镀银导电纱的分布对织物电热性能的影响

林思伶，李 龙，张悦雯，吴 磊，严 婕，胡锦健

(西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安710048)

0 引 言

导电纤维或织物的研发是智能纺织服装发展的基础,是将智能服装轻便化、舒适化的重要途径。与传统的织物不同,导电织物不仅具有一定的导电性且具有导电金属材料所没有的服用性能,可用于防静电[1]、电加热[2]、医用防护与监测[3]、防电磁辐射等[4]多功能服装面料设计中。柔性电加热材料[5]是一种将电能转换为热能的材料，导电聚合物材料[6]、碳基导电材料[7]、金属导电纱[8-9]等是目前用于电加热织物的电加热元件。生产电加热织物的方法有多种，有机织法[10-11]、针织法[12-13]，以及通过原位聚合法[14]、置换还原法[15]、涂覆法[16-17]等方法赋予织物导电性的电加热织物。柔性电加热纺织品因其可反复加热且加热温度可控已成为未来智能纺织品的重点研究方向之一[18]。智能电加热服装能为低温环境下工作和生活的人们供暖，提高穿着者的热舒适性[19]。另外，局部的积极保暖还能有效缓解风湿性疾病患者的疼痛。因此电加热织物被广泛应用于个人防护、医疗卫生、网络娱乐、电子通讯和运动检测等领域。

目前对电加热织物的研究主要集中在改善导电纱及导电织物的导电均匀性和提高加热温度上[20-21]。为了在实际应用中提高服装的热舒适性，避免局部供暖过度的潜在危险，研究其导电性及传热规律具有重要意义。本文以涤纶镀银纱为例，用机织法织制不同组织结构的织物，研究镀银导电纱在织物中的分布对织物电热性的影响，探讨不同组织结构织物的导电性及其传热规律。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 涤纶镀银纱(70 D/70 f×4)；涤/棉混纺纱(14.06 tex×2)。

1.1.2 仪器 UT39A数字万用表(优利德科技有限公司)；四探针测试仪RTS-8(广州四探针测试有限公司)；VHX-5000型超景深三维显微镜系统(VHX，基恩施(中国)有限公司); DP310型直流稳压电源(深圳市迈斯泰克电子有限公司)；TIX640热红外成像仪(美国FUCKE(福禄克)公司)；SGA598型半自动小样织机(江阴市通源纺机有限公司)。

1.2 实验设计

首先保持纱线密度、经纬纱、织物经纬密度等设计参数不变，只改变织物组织，并对其性能进行表征，得出各组织结构的织物的电热性能参数。在织造过程中，以导电纱为纬纱，涤/棉混纺纱为经纱。由于单根导电纱电阻较大，且经纬纱细度差异大会改变织物的几何结构相，影响织物耐磨等服用性能[22]。因此在织造过程中将4根导电纱合股作为纬纱。通过整经、穿综、穿筘等织前准备，将纹版图输入半自动小样织机上进行织造。选用筘号为70齿/2英寸(70齿/5.08 cm)的钢筘，采用顺穿法，2根纱穿一筘，织制经密均为345根/10 cm，纬密均为157根/10 cm的3种不同组织结构的试样。然后，用VHX-5000型超景深三维显微镜系统对3种织物样品结构表面形貌进行观察。如图1所示。

(a) 平纹织物

图1(a)为平纹织物，由于经向组织点等于纬向组织点，所以平纹组织为同面组织，其交织点很多，浮长最短，经纬纱交织最为紧密，因此，平纹织物的质地坚牢、外观平挺。图1(b)为一上三下斜纹织物。斜纹织物正反面的斜线方向相反，斜纹组织的经纬交织点比平纹少，因此坚牢度较平纹织物差，但斜纹织物的质地光滑且柔软。图1(c)为五枚三飞纬面缎纹织物。三原组织中缎纹组织是最复杂的，浮长最长，其交织点较少，组织点间隔距离有规律且均匀，织物手感柔软且光泽好。

