緯編電熱針織物設計和性能評價

王 昊,陶麗珍,2,周鎖林,2

(1.常州紡織服裝職業技術學院 紡織學院,江蘇 常州 213164; 2.常州市生態紡織技術重點實驗室,江蘇 常州 213164)

隨著科技的發展和應用場景的變化,人們對于紡織品質量、功能的要求越來越高。電加熱利用電流通過導體產生的熱效應來進行加熱,具有加熱快、溫度可控、安全可靠等優勢,作為一種積極的加熱方式在功能紡織品開發中被越來越多的使用。

自20世紀初人們就已經開始對電熱材料進行探究并取得了實質性的應用。電加熱織物常見的柔性電熱元件包括碳基導電材料、導電聚合物材料和金屬導電紗線等[1]。碳基柔性電加熱元件主要包括石墨烯、碳納米管、碳纖維等[2];導電聚合物常用的制備方法包括原位聚合、電化學聚合以及氣相聚合等[3];金屬導電紗線既包括金屬短纖維混紡紗線,也包括利用不銹鋼長絲、銅絲等金屬長絲通過包芯、賽絡紡、賽絡菲爾紡等工藝開發的金屬長絲復合紗線,其中金屬長絲復合紗線具有電阻小、結構穩定、電熱性能優良等特點[4-6]。

很多學者基于不同的電熱材料和織物結構進行了電熱織物的研究,如以織物為基底材料,通過浸漬、噴涂和絲網印刷等方法制備電熱織物;或者通過機織、針織、刺繡等工藝制備電熱織物[7]。研究顯示,以碳纖維為基材的電熱織物,發熱效果良好且穩定[8];石墨烯發熱織物具有良好的熱穩定性[9];利用鍍銀紗線制備的電熱織物,組織結構設計靈活、電熱性能穩定且成本較低[10-12]。近年來緯編電熱針織物的研究較多。如陳莉等[13]將鍍銀長絲和不銹鋼長絲以襯緯的方式織入四平組織中開發電熱織物,結果顯示不銹鋼長絲織物的最大負載電流最大,鍍銀長絲織物的電阻變化率較小、升溫速度較快,采用襯緯方式等間距襯入導電紗線便于控制總電阻和各并聯電阻,織物發熱均勻。許靜嫻等[14]改變鍍銀長絲紗與滌綸短纖維紗的配比,比較分析了雙羅紋和緯平針組織電熱織物的性能,得出雙羅紋組織的電熱性能較緯平針組織好,鍍銀紗含量越高、升溫越明顯且加熱越均勻。盧俊宇等[15]通過改變鍍銀紗線和滌綸紗線的配置比例織造不同的羅紋電熱織物,1個循環內鍍銀紗線和滌綸紗線橫列排列方式為3∶2時織物達到的平衡溫度最高,2種紗線的橫列比為1∶2時發熱均勻性最好。李詩等[16]通過改變鍍銀紗線成圈比例開發了單面提花導電織物,研究顯示導電紗成圈數占比與織物電阻成線性相關,通過模型預測和實測分析,該類織物具有良好的熱穩定性。

上述已有研究中,采用鍍銀紗線作為電熱元件較多,但受到使用時間和加工工藝等影響,鍍銀紗線本身的均勻性、耐久性、穩定性等較差,影響電熱織物的耐久使用;另外電熱織物的結構主要采用緯平針、羅紋、四平等常見組織,結構上還可以做更多的探討。因此,尋求性能穩定的電熱元件、通過合理的組織結構來制備電熱性能優良的針織產品,是值得探討的。本文選擇導電性能優良且具有價格優勢的銅鎂合金長絲、不銹鋼長絲,利用賽絡菲爾紡技術制備金屬長絲復合導電紗線,設計開發羅紋空氣層和襯緯組織相結合的緯編織物,采用實際測試和數據擬合相結合的方法來研究電熱針織物的性能,為電熱針織物的結構設計和性能研究,特別是為銅鎂合金等金屬長絲在電熱織物中的使用提供一定的理論和實踐指導。

