碳纤维发热网络的制备及其在散香服装面料中的应用

董 科， 赵 晨， 朱焱陌陌， 钱 坤， 肖学良

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

随着社会的发展和生活水平的提高，人们开始崇尚健康的生活方式，对具有抗菌、防护及保健效果的功能纺织品需求日益增加[1-2]。其中，散香面料将含药物成分的芳香剂与织物结合，能改善人们生理和心理健康状况，同时具有医疗保健功效，为缓解忧郁、镇静安神等提供有效途径[3]。

碳纤维是一种高性能纤维[4]，力学性能优异，耐腐蚀性强，使用寿命较长，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域[5-6]。同时，碳纤维具有优异的电热性能[7]，相对于金属发热材料，碳发热材料的电热转化效率高，辐射传热效果好，空间制热速度快，在1.5～12 V低电压区工作时便能达到良好的发热量[8]，符合发热面料的要求。此外，碳纤维发热的电磁辐射量极小，对人体基本无害[9-10]。

将碳纤维发热结构应用于芳香面料中，利用发热碳纤维快速改变面料温度，从而控制芳香微胶囊散香速率。随着面料温度的变化，壳芯中填充的芳香精油、芳香剂等通过微胶囊壳壁的微孔不断释放出来[11]。与普通芳香型静态挥发面料相比，温控散香面料留香性能更好[12]，散香具有可控性，能够根据不同情况释放出不同浓度的香味，是一种安全环保的新型材料[13]。因此，基于发热碳纤维研发的温控芳香微胶囊发热散香面料，具备独特的温控发热性能，在医疗保健方面具有一定的应用价值[14]。

然而，目前较为成熟的碳纤维组合发热模式比较单一，发热面积小，发热均匀性待考察[15]，且关于应用碳纤维发热结构温控散香面料的研究并不成熟，因而如何控制碳纤维均匀发热使面料稳定散香是要解决的重点问题。文中将碳纤维制备成“∞”型和“#”型两种发热网络结构，通过调控结构参数与外接电压对发热网络的发热性能进行研究，最后将碳纤维发热网络与经温控缓释微胶囊整理过的棉布复合，制备电热温控散香的功能面料，并研究不同发热结构对面料散香性能的影响，探索碳纤维发热网络在功能面料中的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1材料 3K碳纤维长丝(1.44 Ω/cm)，上海碳辰新材料科技有限公司生产；棉布(经密320根/dm、纬密280根/dm的平纹织物)，山东华纺股份有限公司生产。

1.1.2仪器 Victor VC890D数字万用表，深圳驿生胜利科技有限公司制造；温控散香微胶囊(PERF-NANO，香橙味)，苏州喜宝纺织助剂有限公司制造；FLIR E5红外热成像仪，美国菲利尔公司制造；电热鼓风干燥箱(220 V)，余姚星辰仪表厂制造；J1202型稳压电源，泰州沪江教学设备有限公司制造；梅特勒ME204E型电子天平测量仪，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司制造。

1.2 测试准备

1.2.1“∞”型碳纤维发热网络制备 图1为“∞”型碳纤维网络结构。以两根碳纤维长丝为一组，制成单个条状“∞”型线路结构[见图1(a)]；进一步将4组条状结构组合，形成4×4规格的碳纤维网络，其中碳纤维交叉处使用胶带固定，使其接触良好。以单位圆形周长为参数，将圆形网孔周长分别设置为6，7，8，9，10 cm，使用碳纤维长丝制备4×4规格的碳纤维“∞”型网络，并将碳纤维发热网络结构固定在棉布上[见图1(b)]。

图1 “∞”型碳纤维网络结构Fig.1 "∞" type carbon fiber network structure

1.2.2“#”型碳纤维发热网络制备 图2为“#”型碳纤维网络。使用10根碳纤维长丝，组成4×4 规格的“#”型方格状网络结构[见图2(a)]，并使用胶带固定碳纤维交叉节点。以单位方格周长为参数，制备单位方格周长为4，6，8，10，12 cm的4×4规格碳纤维“#”型网络。为防止碳纤维脱散，用胶带将碳纤维发热网络固定在棉布上[见图2(b)]。

图2 “#”型碳纤维网络结构 Fig.2 "#" type carbon fiber network structure

1.3 测试方法

1.3.1碳纤维网络电阻的测定与仿真验证 碳纤维发热网络的阻抗是评估发热性能的重要参数。根据焦耳定律，在相同电压条件下，电阻越小，通电时所产生的焦耳热越多，其决定了发热量以及发热速率。碳纤维交织网络的串并联比较复杂，因此有必要建立能准确预测相关结构中通用碳纤维网络电阻的阻抗模型。

