基于鍍銀紗線的電加熱織物溫度場(chǎng)模擬與電熱性能

李雅芳，劉 皓，趙義俠

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

智能加熱服裝是智能紡織品的一個(gè)重要研究方向[1]，而加熱元件的性能是決定加熱織物和加熱服裝好壞的關(guān)鍵。基于對(duì)服裝的舒適性能的要求，應(yīng)用于加熱服裝或紡織品中的加熱元件應(yīng)具有一定的柔性[2]。現(xiàn)階段，柔性加熱元件的主要材料包括金屬絲[3]，鍍銀金屬絲[4]，石墨烯柔性導(dǎo)電膜[5]，碳纖維[6]和導(dǎo)電高聚物等[7-8]。這些材料應(yīng)用于柔性加熱元件的主要形式為導(dǎo)電針織物[9]，導(dǎo)電梭織物[10-11]和導(dǎo)電加熱片[12]以及一些導(dǎo)電膜類[13]產(chǎn)品等。鍍銀紗線具有良好的柔性，導(dǎo)電性能和抗菌性，并且具有較好的可織造性能，近年來被越來越多的應(yīng)用到電磁屏蔽[14]、抗靜電[15]和抗菌[16]等紡織品中。鍍銀紗線作為加熱電阻元件應(yīng)用到加熱織物或加熱服裝中也是近年來智能加熱服裝的一個(gè)重要研究方向[17-18]。

現(xiàn)階段，鍍銀紗線作為加熱元件制備加熱織物還存在著一些問題。首先，基于鍍銀紗線的加熱織物制備工藝較為復(fù)雜，而鍍銀紗線的基材通常采用錦綸纖維，在實(shí)際研究應(yīng)用和測(cè)試中過高的溫度會(huì)使鍍銀紗線產(chǎn)生熔斷現(xiàn)象，使樣品作廢。另外，在加熱織物中鍍銀紗線的設(shè)計(jì)對(duì)加熱織物溫度分布和加熱效果的研究需要通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和處理得到，不能夠馬上呈現(xiàn)加熱效果。而使用數(shù)值模擬應(yīng)用軟件對(duì)鍍銀紗線加熱織物的加熱效果進(jìn)行仿真模擬，就能夠解決這兩個(gè)問題。采用有限元分析法解決實(shí)際應(yīng)用中的具體問題已經(jīng)是近代科研究人員常用的研究手段[19-21]。利用有限元分析軟件模擬各因素對(duì)實(shí)際結(jié)果的影響，既能夠較快地對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行預(yù)判又能夠忽略實(shí)際測(cè)試環(huán)境的限制條件得到既定結(jié)果。基于熱力學(xué)性能原理針對(duì)鍍銀紗線在織物中加熱的問題建立有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，既降低了在電熱性能探索階段鍍銀紗線的消耗，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍍銀紗線加熱織物的實(shí)際測(cè)試溫度的預(yù)判。

本工作擬采用ANSYS有限元模擬軟件對(duì)鍍銀紗線與織物復(fù)合后織物和空氣熱場(chǎng)溫度分布進(jìn)行仿真模擬。計(jì)算鍍銀紗線在不同間隔條件下熱場(chǎng)分布情況，并根據(jù)結(jié)果制備一款基于縫紉法的鍍銀紗線電加熱織物。研究電加熱織物的電熱性能并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，討論影響加熱織物溫度的主要因素，對(duì)鍍銀紗線加熱織物的制備起到一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型建立與實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 有限元模型設(shè)計(jì)

采用ANSYS有限元模擬軟件建立鍍銀紗線電加熱織物的熱場(chǎng)模型，將復(fù)雜的織物模型簡(jiǎn)化為二維平面模型，如圖1所示。圖1(a)為簡(jiǎn)化后的鍍銀紗線在織物中熱量交換截面圖，主要的熱量交換包括鍍銀紗線與空氣之間熱量交換，鍍銀紗線與織物之間熱量交換，及織物與空氣之間的熱量交換3個(gè)部分。鍍銀紗線圖1(b)為鍍銀紗線與周圍空氣和織物接觸界面的幾何模型。模型中忽略鍍銀紗線內(nèi)部溫度變化，只討論鍍銀紗線與空氣、織物界面和空氣織物之間界面的熱量交換。圖1(c)，(d)，(e)分別為單根、雙根和多根鍍銀紗線與織物復(fù)合加熱模型。探討鍍銀紗線植入織物后，電壓及鍍銀紗線間距等對(duì)熱場(chǎng)分布的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

