电发热织物在柔性可穿戴领域的应用

朱国庆，卢业虎

(1.苏州市纤维检验院，江苏 苏州 215128；2.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；3.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

随着现代材料科学和电子技术的不断发展和创新，柔性智能可穿戴纺织品日益成为当今的研究热点，并广泛应用于医疗保健、运动娱乐、农业探测、军事工业等领域。其中，柔性智能加热服装能够基于外部环境或内部人体的动态信息变化而灵敏反应并主动产热，从而满足穿着者的不同保暖性能需求，避免严寒对人体的侵害[1-2]。因此主动产热式智能加热服装的研发具有十分重要的意义。

现阶段，主动加热形式主要有太阳能、化学能、相变材料及电发热等。太阳光蓄热材料制备的发热纺织品安全稳定，绿色环保[3]，但由于受太阳光强度制约、光电转换率低，较难达到理想的升温效果[4]。利用化学反应产生热量实现保暖的发热纺织品虽然具有升温速度快，成本低和方法简易的优势，但由于反应温度难以控制，化学反应不可逆无法重复使用，以及发热不持久等问题，限制了该产品的应用市场。相变发热纺织品虽然过程易控，但只能在限定的温度范围内吸热、放热，因此限制了其应用范围。由上所述，太阳能、化学能、相变材料均存在着不可避免的缺陷，难以满足长时间低温环境户外作业的保暖需求。电发热材料是指在一定的通电电压下能够发生焦耳效应，将电能高效转变成热能的材料，制得的电发热纺织品因能够精确控制温度、可调节温域广和调温速度快而具有更为广阔的应用前景[5]。

1 电发热织物概述

1.1 电发热织物的组成和工作原理

电发热纺织品的组成主要包括基体材料、电热层材料(导电导热材料、辅助材料)及外接导电材料(电极片、导线)3部分。其中，作为电发热纺织品主体部分的电发热材料，对织物的发热性能起决定性作用[6]。电发热材料具有一定的导电性，且能将电能转化为热能，通过热传导、热对流和热辐射放出热量[7-8]，实现加热供暖。

1.2 电发热织物的设计原则

(1)加热稳定性

电发热织物的发热材料应提供均匀恒定的发热功率，做到温度可控、性能稳定。织物应能承受使用中拉、折、压等负荷作用下的变形，频繁的冷-热循环、长期通电状态导致的材料疲劳等。

(2)温度均匀性

电发热纺织品应保证织物发热各处温度均匀一致，避免严重的温度差异导致局部烧穿，甚至引发危险。而影响其温度均匀性的因素主要包括发热面积、涂层种类、织物厚度和纱线纤度等。

(3)服用安全性

电发热智能可穿戴纺织品为保证人体安全，电源通常使用12 V以下的直流电压[9]。且织物最大的表面温度不应该对人体有危险，要避免加热部分与皮肤直接接触。另外，电发热织物应耐高温、阻燃，可通过设置电路故障时自动断开电源的电路保护装置[10]，以保证在使用时温度较高或使用时间较久，电发热织物仍不会发生自燃等危害，保护人体安全。

(4)织物舒适性

由于电发热织物的原料和制备工艺不同，电发热织物的舒适性有所差异。因此，电热织物在选择原料和织物的制备工艺时需要着重考虑[11]，力求使织物在具有较好的热湿舒适性的同时，又富有柔性、弹性和灵活度。

(5)节能环保性

在可持续发展的大背景下，设计电发热织物时需考虑低成本和绿色环保性，可回收利用和可降解性，发热源尽可能采用清洁能源，提高织物的电发热转换效率，提高同等条件下的发热效率。

2 电发热织物的研究现状

按导电纤维的种类，目前的电发热织物的分类主要包括：金属类电发热织物、碳系电发热织物、高聚物电发热织物。

2.1 金属类电发热织物

(1)金属类电发热材料的种类

金属类电发热材料的种类主要包括混纺普通纱线和金属电阻丝形成导电织物以及纤维外镀金属涂层编织形成导电织物,即金属类混纺电发热材料和镀金属类电发热材料[12]。

(2)金属类电发热纺织品制备工艺

金属纤维与衣用纤维混纺构成电发热织物，织造方法主要分为以下3种：(1)机织法，机织法需要选择长丝、纱线类柔性好、拉伸强度高且耐磨性能优的电热元件，如金属导电纱线，所得织物结构稳定性好，使用时形变小；(2)针织法，针织法可根据平针、罗纹、双罗纹等针织方法进一步改善织物的电发热温度的均匀性[13]，相比机织物，针织纺织品的服用性能较好，柔软、透气且舒适，但因易形变的线圈结构，织物的发热稳定性较难控制[14]；(3)刺绣法，刺绣法相对于针织法和机织法更灵活多变，可精确控制纱线的长度和间隔，可根据需要改变电热元件的电路排布，可任意缝在不同的织物基底上，更为方便地调整织物的电阻，并且制备工艺简单，节省导电纱线，制作成本较低。金属混纺类和镀金属类纱线均可通过刺绣法形成电发热织物。