1 實 驗

1.1 實驗材料

銅鎂合金(鎂含量0.2%,常州信承瑞技術有限公司);不銹鋼金屬長絲(市售);棉粗紗(定量7.718 g/(10 m),市售);3k碳纖維(23 Ω/(10 cm),東莞市索維特特殊線帶有限公司);棉/腈綸(85/15)混紡紗(20.8 tex×2,市售)。

1.2 實驗儀器

LLY-27纖維細度分析儀(萊州市電子儀器有限公司);Fluke107數字萬用表(福祿克測試儀器(上海)有限公司);HFX-A4數字式小樣細紗機(蘇州華飛紡織科技有限公司);HD029N電子化纖長絲強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司);T2-HD228S體視顯微鏡(深圳市奧斯微光學儀器有限公司);GSJX-HF針織橫機(常熟市國盛針織機械廠);UTP3300-Ⅱ直流穩壓電源(優利德科技(中國)股份有限公司);ST9660紅外熱成像儀(香港?，攦x表集團有限公司);TA612A/B/C特安斯熱電偶溫度計(蘇州特安斯電子實業有限公司)。

1.3 金屬長絲導電復合紗線開發

1.3.1 紡制原理

為了提高金屬長絲在紡織面料開發中的應用性能,根據賽絡菲爾紡的紡紗原理,紡制棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗、棉/不銹鋼長絲賽絡菲爾紗。紡紗原理如圖1所示,將1根金屬長絲從細紗機的前牽伸區喂入(前羅拉后面),金屬長絲和經過牽伸的棉纖維須條(粗紗)在前羅拉鉗口同時輸入,由同1個錠子加捻,形成有雙股結構特征的金屬長絲賽絡菲爾包覆紗。

1—金屬長絲; 2—導絲桿;3—張力裝置;4—斷絲檢測聯動開關;5—導絲輪;6—前羅拉;7—中羅拉;8—后羅拉;9—粗紗。

1.3.2 紡紗工藝參數設計

本文實驗紡紗工藝參數:前羅拉線速度11.713 m/min,錠子轉速8 000 r/min,前羅拉轉速149.2 r/min,總牽伸27.80倍,中羅拉轉速6.17 r/min,后區牽伸1.15倍,后羅拉轉速5.37 r/min[17]。本文實驗紡制紗線規格27.8 tex(外包纖維),成紗捻系數360。實驗采用的粗紗規格定量實測7.718 g/(10 m),成紗具體規格見表1。

表1 紡紗工藝參數Tab.1 Spinning process parameters

1.4 緯編電熱針織物的結構設計與編織

綜合織物保溫性能和力學性能特點,羅紋空氣層和襯緯組織復合而成的針織物具有手感柔和、彈性好、保溫性能優良、結構穩定等特點,所以將其作為本文實驗的織物組織。將棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗、碳纖維、棉/不銹鋼賽絡菲爾紗作為導電紗線,使用GSJX-HF針織橫機以襯緯的形式將10根長20 cm的導電紗線平行排列(3個循環襯1次緯紗)編織在羅紋空氣層組織中(見圖2),織造3種導電織物。3種導電織物實測參數如表2所示。

表2 電熱織物結構參數Tab.2 Structure parameters of electric heating fabric

圖2 羅紋空氣層+襯緯結構編織圖Fig.2 Milano rib knitted fabric plus weft inlaying weave

1.5 金屬長絲性能測試

1.5.1 金屬長絲細度測試

參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法 投影顯微鏡法》,使用LLY-27纖維細度儀測試金屬長絲的細度。分別取1小束銅鎂合金長絲和不銹鋼長絲整理平直放在載玻片上并蓋上蓋玻片,然后將載玻片置于纖維細度儀的載物臺上,夾持裝置夾好后移動載玻片使試樣對準物鏡,放大400倍,觀察試樣的縱向形態,每種試樣測試10次,取平均值。

1.5.2 金屬長絲力學性能測試

參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》,使用HD021NH電子化纖長絲強力儀測試金屬長絲的力學性能,測試長度500 mm,測試速度500 mm/min,每種長絲測試10次,取平均值。

