碳纖維發熱網絡的制備及其在散香服裝面料中的應用

董 科， 趙 晨， 朱焱陌陌， 錢 坤， 肖學良

(江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

隨著社會的發展和生活水平的提高，人們開始崇尚健康的生活方式，對具有抗菌、防護及保健效果的功能紡織品需求日益增加[1-2]。其中，散香面料將含藥物成分的芳香劑與織物結合，能改善人們生理和心理健康狀況，同時具有醫療保健功效，為緩解憂郁、鎮靜安神等提供有效途徑[3]。

碳纖維是一種高性能纖維[4]，力學性能優異，耐腐蝕性強，使用壽命較長，被廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[5-6]。同時，碳纖維具有優異的電熱性能[7]，相對于金屬發熱材料，碳發熱材料的電熱轉化效率高，輻射傳熱效果好，空間制熱速度快，在1.5～12 V低電壓區工作時便能達到良好的發熱量[8]，符合發熱面料的要求。此外，碳纖維發熱的電磁輻射量極小，對人體基本無害[9-10]。

將碳纖維發熱結構應用于芳香面料中，利用發熱碳纖維快速改變面料溫度，從而控制芳香微膠囊散香速率。隨著面料溫度的變化，殼芯中填充的芳香精油、芳香劑等通過微膠囊殼壁的微孔不斷釋放出來[11]。與普通芳香型靜態揮發面料相比，溫控散香面料留香性能更好[12]，散香具有可控性，能夠根據不同情況釋放出不同濃度的香味，是一種安全環保的新型材料[13]。因此，基于發熱碳纖維研發的溫控芳香微膠囊發熱散香面料，具備獨特的溫控發熱性能，在醫療保健方面具有一定的應用價值[14]。

然而，目前較為成熟的碳纖維組合發熱模式比較單一，發熱面積小，發熱均勻性待考察[15]，且關于應用碳纖維發熱結構溫控散香面料的研究并不成熟，因而如何控制碳纖維均勻發熱使面料穩定散香是要解決的重點問題。文中將碳纖維制備成“∞”型和“#”型兩種發熱網絡結構，通過調控結構參數與外接電壓對發熱網絡的發熱性能進行研究，最后將碳纖維發熱網絡與經溫控緩釋微膠囊整理過的棉布復合，制備電熱溫控散香的功能面料，并研究不同發熱結構對面料散香性能的影響，探索碳纖維發熱網絡在功能面料中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1材料 3K碳纖維長絲(1.44 Ω/cm)，上海碳辰新材料科技有限公司生產；棉布(經密320根/dm、緯密280根/dm的平紋織物)，山東華紡股份有限公司生產。

1.1.2儀器 Victor VC890D數字萬用表，深圳驛生勝利科技有限公司制造；溫控散香微膠囊(PERF-NANO，香橙味)，蘇州喜寶紡織助劑有限公司制造；FLIR E5紅外熱成像儀，美國菲利爾公司制造；電熱鼓風干燥箱(220 V)，余姚星辰儀表廠制造；J1202型穩壓電源，泰州滬江教學設備有限公司制造；梅特勒ME204E型電子天平測量儀，梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司制造。

1.2 測試準備

1.2.1“∞”型碳纖維發熱網絡制備 圖1為“∞”型碳纖維網絡結構。以兩根碳纖維長絲為一組，制成單個條狀“∞”型線路結構[見圖1(a)]；進一步將4組條狀結構組合，形成4×4規格的碳纖維網絡，其中碳纖維交叉處使用膠帶固定，使其接觸良好。以單位圓形周長為參數，將圓形網孔周長分別設置為6，7，8，9，10 cm，使用碳纖維長絲制備4×4規格的碳纖維“∞”型網絡，并將碳纖維發熱網絡結構固定在棉布上[見圖1(b)]。

圖1 “∞”型碳纖維網絡結構Fig.1 "∞" type carbon fiber network structure

1.2.2“#”型碳纖維發熱網絡制備 圖2為“#”型碳纖維網絡。使用10根碳纖維長絲，組成4×4 規格的“#”型方格狀網絡結構[見圖2(a)]，并使用膠帶固定碳纖維交叉節點。以單位方格周長為參數，制備單位方格周長為4，6，8，10，12 cm的4×4規格碳纖維“#”型網絡。為防止碳纖維脫散，用膠帶將碳纖維發熱網絡固定在棉布上[見圖2(b)]。

圖2 “#”型碳纖維網絡結構 Fig.2 "#" type carbon fiber network structure

1.3 測試方法

1.3.1碳纖維網絡電阻的測定與仿真驗證 碳纖維發熱網絡的阻抗是評估發熱性能的重要參數。根據焦耳定律，在相同電壓條件下，電阻越小，通電時所產生的焦耳熱越多，其決定了發熱量以及發熱速率。碳纖維交織網絡的串并聯比較復雜，因此有必要建立能準確預測相關結構中通用碳纖維網絡電阻的阻抗模型。

