纬编提花导电针织物的电热性能

李 诗，刘 夙, b，龙海如, b

(东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

电加热织物是以导电材料制备柔性织物，再对导电柔性织物通电加热来达到保暖的效果，它可以结合多种传统纺织技术及导电材料获得，在人体防护、保暖服装、医用、智能可穿戴等领域有广阔的应用前景。揭示导电织物的电热性能与织物结构、纤维材料间联系可指导电加热服装材料设计。近年来，导电加热产品越来越受到国内外学者的关注。电加热服作为一种积极保暖服，具有发热效果好、环保等优点[1]，国内外企业已开发多种电加热服并投放市场[2]。市场上电加热服的加热元件主要分为金属材料、石墨材料、导电高聚物材料和镀金属材料4大类[3]，其中，镀银纱线相较于其他材料，具有导电性良好和可织性的优势。针织物因其独特的网孔结构，比机织物更加柔软、悬垂性更好。因此，以针织方法制作导电加热产品是未来的发展趋势。

目前国内外学者对纬编针织镀银导电针织物的电阻模型、发热原料、组织结构、电热性能测试及评价等方面有所研究。在电阻模型方面：卢俊宇[4]研究了罗纹组织的电阻网络模型，并对比了对角、中间两点、中间四点等3种电极连接方式的电阻；Hamdani等[5]研究弹性纱与镀银纱线隔行织造的平纹组织的电阻模型；Li等[6]研究长度相关的电阻和接触电阻，构建导电平纹组织的电阻模型。在发热原料方面：蔡倩文等[7]使用5种不同导电纤维制备纬编针织柔性织物，发现镀银纤维纱线的针织物较其他原料的织物表现出更大的导电性和强力；另外，李煜天等[8]使用不锈钢纤维与涤纶混合编织成导电针织物，分析织物的导电灵敏度。在针织组织结构方面：许静娴等[9]研究纬平针和双罗纹组织导电织物的发热性能；陈莉等[10]使用衬纬方式制得升温快速、工作稳定的纬编针织物；Hamdani等[11]用不锈钢丝织造不同结构的针织物，测试其发热效率。在电热性能测试及评价方面：王金凤等[12]研究镀银导电针织物拉伸时的导电性能，测试了拉伸对电阻的影响；韩晓雪等[13]研究镀银导电织物纵向拉伸时的电力学性能；Kayacan等[14]设计制作了一款具有温度控制系统的针织电加热服并进行评价；Wang等[15-16]研究电加热服装加热效率的影响因素，并用暖体假人法评价了电加热服。

综上可知，对针织组织结构的研究仅限于简单针织组织，如平纹组织、罗纹组织和衬纬组织等，尚未有文献对复杂的纬编针织提花结构织物的发热性能有所研究。提花结构比平纹、罗纹等简单组织，伸缩性小，织物表面更加平整。因此提出假设：针织导电提花结构织物在人体穿着过程中产生的形变较小，织物内部线圈滑移较小，穿着时不易造成织物电阻变化。因此，本文构建纬编针织提花织物的电阻模型，并测试研究其电热性能，以推进智能针织发热产品的设计开发。

1 电阻模型的建立

以单面针织两色提花建立电阻模型，单面提花的背面效果为浮线，将线圈与浮线构建几何模型，以导电纱线成圈数在织物总线圈数的百分比(10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%)为变量，探究导电纱线长度与导电织物电阻间的关系。

1.1 单面针织两色提花线圈结构

单面针织两色提花是两种纱线交替成圈，当一种纱线在正面成圈时，其反面是另一种纱线的浮线。图1为导电纱线成圈数在织物总线圈数的占比20%的导电织物，其中，红色纱线为非导电纱线1，绿色纱线为非导电纱2，橙色纱线为镀银纱线，镀银纱线随非导电纱2添纱织造，即镀银纱线始终处于非导电纱2底层。镀银纱线与非导电纱2的直径相差数十倍，因此在织物正面镀银纱线不显露。

