电热织物制备技术研究进展

丁小蝶 唐 虹 张成蛟 唐天一

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.对外经济贸易大学剑桥国际学校，北京，100029）

为了使长时间处于严寒环境中的人体仅通过增加服装保暖性也能维持人体热量平衡，研究人员开始探索可自主加热且稳定的电加热元件，并集成于服装中。常用的电加热元件有电热金属丝、电热膜及电热织物3 种，其中电热织物因具有透气透湿性良好、柔软度高且可根据需求裁剪等优势成为研究热点与重要的研究方向［1］81。电热织物是以一定的制备方法将电热材料负载在纺织品基底材料上，根据焦耳加热原理，将电能转化为热能［2］19，使得织物温度升高，从而将热量传递到周围环境。目前，电热织物开始应用于日常保健、体育娱乐、低温作业、医疗军事等领域，如发热护腰护膝、暖宫带、电热睡袋、滑雪服等满足人们日常保健与体育娱乐的需求，冷库工作服、海下潜水作业服［3］、高空清洁服［4］、军队防寒服［5］等则是针对低温作业与特殊环境的需求。

1 制备技术

1.1 电热材料

电热织物由纺织品基底材料和电热材料构成，将电热材料通过一定方法整合在不具有导电性质的基体表面。基底材料为织物或水性聚氨酯树脂基材［6］，具有柔软透气、耐磨、绝缘、耐机械强度高、电阻率低等 特点，具体有棉织物［7］4691，［8］、涤纶织物、锦纶织物等；电热材料包括金属类材料、碳系材料、导电高聚物以及镀金属类材料等，其性能对电热织物特性影响很大。

金属类材料是最早应用于电加热产品的，以金属长丝的形式与衣用纤维混纺成导电纱线，再与普通纱线经机织、针织、刺绣工序加工后形成导电织物。或以金属纳米线的形式通过浸渍法等涂覆技术制备。通常采用电导率最高可达6.3×107S/cm、热导率为429 W/（m·K）的银材料［9］，除性能优良外，柔韧性与抗菌性也较好，但拉伸状态下易断裂，无法保持较低电阻；其次是电导率与热导率仅次于银的铜，其不仅来源广泛，价格也远低于银，但依旧存在易氧化，柔性较差等缺点。纯金属导电织物最常见的形式是将金属纤维作为发热元件直接植入普通服用织物中，如电热毯、发热垫就是将特制绝缘金属发热元件织入毛毯里。

碳纳米管、石墨烯、炭黑等碳系材料以纳米颗粒的形式附着在普通纤维表层，也可形成导电纤维。相比于金属导电材料，这类材料的原材料来源广，柔性更好，便于织造成更贴合人体的服装，且可随意裁剪，因此应用更为广泛。其中碳纳米碳管电导率在1 000 S/cm～2 000 S/cm［10］81，热导率在3 000 W/（m·K）～3 500 W/（m·K），具有拉伸性能高、电流载荷量高、结构稳定、量轻等优点［11］。但其径向热交换性能较低，且存在团聚现象以及交结纠缠现象，致使碳纳米管更难以稳定、均匀地分散。石墨烯导热性能高于碳纳米管，电导率高达1×108S/cm［12］、强度高弯折性好、抗菌效果显著，但在空气中易氧化成氧化石墨烯，性能降低，且制备技术繁琐。碳纤维不仅热效率高、安全性好且质量轻，可与纺织法结合，开发兼具发热保暖和医疗保健功效的纺织品。目前市场具有代表性的电热织物JERNANO 碳纳米管薄膜具有超轻、超薄、超柔等特点，可1 s 快速升温，最高发热温度档至53 ℃，电热转换率达99.9%，控温精度达0.1 ℃；可实现40 次标准机洗、10 万次耐弯折揉搓，抗拉强力达100 N，可运用在穿戴式加热产品中。但此类产品价格贵，制备过程十分耗能。