1.3 性能测试

1.3.1 导电性 采用UT39A数字万用表对镀银导电纱进行电阻测试。其测试环境为温度(20±2) ℃，湿度(50±3)%，每种试样测试10次并记录其电阻值。

1.3.2 方阻 将待测织物试样放在RTS-8四探针测试仪上，电流量程设置为10 μA。每块织物试样测试10次并记录测试结果。

1.3.3 电热性能 在温度为(20±2) ℃、相对湿度为(50±3)%的环境下，将织物的两端连接在DP310型直流稳压电源的2根导线夹子上，施加直流电压，使待测试样产生热量，使用TIX640热红外成像仪实时观察导电织物在不同电压下，温度随时间的变化。

2 结果与讨论

2.1 导电纱电阻

随机选取5根涤纶镀银纱，将其两端固定并放在绝缘板上，用UT39A数字万用表分别测试自然状态下长度为2、4、6、8、10 cm涤纶镀银纱的电阻值，记录并取其平均值，结果如图2所示。

图 2 涤纶镀银纱长度-电阻关系

镀层均匀的导电纱线的电阻应随着纱线长度呈线性增长[23]。从图2可以看出，涤纶镀银纱的电阻随纱线长度呈线性变化，说明该涤纶镀银纱的镀层均匀。

2.2 导电织物方阻

用织物测试仪测得平纹织物厚度为0.41 mm，斜纹织物厚度为0.45 mm，缎纹织物厚度为0.55 mm。织物越厚，纱线的屈曲程度越小，交织点越少，浮长越长。织物方阻测试结果如表1所示。

表 1 导电织物方阻Tab.1 Square resistance of conductive fabrics 单位：(Ω·口-1)

从表1可看出，3种样品的方阻大小依次为平纹织物>斜纹织物>缎纹织物。由方阻的定义知

R=ρl/(wd)

式中：l为材料长度;w为宽度;d为高度(即材料厚度);ρ为材料电阻率。由于l=w，因此R=ρ/d。方阻的大小与材料的特性和厚度有关。平纹织物的交织点最多，厚度最小，因此其方阻最大；斜纹织物的厚度比缎纹织物的厚度小，因此其方阻比缎纹织物的方阻小；缎纹织物的交织点最少，厚度最大，因此其方阻最小。

2.3 导电织物的电热性能

在温度为(20±2)℃、相对湿度为(50±3)%的恒温恒湿环境下，在导电织物两端分别施加0.8、1.0、1.5 V的电压，并进行热红外成像测试。结果如图3所示。

(a) 平纹织物

从图3可以看出，导电织物的热红外成像图的温度颜色变化由外到内分别是蓝色、绿色、黄色、红色和白色，表示由低到高的温度。随着电压的增加，导电织物的表面温度增大。在0.8、1.0、1.5 V电压下，平纹织物最高温度分别达到45.6、54.6、98.9 ℃;斜纹织物最高温度分别达到59.5、63、109 ℃;缎纹织物最高温度分别达到62.8、76.5、123.2 ℃。

在不同负载电压下导电纱织物的温度随时间变化如图4所示。

(a) 平纹织物

从图4可以看出，导电织物的表面温度随着负载电压的增加而升高，当施加一定电压时，在50 s内温度迅速上升。加热过程中施加电压越低温度波动越小。当关闭电源时，温度迅速下降。相同电压下，缎纹织物的最大平衡温度最大，平纹织物最小；电压为0.8 V时，缎纹织物与平纹织物的表面平衡温度的差值小于电压为1.5 V时的表面平衡温度差值。由电热热量公式Q=(U2/R)×t可知，电压越大，发热量越大，在电压和时间一定时，发热量与电阻成反比。由于平纹织物的方阻比缎纹织物和斜纹织物的方阻大，在一定的电压和时间下，平纹织物产生的发热量少，表面温度较低。缎纹织物的方阻最大，在一定的电压和时间下，缎纹织物产生的发热量最大，缎纹织物的表面温度最高。

3 结 论

1) 织物电热性能由涤/棉混纺纱与导电纱的交织点决定，交织点越少，屈曲数越少，导电纱的浮长越长，织物越厚，其方阻越小。方阻测试结果为缎纹织物<斜纹织物<平纹织物。

2) 相同条件下，缎纹织物表面平衡温度最高，斜纹织物次之，平纹织物最低。平纹织物的方阻值最大，织物的导电性能相对较差，故平纹织物表面平衡温度最低。在实验电压范围内，电压越高，缎纹织物与平纹织物的平衡温度差值越大。