CN116791266A - 一种电加热纺织品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电加热纺织品及其制备方法，包括导电纱和非导电纱，所述导电纱为纬纱，所述非导电纱为经纱，所述导电纱在通过多根的正交的所述非导电纱的表面侧后交错通过多根的正交的非导电纱的背面侧的结构而织造来形成加热部，所述加热部两侧分别设置有金属电极，两个金属电极通过织物电路导线与外部电源连接，用以通过加载电压获得具有导电发热功能的柔性织物。本发明可以通过加热单元长度与密度的设计与分配增大加热面积，提高服装整体的发热均匀度,同时改善电加热服装的发热均匀度和热湿舒适性。

Description

一种电加热纺织品及其制备方法

技术领域

本发明涉及纺织品技术领域，尤其涉及一种电加热纺织品及其制备方法。

背景技术

电加热服装是利用电源控制内部的导电发热元件，使电能转化为热能，起到积极保暖作用，其中电加热元件是实现服装功能的核心部分，其制备和对应在服装上的集成方式分为两种：一种是在发热区域以针织、梭织、刺绣等方式在服装上嵌入导电导热纱线；另一种是将导电发热浆料涂覆并封装制备柔性加热片，再将其以可拆卸的方式置于服装口袋或夹层。

从目前市面上的产品来看，将导电发热的金属丝或特种纱线(合金纤维、碳纤维或镀导电物质后的纤维与普通纤维混纺后的纱线)作为加热单元直接织造的方法成本较高、工艺复杂，大多数研究停留在实验室的纺织品设计阶段。涂层法制备的柔性加热片满足成本较低、拆卸灵活、便于服装清洗的优点，故商业化程度较高，将任意数量的电加热元件置于躯干或四肢关节部位的服装夹层，即可设计出电加热羽绒服、冲锋衣、马甲、保暖内衣多种款式的产品。这种设计与生产模式简单快捷，在穿着过程中先由元件小面积局部产热，再通过传导、对流和辐射的确能达到升高整体衣内温度的效果。

一是由于元件的导电发热涂层的分布均匀程度有限，会影响服装的加热均匀度；且由于涂层不能直接与人体接触，故往往选择完全不透气不透湿的面料覆盖封装，在服装上集成后会影响服装的湿舒适性；二是服装局部加热时，人体临近热源部位的传热效率极低，元件工作一段时间后皮肤表面平均升温速率均随着与热源距离的增大而减小，热源与临近部位会出现显著温差。尤其在极寒环境，元件发热时热量不能及时沿皮肤表面传导扩散会导致局部热积蓄，但人在低温下冷热感受器反应滞后，故不能及时发现局部高温已达到皮肤耐受极限，往往会出现“低温烫伤”现象，长期穿着局部加热的电加热服装会使人处于局部温差的状态，影响人体的自主体温调节，不利于身体健康。故电加热服装的研发应尽量增大加热元件的面积，降低人体局部温差，提高服装的热防护性、热舒适性与安全性。

目前市面上大多数加热片都是将导电发热浆料以丝网印刷的方式涂覆在织造紧密的复合面料上，这种方式工艺简单，成本低，可拆卸的加热元件可以应用到多种服装服饰上。但涂覆过程无法保证浆料分布绝对均匀，会影响最后服装的发热均匀度；且封装面料透湿透气性几乎为零，会影响服装的热湿舒适性；此外，涂层方式的制备方法只适合研发规则矩形的加热片，不便根据服装板片来调整发热面积，不能对服装小面积局部加热导致的传热效率低进行改善，因此需要一种电加热纺织品及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术问题而提出的一种电加热纺织品及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明包括导电纱和非导电纱，所述导电纱为纬纱，所述非导电纱为经纱，所述导电纱在通过多根的正交的所述非导电纱的表面侧后交错通过多根的正交的非导电纱的背面侧的结构而织造来形成加热部，所述加热部两侧分别设置有金属电极，两个金属电极通过织物电路导线与外部电源连接，用以通过加载电压获得具有导电发热功能的柔性织物。

进一步地，将所述导电纱以多根并联方式接入外部电源成为所述加热部的加热单元。

进一步地，所述柔性织物的织物组织结构为平纹组织、斜纹组织或者缎纹组织中的一种。

进一步地，所述织物电路导线为不锈钢导电缝纫线。

进一步地，所述非导电纱线可采用无碱玻璃纤维、芳纶纤维、氨纶纤维中的一种或者多种混纺获得。

进一步地，所述导电纱线为石墨烯改性纱线、合金纤维、碳纤维或镀导电物质对普通纱线改性后的导电发热功能纱线中的一种。

另外一个方面，一种电加热织物的制备方法，包括以下步骤：

A确定导电纱线的并联根数与间隔密度；

B根据所述电加热织物的加热单元的形状、尺寸和布局确定加热单元的功率设计后织造得到电加热纺织品；

C验证电阻值：将织造好的样品通电，设置电压，使用电阻计测量织物的总电阻、加热单元的电阻和单根导电纱的电阻阻值后进行所述电加热织物的电阻调整。

进一步地，所述导电纱的织物密度为100～300根/cm，非导电纱的织物密度为100～300根/cm；所述导电纱以及非导电纱的总纤细度分别为22～110dtex,所述导电纱的电阻值为500Ω/m以下。