有机导电材料包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔4 大类。通常采用涂层类方法制备导电织物。聚吡咯成本低、稳定性好、成膜性好，是纺织材料中应用最广泛的导电聚合物，也是开发电子智能纺织品的较好选择之一。聚吡咯电导率在1×102S/cm～1×103S/cm，成本低、质量轻、稳定性好、成膜性好、导电性强［13］，但较难以纺织法织造，较难控制电阻精度。

镀金属类材料是以电镀、化学镀或者真空镀的方式，将柔韧性好的金属镀在普通纱线或纤维上所得到的导电纱线，是近年来导电纤维的研究新方向之一。与纯金属相比，属于间接利用金属材料的导电性能，且更容易编织成电热织物。如镀银纤维具有较好的可纺性与抗菌性、静电防护性［14］，但在水洗与脱落氧化方面存在一定缺陷，且金属镀层工艺较为复杂，耐用性较差。

1.2 加工工艺

1.2.1 涂层法

涂层法包括浸渍法、喷涂法、刮涂法、丝网印刷法、原位聚合法、气相聚合法等制备方法。这类方法与纺织法相比简便易行，采用织物作为基底材料，通过调节涂层工艺参数来调节电热性能与电热织物的柔性和强度。

浸渍法简单易行，无需复杂贵重的设备，但常需要多次浸渍，比较耗时，而且很难控制织物表层导电涂层的均匀性，以致于影响最终电热元件的发热效果。可改变浸渍液浓度［7］4691、浸渍时间、浸渍次数［15］和干燥条件等确定最优工艺参数，增加织物导电涂层的黏附性，提高导电性、产热能力和稳定性。相对于浸渍法来说，喷涂法与刮涂法则是分别通过在织物表面喷涂溶液与在织物表面以刮涂导电复合材料的工艺制备电热织物。所制备的导电涂层相对均匀，效率高，但喷涂法液体损耗量大、易污染环境，刮涂法只适用于轻薄涂层。而丝网印刷法利用刮板挤压油墨，可以将不同形状和宽度的导电线路和图案直接印刷在柔性基底表面。该方法具有简单通用、成本低和可规模化生产等优点，不过涂层的性能受印刷工艺参数、导电油墨、印刷图案和基底的影响较大。当印刷次数达到一定量后，表面导电油墨趋于饱和，表面温度变化不大［16］。与其他涂层类方法相比，原位聚合法、气相聚合法［17］1427所制备的电热元件，具有工艺简单，耗时较短，导电材料能进入织物内部的优点［10］83，也是采用聚吡咯等导电聚合物制备电热织物的常用方法。通过将反应性单体、氧化剂、织物三者相互混合，经化学反应后，聚合物沉积在织物表面制得电热织物。但存在成本相对较高，较难把握涂层的均匀性，且对操作控制和单体质量的要求较高等不足［18］。

1.2.2 纺织法

纺织法通过针织、机织和刺绣［2］21，［10］82-83等 技术，将金属纤维、镀金属丝线和碳基纤维等导电加热材料织入或缝入织物中。纺织法加工的电热织物可以更好地贴合人体，在赋予织物电热性能的同时，又能保证电热材料的力学性能不被损坏。但此法易受内部电热材料的排布设计、柔性和耐久性等因素的影响。

针织法是将导电纱线与普通纱线通过线圈的形式相互串套织造电热织物，其结构简单，舒适性与透气性好，但结构状态不稳定，易变形，对织物的电热性能造成影响。机织以一定的组织结构将导电纱线与普通纱线进行经纬纱交织制备电热织物。所制备的电热织物紧密均匀，结构稳定，发热均匀性好［1］81，导电纱形变相对较小，对导电纱线的拉伸强度和耐磨性有一定要求。刺绣法将导电纱线以设计电路图案缝入织造好的基底材料中。这种制备工艺具有电路设计更灵活，使用较少导电纱线，具有可裁剪性和可定制性等优点［19］，但易受内部导电纱线的柔性影响。

在完成基底材料与导电材料的前期准备工作后，通过不断完善涂层工艺缓解部分涂层类制备加热元件涂层不均匀的问题，或选择合适的纺织类制备技术，都有助于制备电热性能优良的电热织物。虽然目前电热织物存在多种成形方法，但在发热均匀及工艺简化等方面仍需进一步研究。

