镀银纱线电热针织物的开发及性能评价

许静娴， 刘 莉， 李 俊

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051； 3. 北京服装学院 服装艺术与工程学院， 北京 100029)

镀银纱线电热针织物的开发及性能评价

许静娴1，2， 刘 莉3， 李 俊1，2

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051； 3. 北京服装学院 服装艺术与工程学院， 北京 100029)

为开发保暖服用电加热针织物，使用镀银纱线织造了6款不同组织、不同镀银纱线含量的加热织物。基于电加热模块及红外线温度采集系统，对6款织物进行了电热性能实验，选取其中热稳定性最好、产热量最多的一款织物进行服装模拟发热实验。实验结果显示：常温下，双罗纹组织织物的电阻值比纬平针组织低，且电阻热稳定性更好；镀银纱线含量越高电阻值越低；通电时双罗纹组织织物表面温度分布更均匀且其中镀银长丝和涤纶短纤喂入比为3∶7的试样升温最明显，在6 V电压下，以该试样为发热元件的服装面料系统表面可获得35 ℃的加热温度，足以起到发热保暖效果且能保证人体热舒适性。

电加热织物； 镀银纱线； 电热性能； 电阻

电加热技术以其加热效果好、加热温度可控、可反复加热等优点被广泛应用到保暖服装的开发中[1]，不少企业已开发出相关产品并投放市场[2]。现阶段市场上的电加热服装大都以碳纤维作为发热元件，加热后温度最高可达80 ℃。然而，由于碳纤维价格昂贵，作为碳纤维的替代品，银系纤维得到关注和研究。已有研究主要集中在镀银纱线织物的发热性能方面，例如：不同的组织结构对镀银纱线织物电热性能、热稳定性或表面温度分布均匀性的影响[3-5]；以及机械外力对镀银纱线织物发热率的影响[6]等。鲜有研究从服装应用或人体着装热需求的角度来研究该种织物，这就局限了镀银技术在电加热服装上的实际应用。

本文拟采用镀银纱线作为发热元件设计并试制发热织物，在对其电热性能进行实验分析的基础上，模拟其在服装中的实际应用情况，研究镀银纱线织物作为保暖服装发热元件的可行性，为电加热材料的选择和电加热服装的开发提供参考。

1 织物样本试制

1.1 发热元件

发热材料[7]分为电热金属丝、电热膜和电热织物3大类，前2类质地较硬，不易与人体贴合，着装舒适性差，目前服装中使用最多的是电加热织物。电加热织物是使用柔性导电纤维纯纺或与其他纤维交织而成，具备柔软、可洗涤、与人体贴合好等优点，常见的导电纤维有碳纤维和镀银纤维2大类。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维，具有柔软可加工性和良好的导电发热性能和电磁屏蔽性能，且发热时能产生远红外线，兼具发热保暖和医疗保健的功效[8]；镀银纤维即在纤维表面镀一层金属银。银是金属元素中导电、导热性最好[9]，且能有效的储热及反射热的材料，其对热的反射作用远大于传导作用，所以在寒冷气候中能防止人体热量逃逸散失。

这2类纤维中，目前使用较多的是碳纤维，在7 V电压下，碳纤维服装发热温度可达80 ℃，但这一温度显然不是人体热舒适温度，且碳纤维成本较高。本文尝试使用镀银纱线设计织造发热织物。

1.2 样本设计与织造

以20 tex的涤纶短纤纱和9.5 tex镀银长丝织造6款10 cm×10 cm的导电织物，织物参数如表1所示，包括纬平针和双罗纹2种组织，每种组织分别设计3种镀银长丝和涤纶短纤的喂入比，即纵向10行线圈内镀银长丝和涤纶短纤的行数比。

表1 镀银纱线加热织物参数Tab.1 Parameters of heated textiles based on silver-coated yarns

2 实验方法

2.1 镀银纱线织物电热性能实验

在温度为(20±2)℃，相对湿度为(50±2)% 的恒温恒湿条件下，测试本文实验6块电热织物样本的电热性能，包括：常温下织物的电阻、通电状态下织物的电阻、织物的导电发热性能3个实验。参照JB/T 9283—1999《万用电表》测试织物电阻，参照GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》测试导电发热性能。

