CN114828312A - 一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及制备方法 - Google Patents

一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及其制备方法，该智能面料包括：主动发热织物层和相变储热层；主动发热织物层包括基布、镀银导电纱线、直流电源和电极，镀银导电纱线设置在基布上，直流电源通过电极驱动镀银导电纱线进行焦耳发热；相变储热层用于在外界环境温度高于温度阈值时，吸收并存储主动发热织物层的热量，以及用于在外界环境温度低于温度阈值时时，向主动发热织物层释放存储的热量。本发明通过镀银导电纱线进行焦耳发热，升温速率快；并且调节镀银导电纱线的面积能够实现大面积发热；此外，通过相变储热层中相变材料的过冷特性，减缓热量的散耗，延长主动发热时间，减小能耗。

Description

一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及制备方法
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，特别是涉及一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及其制备方法。
背景技术
自1948年电热毯发明以来，人们不断尝试将主动加热面料向功率小、便携式方面发展，主要应用在医疗卫生、防寒、汽车内饰制造等领域，例如可发热睡袋、防寒服、护膝、汽车座椅等，极大地提高了人们抵抗自然环境的能力。
目前，市面上存在的便携式可加热产品主要有以下两种，一种是通过将发热功率较低的电阻丝固定在两层面料中间，随后再将其放置在需要发热的位置通过外接电源实现加热的目的，这种面料虽然满足便携发热的要求，但是往往较厚且柔软性和舒适性较差。第二种是通过将导电材料涂覆成膜，制成导电薄膜材料，例如石墨烯导电膜、金属类导电膜，这种膜材料虽然具有良好的柔软性，但透气性很差，用作服用面料舒适感不足，加热面积也受材料限制，难以实现大面积加热，通常加热面积小于10cm*10cm，此外，现有加热面料的主动发热时间较短，且热量散耗块。
因此，提供一种能够大面积加热、延长主动发热时间、加热效率高且穿着舒适透气的主动发热面料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及制备方法，能够延长主动发热时间，实现大面积加热，加热效率高，并且穿着舒适透气。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料，包括：主动发热织物层和相变储热层；
所述主动发热织物层包括基布、镀银导电纱线、直流电源和电极，所述镀银导电纱线设置在所述基布上，所述直流电源通过所述电极驱动所述镀银导电纱线进行焦耳发热；
所述相变储热层用于在外界环境温度高于温度阈值时，吸收并存储主动发热织物层的热量，以及用于在外界环境温度低于温度阈值时时，向主动发热织物层释放存储的热量。
可选地，还包括：
远红外辐射层，设置在所述相变储热层的上层。
可选地，还包括：纺织基温度传感器和数据处理***；
所述纺织基温度传感器，嵌入在所述主动发热织物层中，用于采集主动发热织物层的温度信号，并将所述温度信号发送至所述数据处理***；
所述数据处理***，嵌入在所述直流电源中，与所述纺织基温度传感器连接，用于根据所述温度信号实时监测主动发热织物层的温度。
可选地，所述相变储热层由含有相变微胶囊的涂层助剂制备得到；所述相变微胶囊的储能密度为100-160J/g，相变温度为25～39℃，粒径大小为1～100μm。
可选地，所述镀银导电纱线经纺织成形工艺在所述基布上形成导热发热图案。
可选地，所述镀银导电纱线为表面镀有银纳米层的导电长丝，所述导电长丝的基体为锦纶、玻璃纤维或涤纶。
可选地，所述电极的材质为导电长丝或导电涂料。
可选地，所述远红外辐射层由含有远红外辐射材料的涂层助剂制备得到。
可选地，所述远红外辐射材料为石墨烯、金属烯或碳纳米管。
为实现上述目的，本发明还提供了一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料的制备方法，基于所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，所述制备方法包括：
S1：将镀银导电纱线依次经针织、机织、刺绣和缝纫工艺成形一体化加工在基布中，形成导热发热图案；将电极经针织、机织、刺绣和缝纫工艺复合加工到基布中，并将导热发热图案通过所述电极与直流电源连接，形成主动发热织物层；
S2：采用导电长丝作为纺织基温度传感器，将导电长丝经针织、刺绣和缝纫工艺复合加工嵌入到主动发热织物层中，并将纺织基温度传感器与数据处理***连接；