加熱織物的基布為純棉斜紋布，面密度為227.4g/m2(上海眾友紡織品公司)。鍍銀紗線線密度為28.2 tex，平均電阻為29.2Ω/10cm(山東青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司)。直徑0.2mm，電阻小于0.5Ω/10cm的T2紫銅銅絲作為連接電路中各行電阻的導(dǎo)線(臺(tái)州市泰通電線電纜有限公司)。采用平縫的方法將鍍銀紗線按照設(shè)計(jì)的電路縫植入純棉織物中。

圖2所示為基于有限元模擬結(jié)果設(shè)計(jì)的柔性電加熱織物。鍍銀紗線間隔為3mm，織物加熱區(qū)域面積為100cm2，鍍銀紗線的電阻為2.1Ω。

圖2 鍍銀紗線加熱織物制備(a)電路設(shè)計(jì)圖；(b)在織物上畫出鍍銀紗線排列；(c)加熱織物Fig.2 Fabrication of heating fabric based on silver coated yarns(a)design diagram of circuit;(b)draw the arrangement of silver coated yarns on the fabric;(c)heated fabric

紅外攝像機(jī)TP8(如圖3所示)為測(cè)量發(fā)熱織物通電后熱場(chǎng)分布的主要溫度采集儀器。紅外攝像機(jī)分辨率為384×288，溫度測(cè)量精度為±1℃。采集頻率可以達(dá)到16幀/s，攝像機(jī)與織物間隔為30cm。升溫階段的采集頻率為5幀/s，穩(wěn)定狀態(tài)下采集頻率為1幀/s,散熱階段為2幀/s。采用安捷倫(Agilent)萬用表記錄實(shí)時(shí)電流并記錄。測(cè)試環(huán)境為恒溫恒濕環(huán)境，溫度(20±5)℃，濕度為45%～65%。

圖3 紅外溫度測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Infrared test system of temperature

2 結(jié)果與分析

2.1 不同電壓下紗線在純棉織物上的熱傳導(dǎo)效果

圖4模擬結(jié)果顯示鍍銀紗線從開始加熱到溫度趨于穩(wěn)定過程中織物和空氣溫度場(chǎng)變化。織物的溫度從鍍銀紗線向周圍熱場(chǎng)由高向低傳導(dǎo)，隨著加熱時(shí)間的增加溫度場(chǎng)內(nèi)個(gè)點(diǎn)溫度逐漸升高。圖5顯示鍍銀紗線在輸出電壓為3V和6V時(shí)鍍銀紗線在紅外攝像儀中的溫度圖像以及在MATLAB數(shù)值處理軟件中三維溫度圖像。根據(jù)三維溫度圖像可知電壓越大，鍍銀紗線表面溫度越高，相同時(shí)間內(nèi)鍍銀紗線傳遞純棉織物上的熱量越多，在相同溫度梯度下的熱傳導(dǎo)范圍更廣。當(dāng)輸出電壓為3V時(shí)，鍍銀紗線表面穩(wěn)定溫度為36.4℃。輸出電壓為6V時(shí)鍍銀紗線表面穩(wěn)定平衡溫度為89.8℃，明顯高于輸出電壓為3V時(shí)的鍍銀紗線表面溫度。