利用Multisim軟件制作“∞”型與“#”型碳纖維網絡電阻模型，并進行仿真實驗，算出不同結構不同參數下的碳纖維網絡電阻。此外，使用數字萬用表分別測試并記錄各個碳纖維網絡的總體電阻(見圖3)。

圖3 碳纖維網絡阻抗測試Fig.3 Impedance test of carbon fiber network

1.3.2碳纖維網絡電熱性能測試

1)多種單位網格參數下碳纖維網絡發熱性能測試。將不同單位網格參數的“∞”型和“#”型碳纖維發熱網絡外接上穩壓電源，設置穩壓電源的電壓為8 V，通電發熱時間為240 s，在測試過程中使用熱成像儀持續記錄碳纖維網絡發熱過程，并每隔10 s取一次紅外熱成像圖內最高溫度與最低溫度數據。

2)不同電壓下碳纖維網絡發熱性能測試。為比較“∞”型和“#”型的碳纖維發熱網絡，選用單位網格周長為6 cm的“∞”型與“#”型碳纖維網絡進行測試與對比。將外接穩壓電源的電壓分別調整為2，4，6，8，10，12 V，通電發熱時間為240 s，使用熱成像儀每10 s記錄其發熱狀態，并收集溫度隨通電時間變化的數據(見圖4)。

圖4 碳纖維網絡實驗Fig.4 Carbon fiber network experiment

1.3.3碳纖維網絡發熱散香性能測試 配置芳香微膠囊整理液，其中水與芳香劑的體積比為1∶1，取1塊純白棉布，將棉布在配制好的芳香微膠囊整理液中處理30 min后取出，再將棉布在80 ℃烘箱中烘干處理30 min，取出后剪裁成相同大小的3塊布，分別與單位網格周長為6 cm的“∞”型與“#”型碳纖維網絡復合，編號為1#，2#，另將3#布設置為空白樣。將3塊樣品置于烘箱中處理10 min，分別測其質量。1#，2#分別通8 V電源，3#布不進行處理，使其自然散香，240 s后分別測試并記錄剩余質量。

2 結果與討論

2.1 碳纖維網絡的電阻與仿真驗證

根據等效電阻電路圖，利用Multisim軟件制作“∞”型與“#”型碳纖維網絡的電阻模型，將單位長度碳纖維的電阻參數帶入，并設置電壓為220 V，進行仿真模擬實驗，計算并模擬出不同結構不同單位網格參數下的碳纖維網絡電阻。圖5為單位網格參數為6 cm的碳纖維網絡電阻模型模擬。使用萬用電表測試真實條件下碳纖維網絡的電阻，模擬測試的結果見表1、表2。

圖5 碳纖維網絡的電阻模型模擬Fig.5 Resistance model simulation of carbon fiber network

表1 “∞”型碳纖維網絡阻抗

表2 “#”型碳纖維網絡阻抗

由表1和表2可以看出，模擬測試與實際測試的電阻值相近，其誤差都小于1 Ω，這表明建立的阻抗模型與實際碳纖維網絡吻合性良好，可以預測該種碳纖維網絡的阻抗，同時也證明了實際測試電阻值的準確性。

另外，隨著單位網格參數的增加，所測得的網絡阻抗值增加。這是由于不同結構參數的碳纖維網絡中，并聯結構并未變化，而單個網格周長增加使得單位網格內電阻增加，從而導致整個網絡阻抗呈上升趨勢。對比具有相同單位網格參數(6,8,10 cm)的“∞”型與“#”型碳纖維網絡，發現“∞”型碳纖維網絡的阻抗小于“#”型碳纖維網絡，這可能是由于“∞”型碳纖維網絡內產生了更多的并聯網絡，因此相同參數下表現出更小的阻抗。

2.2 “∞”型碳纖維網絡發熱性能

2.2.1多種單位網格參數下“∞”型網絡發熱性能

在外接電壓為8 V的穩壓電源下測試不同單位網格參數的“∞”型碳纖維網絡發熱性能，其中TH為熱成像圖的最高溫度，TL為最低溫度，測試結果如圖6所示。

圖6 “∞”型碳纖維網絡相同電壓不同單位網格參數的溫度變化Fig.6 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由圖6可以看出，所有“∞”型碳纖維網絡均具有優異的發熱速率，10 s內可迅速升溫，之后溫度緩慢上升，在50 s左右達到并保持最高溫度。這是碳纖維網絡與外界熱交換平衡(即發熱速率與散熱速率平衡)的結果。此外，隨著單位網格參數的減小，其所能達到的最高溫度升高。對比不同單位網格參數的發熱網絡，發現單位網格參數為6 cm時的碳纖維網絡表現出最好的發熱速率以及發熱性能，其溫度能在10 s內達到最高溫度43.2 ℃。這是由于隨著單位網格參數的減小，碳纖維網絡的阻抗值減小，根據焦耳定律Q=(U2/R)t，碳纖維網絡單位時間能產生更高的熱量，因此單位網格參數越小，網絡發熱性能越好。