1.6 導電紗線性能測試

1.6.1 導電紗線力學性能測試

按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》,使用HD029N電子化纖長絲強力儀對2種金屬復合紗線進行力學性能測試。測試隔距500 mm,拉伸速度500 mm/min,預加張力為13.9 cN。每種紗線測試10次,取平均值。

1.6.2 導電紗線電阻測試

使用數字萬用表測試試樣電阻值,將金屬長絲和2種金屬復合導電紗線放置于絕緣板上,用夾頭夾住金屬長絲兩端,夾頭間距離10 cm,記錄測試結果,測試10次,取平均值。

1.6.3 導電紗線電熱性能測試

將2種金屬復合導電紗線以S型線路黏合在絕緣板上,試樣平均間距3 cm,試樣總長度50 cm,用夾頭夾住試樣兩端,接通UTP3305-Ⅱ線性直流電源,用ST9660紅外測溫儀分別記錄3、6、8、12 V電壓下的試樣升溫和降溫變化,每30 s記錄1次數據。

1.7 織物電熱性能測試

在溫度(20±2) ℃、相對濕度(65±4)%的恒溫恒濕室中測試3種不同導電織物的電熱性能。

1.7.1 織物電阻測試

1.7.1.1常溫下織物電阻測試

如圖3所示,將織物兩側的每1根導電紗線用銅片纏繞1次(確?？椢飪鹊膶щ娂喚€能被連接),再分別將兩側已經纏繞過的紗線用銅片連接組成并聯電路,通過數字萬用表測試織物電阻。

圖3 常溫下織物的電阻測試示意圖Fig.3 Schematic diagram of fabric resistance test at room temperature

1.7.1.2通電狀態下織物電阻測試

為了探討電壓變化對織物電阻的影響,如圖4所示,分別對3個試樣施加1、2、3、4、5 V電壓,5 min后在直流穩壓電源裝置上直接讀取此時的電壓和電流,然后基于伏安法計算此時的電阻,計算公式見式(1):

(1)

圖4 通電狀態下織物的電阻測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of resistance testing of fabric under electrification

式中:R為織物的電阻,Ω;U為直流電源讀取的電壓,V;I為直流電源讀取的電流,A。

1.7.2 織物電熱性能測試

1.7.2.1織物的表面溫度測試

根據試樣特點,在2、3、4、5、9、12 V電壓測試結果中分別選取合適的電壓,測試并記錄織物的表面溫度和當前電壓下的電流大小。如圖5所示,測試時在織物上任意選取5個點,利用熱電偶溫度計測試織物表面5個點的溫度,計算其平均溫度與電流大小,每30 s記錄1次,累計記錄10 min。同一水平測量3次,取平均值。

1.7.2.2織物熱穩定性能測試

熱穩定性指電熱元件表面溫度一定的情況下,其電阻的穩定性,用電阻變化率來表征,電阻變化率越小,加熱元件的熱穩定性越好。電阻變化率的計算公式為:

(2)

式中:φ為電阻變化率,%;R0為電熱元件的初始電阻,Ω;R為電熱元件加熱后的電阻,Ω。

功率指物體在單位時間內所做的功,是描述做功快慢的物理量。當功的數量一定時,功率值越大,時間就越短,加熱元件到達所需溫度的時間就越短。發熱織物功率的計算公式為:

P=U·I

(3)

式中:P為織物的輸入功率,W;U為直流電源讀取的電壓,V;I為直流電源讀取的電流,A。

1.7.2.3織物的發熱均勻性測試

如圖6所示,織物表面溫度達到35 ℃時,使用紅外熱成像儀拍攝織物的紅外照片,測試時儀器距離織物中心的垂直距離為20 cm。

圖6 織物發熱均勻性測試示意圖Fig.6 Fabric heat uniformity test diagram

2 結果與討論

2.1 金屬長絲性能分析

2.1.1 金屬長絲形態和細度

銅鎂合金長絲、不銹鋼長絲400倍放大倍數下縱向形態如圖7所示,2種金屬長絲的縱向均勻、光滑平直,實測直徑均為30 μm,金屬長絲細度達到微米級,具有良好的可紡性能。