S3：将相变微胶囊按设定比例加入涂层助剂中，依次经超声分散、剪切分散和高压均质分散工序，制备得到含有相变微胶囊的涂层助剂，经丝网印刷、静电喷涂和磁控溅射工艺涂覆于主动发热织物层表面，形成相变储热层；
S4：将石墨烯、金属烯和碳纳米管涂层材料中的一种或多种按照设定比例加入涂层助剂中，依次经超声分散、剪切分散、高压均质分散工序，制备得到含有远红外辐射材料的涂层助剂，并经丝网印刷、静电喷涂和磁控溅射工艺涂覆于相变储热层表面，形成远红外辐射层，最终得到多模态柔性纺织基主动发热智能面料。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及其制备方法，该智能面料包括：主动发热织物层和相变储热层；主动发热织物层包括基布、镀银导电纱线、直流电源和电极，镀银导电纱线设置在基布上，直流电源通过电极驱动镀银导电纱线进行焦耳发热；相变储热层用于在外界环境温度高于温度阈值时，吸收并存储主动发热织物层的热量，以及用于在外界环境温度低于温度阈值时时，向主动发热织物层释放存储的热量。本发明通过镀银导电纱线进行焦耳发热，升温速率快；并且调节镀银导电纱线的面积能够实现大面积发热；此外，通过相变储热层中相变材料的过冷特性，减缓热量的散耗，延长主动发热时间，减小能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明多模态柔性纺织基主动发热智能面料的结构示意图的主视图；
图2为本发明多模态柔性纺织基主动发热智能面料的结构示意图的俯视图；
图3为第一种导热发热图案示意图；
图4为第二种导热发热图案示意图；
图5为第三种导热发热图案示意图；
图6为第四种导热发热图案示意图；
图7为本发明多模态柔性纺织基主动发热智能面料的制备方法流程图。
符号说明：
主动发热织物层-1，纺织基温度传感器-2，相变储热层-3，远红外辐射层-4，电极-5，直流电源-6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料及制备方法，能够延长主动发热时间，实现大面积加热，加热效率高，并且穿着舒适透气。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料，包括：主动发热织物层1和相变储热层3。
所述主动发热织物层1包括基布、镀银导电纱线、直流电源6和电极5，所述镀银导电纱线设置在所述基布上，所述直流电源6通过所述电极5驱动所述镀银导电纱线进行焦耳发热。
其中，所述镀银导电纱线经纺织成形工艺在所述基布上形成导热发热图案，可根据需求和应用场景更换主动发热的面积和图案，实现大面积加热和特殊形状加热，实现不同的场景需求，列举部分不同导热发热图案如图3-图6所示。镀银导电纱线的焦耳发热，可实现低驱动电压(5V～24V)，升温速率快0.2～2℃/s，加热功率高5～20W。所述镀银导电纱线为表面镀有银纳米层的导电长丝，所述导电长丝的基体为锦纶、玻璃纤维或涤纶，镀银导电长丝单位长度电阻率0.1～10Ω/cm，细度为20～300旦尼尔，断裂强度1.5～3cN/dtex，断裂伸长率5％～19％。直流电源6及嵌入直流电源的数据处理***通过电极5对主动发热织物层1中镀银导电纱线形成的导热发热图案进行焦耳加热，电极5为铜丝、镀银导电纱线、碳纳米管纱线、石墨烯纱线等导电长丝或导电银漆、导电石墨烯漆等导电涂料。其中，(电极)导电长丝经针织、刺绣、缝纫等工艺复合加工到主动发热织物层1中，导电涂料经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。主动发热织物层1的基布为针织物、机织物或非织造布，基布原料为棉、毛、丝、麻、涤纶、锦纶、丙纶、氨纶、维纶、氯纶、芳纶或玻璃纤维等。
所述相变储热层3用于在外界环境温度高于温度阈值时，吸收并存储主动发热织物层1的热量，以及用于在外界环境温度低于温度阈值时时，向主动发热织物层1释放存储的热量。
进一步地，相变储热层3所述相变储热层由含有相变微胶囊的涂层助剂制备得到，其中相变微胶囊储能密度100-160J/g，相变温度25～39℃，粒径1～100μm。涂层助剂包括聚氨酯、丙烯酸类、硅胶、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。相变微胶囊的固含量5～50％之间。原理是利用含有的相变材料随外界环境温度的变化发生固-液可逆转换，即环境温度升高时，相变材料从固态变为液态，吸收织物层热量储存于相变微胶囊内部；当温度降低时，相变微胶囊从液态变为固态，释放出储存的热量，保持体表温度，使人体处于一种较为舒适的状态。相变储热层3利用相变材料的过冷特性，可以减缓热量的散耗，延长主动发热时间，减小能耗。
进一步地，还包括：远红外辐射层4，设置在所述相变储热层3的上层。远红外辐射层4由含有石墨烯、金属烯或碳纳米管涂层材料的功能涂层助剂制备而成，能实现低温工况下的高远红外发射率80～92％，对人体具有保健作用。其中石墨烯、金属烯、碳纳米管的粒径1～100μm，固含量5～50％之间。涂层助剂包括聚氨酯、丙烯酸类、硅胶、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