2.2 碳系电发热织物

(1)碳系电发热材料的种类

碳系电发热材料包括碳纤维、石墨烯、碳纳米管等电发热材料[15]，现今最常见使用的是碳纤维电发热材料，但因石墨烯和纳米碳管制备的电发热织物更具优异的光电力学性能[16]，仍在不断探索中。

(2)碳系电发热纺织品制备工艺

除了碳纤维长丝适合机织法制备电发热织物外，大多碳系电发热纺织品的制备工艺可按照氧化法和非氧化法划分，气相、液相氧化法以及等离子体氧化法均是氧化法；以浸渍涂层法、共聚接枝法等为代表的是非氧化法[17]。其中以浸渍涂覆法[18]为代表的表面处理法为主要制备工艺[19]，该法工艺流程简单，基布种类要求低，且生产效率高、适合大批量生产。若是导电涂层均匀包覆则电发热性优良，但因沉淀通常难以均匀地分散、在使用过程中反复摩擦脱落，使得导电性能不稳定，缺乏耐久性[20]。此外，所需设备和能源成本也较高。

2.3 高聚物电发热织物

(1)高聚物电发热材料的种类

聚乙炔导电材料的成功研制开启了“高分子材料导电”的大门，并通过掺杂共轭聚合物制备各种不同导电性能的聚合物[21-22]。其中，3大导电聚合物分别是聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺。

(2)高聚物电发热纺织品制备工艺

可通过原位聚合、电化学和浸渍[23]等方法在纤维表面涂层，制备导电高聚物电发热织物[24]。如基体为热塑性树脂的电发热材料通常采用熔融法制备，此法的优点是可利用熔融的高聚物本身的高黏性，使得填料分散[25-26]；溶剂溶解法因制备工艺较简单，能耗较低，应用较为广泛。但导电填料易团聚，易使发热不均匀[27]。目前采用主要方法是原位聚合法，原位聚合法不同于涂覆法的导电涂料仅附着织物表面，而是进入织物内部。虽然该类制备工艺对基布的种类限制少，但是工艺相对复杂。

3 电发热织物的比较

基于电发热织物的研究现状，不同电发热材料、织物在应用和研发上存在的优缺点，及其在柔性可穿戴领域的应用概况，详见表1。

表1 电发热纺织品的纤维材料、制备方式和基本性能

4 电发热材料在柔性可穿戴领域的应用展望

4.1 柔性可穿戴领域导电材料的设计要求

在柔性可穿戴领域，导电纤维是基础性的关键材料，可应用在各种传感器、电容器、驱动器等柔性电子器件的开发和集成上，因其结构可变化性、组合可设计性等特性，发展潜力巨大。

制备纺织基柔性力学传感器的导电纤维不仅要具备作为电子器件的优良导电性、高度灵敏性、稳定信号传输性以及使用耐久性等，还需要符合作为柔性可穿戴纺织品材料的高弹性及回复性、舒适性，并尽可能满足尺寸微型化、器件轻量化等要求。

4.2 柔性可穿戴领域电发热材料的迭代发展

现存的金属基、碳系、高聚物材料制备的电发热织物具有诸多局限性，已逐渐无法满足市场需求。因此随着现代技术的发展，复合型电发热织物应运而生。可根据需求将不同种的导电材料(金属基材料、碳系材料、导电高聚物材料等)进行复合，通过优化纤维结构和制备方法，使得制备的复合型电发热纺织品具备优异电性能，同时保证柔韧性，从而解决传统导电纤维制备织物困难的问题。可以预见，未来复合型电发热材料将在柔性可穿戴领域的制备材料中成为中流砥柱，并将不断迭代升级。

4.3 柔性可穿戴领域电发热材料的前景展望

虽然现阶段柔性可穿戴智能电子产品仍处早期探索阶段，但未来必将着重开发高性能的导电纤维，改进不同的电极材料或创新制备工艺，研究电发热材料和其他柔性纤维的组合，制备更优性能的复合型柔性可穿戴纺织品，实现取长补短。改进传统的导电纤维并与人们日常服装服饰集成，推进研发复合型电子集成产品，助力柔性电子织物发展。作为一种功能性的导电纤维，因其制得的纺织品成本低廉、轻薄透气、柔软可穿戴和变形易回复等优势，必将在柔性可穿戴智能纺织品领域大放光彩。