圖7 金屬長絲縱向形態Fig.7 Longitudinal shape of metal filament. (a) Copper-magnesium alloy filament; (b)Stainless steel filament

2.1.2 金屬長絲力學性能

根據式(4)計算銅鎂合金長絲、不銹鋼長絲的線密度。銅鎂合金中鎂含量為0.2%,密度參照金屬銅長絲8.9 g/cm3,不銹鋼纖維的密度為7.93 g/cm3。

(4)

式中:d為金屬長絲直徑,mm;Ntex為紗線的線密度,tex;δ為紗線的密度,g/cm3。

金屬長絲實測力學性能如表3所示。

表3 不同直徑的金屬長絲力學性能測試結果Tab.3 Test results of mechanical properties of metal filaments of different diameters

2.2 金屬長絲復合導電紗線性能分析

2.2.1 金屬長絲復合導電紗線力學性能

2種金屬長絲復合導電紗線在體式顯微鏡下的形態如圖8所示,金屬長絲均勻包覆在棉纖維表面,紗線結構穩定。

圖8 金屬長絲復合紗形態Fig.8 Morphological characteristics of metal filament composite yarn. (a) Cotton/copper magnesium sirofil yarn; (b) Cotton/stainless steel sirofil yarn

2種金屬長絲復合紗力學性能測試結果如表4所示,其中名義線密度是根據紗線外包纖維設計線密度(27.8 tex)和金屬長絲的線密度值計算所得。棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗、棉/不銹鋼長絲賽絡菲爾紗斷裂強度較相應金屬長絲(表3)分別提高8%、15%,其主要原因是賽絡菲爾紗中的金屬長絲以螺旋的形式包纏在棉纖維表面,增加了棉纖維和金屬長絲之間的抱合力,使其斷裂強度得到改善。FZ/T 12071—2021《導電紗線》中優等品斷裂強度指標為10.5 cN/tex,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗和棉/不銹鋼長絲賽絡菲爾紗的斷裂強度分別為12.1和16.6 cN/tex,達到優等品的技術要求,采用賽絡菲爾紡紗開發金屬長絲復合紗工藝成熟、性能優良。

表4 紗線拉伸性能測試結果Tab.4 Test results of tensile properties of yarn

2.2.2 金屬長絲和復合導電紗線電阻

經實際測試,10 cm長的銅鎂合金長絲和不銹鋼長絲的電阻分別為3.7和 81.7 Ω;10 cm長的棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗和棉/不銹鋼賽絡菲爾紗電阻分別為4.8和 85.7 Ω,金屬長絲復合紗與相應的金屬長絲電阻值接近,對照FZ/T 12071—2021《導電紗線》導電性能A類產品要求(電阻≤1.0×105Ω/cm),金屬長絲復合紗導電性能達到A類要求。

2.2.3 金屬長絲復合導電紗線電熱性能

不同電壓下,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗和棉/不銹鋼賽絡菲爾紗的熱紅外成像圖如圖9所示,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗升溫速度和能達到的最高溫度均較棉/不銹鋼賽絡菲爾紗好,而棉/不銹鋼賽絡菲爾紗相對發熱更加均勻。

圖9 不同電壓下導電紗加熱溫度紅外圖像Fig.9 Infrared image of sample heating under different voltages. (a) Cotton/copper magnesium sirofil yarn; (b) Cotton/stainless steel sirofil yarn

不同負載電壓下,試樣升溫300 s后關閉電源,試樣表面的溫度變化如圖10所示。導電紗實測的表面溫度隨著通電時間的增加逐漸上升,上至一定溫度時趨于穩定,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗的升溫速率較棉/不銹鋼賽絡菲爾紗高;加熱300 s關閉電源,紗線的溫度快速下降,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗降溫速率更快。輸入電壓越高,加熱時的升溫速率也越快,紗線的溫度也越高;當電壓為12 V時,棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗實測的表面溫度可達40.9 ℃。