进一步地，还包括：纺织基温度传感器2和数据处理***。所述纺织基温度传感器2，嵌入在所述主动发热织物层1中，用于采集主动发热织物层1的温度信号，并将所述温度信号发送至所述数据处理***；
所述数据处理***，嵌入在所述直流电源6中，与所述纺织基温度传感器2连接，用于根据所述温度信号实时监测主动发热织物层1的温度。具体地，纺织基温度传感器2将电阻变化信号数据发送至直流电源6中嵌入的数据处理***。
进一步地，纺织基温度传感器2的电阻温度系数TCR(1～5×10-3K-1)，材料为镀银导电纱线、碳纳米管纱线、石墨烯纱线等导电长丝或导电银漆、导电石墨烯漆等导电涂料。其中，导电长丝经针织、刺绣、缝纫等工艺复合加工到主动发热织物层1中，导电涂料经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。
为实现上述目的，本发明还提供了一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料的制备方法，基于所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，所述制备方法主要包括四步，第一步，主动发热织物层制备；第二步，纺织基温度传感器2制备；第三步，相变储热层3组装；第四步，远红外辐射层4组装。
第一步，主动发热织物层制备。包括主动发热图案加工，电极5制备，电路连接。
其中，主动发热图案加工，主动发热纱线为镀银导电纱线，经针织、机织、刺绣、缝纫等工艺成形一体化加工在主动发热织物层1，织物电极5两个制备方案：方案一，若电极为导电长丝，经针织、机织、刺绣、缝纫等工艺复合加工到主动发热织物层1中。方案二：若电极为导电涂料，经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。采用丝网印花工艺，根据电极尺寸结构设计平面丝网印花纹版，将导电涂料置于平面丝网上，用刮刀进行印花处理，刮刀缝隙隔距为5～100μm；或采用静电喷涂，根据电极尺寸结构设计喷涂厚度，静电场10～100kV，气流速度10～100m/s；或采用磁控溅射工艺，根据电极尺寸结构设计磁控溅射模板，磁控溅射强度5～10000W，磁控溅射时间1～30分钟，真空度10-2～10-5Pa。电路连接，镀银导电纱线与电极连接，并与直流电源6连接。
第二步，纺织基温度传感器2制备。两个制备方案，方案一，若电极为导电长丝，经针织、刺绣、缝纫等工艺复合加工到主动发热织物层1中；方案二，若电极为导电涂料，经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。采用丝网印花工艺，根据纺织基温度传感器尺寸结构设计平面丝网印花纹版，将导电涂料置于平面丝网上，用刮刀进行印花处理，刮刀缝隙隔距为5～100μm；或采用静电喷涂，根据纺织基温度传感器尺寸结构设计喷涂厚度，静电场10～100kV，气流速度10～100m/s；或采用磁控溅射工艺，根据纺织基温度传感器尺寸结构设计磁控溅射模板，磁控溅射强度5～10000W，磁控溅射时间1～30分钟，真空度10-2～10-5Pa。纺织基温度传感器2将电阻变化信号数据发送至直流电源6中嵌入的数据处理***，可实时监测主动发热面料温度。
第三步，相变储热层3组装。制备含有相变微胶囊的功能涂层助剂，将相变微胶囊按照比例加入涂层助剂中，依次经超声分散(超声功率100～1000W，时间10～30分钟，温度25～35℃)、剪切分散(剪切转速1000～100000rpm，时间5～320分钟，温度25～35℃)、高压均质分散(高压10～50Mpa，时间5～320分钟，温度25～35℃)等工序，制备含有相变微胶囊的功能涂层助剂。经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。采用丝网印花工艺，根据相变储热层尺寸结构设计平面丝网印花纹版，将导电涂料置于平面丝网上，用刮刀进行印花处理，刮刀缝隙隔距为5～100μm；或采用静电喷涂，根据相变储热层尺寸结构设计喷涂厚度，静电场10～100kV，气流速度10～100m/s；或采用磁控溅射工艺，根据相变储热层尺寸结构设计磁控溅射模板，磁控溅射强度5～10000W，磁控溅射时间1～30分钟，真空度10-2～10-5Pa。