2 电热织物设计

制备性能优良的电热织物，除了考虑电热织物制备技术的影响，还要对电热织物电热材料排布、电热织物形状以及电热织物的分布进行设计。

2.1 电热材料排布设计

选择相同的织物材料时，合理设计电热织物中电热材料的植入密度，不仅有利于控制织物加热成本，还可以保证电热织物良好的发热特性，达到较好的发热均匀性。有研究表明在机织物中导电纱线加热单元随着间距变小，电热织物最大加热温度与升温速率也随之变高，发热均匀性越好［20］。YEN R H 等人［21］762发现导电纱线之间的距离与导电纱线的宽度之比在4、8、16 时，发热均匀性分别为96%、88%和59%。这主要是因为当织物电阻一定时，非导电纱间隔根数的成比例减少导致织物单位面积上导电纱根数增多，单位面积发热元件数量增多，织物最大加热温度升高，温度上升速率变大，但导电纱间距过短会造成电路短路。

2.2 电热织物形状设计

制备电热织物时，对其电路图案、尺寸、厚度等进行合理设计，有助于提高其电热性能。由于平面型电热织物弹性有限，需要可变形的电路来提高整体穿着的舒适性，为此开发并研究了各种电路样式的可穿戴电热织物，如条纹形、马蹄形、U 形、半圆形和椭圆形等。研究人员对不同形状的电路图案进行模拟与比较，发现马蹄形效果最优，能够适应机械应力带来的变形［22］，并且这种马蹄形电路图案中的弧形区域会阻碍内部自由电子的流动，使得不易移动的自由电子相互碰撞从而增加了电热织物的电阻。此外，电热织物尺寸的缩小有助于提高其电热性能。KIM H 等人［23］经探究发现在相同图案的电路中，马蹄形电热织物尺寸分别为50 mm×50 mm、75 mm×75 mm、100 mm×100 mm，在施加40 V 电压后温度分别达到101 ℃、65.5 ℃、49.8 ℃。马蹄形电路图案尺寸越小，弧形区域内半径越小，电子更容易碰撞，其振幅与高度越小，电热织物发热均匀性越好。当电热织物尺寸不变时，随着厚度增加，会导致热量流向更大的范围，温度分布变得更加均匀。厚度为1.2 mm 的电热织物能够达到96%的发热均匀性［21］767。然而，较厚的电热织物也需要更长时间达到目标温度。

2.3 电热织物分布设计

长时间暴露在冷环境中，人体会产生冷应激。与四肢相比，向人体躯干区域供热在抵御寒冷方面效果更为明显。热量可以通过循环血液由躯干部位到达肢端、再到达皮肤表层，与外界进行热交换，血液中的热量从躯干部位出发开始逐渐散失。因此加热位置大多选择胸部、腹部、上背部、下背部等部位［24-25］。而与其他身体部位相比，四肢又由于比表面积较其他区域更大且局部代谢率较低，因此对冷环境感知更为敏感。例如，冷暴露会减少流向手部的血流量，降低工作中手部的灵活性，严重时会对手部造成伤害［26］。虽然没有足够的研究表明，对足部这些四肢部位加热可以提高身体的整体体温，但向足部供暖会影响局部知觉反应，而这种知觉反应可以提高整体的热舒适感［27］。此外，像膝关节、腕关节等易受寒冷空气影响产生疾病的关节部位，也需要重点保护。