圖6顯示鍍銀紗線植入織物后施加不同電壓條件下穩(wěn)定發(fā)熱溫度的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。結(jié)果顯示，隨著施加在鍍銀紗線兩側(cè)的電壓升高，鍍銀紗線織物表面穩(wěn)定最高溫度升高。在施加電壓為7V時(shí)，鍍銀紗線兩側(cè)實(shí)際電壓為6.29V，穩(wěn)定平衡溫度為109.7℃，模擬計(jì)算結(jié)果為105.1℃，偏差4.19%。鍍銀紗線表面溫度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度相近，誤差均小于4.2%。結(jié)果表明，有限元模型作為鍍銀紗線熱場(chǎng)模型對(duì)預(yù)測(cè)鍍銀紗線在不同電壓下的溫度具有參考價(jià)值。

圖4 鍍銀紗線周圍熱場(chǎng)溫度隨加熱時(shí)間變化分布圖(a)0.1s；(b)0.5s；(c)1s；(d)10s；(e)20s；(f)100sFig.4 Temperature distribution of thermal filed around silver coated yarn by heating time(a)0.1s;(b)0.5s;(c)1s;(d)10s;(e)20s;(f)100s

圖6 施加不同電壓鍍銀紗線在織物中平衡溫度模擬和實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated equilibrium temperature and actual test results of silver coated yarn at different voltages

2.2 鍍銀紗線間距對(duì)加熱織物熱場(chǎng)分布的影響

在采用縫紉方法制備加熱織物條件下，鍍銀紗線間距過大會(huì)導(dǎo)致紗線之間溫度過低，加熱織物溫度分布不均勻；而紗線間距過小既提高了產(chǎn)品成本又會(huì)使加熱織物電阻過小，降低有效發(fā)熱功率。設(shè)計(jì)不同間隔的鍍銀紗線在織物中的熱場(chǎng)模擬模型，如圖7所示。模擬結(jié)果顯示，鍍銀紗線的間隔對(duì)織物中熱場(chǎng)分布的影響較明顯。鍍銀紗線加熱到穩(wěn)定溫度后，靠近紗線部分的溫度較高。當(dāng)間隔小于等于3mm時(shí)，鍍銀紗線之間的溫度場(chǎng)高溫部分重疊，中間部分仍有較高溫度。當(dāng)間隔大于3mm時(shí)，中間重疊溫度場(chǎng)隨著間隔距離的增加溫度下降。在鍍銀紗線加熱織物制備中，鍍銀紗線間隔設(shè)定為3mm，即能夠提高加熱織物的熱均勻性又能降低鍍銀紗線的用量降低成本。

2.3 電壓對(duì)鍍銀紗線加熱織物的影響

建立多根鍍銀紗線排列熱場(chǎng)分布模型，模擬不同電壓下熱場(chǎng)分布，如圖8所示。模擬計(jì)算結(jié)果顯示溫度由鍍銀紗線邊界至周圍溫度場(chǎng)中呈由高到低梯度分布趨勢(shì)，圖中模擬結(jié)果還顯示隨著兩側(cè)輸出電壓的增加，織物的穩(wěn)定溫度升高。輸出電壓為2V時(shí)，織物溫度為27.6℃，當(dāng)輸出電壓為5V時(shí)，模擬織物穩(wěn)定溫度為62.1℃。加熱織物的溫度與施加在織物兩端的電壓為正相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際加熱織物測(cè)試中，可以根據(jù)電壓的調(diào)節(jié)控制電加熱織物的穩(wěn)態(tài)溫度。