进一步地，所述电加热织物的加热单元的功率设计的方法包括

1)设置电压后通电测试后可直接得到织物总电阻、加热单元电阻和单根导电纱电阻阻值；

2)通过欧姆定律和功率计算该条件下导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率的关系。

相比现有技术，本发明的有益效果为：

1.本发明纺织品组织结构为普通的三元组织，经纱为非导电纱，纬纱为导电纱与非导电纱线间隔，织造的纺织品幅宽和长度可根据需要自定，最后与按照服装纸样进行裁剪与分割，缝纫加工后设计电路，即可研发出全身加热的电加热服装。从纱线选择到织物织造，再加工成衣，整个应用过程与普通服装的开发流程相同。

2.本发明可以通过加热单元长度与密度的设计与分配增大加热面积，提高服装整体的发热均匀度；相较于涂层法制备的发热片，纺织品特有的保暖性、透气性和透湿性会在服装起到积极产热作用的同时穿着舒适性良好。

3.本发明可以通过规律公式的推导，以产品具体的设计调整织造模式，可用于多种类型的电加热服装、服饰和其他可穿戴产品的研发。首先确定导电纱线，初步确定加热单元的并联根数与间隔密度后进行样品织造，设置某一电压后通电测试后可直接得到织物总电阻、加热单元电阻和单根导电纱电阻阻值，通过欧姆定律和功率计算公式，可得到该条件下导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率的关系。在产品研发前通过实验或计算得到人在某种环境条件下工作所需要的补偿热量后，带入公式即可反推出纺织品织造的基础参数。

附图说明

图1为本发明提出的一种电加热纺织品及其制备方法的导电发热纺织品织造结构示意图；

图2为本发明提出的导电发热纺织品示意图；

具体实施方式

参照图1和图2，本发明包括导电纱和非导电纱，所述导电纱为纬纱，所述非导电纱为经纱，所述导电纱在通过多根的正交的所述非导电纱的表面侧后交错通过多根的正交的非导电纱的背面侧的结构而织造来形成加热部，所述加热部两侧分别设置有金属电极，两个金属电极通过织物电路导线与外部电源连接，用以通过加载电压获得具有导电发热功能的柔性织物。

在本实施例子中，将所述导电纱以多根并联方式接入外部电源成为所述加热部的加热单元。

由于服装局部加热过程中，热源临近部位传热效率低导致的人体局部显著温差现象对人的身体健康不利,研究表明：增大电加热元件功率和增加元件内外层服装热阻两种途径能够提高传热效率，但考虑到人体安全电压的限制、能源的消耗成本以及人在生活与工作中对服装的轻便灵活需求，故考虑直接将导电发热纱线织入纺织品，便于增大服装的加热面积。

在本实施例子中，所述柔性织物的织物组织结构为平纹组织、斜纹组织或者缎纹组织中的一种。

在本实施例子中，所述织物电路导线为不锈钢导电缝纫线。

在本实施例子中，所述非导电纱线可采用无碱玻璃纤维、芳纶纤维、氨纶纤维中的一种或者多种混纺获得。

在本实施例子中，所述导电纱线为石墨烯改性纱线、合金纤维、碳纤维或镀导电物质对普通纱线改性后的导电发热功能纱线中的一种。

在本实施例子中，一种电加热织物的制备方法，包括以下步骤：

A确定导电纱线的并联根数与间隔密度；

B根据所述电加热织物的加热单元的形状、尺寸和布局确定加热单元的功率设计织造得到电加热纺织品；

C测试电阻值：将织造好的样品通电，设置电压，使用电阻计测量织物的总电阻、加热单元的电阻和单根导电纱的电阻阻值后进行所述电加热织物的电阻调整。。

本发明设计的导电发热纺织品主要物料如下：

(1)导电纱线：石墨烯改性纱线、合金纤维、碳纤维或镀导电物质对普通纱线改性后的导电发热功能纱线。

(2)非导电纱线：根据服装的需求选择透气性和透湿性良好的无碱玻璃纤维、芳纶纤维或氨纶纤维。

(3)织物电路导线：为不锈钢导电缝纫线或铜丝导电缝纫线。

实施方式如下：

(1)选择一种织物组织结构，普通的三元组织(平纹组织、斜纹组织、缎纹组织)即可，上机经纱为非导电纱线，纬纱为导电纱与非导电纱线间隔。

(2)确定好一组加热单元的导电纱根数后，通过并联方式手动引纬织入导电纱线(并联是将机织物中导电纱头端与头端相接、尾端与尾端相接，外接电源的一极连接到全部纱线的头端，另一极连接全部导电纱的尾端)，增大导电纱之间的接触面积，减小电阻降低功耗，适应人体安全电压，同时提高加热单元内部的发热均匀度。