圖10 不同電壓下試樣的電熱升溫曲線Fig.10 Electrothermal heating curve of samples under different voltages. (a) Cotton/copper magnesium sirofil yarn; (b) Cotton/stainless steel sirofil yarn

2.3 織物電阻分析

2.3.1 常溫下織物的電阻值

常溫下,棉/銅鎂合金織物電阻最小,為1.2 Ω,碳纖維織物電阻為3.5 Ω,棉/不銹鋼織物電阻最大,為21.97 Ω。由于3個試樣的原料、結構和并聯的電路相同,所以織物試樣的電阻值與導電紗線的電阻值線性相關。

2.3.2 通電狀態下織物的電阻值

通電狀態下,織物的電阻如圖11所示,試樣2最小,試樣3最大,與2.3.1節的結果相吻合。隨著電壓從1 V增加到5 V,3個試樣的電阻值總體呈下降趨勢,通電后試樣1～3電阻分別下降4.08%、32.70%、4.75%。試樣1的電阻穩定性最好,試樣2的電阻穩定性較差。此外,電壓越大通電狀態下的電阻值越接近常溫下的電阻值。

圖11 通電狀態下織物的電阻值Fig.11 Resistance value of fabric in current state

2.4 織物電熱性能分析

2.4.1 不同電壓下織物的升溫情況

根據3個試樣加熱元件的特點并結合織物最大負載電流和升溫效果,選取不同的電壓來測試和分析加熱織物的電熱性能。3個試樣在通電狀態下表面溫度與時間的關系如圖12所示,織物表面的溫度與時間和電壓有關,時間越長,溫度越高;電壓越大,溫度越高?？椢镩_始通電后的升溫增幅較大,起始30 s內快速升溫,隨后平穩增加趨于穩定。試樣1在5 V電壓下達到的平衡溫度為38.1 ℃;試樣2在4 V電壓下能達到49.8 ℃;試樣3在12 V電壓下能達最高溫度為38.9 ℃。

圖12 織物通電后在代表性電壓下的表面溫度散點圖Fig.12 Scatter plot of surface temperature of fabric at representative voltage after electrification. (a) Sample 1; (b)Sample 2; (c) Sample 3

2.4.2 相同電壓下織物的升溫情況

3個試樣在施加3 V電壓時的溫度如圖13所示,試樣2的溫度增長速度最快,能到達的溫度也最高。在施加3 V電壓下,以棉/銅鎂合金賽絡菲爾紗為加熱原件的針織物加熱溫度達35.5 ℃;碳纖維織物次之,不銹鋼織物溫度最低。

圖13 織物在3 V電壓下試樣的升溫散點圖Fig.13 Temperature rise scatter diagram of fabric sample under 3 V voltage

2.4.3 不同功率下織物的升溫情況

3個試樣表面平衡溫度和功率的關系如圖14所示,織物的最高平衡溫度和輸入功率隨著輸入電壓的增加而增加;達到相同溫度時,試樣2的輸入功率最大,試樣1的輸入功率其次,試樣3的輸入功率最小。

圖14 織物輸入功率和平衡時的溫度關系散點圖Fig.14 Scatter diagram of relationship between input power of fabric and temperature at equilibrium

2.5 織物電熱性能擬合分析

分析3個試樣在不同電壓條件下針織電熱織物溫度(y1)隨時間(x1)變化的關系,對實驗數據進行非線性曲線擬合,擬合結果如表5所示,擬合圖如圖15所示。

表5 試樣在代表性電壓下的表面溫度擬合結果Tab.5 Surface temperature fitting results of samples under representative voltage

圖15 織物通電后在代表性電壓下的表面溫度擬合曲線Fig.15 Fitting curve of surface temperature of fabric at representative voltage after electrification. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

各試樣擬合優度R2均大于0.98,且試樣1、2的擬合優度大于試樣3,說明在升溫過程中,電熱織物的升溫和時間、電壓具有相關性。通過相應的擬合曲線可以預測不同電壓、不同加熱時間下織物的升溫性能,在相應電熱織物的使用過程中可以進行參數控制,以達到最優使用效果。