图1 单面针织两色提花线圈导电织物结构图Fig.1 Loop diagram of two-color single knitted jacquard conductive fabric structures

假设：在织造导电提花织物时，镀银纱线始终添纱于非导电纱2下方，不同行的导电纱线互不影响，相邻线圈互不影响，不产生接触电阻。织物总电阻为每一横行线圈与浮线总长的导电纱并联电阻。

1.2 简化模型

对于一块尺寸为10 cm×10 cm、针数为m、行数为n的织物，L1为成圈线圈长度，L2为浮线长度，W为导电纱线成圈数在织物总线圈数的百分比，则不同导电纱线成圈数在织物总线圈数占比下织物的导电纱长度为

LW=mn[WL1+(1-W)L2]，W=10%，20%，…，90%

(1)

推导导电纱长度与W的关系为

mn(L1-L2)

(2)

式中：tanθ为导电纱线长度与W呈直线的斜率。

1.3 根据简化模型建立电阻模型

根据电学理论中，导体电阻的计算式为

(3)

式中：ρ为材料电阻率；L为材料长度；S为材料横截面积。

(4)

根据式(4)可推导导电纱线的电阻为

(5)

式中：D为导电纱直径。

由式(1)结合式(5)，可以得到导电纱线电阻与成圈数比例的关系为

(6)

对于织物电阻而言，假设最理想状态下每一横行的线圈与浮线为串联关系，而各横行为并联关系，则各行之间不产生接触电阻。每一横行支路电阻为

R支路=m[WRL1+(1-W)RL2]

(7)

(8)

整理式(8)得：

(9)

结合式(6)和(9)可以发现，织物电阻与纱线电阻的关系为

(10)

2 试验部分

2.1 纬编提花导电针织物的制备

2.1.1 原料

导电纱线选用镀银纱线(7.78 tex和44.44 tex，7.78 tex镀银纱线电阻率为1.89×10-4Ω·cm，青岛亨通伟业公司)，普通纱线选用羊毛纱(41.67 tex，黑色和白色，浙江中鼎纺织有限公司)。

2.1.2 织物

镀银导电织物效果如图2所示，其导电部分分为电极区和导电区。电极区的宽度为1 cm和长度为10 cm，使用44.44 tex镀银纱线织造。提花导电区的尺寸为10 cm×10 cm，横密为65纵行/10 cm，纵密为78横列/10 cm，以黑白两色羊毛纱与7.78 tex镀银纱线提花织造导电区，其中镀银纱线与白色羊毛纱添纱，再与两个电极区相嵌完成。废纱区使用涤纶纱织造。不同导电纱成圈占比下共织造9种提花花型，如图3所示，其中，绿色为导电纱，红色为羊毛纱。为使织物发热效果均匀，在设计提花花型时尽量保证导电纱均匀分布。所有织物采用德国STOLLADF 530-32W E7.2型电脑横机织造。

图2 镀银导电织物效果图Fig.2 Effect image of the conductive fabric knitted by silver-plated yarns

2.2 测试方法

2.2.1 镀银导电纱线的电阻测试

为研究织物中导电纱长度与织物面电阻的关系，需要先测试单根镀银纱线的电阻。参照JB/T 9283—1999《万用电表》，取一张洁净的A4纸，在纸上画出直线，标出20 cm线段，每1 cm标注1次，将镀银纱线用绝缘胶带平行贴于标注线段旁，使用Agilent数字万用表测量镀银纱线电阻，当读数稳定时记录数据。在温度为(20±2) ℃和相对湿度为(50±2)%的恒温恒湿条件下进行测试，取同一水平的3根镀银纱线分别测试，结果取平均值。