第四步，远红外辐射层4组装。制备含有石墨烯、金属烯或碳纳米管涂层材料的功能涂层助剂，将石墨烯、金属烯、碳纳米管涂层材料中的一种或多种按照比例加入涂层助剂中，依次经超声分散(超声功率100～1000W，时间10～30分钟，温度25～35℃)、剪切分散(剪切转速1000～100000rpm，时间5～320分钟，温度25～35℃)、高压均质分散(高压10～50Mpa，时间5～320分钟，温度25～35℃)等工序，制备含有远红外辐射的功能涂层助剂。经丝网印刷、静电喷涂、磁控溅射等工艺涂覆于主动发热织物层1表面。采用丝网印花工艺，根据远红外辐射层尺寸结构设计平面丝网印花纹版，将导电涂料置于平面丝网上，用刮刀进行印花处理，刮刀缝隙隔距为5～100μm；或采用静电喷涂，根据远红外辐射层尺寸结构设计喷涂厚度，静电场10～100kV，气流速度10～100m/s；或采用磁控溅射工艺，根据远红外辐射层尺寸结构设计磁控溅射模板，磁控溅射强度5～10000W，磁控溅射时间1～30分钟，真空度10-2～10-5Pa。
本发明的多模态柔性纺织基主动发热智能面料包括三个模态，其一，主动发热织物层，镀银导电纱线的焦耳发热，可实现低驱动电压(5V～24V)、升温速率快0.2～2℃/s，加热功率高5～20W；其二，相变储热层，相变材料的过冷特性，可以减缓热量的散耗，延长主动发热时间，减小能耗；其三，远红外辐射层，石墨烯、金属烯或碳纳米管涂层材料实现低温工况下的高远红外发射率80～92％，具备保健功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，包括：主动发热织物层和相变储热层；
所述主动发热织物层包括基布、镀银导电纱线、直流电源和电极，所述镀银导电纱线设置在所述基布上，所述直流电源通过所述电极驱动所述镀银导电纱线进行焦耳发热；
所述相变储热层用于在外界环境温度高于温度阈值时，吸收并存储主动发热织物层的热量，以及用于在外界环境温度低于温度阈值时时，向主动发热织物层释放存储的热量。
2.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，还包括：
远红外辐射层，设置在所述相变储热层的上层。
3.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，还包括：纺织基温度传感器和数据处理***；
所述纺织基温度传感器，嵌入在所述主动发热织物层中，用于采集主动发热织物层的温度信号，并将所述温度信号发送至所述数据处理***；
所述数据处理***，嵌入在所述直流电源中，与所述纺织基温度传感器连接，用于根据所述温度信号实时监测主动发热织物层的温度。
4.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述相变储热层由含有相变微胶囊的涂层助剂制备得到；所述相变微胶囊的储能密度为100-160J/g，相变温度为25～39℃，粒径大小为1～100μm。
5.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述镀银导电纱线经纺织成形工艺在所述基布上形成导热发热图案。
6.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述镀银导电纱线为表面镀有银纳米层的导电长丝，所述导电长丝的基体为锦纶、玻璃纤维或涤纶。
7.根据权利要求1所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述电极的材质为导电长丝或导电涂料。
8.根据权利要求2所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述远红外辐射层由含有远红外辐射材料的涂层助剂制备得到。
9.根据权利要求8所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，其特征在于，所述远红外辐射材料为石墨烯、金属烯或碳纳米管。
10.一种多模态柔性纺织基主动发热智能面料的制备方法，其特征在于，基于权利要求1-9所述的多模态柔性纺织基主动发热智能面料，所述制备方法包括：
S1：将镀银导电纱线依次经针织、机织、刺绣和缝纫工艺成形一体化加工在基布中，形成导热发热图案；将电极经针织、机织、刺绣和缝纫工艺复合加工到基布中，并将导热发热图案通过所述电极与直流电源连接，形成主动发热织物层；
S2：采用导电长丝作为纺织基温度传感器，将导电长丝经针织、刺绣和缝纫工艺复合加工嵌入到主动发热织物层中，并将纺织基温度传感器与数据处理***连接；
S3：将相变微胶囊按设定比例加入涂层助剂中，依次经超声分散、剪切分散和高压均质分散工序，制备得到含有相变微胶囊的涂层助剂，经丝网印刷、静电喷涂和磁控溅射工艺涂覆于主动发热织物层表面，形成相变储热层；
S4：将石墨烯、金属烯和碳纳米管涂层材料中的一种或多种按照设定比例加入涂层助剂中，依次经超声分散、剪切分散、高压均质分散工序，制备得到含有远红外辐射材料的涂层助剂，并经丝网印刷、静电喷涂和磁控溅射工艺涂覆于相变储热层表面，形成远红外辐射层，最终得到多模态柔性纺织基主动发热智能面料。
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