陳 安 劉 茜

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620）

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)服裝觀念的轉(zhuǎn)變，服裝的舒適性、功能性和安全性日益受到重視。在嚴(yán)寒時(shí)期，邊防戰(zhàn)士、軍警、野外勘察員等戶外工作者面臨著較低的溫度。傳統(tǒng)的冬季服裝雖能夠阻止熱量流失，起到保暖作用，但是臃腫厚重，保暖效果不好，屬于消極式保暖。智能發(fā)熱服裝是指能夠通過新型技術(shù)收集處理人體或環(huán)境的溫度信息，并做出相應(yīng)指令和調(diào)控服裝溫度的新型智能服裝。智能發(fā)熱服裝能夠主動(dòng)產(chǎn)生熱量，通常由電熱織物、電源、導(dǎo)線、集成電路等零部件組合制備而成，可以很好地為人體提供必需的熱量，屬于積極式保暖。在智能發(fā)熱服裝中，電熱織物是最主要的組成部件，因此電熱織物的研究與開發(fā)在一定程度上決定了智能發(fā)熱服裝的研究與發(fā)展。

本文介紹目前常見的幾類電熱織物所使用的電熱元件，并從物理結(jié)構(gòu)、基本性能、研究現(xiàn)狀等方面對(duì)其進(jìn)行了分析，概括了目前最主要的5種電熱織物制備方法，展望了電熱織物未來的發(fā)展趨勢。

1 電熱元件類別

電熱元件是指能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為熱能的材料，其性能直接影響電熱織物的電熱性能和發(fā)熱效果。目前應(yīng)用于電熱織物的電熱元件可歸納為3 類，即碳基導(dǎo)電材料、金屬導(dǎo)電紗線和導(dǎo)電聚合物材料。

1.1 碳基導(dǎo)電材料

1.1.1 碳纖維長絲

碳纖維是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料，其導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。碳纖維導(dǎo)電機(jī)理取決于非定域π 電子；隨π 電子的增多，取向度提高，導(dǎo)電面積增大，電阻率降低，導(dǎo)電性能變好［1］。碳纖維拉伸強(qiáng)度高，但是剪切強(qiáng)度低，因此在制備電熱織物時(shí)需要選擇適合碳纖維的織造工藝，并進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算，以免出現(xiàn)剪切斷裂。

1.1.2 碳納米管

碳納米管是一種六邊形排列的碳原子多層同軸圓管新型材料。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，因此具有優(yōu)異的電學(xué)性能。碳納米管電導(dǎo)率在1 000 S/cm～2 000 S/cm，可通過電流密度高達(dá)106A/cm。碳納米管具有熱導(dǎo)率高和長徑比大的特點(diǎn)，因而其軸向的熱交換性能很高，徑向的熱交換性能較低。通過合適的取向，碳納米管可以合成各向異性的高熱傳導(dǎo)材料［2］。ARBAB Alivra Ayoub 等以多臂碳納米管為基材，利用陽離子化血清蛋白制備了一種由球蛋白?血清?牛白蛋白合成的多臂碳納米管，可將其制成碳納米管濃縮物；這種濃縮物可以印刷在機(jī)織物、非織造布、PET 片材上［3］。

1.1.3 石墨烯

石墨烯是一種由碳原子以SP2 雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料［4］。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能，目前在電熱織物、傳感器、柔性顯示屏等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。有研究表明：石墨烯電熱膜具有低電阻和高熱傳導(dǎo)率的特點(diǎn)［5］。石墨烯雖然具有優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能，但是由于石墨中含有孔狀結(jié)構(gòu)，使得石墨烯較脆，且在空氣中易被氧化形成氧化石墨烯。豐富含氧官能團(tuán)的引入，使得氧化石墨烯的電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能大大降低［6］。

1.2 金屬導(dǎo)電紗線

1.2.1 鍍銀紗線

鍍銀紗線是將銀離子通過電鍍、化學(xué)鍍或真空鍍的方法鍍在普通紗線或長絲上所得到的導(dǎo)電紗線。銀離子可以在紗線或長絲表面附著形成銀離子層。研究表明：當(dāng)鍍銀錦綸長絲每平方米表面附著的銀離子含量為15%/m2時(shí)，其單位長度電阻為4 Ω/cm～10 Ω/cm。但拉伸會(huì)破壞銀離子層的連續(xù)性，從而影響鍍銀紗線的導(dǎo)電性能。杜西超等研究表明：當(dāng)鍍銀錦綸長絲線密度小于7.77 tex 時(shí)，在基體錦綸長絲斷裂前，表面銀離子層受拉伸先斷裂，導(dǎo)致紗線失去導(dǎo)電性能［7］。