2.2.2 纬编提花导电针织物的面电阻测试

织物面电阻测试示意图如图4所示，在温度为(20±2) ℃和相对湿度为(50±2)%的恒温恒湿条件下，使用Keithley数字万用表连接电脑与织物，配合Keithley专用软件KickStart，记录每秒钟电阻的数值。为使测试结果更加准确，将接触面为1 cm×10 cm的铜块与织物电极区完全贴合。分别测试导电织物1和60 min内的织物电阻，记录最后一秒的测量值。

图4 织物面电阻测试Fig.4 Illustration of measurement for fabric resistances

2.2.3 纬编提花导电针织物拉伸状态的电阻测试

针织服装在穿着过程中由于人体的运动会产生形变，因此研究电加热服在人体穿着过程中的电热性能需要测试镀银织物在拉伸状态下的面电阻。在2.2.2节织物面电阻测试的基础上，将织物置于自制的电阻测试夹具上，给织物分别施加1、2、5、10 N的横向拉力，测试其在1.2 V直流电压下1 min时的电阻并记录拉伸长度。

2.2.4 纬编提花导电针织物的温度测试

为研究导电织物的电热性能，依据GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》，在温度为(20±2) ℃和相对湿度为(50±2)%的恒温恒湿条件下，结合2.2.2节，将织物放在试样架上，使用FOTRIC 688型热像仪拍摄织物加热过程，测温距离为50 cm，将热像仪固定在支架上，配合AnalyzIR软件可在电脑上看到热像仪视场，调整织物位置使之处于热像仪视场中央。给织物施加2.4 V的直流电压，在织物通电升温的同时，记录下织物的初始温度，每隔1 min采集1次温度，共记录1 h内的织物温度变化。

同时利用KickStart软件记录织物在1 h内的电阻值，测试结果以电阻变化率φ[17]表示，如式(11)所示。

(11)

式中：R0为初始电阻；RW为工作态电阻。

3 结果和讨论

3.1 镀银导电纱线的电阻

镀银纱线的电阻测试结果如图5所示。由图5可知，随着镀银纱线长度的增大，其电阻值也增大，且电阻与长度呈线性关系。对数据进行线性拟合，可以得到长度(L)与电阻(R)的关系为R=6.166 1L,相关系数r2=0.968 5。

图5 镀银纱线的长度与电阻关系Fig.5 Relationship between length and resistance of silver-plated yarns

3.2 纬编提花导电针织物的面电阻

当测试时间为1 min时，纬编提花导电针织物的面电阻随导电纱成圈数占比的变化如图6所示。由图6可知，随着成圈数占比的增大，织物面电阻也增大，且电阻与成圈数占比呈线性关系。对数据进行拟合，电阻(R)与成圈数占比(W)拟合曲线的关系式为R=1.372 9W+1.063 1，相关系数r2=0.975 6。

图6 织物面电阻随导电纱成圈数占比的变化Fig.6 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches

导电纱成圈数占比为10%的导电织物在60 min内的电阻变化如图7所示。由图7可知，织物在60 min内电阻稳定下降。电阻初始值为1.200 1 Ω，在60 min时达到最小值为1.197 3 Ω，电阻在60 min内降幅为0.23%，下降幅度小且电阻值稳定。因此为便捷测试，将测量1 min时的面电阻用于衡量织物电阻，不影响试验效果。

图7 导电纱成圈数占比为10%的导电织物 60 min内的电阻变化Fig.7 The change of resistance within 60 min of conductive fabric in which the proportion of conductive stitches is 10%

3.3 纬编提花导电针织物拉伸状态的电阻

纬编提花导电织物在0、1、2、5、10 N拉力下的电阻值随导电纱成圈数占比的变化如图8所示。在1、2、5、10 N拉力下织物形变量分别为0.5、0.9、1.9、2.4 cm。

图8 不同拉力下织物面电阻随导电纱成圈数占比的变化Fig.8 The change of fabric resistance with the proportion of conductive stitches under different tensile forces

