涤纶/碳纳米管柔性发热丝的制备及其性能

肖 渊， 李岚馨， 尹 博， 刘欢欢

(西安工程大学 机电工程学院， 陕西 西安 710048)

随着纳米科技的发展和纺织品功能的不断扩展，人们对服装家纺及产业用纺织品的要求越来越高[1]，在满足基本功能需求的基础上，不断注重产品的附加功能，从而促使纺织品向智能化、交互式、功能高度集成化方向发展，出现了可依据外界变化而作出反应的智能纺织品。发热纺织品作为智能纺织品的一种，在提高织物御寒保暖性方面发挥着越来越重要的作用[2]，这类纺织品除具有服饰的发热和保暖功能外，还可实现人体对外界寒冷环境的适应性，可依据不同生命器官的温度需求，通过控制发热丝电阻值提供/维持人体所需温度[3]，实现户外工作人员御寒、维持体温等功能，因而在航空航天、户外工作、极地探险等领域有着广泛的应用前景[4]。要使智能发热纺织品具有良好的舒适性及安全性，要求用于制备纺织品的发热丝具有导热性好、耐腐蚀性佳、质量轻、柔性好等特性，因此，制备具有此类特点的柔性发热丝尤为重要[5-6]。

目前，常见的柔性发热丝主要有碳纤维及镀银纱线[7-9]。碳纤维是一种高强度、高模量、高含碳量的高性能纤维，具有良好的柔性和导电性能，可用于具有保健功能发热保暖服装的开发；镀银金属纱线是采用电镀和化学镀等方法，将金属银镀在普通纱线外表得到导电纱线，该纱线具有较合适的电导率、良好的柔软性，可用于柔性加热织物的加热元件[10-11]。上述2种发热元件均可实现发热纺织品的制备，但碳纤维制成的发热织物存在成本高、脆性强不易于编织，镀银纱线的材料成本高、制备工艺复杂[12]。基于此，寻求一种质量轻、强度高、成本低、电热学性能好的柔性发热丝制备方法是目前研究的热点。

由于碳纳米管具有低密度、高拉伸强度等性能[13]，本文以碳纳米管为填充材料，以涤纶纱线为基体，提出纱线表面均匀涂覆碳纳米管制备发热丝的方法。通过一体化涂覆实验系统的开发，完成纱线表面处理、碳纳米管的涂覆、纱线固化成型及柔性化处理工艺，实现柔性发热丝的初步制备，为后续发热织物的研究奠定基础。

1 涤纶/碳纳米管发热丝涂覆系统

开发的涤纶/碳纳米管(CNTs)发热丝涂覆系统如图1所示。主要由声波振动均匀涂覆、纱线固化成形、纱线表面柔性化处理、纱线输出速度控制等模块组成。其中声波振动均匀涂覆模块利用扬声器带动盛有碳纳米管溶液染槽按照一定的频率振动，实现涤纶纱线表面的均匀涂覆，扬声器振动频率可通过控制信号频率的调节进行改变；固化成形模块是将已涂覆碳纳米管溶液的纱线送至恒温控制箱中进行固化，该恒温箱由FCD-3000型智能温度控制器进行温度控制，可实现0～400 ℃恒温控制；柔性化处理模块将涂覆固化成形的碳纳米管纱线浸入柔性化处理溶液中，进行表面柔性化处理并固化，减少碳纳米管涂覆纱线在弯折时出现折裂和脱落；纱线输出调速模块以STC90C51单片机为控制器，通过驱动模块控制步进电动机依照工艺要求完成纱线输出速度控制。

图1 涤纶/CNTs发热丝涂覆系统设计Fig.1 Design of polyester/CNTs heating wire coating system

2 涤纶/CNTs发热丝的制备与测试

2.1 实验材料

涤纶纱线，线密度为89 tex，市售；羧基化多壁碳纳米管(CNTs-006-2C)，羧基含量2.00%，内径为5～10 nm，外径为10～20 nm，长度为10～30 μm，分析纯，苏州碳丰石墨烯科技有限公司；聚氧乙烯月桂醚(Brij-30)，高纯级，上海谱振生物科技有限公司；3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱，分析纯，上海谱振生物科技有限公司)；丁腈乳胶，固含量为45%，pH值为10，工业级，靖江市通高化工有限公司；水性聚氨酯树脂，工业级，广州冠志新材料科技有限公司。

2.2 碳纳米管悬浮液的制备

将4.5 g碳纳米管、0.6 g 3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱和0.45 g聚氧乙烯十二烷基磺酸醚依次加入150 mL去离子水中，超声3 h得到均匀分散的碳纳米管悬浮液。

2.3 涤纶纱线预处理

直接涂覆碳纳米管溶液时附着性差，为改善涤纶纱线的表面形态，增加表面的粗糙性，提高涂覆的效果[14-15]，本文采用碱减量法对纱线表面进行处理。具体的处理工艺为：将涤纶纱线浸入质量分数为2%、温度为100 ℃的NaOH溶液中，保持2 min后取出，冷却至室温，经洗涤晾干待用。

