電發熱織物在柔性可穿戴領域的應用

朱國慶，盧業虎

(1.蘇州市纖維檢驗院，江蘇 蘇州 215128；2.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；3.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

隨著現代材料科學和電子技術的不斷發展和創新，柔性智能可穿戴紡織品日益成為當今的研究熱點，并廣泛應用于醫療保健、運動娛樂、農業探測、軍事工業等領域。其中，柔性智能加熱服裝能夠基于外部環境或內部人體的動態信息變化而靈敏反應并主動產熱，從而滿足穿著者的不同保暖性能需求，避免嚴寒對人體的侵害[1-2]。因此主動產熱式智能加熱服裝的研發具有十分重要的意義。

現階段，主動加熱形式主要有太陽能、化學能、相變材料及電發熱等。太陽光蓄熱材料制備的發熱紡織品安全穩定，綠色環保[3]，但由于受太陽光強度制約、光電轉換率低，較難達到理想的升溫效果[4]。利用化學反應產生熱量實現保暖的發熱紡織品雖然具有升溫速度快，成本低和方法簡易的優勢，但由于反應溫度難以控制，化學反應不可逆無法重復使用，以及發熱不持久等問題，限制了該產品的應用市場。相變發熱紡織品雖然過程易控，但只能在限定的溫度范圍內吸熱、放熱，因此限制了其應用范圍。由上所述，太陽能、化學能、相變材料均存在著不可避免的缺陷，難以滿足長時間低溫環境戶外作業的保暖需求。電發熱材料是指在一定的通電電壓下能夠發生焦耳效應，將電能高效轉變成熱能的材料，制得的電發熱紡織品因能夠精確控制溫度、可調節溫域廣和調溫速度快而具有更為廣闊的應用前景[5]。

1 電發熱織物概述

1.1 電發熱織物的組成和工作原理

電發熱紡織品的組成主要包括基體材料、電熱層材料(導電導熱材料、輔助材料)及外接導電材料(電極片、導線)3部分。其中，作為電發熱紡織品主體部分的電發熱材料，對織物的發熱性能起決定性作用[6]。電發熱材料具有一定的導電性，且能將電能轉化為熱能，通過熱傳導、熱對流和熱輻射放出熱量[7-8]，實現加熱供暖。

1.2 電發熱織物的設計原則

(1)加熱穩定性

電發熱織物的發熱材料應提供均勻恒定的發熱功率，做到溫度可控、性能穩定?？椢飸艹惺苁褂弥欣?、折、壓等負荷作用下的變形，頻繁的冷-熱循環、長期通電狀態導致的材料疲勞等。

(2)溫度均勻性

電發熱紡織品應保證織物發熱各處溫度均勻一致，避免嚴重的溫度差異導致局部燒穿，甚至引發危險。而影響其溫度均勻性的因素主要包括發熱面積、涂層種類、織物厚度和紗線纖度等。

(3)服用安全性

電發熱智能可穿戴紡織品為保證人體安全，電源通常使用12 V以下的直流電壓[9]。且織物最大的表面溫度不應該對人體有危險，要避免加熱部分與皮膚直接接觸。另外，電發熱織物應耐高溫、阻燃，可通過設置電路故障時自動斷開電源的電路保護裝置[10]，以保證在使用時溫度較高或使用時間較久，電發熱織物仍不會發生自燃等危害，保護人體安全。

(4)織物舒適性

由于電發熱織物的原料和制備工藝不同，電發熱織物的舒適性有所差異。因此，電熱織物在選擇原料和織物的制備工藝時需要著重考慮[11]，力求使織物在具有較好的熱濕舒適性的同時，又富有柔性、彈性和靈活度。

(5)節能環保性

在可持續發展的大背景下，設計電發熱織物時需考慮低成本和綠色環保性，可回收利用和可降解性，發熱源盡可能采用清潔能源，提高織物的電發熱轉換效率，提高同等條件下的發熱效率。

2 電發熱織物的研究現狀

按導電纖維的種類，目前的電發熱織物的分類主要包括：金屬類電發熱織物、碳系電發熱織物、高聚物電發熱織物。

2.1 金屬類電發熱織物

(1)金屬類電發熱材料的種類

金屬類電發熱材料的種類主要包括混紡普通紗線和金屬電阻絲形成導電織物以及纖維外鍍金屬涂層編織形成導電織物,即金屬類混紡電發熱材料和鍍金屬類電發熱材料[12]。

(2)金屬類電發熱紡織品制備工藝

金屬纖維與衣用纖維混紡構成電發熱織物，織造方法主要分為以下3種：(1)機織法，機織法需要選擇長絲、紗線類柔性好、拉伸強度高且耐磨性能優的電熱元件，如金屬導電紗線，所得織物結構穩定性好，使用時形變??；(2)針織法，針織法可根據平針、羅紋、雙羅紋等針織方法進一步改善織物的電發熱溫度的均勻性[13]，相比機織物，針織紡織品的服用性能較好，柔軟、透氣且舒適，但因易形變的線圈結構，織物的發熱穩定性較難控制[14]；(3)刺繡法，刺繡法相對于針織法和機織法更靈活多變，可精確控制紗線的長度和間隔，可根據需要改變電熱元件的電路排布，可任意縫在不同的織物基底上，更為方便地調整織物的電阻，并且制備工藝簡單，節省導電紗線，制作成本較低。金屬混紡類和鍍金屬類紗線均可通過刺繡法形成電發熱織物。