3 性能指标

电热织物性能主要包括电热性能与服用性能。国外对于电热织物的研究已较成熟，主要集中在电热织物性能的研究和制备新型电热元件。而国内对这方面的研究多集中在对电热织物的制备技术和性能测试上，但对于电热织物的性能指标、测试方法都没有统一的标准。如IEC 60335—2—17：2022《Household and similar electrical appliances-Safety-Part 2-17：Particular requirements for blankets，pads，clothing and similar flexible heating appliances》等国外标准主要涉及的是家用和类似用途的加热地毯等电热器件，偏重于电器安全；而国内标准中各性能的测试都稍有提及，但不全面，如国内GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》规定了部分电热性能与力学性能的相关测试方法，T/CNTAC 24—2018《电加热服装》主要是针对服装质量要求、电器安全要求等方面制定的标准，以及GB/T 23108—2021《家用和类似用途电热垫性能测试方法》则是替代原有标准修改了温度均匀性的试验方法、增加了洗涤次数的要求等部分性能指标与测试方法。因此，国内外现存的标准都缺少关于电热织物电热性能、服用性能中对安全性、舒适性、耐用性等指标的一系列全面测试评价体系。

3.1 电热性能

织物电热性能很大程度上取决于电热材料的选择。因此性能优良的电热材料应该具有电热转换率高、升温效率高、发热稳定并散热均匀的效果，能快速解决人体的保暖问题，满足人体热舒适性能的服装需求。为此，陈莉等［28］51将镀银长丝衬入针织物中，探究并分析其电热性能。在5 V电压下，织物稳定工作温度能满足人体最合适温度，达到36.7 ℃以上；在设定环境温度下，电阻变化率仅为2%；织物表面温度分布均匀，表面温差不超过1 ℃。通过相关性能研究［17］1427，［28］51-53，［29］，对电热性能的测试主要包括最大加热温度、升温时间、发热均匀性（温度分布系数）、热稳定性（电阻变化率）等，前三项可采用GB/T 7287—2008 或GB/T 23108—2021 进行测试，热稳定性可采用AATCC 76—2018《织物表面电阻率》进行测试。

3.2 服用性能

由于电热织物主要运用于服装服饰中，与人体皮肤接触，存在一定安全隐患。因此在设计时，应充分考虑电热织物的安全性能，尤其是电学安全性。主要包括移动电源安全性、电器安全性、电磁兼容性、电发热安全性、特殊存放安全性［30］，以及短路保护装置。为保障人体使用安全或穿戴附有电热织物的产品，所制备的电热产品应在安全电压的范畴内，即额定输入电压不大于12 V［31］。人们在根据自身需求挑选市面上已有的电热产品时，产品的柔性、舒适性也是重点考虑的方向。除了通过织物抗弯刚度来判断电热织物的柔性外，也可以利用真人穿着试验进行舒适性能测试评价，从客观的角度监测人体在特定环境下穿着附有电热织物的服装后生理指标的变化情况，与此同时对受试者进行主观感受的舒适性评价。根据个别用户的需求，电加热服装需在户外环境或相对恶劣的环境下使用，尤其是雨雪天气下，为避免突发状况，充分考虑用户在使用过程中对通电时间、防水性、耐水洗性等服用性能的要求。对于安全性能（电安全性），测试参照GB 4706.8—2008《家用和类似用途电器的安全 电热毯、电热垫及类似柔性发热器具的特殊要求》以及GB 4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全 第1 部分：通用要求》；对于舒适性能（刚柔性），测试参照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定第1 部分：斜面法》；对于耐用性能，耐弯曲性和通电寿命测试参照GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》，防水性能测试参照GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP 代码）》，耐水洗性能测试参照GB/T 23108—2021《家用和类似用途电热垫性能测试方法》。

4 结语

电热织物是功能加热服装中电能转化为热能的关键部件。根据需求设计电热织物时，应综合考虑每种电热材料、制备工艺的特点，结合电热织物电热材料与设计因素，制定合适的制备技术与设计方案，扬长避短，以达到最终的性能要求。随着电热织物研究的深入，未来可以在保证其轻便透气的同时兼具电热性能；在保证用电安全的前提下，开发出具有良好防水性能的电热材料，提高产品的通电寿命和洗涤维护的便捷性；重点对其材料选用、制备工艺以及性能测试方法与标准进一步探索和研究。将电热织物与当前新材料、微型传感器等新型电子技术相结合，贴合市场需求，对不同用户进行个性化设计，才能更好地实现电热织物的功能化、智能化和产业化，进一步拓宽电热织物的应用领域。