利用Multisim软件制作“∞”型与“#”型碳纤维网络电阻模型，并进行仿真实验，算出不同结构不同参数下的碳纤维网络电阻。此外，使用数字万用表分别测试并记录各个碳纤维网络的总体电阻(见图3)。

图3 碳纤维网络阻抗测试Fig.3 Impedance test of carbon fiber network

1.3.2碳纤维网络电热性能测试

1)多种单位网格参数下碳纤维网络发热性能测试。将不同单位网格参数的“∞”型和“#”型碳纤维发热网络外接上稳压电源，设置稳压电源的电压为8 V，通电发热时间为240 s，在测试过程中使用热成像仪持续记录碳纤维网络发热过程，并每隔10 s取一次红外热成像图内最高温度与最低温度数据。

2)不同电压下碳纤维网络发热性能测试。为比较“∞”型和“#”型的碳纤维发热网络，选用单位网格周长为6 cm的“∞”型与“#”型碳纤维网络进行测试与对比。将外接稳压电源的电压分别调整为2，4，6，8，10，12 V，通电发热时间为240 s，使用热成像仪每10 s记录其发热状态，并收集温度随通电时间变化的数据(见图4)。

图4 碳纤维网络实验Fig.4 Carbon fiber network experiment

1.3.3碳纤维网络发热散香性能测试 配置芳香微胶囊整理液，其中水与芳香剂的体积比为1∶1，取1块纯白棉布，将棉布在配制好的芳香微胶囊整理液中处理30 min后取出，再将棉布在80 ℃烘箱中烘干处理30 min，取出后剪裁成相同大小的3块布，分别与单位网格周长为6 cm的“∞”型与“#”型碳纤维网络复合，编号为1#，2#，另将3#布设置为空白样。将3块样品置于烘箱中处理10 min，分别测其质量。1#，2#分别通8 V电源，3#布不进行处理，使其自然散香，240 s后分别测试并记录剩余质量。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维网络的电阻与仿真验证

根据等效电阻电路图，利用Multisim软件制作“∞”型与“#”型碳纤维网络的电阻模型，将单位长度碳纤维的电阻参数带入，并设置电压为220 V，进行仿真模拟实验，计算并模拟出不同结构不同单位网格参数下的碳纤维网络电阻。图5为单位网格参数为6 cm的碳纤维网络电阻模型模拟。使用万用电表测试真实条件下碳纤维网络的电阻，模拟测试的结果见表1、表2。

图5 碳纤维网络的电阻模型模拟Fig.5 Resistance model simulation of carbon fiber network

表1 “∞”型碳纤维网络阻抗

表2 “#”型碳纤维网络阻抗

由表1和表2可以看出，模拟测试与实际测试的电阻值相近，其误差都小于1 Ω，这表明建立的阻抗模型与实际碳纤维网络吻合性良好，可以预测该种碳纤维网络的阻抗，同时也证明了实际测试电阻值的准确性。

另外，随着单位网格参数的增加，所测得的网络阻抗值增加。这是由于不同结构参数的碳纤维网络中，并联结构并未变化，而单个网格周长增加使得单位网格内电阻增加，从而导致整个网络阻抗呈上升趋势。对比具有相同单位网格参数(6,8,10 cm)的“∞”型与“#”型碳纤维网络，发现“∞”型碳纤维网络的阻抗小于“#”型碳纤维网络，这可能是由于“∞”型碳纤维网络内产生了更多的并联网络，因此相同参数下表现出更小的阻抗。

2.2 “∞”型碳纤维网络发热性能

2.2.1多种单位网格参数下“∞”型网络发热性能

在外接电压为8 V的稳压电源下测试不同单位网格参数的“∞”型碳纤维网络发热性能，其中TH为热成像图的最高温度，TL为最低温度，测试结果如图6所示。

图6 “∞”型碳纤维网络相同电压不同单位网格参数的温度变化Fig.6 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由图6可以看出，所有“∞”型碳纤维网络均具有优异的发热速率，10 s内可迅速升温，之后温度缓慢上升，在50 s左右达到并保持最高温度。这是碳纤维网络与外界热交换平衡(即发热速率与散热速率平衡)的结果。此外，随着单位网格参数的减小，其所能达到的最高温度升高。对比不同单位网格参数的发热网络，发现单位网格参数为6 cm时的碳纤维网络表现出最好的发热速率以及发热性能，其温度能在10 s内达到最高温度43.2 ℃。这是由于随着单位网格参数的减小，碳纤维网络的阻抗值减小，根据焦耳定律Q=(U2/R)t，碳纤维网络单位时间能产生更高的热量，因此单位网格参数越小，网络发热性能越好。

