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发热服饰的电发热材料有哪些?

电发热材料采用电能作为热源。电能来源泛,容易获取。另外,电能属清洁能源,可以重复利用,且对环境没有污染。电发热材料按照发热元件的构成材料,可分为导电纤维发热材料、电浆涂层发热材料及金属丝发热材料。



发热服饰的发热材料1.jpg

(一)导电纤维发热材料

所谓导电纤维发热材料是利用导电纤维(如碳纤维)或者给纤维镀上一层导电物质(如银、金等后,与常规纤维混纺制成混纺纱并通过进一步制备而得到的发热材料。此类发热材料的发热原理是给其中的混纺纱通电,产生电流而放出热量。

1.碳基导电纤维

近年最受欢迎的导电纤维是碳纤维。碳纤维的升温速度快,发热效率高,成本低廉,而且能量转化效率高达99.9%,控温精准,通电时可以产生对人体有益的远红外线。

严某等采用碳纤维制成发热织物,其外部连接柔性的薄膜太阳能电池,成功制得一种基于太阳能电池的碳纤维基发热织物,发热性能优良。李长春等2通过将碳纤维发热材料设置在普通马甲内层的背部,得到一种碳纤维发热马甲,通电后其中的碳纤维发热材料产生热量,由于马甲结构合理,温度可控,穿着舒适、安全,而且发热效果好。徐飞等2对红外加热笼的发热体进行探索,尝试采用碳纤维作为发热体,结果表明,碳纤维以加热条带的形式存在,完全具有可行性,同时有电热辐射效果好经济适用性强等优点。QIAO等成功制备出一种性能优良的碳纤维电热板,与水暧系统和发热电系统比较,此电热板的发热效率更高,发热速度更快,且节能省电。张某设计开发了两种碳基发热织物,并对其发热性能和隔热性能进行探索。其中,一种是碳纤维发热织物,是将碳纤维固定在两层非织造布之间而形成的;另一种是石墨烯发热织物,其采用按一定比例间隔排列的石墨烯导电纤维和玻璃纤维作为纬纱,涤纶作为经纱,铜箔丝作为电极。结果表明,两种碳基发热织物的隔热性能均好,在相同的输入电压下,石墨烯发热织物具有更优异的发热性能,热稳定性都较好。张某等3选用聚丙烯腈基碳纤维长丝作为发热织物的电热发热体,结果表明,碳纤维长丝交叉排列且间隔为2.5cm时,所得发热织物在5W的发热功率下可快速升温至53.7℃并持续6.8h。

杭某发明了一种痛经热疗内衣上装,其包括腰带(图1)。此内衣上装中,对应人体腹部的置放置有发热布,其与控电装置盒连接,发热布通电即发热。其中,发热布采用碳纳米管纤维纺织而成热均匀,升温快,散热也快,热稳定性好,节能环保,同时可产生远红外线,促进血液循环,减轻腹痛使穿着者感到温暖。


图1发热服饰的电发热材料.png


2.镀银纱线

陈某等制备了4种不同组织的镀银长丝针织物,并测试其电热性能,结果显示,通电后,由衬纬织制备的镀银长丝针织物的温度在2min内上升至31.3℃并达到稳定状态,且温度分布均匀,而由添纱平针组织、添纱1+1罗纹组织及添纱四平组织制备的3种镀银长丝针织物的电阻稳定性都较差发热效果不稳定。许静娴等(2采用镀银纱线与涤纶短纤纱线制备电热针织物,并在所用组织和镀银纱线含量不同的情况下,探究织物的电热性能,试验现,当采用双罗纹组织及镀银纱线与涤纶短纤纱线的行数比为3:7时,所得电热针织物的升温效果最为明显,在6V电压下,织物温度可达到35.0℃。

刘皓等采用纬平针组织、罗纹组织和双罗纹组织制备了3种发热针织物,其以镀银纱线构成的横列作为发热体,并对3种发热针织物的电阻进行测试,结果表明由罗纹组织或双罗纹组织制备的发热针织物的电阻更稳定。TONG等将两种不同电阻的镀银纱线分别植入针织物构成导电针织物,探究加热过程中导电针织物的温度与镀银纱线电阻的关系,当温度升高时,两种导电针织物的电阻均显着降低,下降幅度最多达30%。