(3)持续进行开口、引纬、打纬、卷取，送经工序，纺织品织造完成后，可以根据需要的大小进行裁剪，外接电源的导线可以使用不锈钢缝纫线或在纺织品两侧刷涂导电浆料。

(4)加热单元属性与热功率关系的推导：以2上2下斜纹组织结构，4根石墨烯改性纱线并联为一组加热单元，间隔密度为1.5cm设计织造的导电发热纺织品为例。

本实施例子中所述导电纱的织物密度为200根/cm，非导电纱的织物密度为200根/cm；所述导电纱以及非导电纱的总纤细度分别为510dtex,所述导电纱的电阻值为400Ω/。

织物幅宽17cm，长度22m，有效发热面积为0.0364m²，共有14组加热单元，在织物导电部分的两端缝纫不锈钢导电纱线，通12V电压后，测得织物总电阻为90Ω，每个加热单元阻值为6.4Ω，石墨烯改性纱线阻值为1.6Ω/17cm。通过功率P＝U²/R公式得出17cm×22cm规格的纺织品功率为1.6W。

通过实验得到人在某种环境下工作的代谢情况后计算出需要服装补偿的总热量，对服装各个部位进行热功率分配后，可反推出某一规格的织物整体电阻与加热单元电阻阻值，基于此对每个加热单元并联的根数和间隔密度进行调整，可应用于多种电加热可穿戴产品的纺织品设计。

由经纬纱按一定的规律交织而成的梭织物表面结构相较于针织物更简单，结构更稳定，故本发明选择此种方式将导电发热纱线织入纺织品。当导电纱线为经纱，织造过程中的强力磨损会导致其电学性能变差；当导电纱同时为经纬纱时，所织造的电热织物会由于经纬交织点的存在而发热不均匀；故本发明将非导电纱定为经纱，导电纱与非导电纱间隔排列做纬纱。

考虑到人体安全电压,行业规定持续接触安全电压需小于24V，故将导电纱以多根并联方式接入成为一组加热单元，纱线之间接触能减小电阻，适应低压条件的同时提高加热单元内部的发热均匀度，保证服装的穿着安全,此种方式的优势在于服装热源的面积与位置不再局限于加热元件的属性，可以根据电加热服装任何部位所需求的加热面积，织造出相对应幅宽与经向长度的导电发热纺织品，根据服装纸样进行裁剪后缝纫制作服装。织造过程中导电纱并联根数以及加热单元之间的间隔量化计算便捷，即在加热面积增大的同时可以通过对加热单元密度的控制进一步提高服装整体的发热均匀度；此外，选择透湿透气性好的天然纤维纱线作为非导电纱进行织造能显著提高导电发热纺织品的热湿舒适性，同时织物经纬纱交错，组织点间的孔隙也在一定程度上促进服装与环境的热湿交换。

所述电加热织物的加热单元的功率设计的方法包括：

1)设置电压后通电测试后可直接得到织物总电阻、加热单元电阻和单根导电纱电阻阻值；

2)通过欧姆定律和功率计算该条件下导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率的关系。

实施案例1

导电纱线选择：选择导电性能和耐热性能良好的导电纱线材料，例如银纤维导电纱线,确定导电纱线的规格和直径，以满足所需的电阻和电热功率要求。

加热单元设计：设计一个长方形的加热单元，尺寸为10厘米x10厘米,确定并联根数和间隔密度，选择20根导电纱线并联，间隔距离为1厘米。

样品织造：使用选定的导电纱线进行样品织造,将导电纱线织入织物中，形成加热单元,将20根导电纱线均匀地织入10厘米x10厘米的织物中，形成加热单元。

测试电阻值：将织造好的样品通电，设置特定电压，使用电阻计测量织物的总电阻、加热单元的电阻和单根导电纱的电阻阻值，设置电压为10伏特，测量到织物的总电阻为5欧姆，加热单元的电阻为4欧姆，单根导电纱的电阻阻值为0.2欧姆。