2.1.1 常温下织物电阻值测试

如图1所示织物电阻值测试示意图，首先，将织物两侧露出的镀银纱线用铝片夹持固定住，使织物内部镀银纱线得以连接起来，然后，将数字型万用电表的两极a和b分别与织物两侧的铝片连接，使织物内部形成并联电路，通过万用电表读取织物阻值，即并联电路阻值。

2.1.2 通电状态下织物电阻值测试

通常情况下，金属导体的电阻会随温度的升高而增大。对于加热织物而言，电压大小会影响织物温度，从而影响电阻值。为测试6块织物的电阻值热稳定性，分别对其施以1、2、3、4、5、6 V电压，待织物表面温度达到稳定后，使用万用电表读出通过织物的电流大小，然后基于伏安法计算出织物的电阻值。

2.1.3 通电状态下织物发热性能测试

分别在1、2、3、4、5、6 V电压下测试织物的发热性能，本文研究采用织物表面的温升和温度分布均匀性2项指标来表征。测试采用织物热性能测试仪[6]，该测试仪包括红外线照相机、恒温箱、温度传感器、电脑、电源、温度信号采集模块等，通过温度传感器获取织物表面温度，通过红外线照相机获取织物表面温度场。

2.2 服装发热效果模拟实验

模拟发热织物实际应用于服装时的状况，将6块电热织物样本中发热性能最好、热性能最稳定的1块织物放在2块精纺羊毛织物中间，形成三明治结构的织物系统，进行服装发热效果模拟实验，如图2所示。在绝热泡沫板上放置待测织物，调节电压大小，由温度传感器获取织物系统的表面温度。

3 结果与讨论

3.1 织物电阻值

常温下6块织物电阻值如表2所示，试样1最大，试样6最小。对比相同组织织物可发现，织物电阻值随镀银长丝含量的增加而降低，这是因为本文实验采用的加热织物与电极连接的方式使得织物内部形成了并联电路，镀银长丝含量的增加导致各支路电阻变大，总电阻变小。分别对比试样1和4、试样2和5、试样3和6，当镀银长丝喂入比相同时，双罗纹组织比纬平针组织电阻小，这是因为双罗纹组织为双层结构，在同样的试样面积中，镀银长丝的含量增加，支路电阻变大，导致总电阻下降。另外，双罗纹结构使得织物内部纱线间的接触点增多，导致各支路内部又分出支路，从而降低了总电阻。

通电状态下织物电阻值测试结果如图3所示。随着电压的增加， 6块织物电阻值总体呈现下降趋势，下降比率分别为68%、47%、67%、45%、76%、43%。电压越大，织物间电阻值差异越小。试样6在不同电压下的电阻值都是最小的。双罗纹组织相比纬平针组织电阻变化幅度稍小，这与已有研究[6]结果一致，原因是纬平针组织结构较松散，镀银纱线受热膨胀时织物内部结构变化幅度较大，导致纱线上接触点间接触面积的变化，所以电阻变化幅度也较大。分析镀银长丝含量对电阻值变化的影响，发现含量最高的试样3和6电阻值变化幅度最小，且在电压大于3 V后开始趋于稳定，试样1、2、4在大于4 V后开始趋于稳定，试样5在观测范围内未见稳定趋势。

由上述常温及通电状态下织物电阻值测试结果可知，试样6电阻值最小且热稳定性最好，可考虑将其作为后续模拟服装发热实验的样本。

3.2 织物发热效果

图4、5示出6块织物在6 V电压下表面红外照片及温度三维图。由红外照片可知，试样4、5、6表面镀银纱线和涤纶纱线所处位置的颜色差异比试样1、2、3的小，由温度三维图可知，试样4、6表面各处起伏相对较为缓和，说明双罗纹织物相比纬平针织物发热更均匀，因为双罗纹结构紧密，镀银长丝与涤纶短纤间距离相对较短，热传导所波及范围相对更广，且相同电压下，双罗纹织物产热及传导热更多，使得镀银纱线与涤纶纱线表面温度差异更小。