由于鍍銀紗線的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其保留了和普通紗線一樣的可紡性。因此，鍍銀紗線可以通過機(jī)織、針織、刺繡等方法與普通紡織品結(jié)合制成電熱織物。鍍銀紗線除了具有較好的導(dǎo)電性能外，還具有防靜電、防輻射和抗菌等功能。

1.2.2 不銹鋼紗線

不銹鋼纖維作為一種新型紡織原料，具有較好的傳熱性、導(dǎo)電性、可紡性和耐磨等性能，適用于電熱織物的開發(fā)。根據(jù)不銹鋼纖維直徑的不同，可以開發(fā)出不同類型的不銹鋼紗線。直徑為6 μm～12 μm 的不銹鋼短纖能與棉、毛、滌綸等纖維混紡制成不銹鋼混紡紗。直徑為15 μ m～50 μm 的不銹鋼長絲可與普通纖維在細(xì)紗工序復(fù)合成紗。例如：王建明等通過轉(zhuǎn)杯紡制備了36.4 tex 不銹鋼長絲［8］；段亞峰等在花式捻線機(jī)上，使用不銹鋼長絲、滌綸絲和棉纖維開發(fā)了多種花式紗［9］。

相比于不銹鋼混紡紗，不銹鋼長絲復(fù)合紗的制備流程較短，紗線不勻率較低，加工簡單，具有更少的毛羽和更好的耐磨性，適合機(jī)織法制備電熱織物［10］。

1.2.3 金屬銅絲

銅絲具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，價(jià)格低廉，已被逐漸作為電熱織物的電熱元件。柏妍妍選用半徑為0.1 mm 的紫銅絲作為電熱元件，設(shè)計(jì)串聯(lián)電路，將紫銅絲和非織造襯通過熱壓黏合制成電熱織物，測試結(jié)果表明：該電熱織物的導(dǎo)線間距越小，表面平衡溫度越高，溫差越小，發(fā)熱更均勻，表現(xiàn)出較好的電熱溫升性能［11］。

銅絲雖然具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，但是根據(jù)電熱織物的規(guī)格不同，所用的紗線的線密度也千變?nèi)f化。一般對(duì)細(xì)銅絲的直徑有較高的要求。此外，銅絲的柔性不好，不適合用機(jī)織法和針織法制備電熱織物。

1.3 導(dǎo)電聚合物材料

聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺被稱為三大導(dǎo)電聚合物，都具有良好的導(dǎo)電性能，在電熱織物領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。導(dǎo)電聚合物一般是由單體在織物表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成聚合物附著于織物表面制成電熱織物。

1.3.1 聚吡咯

吡咯單體是C，N 五元雜環(huán)分子，常溫下呈無色油狀液體，微溶于水，無毒。聚吡咯是吡咯單體通過聚合所形成的一種導(dǎo)電性良好的聚合物，聚吡咯的電導(dǎo)率可達(dá)到102S/cm，且空氣穩(wěn)定性好。ACQUA L D 等分別采用氣相法和液相法將聚吡咯包在棉、粘膠、萊賽爾等纖維素纖維中制備了導(dǎo)電紡織品，研究發(fā)現(xiàn)：聚吡咯在液相纖維中完全滲透，而在氣相纖維中只部分滲透［12］。

1.3.2 聚噻吩

聚噻吩是一種常見的導(dǎo)電聚合物，導(dǎo)電性能好，價(jià)格昂貴。聚3，4?乙烯二氧噻吩是一種聚噻吩類本征導(dǎo)電聚合物材料，經(jīng)聚對(duì)苯乙烯磺酸鈉鹽摻雜后獲得穩(wěn)定的聚（3，4?乙烯二氧噻吩）?聚苯乙烯磺酸懸浮液［13］。WU Chiehhan 等將聚（3，4?乙烯二氧噻吩）?聚苯乙烯磺酸與聚（苯乙烯?丙烯酸正丁酯）導(dǎo)電復(fù)合物通過旋轉(zhuǎn)涂覆和浸泡涂覆的方法附著到PET 非織造布上，做成了柔性導(dǎo)電復(fù)合膜，測得聚（3，4?乙烯二氧噻吩）?聚苯乙烯磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)電導(dǎo)率高達(dá)88 S/cm［14］。