欧姆定律和功率计算：根据欧姆定律和功率计算公式，利用测得的电阻值计算导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率之间的关系,根据不同的电压和测试条件，可以得到一系列数据点,例如，根据欧姆定律，导电纱线长度为0.2米，根据功率计算公式，纺织品的电热功率为40瓦特。

实施案例2

需要加热的纺织品需要达到50瓦特的电热功率,现在我们来具体计算导电纱线长度、并联根数和加热单元间隔距离,导电纱线选择：选择导电性能和耐热性能良好的导电纱线材料，例如银纤维导电纱线。假设选择的导电纱线直径为0.1毫米。

假设设计一个长方形的加热单元，尺寸为20厘米x20厘米。为了简化计算，假设并联根数为10根，间隔距离为2厘米,样品织造：将选定的导电纱线织入织物中，形成加热单元,将10根导电纱线均匀地织入20厘米x20厘米的织物中，形成加热单元。

测试电阻值：通电，设置电压为10伏特，使用电阻计测量织物的总电阻、加热单元的电阻和单根导电纱的电阻阻值,假设测量到织物的总电阻为10欧姆，加热单元的电阻为8欧姆，单根导电纱的电阻阻值为0.8欧姆。

欧姆定律和功率计算：根据欧姆定律和功率计算公式，利用测得的电阻值计算导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率之间的关系。

根据欧姆定律，单根导电纱的长度为导电纱线电阻阻值除以电阻率。假设导电纱线的电阻率为0.1欧姆/米，那么单根导电纱的长度为0.8欧姆/0.1欧姆/米＝8米。

根据功率计算公式，纺织品的电热功率等于加热单元的电阻乘以电压的平方除以加热单元的电阻加上织物的总电阻,假设电压为10伏特，那么纺织品的电热功率为(8欧姆x10伏特^2)/(8欧姆+10欧姆)＝40瓦特。

综上，根据以上计算，当导电纱线长度为8米、并联根数为10根、加热单元间隔距离为2厘米时，纺织品的电热功率达到了50瓦特。

本发明提出的导电发热纺织品，通过将加热单元与服装高度一体化，可优化局部电加热服中常用的可拆卸柔性电加热片，研发具有全身加热功能的电加热服装；同时改善电加热服装的发热均匀度和热湿舒适性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电加热纺织品，其特征在于，包括导电纱和非导电纱，所述导电纱为纬纱，所述非导电纱为经纱，所述导电纱在通过多根的正交的所述非导电纱的表面侧后交错通过多根的正交的非导电纱的背面侧的结构而织造来形成加热部，所述加热部两侧分别设置有金属电极，两个金属电极通过织物电路导线与外部电源连接，用以通过加载电压获得具有导电发热功能的柔性织物。

2.根据权利要求1中所述的一种电加热织物，其特征在于，将所述导电纱以多根并联方式接入外部电源成为所述加热部的加热单元。

3.根据权利要求1中所述的一种电加热织物，其特征在于，所述柔性织物的织物组织结构为平纹组织、斜纹组织或者缎纹组织中的一种。

4.根据权利要求1中所述的一种电加热织物，其特征在于，所述织物电路导线为不锈钢导电缝纫线或铜丝导电缝纫线。

5.根据权利要求1中所述的一种电加热织物，其特征在于，所述非导电纱线可采用无碱玻璃纤维、芳纶纤维、氨纶纤维中的一种或者多种混纺获得。

6.根据权利要求1中所述的一种电加热织物，其特征在于，所述导电纱线为石墨烯改性纱线、合金纤维、碳纤维或镀导电物质对普通纱线改性后的导电发热功能纱线中的一种。

7.一种电加热织物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A确定导电纱线的并联根数与间隔密度；

B根据所述电加热织物的加热单元的形状、尺寸和布局确定加热单元的功率设计织造得到电加热纺织品；

C测试电阻值：将织造好的样品通电，设置电压，使用电阻计测量织物的总电阻、加热单元的电阻和单根导电纱的电阻阻值后进行所述电加热织物的电阻调整。

8.根据权利要求7中所述的电加热织物的制备方法，其特征在于，所述导电纱的织物密度为100～300根/cm，非导电纱的织物密度为100～300根/cm；所述导电纱以及非导电纱的总纤细度分别为22～110dtex,所述导电纱的电阻值为500Ω/m以下。

9.根据权利要求7中所述的电加热织物的制备方法，其特征在，所述电加热织物的加热单元的功率设计的方法包括：

1)设置电压后通电测试后可直接得到织物总电阻、加热单元电阻和单根导电纱电阻阻值；

2)通过欧姆定律和功率计算该条件下导电纱线长度、并联根数、加热单元间隔距离与纺织品电热功率的关系。