根據溫度(y2)和功率(x2)符合線性增長規律,對3個試樣相應的實驗數據進行線性擬合,擬合圖如圖16所示,擬合結果如表6所示。在升溫過程中,電熱織物的表面平衡溫度與輸入功率呈正相關,各方程擬合優度均大于0.99,線性相關性高。通過線性擬合可以根據所需的溫度要求,選擇合適的輸入功率。

表6 織物輸入功率和平衡時的溫度關系擬合結果Tab.6 Fitting results of relationship between input power of fabric and temperature at equilibrium

圖16 織物輸入功率和平衡時的溫度關系擬合圖Fig.16 Fitting diagram of relationship between input power of fabric and temperature at equilibrium

2.6 織物的熱穩定性能分析

3個試樣的電阻變化率如圖17所示,試樣2的電阻變化幅度較大,在1.14%～6.31%;試樣1、3的電阻變化幅度較小,分別在1.07%～1.73%、0.74%～2.23%。隨著溫度的增加,3個試樣的電阻變化率整體呈下降趨勢,當織物表面溫度達45 ℃以上時,3個試樣的電阻變化率均小于2%,電熱針織物的熱穩定性較好。

圖17 織物的電阻變化率隨溫度變化的散點圖Fig.17 Scatter plot of change of resistance rate of fabric with temperature

2.7 織物的發熱均勻性分析

織物表面平衡溫度為35 ℃時,使用紅外熱成像儀拍攝3個試樣的照片如圖18所示。3種電熱織物的加熱效果較好,但織物加熱均勻性較差,試樣1的中段溫度較上下段略高,試樣2的中下段溫度較上段略高,試樣3上中段的溫度較下段略高。在織物制備過程中并聯的導電紗線長度略微不同導致電阻差異,從而通電后每根紗線上的電流存在差異,因此在織造過程中要有效控制導電紗的喂入,保證其張力均勻,同時要保證其并聯紗線長度一致和連接的穩定性。此外,試樣類別還需增加,后續仍需進一步探討襯緯紗的排列方式和用量對織物加熱性能的影響,以獲得更加均勻的加熱效果。

圖18 電熱織物在35 ℃時的紅外圖像Fig.18 Infrared image of an electrically heated fabric at 35 ℃.(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

3 結 論

本文通過賽絡菲爾紡紗技術與緯編技術相結合,選用銅鎂合金和不銹鋼長絲開發復合導電紗和電熱織物,對其性能進行了研究,結論如下:

①制備的棉/銅鎂合金、棉/不銹鋼復合導電紗斷裂強度和導電性能分別達到FZ/T 12071—2021《導電紗線》中優等品和A類產品要求;實測棉/銅鎂合金導電紗升溫、降溫速率均高于棉/不銹鋼導電紗,在12 V電壓時,棉/銅鎂合金導電紗實測的表面溫度最高可達40.9 ℃,電熱性能優良。

②由碳纖維、棉/銅鎂合金導電紗、棉/不銹鋼紗作為加熱元件制作的羅紋空氣層加襯緯組織電熱織物,通電30 s內快速升溫,隨后溫度平穩增加直至平衡;電壓越大,能達到的平衡溫度越高。不同電壓下,電熱織物溫度隨時間變化的非線性曲線擬合優度為0.98以上;電熱織物的輸入功率與表面平衡溫度呈正相關。

③相同條件下,棉/銅鎂合金電熱織物升溫速度最快,輸入功率最大,能達到的溫度最高,碳纖維織物次之,棉/不銹鋼電熱織物升溫速度最慢,輸入功率最小,能達到的溫度最低。碳纖維電熱織物電阻穩定性最好,棉/銅鎂合金電熱織物電阻穩定性最差,表面溫度達45 ℃以上時,3種織物的電阻變化率均小于2%。

綜上所述,采用銅鎂合金、不銹鋼長絲通過賽絡菲爾紡紗工藝生產復合導電紗并開發羅紋空氣層加襯緯結構的緯編電加熱織物具有一定的可行性,為相關領域的電熱產品開發提供一定的參考和借鑒。