2.2 碳系電發熱織物

(1)碳系電發熱材料的種類

碳系電發熱材料包括碳纖維、石墨烯、碳納米管等電發熱材料[15]，現今最常見使用的是碳纖維電發熱材料，但因石墨烯和納米碳管制備的電發熱織物更具優異的光電力學性能[16]，仍在不斷探索中。

(2)碳系電發熱紡織品制備工藝

除了碳纖維長絲適合機織法制備電發熱織物外，大多碳系電發熱紡織品的制備工藝可按照氧化法和非氧化法劃分，氣相、液相氧化法以及等離子體氧化法均是氧化法；以浸漬涂層法、共聚接枝法等為代表的是非氧化法[17]。其中以浸漬涂覆法[18]為代表的表面處理法為主要制備工藝[19]，該法工藝流程簡單，基布種類要求低，且生產效率高、適合大批量生產。若是導電涂層均勻包覆則電發熱性優良，但因沉淀通常難以均勻地分散、在使用過程中反復摩擦脫落，使得導電性能不穩定，缺乏耐久性[20]。此外，所需設備和能源成本也較高。

2.3 高聚物電發熱織物

(1)高聚物電發熱材料的種類

聚乙炔導電材料的成功研制開啟了“高分子材料導電”的大門，并通過摻雜共軛聚合物制備各種不同導電性能的聚合物[21-22]。其中，3大導電聚合物分別是聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺。

(2)高聚物電發熱紡織品制備工藝

可通過原位聚合、電化學和浸漬[23]等方法在纖維表面涂層，制備導電高聚物電發熱織物[24]。如基體為熱塑性樹脂的電發熱材料通常采用熔融法制備，此法的優點是可利用熔融的高聚物本身的高黏性，使得填料分散[25-26]；溶劑溶解法因制備工藝較簡單，能耗較低，應用較為廣泛。但導電填料易團聚，易使發熱不均勻[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導電涂料僅附著織物表面，而是進入織物內部。雖然該類制備工藝對基布的種類限制少，但是工藝相對復雜。

3 電發熱織物的比較

基于電發熱織物的研究現狀，不同電發熱材料、織物在應用和研發上存在的優缺點，及其在柔性可穿戴領域的應用概況，詳見表1。

表1 電發熱紡織品的纖維材料、制備方式和基本性能

4 電發熱材料在柔性可穿戴領域的應用展望

4.1 柔性可穿戴領域導電材料的設計要求

在柔性可穿戴領域，導電纖維是基礎性的關鍵材料，可應用在各種傳感器、電容器、驅動器等柔性電子器件的開發和集成上，因其結構可變化性、組合可設計性等特性，發展潛力巨大。

制備紡織基柔性力學傳感器的導電纖維不僅要具備作為電子器件的優良導電性、高度靈敏性、穩定信號傳輸性以及使用耐久性等，還需要符合作為柔性可穿戴紡織品材料的高彈性及回復性、舒適性，并盡可能滿足尺寸微型化、器件輕量化等要求。

4.2 柔性可穿戴領域電發熱材料的迭代發展

現存的金屬基、碳系、高聚物材料制備的電發熱織物具有諸多局限性，已逐漸無法滿足市場需求。因此隨著現代技術的發展，復合型電發熱織物應運而生?？筛鶕枨髮⒉煌N的導電材料(金屬基材料、碳系材料、導電高聚物材料等)進行復合，通過優化纖維結構和制備方法，使得制備的復合型電發熱紡織品具備優異電性能，同時保證柔韌性，從而解決傳統導電纖維制備織物困難的問題?？梢灶A見，未來復合型電發熱材料將在柔性可穿戴領域的制備材料中成為中流砥柱，并將不斷迭代升級。

4.3 柔性可穿戴領域電發熱材料的前景展望

雖然現階段柔性可穿戴智能電子產品仍處早期探索階段，但未來必將著重開發高性能的導電纖維，改進不同的電極材料或創新制備工藝，研究電發熱材料和其他柔性纖維的組合，制備更優性能的復合型柔性可穿戴紡織品，實現取長補短。改進傳統的導電纖維并與人們日常服裝服飾集成，推進研發復合型電子集成產品，助力柔性電子織物發展。作為一種功能性的導電纖維，因其制得的紡織品成本低廉、輕薄透氣、柔軟可穿戴和變形易回復等優勢，必將在柔性可穿戴智能紡織品領域大放光彩。