℃，33.5℃，31.5℃，39℃，37.5℃，35.5℃，32℃。考慮到其仍存在熱量損失，因此每個(gè)數(shù)據(jù)有±0.3℃的誤差。當(dāng)織物的溫度達(dá)到極值點(diǎn)后，斷開電源，8 塊碳纖維織物在斷電狀態(tài)下織物表面中心溫度下降曲線如圖4 所示。從圖4 可知，隨著斷電后時(shí)間的延續(xù)，碳纖維織物表面的溫度不斷下降。初期，織物的溫度迅速下降，一段時(shí)間后，溫度下降速率開始減緩。這是因?yàn)榭椢飻嚯姾螅a(chǎn)熱量和散熱量的平衡被打破，熱量開始快速逃逸到周圍空氣中，隨著織物溫度與測(cè)試環(huán)境溫度的接近，散熱量逐漸減小，降溫速率開始減緩。8 塊試樣對(duì)比中，6 號(hào)試樣溫度變化幅度最小，說(shuō)明6 號(hào)試樣緯紗比例（1:2）與組織結(jié)構(gòu)（斜紋）適當(dāng)，能有效阻止熱量的散失，起到一定的保溫作用。

圖4 電加熱織物降溫曲線

3 結(jié)論

（1）碳纖維具有良好的電熱穩(wěn)定性能和發(fā)熱功能。（2）紗線的電阻隨著紗線長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大。碳纖維紗線通電后電阻變化率較小，紗線的電阻值較穩(wěn)定。（3）通電時(shí)，織物電阻隨電壓的增大呈減小趨勢(shì)，當(dāng)組織結(jié)構(gòu)是斜紋且碳纖維和棉纖維緯紗之比是1:2 時(shí)電阻值較小且電熱穩(wěn)定性最好。綜合上述情況，碳纖維和棉纖維緯紗之比是1:2 的斜紋織物最適合作為導(dǎo)電發(fā)熱織物。