2.2.2不同外接电压下“∞”型网络发热性能 选择单位网格参数为6 cm的“∞”型碳纤维网络，测试在不同外接电压下的发热性能，测试结果如图7所示。由图7可知，随着外接电压的增加，碳纤维网络所能达到的最高发热温度升高，达到最高温度所需的时间也有一定程度的减少；且温度升高的速率也与电压大小呈正相关，碳纤维发热结构能在12 V电压下达到最高温度94 ℃。

图7 “∞”型碳纤维网络相同单位网格参数不同电压的温度变化Fig.7 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.3 “#”型碳纤维网络发热性能

2.3.1不同单位网格参数下“#”型网络发热性能

在外接电压为8 V的条件下测试不同单位网格参数的“#”型碳纤维网络发热性能，结果如图8所示。

图8 “#”型碳纤维网络相同电压不同单位网格参数的温度变化Fig.8 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由图8可知，在开始阶段，“#”型碳纤维网络的温度迅速上升，能在10 s内到达最高温度与最低温度的中间值，随后温度上升趋势减缓，并在200 s左右达到最高温度并保持稳定。单位网格参数越小，其所能达到的最高温度越高，单位网格参数为4 cm时最高温度有显著上升。所有碳纤维网络达到最高温度与最低温度中间值所用的时间都很短，大约在10 s以内，且随着单位网格参数缩小，所用时间也有所缩短。不同单位网格参数“#”型碳纤维网络的最低温度基本一致，可能是由于该棉布的导热性能较差。

2.3.2不同外接电压下“#”型网络发热性能 选择单位网格参数为6 cm的“#”型碳纤维网络，测试不同电压下的发热性能，结果如图9所示。由于该单位网格参数的碳纤维网络在8 V以上的电压下过载，因此并未列在图9中。由图9可知，随着电压的增加，碳纤维发热网络所能维持的最高发热温度升高，且初始的升温速率也相应升高，说明“#”型碳纤维网络的升温速率与最高发热温度及电压呈正相关。

图9 “#”型碳纤维网络相同单位网格参数不同电压的温度变化Fig.9 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.4 “∞”型与“#”型碳纤维网络发热性能对比

在外接电压为8 V、单位网格参数为6 cm的条件下，比较“∞”型与“#”型碳纤维网络的温度变化情况，结果如图10所示。由图10可以发现，相同电压、相同单位网格参数下，“#”型碳纤维结构的发热效果更好。图10中，“#”型比“∞”型碳纤维网络所能达到的最高温度高，即在交叉点处，“#”型比“∞”型碳纤维网络的最高温度高。这是因为热成像仪所测的最高温度就是交叉点温度，就单一碳纤维而言，“∞”型比“#”型实际参与发热的碳纤维长度更长，所含电阻更大，实际经过一根碳纤维的电流更小。无论是哪种碳纤维网络，其交叉点处均为两根碳纤维交叠而成，故“#”型比“∞”型在交叉点处的电流大，根据焦耳定理Q=I2Rt，“#”型碳纤维网络交叉点处温度更高，即相同电压、相同单位网格参数下，“#”型碳纤维网络的发热温度更高。

图10 “∞”型与“#”型碳纤维网络相同条件下的温度变化Fig.10 Temperature variations in the "∞" type and "#" type carbon fiber network with the same parameter and the same voltage

2.5 散香实验

表3为分别使用“∞”型与“#”型碳纤维发热网络复合面料的发热散香性能。

表3 “∞”型与“#”型碳纤维发热网络复合面料的散香情况

由表3可知，在相同电压条件下，散香速率：1#布>2#布>3#布，由于芳香微胶囊在常温下散香速率较慢，因此3#布质量几乎没有变化；而1#布表现出最大的散香量，这是因为“∞”型结构的碳纤维发热网络能在短时间内较快达到其最高温度，这与碳纤维网络发热测试的结果相匹配。测试结果表明，可通过设计碳纤维发热网络的结构以及参数来调控散香面料的散香速率。

3 结 语

综上所述，“∞”型和“#”型碳纤维发热网络结构均表现出优异的快速发热性能。随着单位网格参数的增加，两种导电网络的总电阻逐步上升，所能达到的最高温度呈下降趋势；随着外接电压的增加，发热网络结构所能达到的最高温度也随之增加。在单位网格参数与外接电压均相同的条件下，“∞”型碳纤维网络能以较快的升温速率达到相对应的最高温度；“#”型碳纤维发热网络所能达到最高温度(69.9 ℃)高于“∞”型碳纤维发热网络的最高温度(55.9 ℃)。

此外，基于碳纤维发热网络制备了自散香的服装面料。研究发现，可以通过改变碳纤维发热网络的结构或参数调节其升温速率以及最高温度的大小，从而控制温控散香面料的散香速率。文中实验旨在为碳纤维发热网络的研究提供理论依据与数据支撑。