李某M+利用模拟软件和模型,对镀银纱线及由其制备的加热织物的热力学性能进行测试和预测,结果显示,采用针织、机织和刺绣3种方法制备的加热织物都可以达到理想的加热温度,效果最佳的是刺绣法;另外,通过对比发现,采用聚吡咯涂层制备的加热织物的耐水洗性较差。卢某探究了镀银纱线针织物以3种不同方式与电源连接时的电热性能,发现中间4点连接时(图2),镀银纱线针织物的电阻最小,升温过程中有较好的温度稳定性;另外,比较了3种采用不同组织制备的镀银纱线针织物的电热性能,其中纬平针组织的镀银纱线针织物的电阻最小,在相同电压下所达到的平衡温度最高。卢俊宇等采用镀银纱线和涤纶纱线作为橫列,并改变它们的根数比(1:12:2、3:2、1:4、1:6),制成5种发热针织物(其纵行釆用镀银纱线),然后比较其电热性能,结果显示,镀银纱线和涤纶纱线的最佳根数比为3:2,对应发热针织物所达到的平衡温度最高,但电阻变化较大。


银纱线针织物.png


(二)电浆涂层发热材料

电浆涂层发热材料是将导电树脂或导电材料配制形成的导电浆料(简称“电浆”)涂覆在纤维或织物等材料的表面。这类发热材料表面的电浆形成电荷流动的通路,在材料两端加上电压即产生热量,由此导致的温升可以通过电压、电浆组分、材料密度、基布种类等方面进行调节。

1.电浆

龚某将导电剂和黏合剂按一定比例混合配制成电浆并涂覆在棉布上,烘干后得到导电棉布,其通电即发热。试验表明,所得导电棉布上的电浆不易掉落,导电剂分布均匀,导电性良好,制备工艺简单,成本低,还具有一定的阻燃能力及良好的远红外辐射能力。李某等以微米级银颗粒、氯醋树脂等为原料制备导电层,以炭黑和石墨的混合物为原料制备导热层,采用聚酯纤维纱线制备基布,并利用丝网印刷技术制成自控温电热织物。这种自控温电热织物的升温速度快,使用寿命长,且节能省电柔韧性强,故应用广泛3。徐某以石墨和炭黑的混合物为填料、水性聚氨酯为黏结剂制备电浆,以尼龙平纹布作为基材,通过浸渍的方法将电浆沉积在基材上,得到导电织物,当石墨:炭黑:水性聚氨酯的质量比为6:4:5时,导电织物的体积电阻率最低(1.27Ω·cm),且织物表面光滑、平整,柔软性佳,电浆的黏附力为2级。

2.发热膜

LI等将石墨烯沉积在聚乙烯对苯二甲酸基上制成电热膜,其具有低电阻和高热传导率,当电压从5V上升到30V,膜的温度从32.0℃上升到39.0℃,并且具有很好的抗弯曲性能。LUO等通过叠合方式制备成碳纳米管电热膜,其具有灵敏的电热性能,电压为10V时,膜的温度可上升到140.0℃且稳定。陈少轩发明了一种碳纤维远红外地暖垫,其由5个部分组成,分别为保护层、发热层和表面层、温度控制器和电源插头,其中,发热层由碳纤维发热膜或发热布组成,它是此地暖垫的核心。此地暖垫不仅具有体积小,质轻即携带方便优点,而且具有保健的功效。

赵某等研发出一种石墨基自限温智能电宝,其电路图如图3所示。此电暖宝以石墨基自限温材料作为发热膜(其被封装在两个PET膜中间),由5000mA·h充电宝提供5V直流低电压,最终的平衡温度可达45.0~55.0℃,并且可持续发热5h左右,具有发热膜柔软、发热速度快、热效率高、无辐射、智能调控温度、发热时间长、成本低廉使用安全等优点。


电发热服饰的电发热材料图3.png

(三)金属丝发热材料

金属丝发热材料是指以铁、钴、镍、铜、铬、钨等金属作为加热元件制成的电发热材料,其使用寿命长,加热效果好,性能稳定,但是柔软性与贴服性较差。

陈某发明了一种灵活的保暖手套,其中间夹层内放置保温层和电阻丝,电阻丝上有电源接口,用以对手套进行加热。邓某对合金发热丝的热稳定性进行研究并利用合金发热丝制作成可穿戴发热纺织品,通过试验发现合金发热丝的温度对其自身电阻的影响不大,表明合金发热丝的热学性能稳定;另外,对合金发热丝设置3个档位的功率,并将合金发热丝嵌入到手套和外套中,开发出发热性能和耐水洗性能良好的控温手套和外套。

BAI等4利用热黏合法将温度敏感型细铜丝集成在两块柔性黏合衬布中间,制成柔性发热织物,并对其温度感知原理和发热性能等进行测试,结果表明,减小细铜丝间距和加载电压,提高柔性黏合衬布的导热系数,不仅可提高柔性发热织物的升温速率,而且可减小细铜丝与柔性黏合衬布的温差,使柔性发热织物的温度均匀。


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