2.4 加熱織物實(shí)測(cè)驗(yàn)證及電熱學(xué)性能

根據(jù)本工作中加熱織物模型的模擬計(jì)算結(jié)果，制備了鍍銀紗線加熱織物，測(cè)試加熱織物在不同電壓下的電熱學(xué)性能。圖9(a)，(b)顯示鍍銀紗線加熱織物在輸出電壓為5V條件下升溫到達(dá)穩(wěn)態(tài)情況下的紅外圖像以及利用MATLAB軟件處理后的三維溫度圖像。由圖9發(fā)現(xiàn)根據(jù)模擬結(jié)果制備的加熱織物在發(fā)熱區(qū)域具有較好的發(fā)熱均勻性，熱場(chǎng)分布與有限元模擬結(jié)果具有較好的一致性。輸出電壓5V時(shí)，織物的穩(wěn)態(tài)平衡溫度為63.5℃，模擬結(jié)果的偏差率為2.3%。圖9(c)為加熱織物在不同輸出電壓下溫度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果顯示施加電壓與織物的升溫速度和平衡溫度為正相關(guān)關(guān)系。這與模擬計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)是相同的，表1為實(shí)測(cè)平衡溫度與模擬平衡溫度結(jié)果，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果偏差均在4.5%以內(nèi)，證明了模擬結(jié)果可參考性較高，對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中溫度的預(yù)測(cè)具有參考價(jià)值。圖9(d)為鍍銀紗線加熱織物溫度與織物電功率密度關(guān)系圖，圖中直線顯示加熱織物的功率密度越大則織物的平衡溫度越高。二者關(guān)系符合線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.9984。說明影響鍍銀紗線加熱織物溫度的主要因素是織物的功率密度，功率密度越大，織物的平衡溫度越高，升溫速率越快。

3 結(jié)論

(1)建立了鍍銀紗線與織物復(fù)合的有限元模型，模擬鍍銀紗線在不同電壓下的平衡溫度。模擬結(jié)果顯示，鍍銀紗線平衡溫度隨著電壓的增加而升高，當(dāng)輸出電壓為7V時(shí)，實(shí)測(cè)鍍銀紗線兩側(cè)實(shí)際電壓為6.29V，穩(wěn)定平衡溫度達(dá)到109.7℃，而模擬結(jié)果為105.1℃，偏差4.19%。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，并且偏差均小于4.2%。

(2)鍍銀紗線間隔模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鍍銀紗線間隔小于等于3mm時(shí)，加熱織物熱分布較均勻；大于3mm時(shí)，鍍銀紗線之間溫度較低。綜合考慮成本和鍍銀加熱織物均勻性將鍍銀紗線間隔設(shè)定為3mm。

圖7 鍍銀紗線間距對(duì)加熱織物熱場(chǎng)分布的影響(a)1mm；(b)2mm；(c)3mm；(d)4mm；(e)5mm；(f)10mmFig.7 Influence of the spacing of silver coated yarns on the thermal field distribution of heated fabric(a)1mm;(b)2mm;(c)3mm;(d)4mm;(e)5mm;(f)10mm

圖8 鍍銀紗線加熱織物在不同電壓下的溫度分布圖(a)2V；(b)3V；(c)4V；(d)5VFig.8 Thermal distribution of heated fabric with silver plated yarns at different output voltages(a)2V;(b)3V;(c)4V;(d)5V

圖9 加熱織物熱性能測(cè)試 (a)輸出電壓為5V時(shí)加熱織物紅外熱像圖；(b)輸出電壓為5V時(shí)加熱織物三維溫度圖；(c)加熱織物在不同輸出電壓下溫度隨時(shí)間變化圖；(d)熱織物功率密度與溫度關(guān)系圖Fig.9 Thermal test of heated fabric (a)infrared thermal image of heated fabric with output voltage 5V;(b)3D temperature image of heating fabric with the output voltage 5V;(c)temperature of heating fabric with different output voltages;(d)relationship of temperature and power density

Voltage/VSimulation/℃Measurement/℃Deviation/%122.823.0 0.8227.628.1 1.8335.837.4 4.5446.745.1-3.3562.163.5 2.3

(3)模擬了負(fù)載電壓對(duì)鍍銀紗線加熱織物平衡溫度分布的影響，結(jié)果顯示輸出電壓越高，織物平衡溫度越高，當(dāng)輸出電壓為2V時(shí)，織物溫度為27.6℃，當(dāng)輸出電壓為5V時(shí)，模擬織物穩(wěn)定溫度為62.1℃。

(4)測(cè)試以模擬結(jié)果為參考制備了加熱織物，并進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示鍍銀紗線加熱織物具有較好的表面溫度均勻性，平衡溫度與模擬結(jié)果偏差小于4.5%，且織物溫度與功率密度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9984。