1.3.3 聚苯胺

聚苯胺具有特殊的電學(xué)性能，經(jīng)摻雜后具有導(dǎo)電性能，可制得各種特殊功能的設(shè)備和材料，如電極材料、電磁屏蔽材料和電熱織物等。張洪鋒等采用原位吸附聚合法，以苯胺為單體，過硫酸銨為氧化劑，制備了防靜電聚苯胺改性羊毛纖維［15］。柯貴珍等以棉織物為基布，苯胺為單體，過硫酸銨為氧化劑，鹽酸為摻雜劑，通過原位聚合方式制備了聚苯胺復(fù)合棉織物［16］。

2 電熱織物成形方法

目前電熱織物的成形方法有多種，使用較多的有機(jī)織法、針織法、刺繡法、涂覆法、原位聚合法等。以下對(duì)每種成形方法的工藝及研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2.1 機(jī)織法

機(jī)織法是在織機(jī)上將電熱元件與普通紗線按一定規(guī)律交織。需要選擇長絲、紗線類的電熱元件，并且對(duì)電熱元件的拉伸強(qiáng)度和耐磨性能有一定的要求。金屬導(dǎo)電紗線、碳纖維長絲適合機(jī)織法制備電熱織物。

LIU Hao 等選擇鍍銀紗線作為電熱元件，通過機(jī)織法制備了柔性電熱織物，研究了織物的額定功率與最高溫度之間的定量關(guān)系，以及功率與平衡溫度之間的定量關(guān)系，結(jié)果表明：額定功率與最高溫度之間、功率與平衡溫度之間有很強(qiáng)的正 線 性 關(guān) 系［17］。OZAN Kayacan 選 用 不 銹 鋼 長絲，采用機(jī)織法制備了不同規(guī)格的單層和多層電熱織物，測試發(fā)現(xiàn)：不同層數(shù)的織物具有不同的電阻值，因而具有不同的加熱溫度［18］。李雅芳采用機(jī)織方法制備了鍍銀紗線電熱織物，測試結(jié)果表明：5 V 電壓下，該電熱織物平衡溫度能達(dá)到60 ℃以上［19］。吳為民采用高強(qiáng)低伸紗線作為經(jīng)紗和緯紗，緯向等距離引入碳纖維與經(jīng)紗交織制得電熱織物，對(duì)其施加電壓后，織物能在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電發(fā)熱［20］。

將電熱元件作為經(jīng)紗或緯紗織入織物中會(huì)因?yàn)槠胀喚€和金屬導(dǎo)電紗線、碳纖維長絲的織縮率不同，導(dǎo)致布面不平整。若將電熱元件以襯墊紗的方式織入織物中，則可以提高織物平整度。

2.2 針織法

針織法是將普通紗線和導(dǎo)電紗線通過線圈的形式相互串套的織造方法。導(dǎo)電紗線在織物中可以作為線圈橫列，也可以作為襯墊紗添入織物中。與機(jī)織法相比，針織法所制備的電熱織物具有更好的柔軟性和透氣性。

陳莉等將鍍銀長絲加入針織物中制備了不同組織的電熱織物，并對(duì)其電熱性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：添紗組織和雙羅紋組織制備的電熱 織 物 加 熱 效 果 較 好［21?22］。SYED Talha Ali Hamdani 等研究了針織電熱織物的結(jié)合點(diǎn)接觸壓力對(duì)加熱性能的影響，對(duì)拉伸后織物的溫度分布進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)針織電熱織物的結(jié)合點(diǎn)有一個(gè)最小的接觸閾值力，一旦達(dá)到這個(gè)力，再拉伸織物將不會(huì)對(duì)熱量產(chǎn)生影響［23］。盧俊宇在織物中加入鍍銀紗線橫列制成針織電熱織物，對(duì)電路連接方式進(jìn)行了探究，試驗(yàn)證明：針織電熱織物以中間四點(diǎn)連接時(shí)電阻最小，表面溫度分布最均勻［24］。

針織法制備的電熱織物中導(dǎo)電紗線易變形，影響其電阻值的大小，從而影響電熱織物的發(fā)熱性能。因此，以針織法制備電熱織物時(shí)應(yīng)盡量選用較為緊密的組織結(jié)構(gòu)。此外，針織法還可以制備一體成形的服裝，未來可以通過此方法實(shí)現(xiàn)一體成形電熱服的研發(fā)。