3.4 电阻模型验证

根据以上试验对1.3节建立的电阻模型式(8)进行验证。

由表1可知，根据模型得到的电阻理论值与试验得到的织物面电阻绝对误差不超过0.104 Ω，理论值与试验值最大相对误差为6.42%。可能产生误差的原因：(1)试验所使用织物的个体差异；(2)测量时产生的误差；(3)由环境引起的随机误差。织物面电阻理论值与试验值吻合程度高，可以用该模型预测电阻。

表1 不同导电纱成圈数占比的织物面电阻理论值与试验值比较

3.5 纬编提花导电针织物的温度

在室温施加2.4 V直流电压时，60 min内不同导电纱成圈数占比的导电织物温度随时间变化如图9所示。

图9 不同导电纱成圈数占比的导电织物 60 min内的温度变化Fig.9 Temperature variation of different proportions of conductive stitches within 60 min

由图9可知，织物温度随时间延长而逐渐升高。在试验开始的2 min内，织物温度迅速上升，随后温度缓慢上升直至达到平衡。在织物温度迅速上升的阶段，织物产热速率大于散热，导致温度迅速上升；当温度上升至产热、散热速率相等时，织物温度达到平衡。W为10%～40%的织物平衡温度依次降低，温度为52.8～62.9 ℃；W为50%～90%的织物平衡温度相近，保持在48.8～50.7 ℃。

不同导电纱成圈数占比的导电织物60 min内的电阻变化率如图10所示。

图10 不同导电纱成圈数占比的导电织物60 min内的 电阻变化率Fig.10 Resistance variance ratio of different proportions of conductive stitches within 60 min

由图10可知：W为10%～80%的织物在0～1.7 min的电阻变化率快速增大，在1.7 min左右达到峰值随后略微下降；W为90%的织物电阻变化率随时间缓慢增大。在通电过程中，W为10%和30%的织物电阻变化率较大，电阻变化率最大为3.28%；W为20%、40%～70%、90%织物电阻变化率为0.7%～1.5%；W为80%的织物电阻变化率小于0.5%。所有试样的电阻变化率均较小，其热稳定性好。

W为60%的织物二维和三维红外图像如图11所示。图11(a)为通电后1、2、5和60 min时的二维红外图像，织物中心点温度分别为35.4、39.3、42.8、48.8 ℃。织物在1 min时温度为平衡温度的72.5%，织物升温速度快。图像颜色差异显示，织物中间区域温度高于边缘，这是由于施加电压所使用的铜块温度远低于织物。图11(b)为织物在60 min时的三维红外图像，可以看出织物导电区域表面各处起伏缓和，温度差异小，发热比较均匀。这是因为提花组织的结构紧密平整，镀银纱线与羊毛纱线距离近，热传导范围广，因此提花织物的表面温度差异小。

4 结 语

本文使用7.78 tex镀银纱线针织成圈数占比为10%～90%的9块单面提花织物，并构建其电阻模型，该模型可预测导电织物的电阻值。对镀银纱线及导电提花针织物进行电阻测试，结果表明：导电纱的成圈数占比与织物电阻呈良好的线性正相关关系，电阻在60 min内降幅为0.23%，电阻值稳定。不同导电纱成圈数占比的导电织物在0～10 N外加拉力作用下，W为10%～50%的织物在拉力状态下电阻较稳定，电阻变化率最大为0.92%，W为60%～90%的织物随拉力的增大而电阻值减小，电阻变化率最大为2.23%，织物面电阻稳定性较好；在通电时导电织物温度逐渐上升，后趋于稳定，织物平衡温度为48.8～62.9 ℃，红外图像显示织物发热均匀，电阻变化率最大为3.28%，表明织物热稳定性好。本文构建的电阻模型理论计算值与测试值相吻合，理论值与试验值最大相对误差为6.42%，两者吻合程度高，可以用电阻模型预测不同导电纱成圈数占比的织物电阻值。此研究可为针织提花电加热服的开发提供依据和方案。