图6示出不同电压下两试样表面最高温度随时间的变化关系，由图可知，织物表面最高温度随电压的增大而升高，在电压低于5 V时，试样4表面升温不明显，低于4 V时试样6升温不明显，这是因为试样4的电阻更大，当电压较低时，发热功率低。比较6 V电压下的最高温度可知，试样6最高温度达到60 ℃，大于试样4。

图7示出试样4、6电压与消耗功率密度间关系图。相同电压下试样6功率密度大于试样4，说明试样6的单位面积产热量更高。另外，2块试样的功率密度都与电压显著线性相关(R2>0.9)。

综上，结合织物电阻值和发热性能测试结果，选择阻值最小且热稳定性最好、温度分布最均匀且产热量最多的试样6进行服装加热效果模拟实验。

3.3 服装模拟发热效果

试样6模拟服装发热过程中捕捉到的在6 V电压下羊毛面料表面最高温度达到了35 ℃。文献[10]表明，人体皮肤较舒适温度范围为32～37 ℃，当皮肤温度低于32 ℃时，会产生不舒适的冷感，高于37 ℃时，会产生不舒适的热感，所以在6 V电压下试样6获得的35 ℃的加热温度在人体热舒适范围内，即使用镀银纱线作为发热元件足以起到加热保暖的作用，且不会使人体产生不舒适的热感。相比之下，市场上的碳纤维电热服发热温度高达80 ℃，产热量虽高，但热量过高会对人体造成伤害，所以本文研究开发的镀银长丝行数与涤纶短纤行数为3/7的双罗纹组织发热织物可取代碳纤维运用到电加热服装中。

4 结 论

本文选择镀银长丝作为导电发热元件与涤纶短纤交织，织造了6种加热织物。研究结果表明：1)常温下双罗纹织物电阻小于纬平针织物，且镀银长丝含量越高，阻值越小。通电下织物电阻随电压的增大呈减小趋势，双罗纹组织电阻热稳定性更好且其中镀银长丝含量最高的试样6热稳定性最好，电压达到3 V后，电阻几乎处于稳定状态。2)通电后，织物表面红外图像和温度三维图显示，双罗纹组织织物加热后表面温度分布更均匀，其中试样4、 6分布最均匀，且6 V电压下试样6功率密度更大，产热量更多，加热温度达60 ℃。3)模拟服装发热实验显示，在6 V电压下，织物系统获得了35 ℃的表面温度，足以给人体提供加热保暖功能且不会造成不舒适的热感。

使用镀银长丝作为发热元件织造保暖服用加热织物具有可行性，今后可考虑开发镀银纱线电加热服装。

FZXB

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Development and performance evaluation of electrically-heated
textile based on silver-coated yarn

XU Jingxian1,2, LIU Li3, LI Jun1,2

(1.Fashion·ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology(DonghuaUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200051,China; 3.SchoolofFashionArtandEngineering,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China)

This paper tends to develop a piece of electrical heating textile for thermal clothing. Six pieces of heating textiles with different textures and different silver-coated yarn contents were knitted. The electric heating properties of the six samples were tested, based on an electric heating module and an infrared temperature acquisition system. Then, the one, which performs best in thermal stability and heat generation, was picked out for electrically heated clothing simulation. The test results indicated that the resistance of interlock stitch is lower than plain stitch. And the higher the silver-coated yarn content is, the lower the resistance becomes. Also, the thermal stability of resistance shows better with interlock texture. When charged, the temperature distribution of interlock stitch is more uniform than plain stitch, and the temperature rise of the sample, with the rate of silver coated and polyester yarn of 3∶7, is most obvious. The simulation test of thermal clothing′ s heating properties showed that the temperature of the clothing surface, with the sample mentioned above as the heating element, could reach 35 ℃ at 6 V. Consequently, the textile knitted with silver-coated yarns can provide enough heat to the body while maintaining its thermal comfort.

electrically-heated textile; silver-coated yarn; thermal-electric property; electrical resistance

10.13475/j.fzxb.20151005905

2015-10-27

2016-08-19

中央高校基本科研业务费专项基金项目(15D110735/36)

许静娴(1992—)，女，博士生。主要研究方向为服装舒适性与功能性。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

TS 186.9

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