2.3 刺繡法

刺繡法是一種將電熱元件按照設(shè)計(jì)好的電路縫入織物中制備電熱織物的方法，具有制備工藝簡單、電路設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。KARPAGAM K R 等使用鎳鉻絲，通過刺繡的方式將其縫合在棉織物中制得了電熱織物，對(duì)織物施加電壓后能夠快速發(fā)熱［25］。

刺繡法相對(duì)于機(jī)織法和針織法而言更為靈活多變，能夠?qū)㈦姛嵩凑杖我獠⒙?lián)、串聯(lián)或更為復(fù)雜的電路縫入到不同的織物基底上，而機(jī)織法和針織法對(duì)電熱元件的集成方式控制不如刺繡法，并且會(huì)使用較多的導(dǎo)電紗線。

2.4 涂覆法

涂覆法一般是將由碳基導(dǎo)電材料制備的導(dǎo)電涂料通過涂覆、印刷等方式整理到織物表面制成電熱織物的方法。KIM Hyelim 等將石墨烯納米板包覆在棉織物表面，采用鍍銀紗線作為電極制成電熱織物。當(dāng)對(duì)該電熱織物施加5 V 電壓時(shí)，其 表 面 溫 度 約 為48 ℃［26］。LAKSHITHA R等通過絲網(wǎng)印刷將導(dǎo)電碳黑墨水整理到織物表面制成電熱織物，織物通電加熱反應(yīng)速度快，無明顯滯后現(xiàn)象，并且加熱效果穩(wěn)定，通過測試和擬合后發(fā)現(xiàn)，織物的施加電壓與表面溫度呈現(xiàn)非線性相關(guān)［27］。FUGETSU Bunshi 等將石墨烯附著在織物表面形成一層石墨烯導(dǎo)電薄層，測得其電阻率在102Ω～1010Ω 之間［28］。

涂覆法制備工藝簡單，對(duì)基布的種類要求低，在保證涂覆均勻的情況下，織物導(dǎo)電性能良好。但是涂覆法所制備的電熱織物經(jīng)過反復(fù)使用摩擦后，織物表面導(dǎo)電涂層易脫落，影響電熱性能。

2.5 原位聚合法

原位聚合法是以聚合物導(dǎo)電材料為電熱元件制備電熱織物的常用方法。將反應(yīng)性單體與催化劑全部加入織物中，經(jīng)聚合反應(yīng)后，聚合物沉積在織物表面制得電熱織物。

SUBBANKAR Maity 等通過原位化學(xué)聚合法將吡咯附著于織物表面制得電熱織物，隨著施加電壓的升高，織物表面溫度呈指數(shù)上升，電熱織物在低電壓范圍內(nèi)呈線性電壓?電流關(guān)系［29］。SYED Talha Ali Hamdani 等以錦綸針織物為基布，通過原位聚合法制備了電熱織物，通電不到3 min 時(shí)織物表面溫度能夠達(dá)到114 ℃［30］。

原位聚合法和涂覆法類似，對(duì)基布的種類沒有過多限制，但是制備工藝較為復(fù)雜。從織物結(jié)構(gòu)來看，涂覆法是將導(dǎo)電涂料附著在織物表面，很少滲透進(jìn)入織物內(nèi)部。而原位聚合法所制備的電熱織物，導(dǎo)電材料會(huì)進(jìn)入織物內(nèi)部。

3 結(jié)語

電熱織物是一種將電能轉(zhuǎn)化為熱能的智能織物，具有制備工藝簡單、發(fā)熱效率高、溫度可控等特點(diǎn)。電熱織物的主要工作部件為織物中的電熱元件，各類電熱元件的特性各異，適用的電熱織物制備方法也不盡相同，選擇適合的電熱元件及加工方法是制備電熱性能良好的電熱織物的關(guān)鍵。目前需要解決的是電熱織物與服裝的結(jié)合，以及電熱元件自身的耐水洗性。人體日常活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生肢體移動(dòng)，造成電熱元件產(chǎn)生相對(duì)位移和接觸壓力變化，這種變化會(huì)影響電熱織物的使用效果。因此，在電熱織物的結(jié)構(gòu)上還需要做出進(jìn)一步探索和研究，期望做出舒適性好、產(chǎn)熱穩(wěn)定、耐水洗性好的新型電熱織物。隨著對(duì)電熱織物的研究不斷深入，其在醫(yī)療、儲(chǔ)能、防護(hù)等方面必將得到廣泛應(yīng)用。