2.4 涤纶/CNTs发热丝的制备

在上述基础上，将碳纳米管悬浮液倒入染槽，然后将处理后的涤纶纱线浸入碳纳米管溶液中，再送入固化成形模块中烘干，得到初步成形的涤纶/CNTs发热丝。具体工艺为：浸染3 min，浸染温度为30 ℃，声波振动频率20 Hz；固化成形时间为3 min，温度为110 ℃。

2.5 涤纶/CNTs发热丝的柔性化处理

为提高上述制备的发热丝的耐磨和可洗涤性，需要进行柔性化处理。具体工艺为：将发热丝浸入温度为70 ℃的柔性化处理溶液(水性聚氨酯和丁腈橡胶1∶1共混)一定时间,然后烘干，此时发热丝表面包覆一层防水洗的弹性薄膜，得到处理后的涤纶/CNTs发热丝。

2.6 涤纶/CNTs发热丝性能测试

为测量成形后涤纶发热丝电阻率，在室温条件下，取长度分别为1、5、10、15 cm的CNTs/涤纶发热丝各10段，测量不同长度纱线电阻的平均值R，经下式可计算出纱线的电阻率：

ρ=RS/L

式中：S为纱线横截面积，1.82×10-2cm2；L为纱线的长度，cm。

3 结果与讨论

3.1 发热丝表面形貌分析

采用上述工艺方法制备出的外观柔性发热丝的外观如图2所示。可看出，涂覆后涤纶纱线表面光滑、尺寸均匀，包覆效果较好，无脱落、结块等现象。

图2 发热丝Fig.2 Molding heating wire photos

3.2 发热丝导电性能分析

对成形的发热丝电阻率进行测量，得到电阻率随纱线长度变化趋势，结果如图3所示。

图3 不同发热丝长度与电阻率变化Fig.3 Different heating wire length and resistivity changes

由图3可看出，纱线平均电阻率随长度变化趋于稳定，其标准偏差逐渐变小。在长度为15 cm时纱线电阻率为24.895 Ω·cm，标准偏差为0.473 Ω · cm，电阻率波动较小，说明碳纳米管在涤纶纱线表面涂覆较均匀。

3.3 发热丝的微观形貌分析

为了进一步观察CNTs/涤纶发热丝表面涂覆的微观形貌，取长度为1 cm涤纶纱线为样品，借助扫描电子显微镜对其表面进行观察，得到其微观结构照片如图4所示。

图4 发热丝的SEM照片Fig.4 SEM image of heating wire

从图4可看出，涂覆后的涤纶纱线被完整包覆，表面致密且平整，由高倍图还可看出碳纳米管间相互交织形成均匀的涂覆层。

3.4 发热丝发热性能分析

为测量发热丝的发热性能，取15根5 cm长的发热丝和未经处理的涤纶纱线通过相互交错编织成如图5所示结构，用导电铜箔胶带将发热丝两端短接，形成并联网络结构，测得并联后的电阻值约为1.49×103Ω。对编织的单元通入36 V直流电压，采用电子温度计对通电后温度的变化进行采集，得到温度随时间的变化曲线如图6所示。

图5 发热丝编织结构Fig.5 Braided structure of heating wire

图6 发热丝发热温度随时间变化Fig.6 Heating wire heating temperature changes with time

从图6可看出，发热丝温度增长随时间基本呈线性变化，并且在4 min时，温度可达50.3 ℃。说明制备的发热丝可实现通电发热。后续可通过调节碳纳米管溶液浓度等参数对发热丝的发热性能进行调节。

3.5 发热丝耐洗涤性能分析

取长度为10 cm的发热丝置于水中，在常温条件下，经磁力搅拌器在1 500 rad/min条件下机械搅拌，后经40 ℃烘干处理，水洗10次。未洗涤前电阻率记为ρ0，洗涤后电阻率记为ρi，则变化率计算公式为

测得不同水洗次数与发热丝电阻率的变化如表1所示。

表1 发热丝的电阻率随水洗次数的变化Tab.1 Resistivity of heating wire changes with washing number

从表1可看出，随洗涤次数增加，发热丝电阻率的变化率先增大后趋于稳定，洗涤2次后，电阻率的变化率基本稳定。后续还可通过改变柔性处理液的浓度及温度等工艺参数进一步提高成形纱线的耐洗涤效果。

4 结 论

1)开发了集声波振动均匀涂覆、纱线表面柔性化处理、纱线的固化成形等为一体的纱线表面碳纳米管均匀涂覆系统，可实现涤纶/碳纳米管柔性发热丝的制备。

2)成形纱线电阻率测量及微观形貌观察显示成形的碳纳米管涂覆涤纶纱线电阻率稳定，纱线表面光滑、涂覆均匀。

3)成形的柔性发热丝发热测试结果表明，在36 V电压下，编织结构表面4 min内可获得50.3 ℃的加热温度，初步实现发热丝的制备。