2.2.2不同外接電壓下“∞”型網絡發熱性能 選擇單位網格參數為6 cm的“∞”型碳纖維網絡，測試在不同外接電壓下的發熱性能，測試結果如圖7所示。由圖7可知，隨著外接電壓的增加，碳纖維網絡所能達到的最高發熱溫度升高，達到最高溫度所需的時間也有一定程度的減少；且溫度升高的速率也與電壓大小呈正相關，碳纖維發熱結構能在12 V電壓下達到最高溫度94 ℃。

圖7 “∞”型碳纖維網絡相同單位網格參數不同電壓的溫度變化Fig.7 Temperature variations in the "∞" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.3 “#”型碳纖維網絡發熱性能

2.3.1不同單位網格參數下“#”型網絡發熱性能

在外接電壓為8 V的條件下測試不同單位網格參數的“#”型碳纖維網絡發熱性能，結果如圖8所示。

圖8 “#”型碳纖維網絡相同電壓不同單位網格參數的溫度變化Fig.8 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same voltage and different unit grid parameters

由圖8可知，在開始階段，“#”型碳纖維網絡的溫度迅速上升，能在10 s內到達最高溫度與最低溫度的中間值，隨后溫度上升趨勢減緩，并在200 s左右達到最高溫度并保持穩定。單位網格參數越小，其所能達到的最高溫度越高，單位網格參數為4 cm時最高溫度有顯著上升。所有碳纖維網絡達到最高溫度與最低溫度中間值所用的時間都很短，大約在10 s以內，且隨著單位網格參數縮小，所用時間也有所縮短。不同單位網格參數“#”型碳纖維網絡的最低溫度基本一致，可能是由于該棉布的導熱性能較差。

2.3.2不同外接電壓下“#”型網絡發熱性能 選擇單位網格參數為6 cm的“#”型碳纖維網絡，測試不同電壓下的發熱性能，結果如圖9所示。由于該單位網格參數的碳纖維網絡在8 V以上的電壓下過載，因此并未列在圖9中。由圖9可知，隨著電壓的增加，碳纖維發熱網絡所能維持的最高發熱溫度升高，且初始的升溫速率也相應升高，說明“#”型碳纖維網絡的升溫速率與最高發熱溫度及電壓呈正相關。

圖9 “#”型碳纖維網絡相同單位網格參數不同電壓的溫度變化Fig.9 Temperature variations in the "#" type carbon fiber network with the same unit grid parameter and different voltages

2.4 “∞”型與“#”型碳纖維網絡發熱性能對比

在外接電壓為8 V、單位網格參數為6 cm的條件下，比較“∞”型與“#”型碳纖維網絡的溫度變化情況，結果如圖10所示。由圖10可以發現，相同電壓、相同單位網格參數下，“#”型碳纖維結構的發熱效果更好。圖10中，“#”型比“∞”型碳纖維網絡所能達到的最高溫度高，即在交叉點處，“#”型比“∞”型碳纖維網絡的最高溫度高。這是因為熱成像儀所測的最高溫度就是交叉點溫度，就單一碳纖維而言，“∞”型比“#”型實際參與發熱的碳纖維長度更長，所含電阻更大，實際經過一根碳纖維的電流更小。無論是哪種碳纖維網絡，其交叉點處均為兩根碳纖維交疊而成，故“#”型比“∞”型在交叉點處的電流大，根據焦耳定理Q=I2Rt，“#”型碳纖維網絡交叉點處溫度更高，即相同電壓、相同單位網格參數下，“#”型碳纖維網絡的發熱溫度更高。

圖10 “∞”型與“#”型碳纖維網絡相同條件下的溫度變化Fig.10 Temperature variations in the "∞" type and "#" type carbon fiber network with the same parameter and the same voltage

2.5 散香實驗

表3為分別使用“∞”型與“#”型碳纖維發熱網絡復合面料的發熱散香性能。

表3 “∞”型與“#”型碳纖維發熱網絡復合面料的散香情況

由表3可知，在相同電壓條件下，散香速率：1#布>2#布>3#布，由于芳香微膠囊在常溫下散香速率較慢，因此3#布質量幾乎沒有變化；而1#布表現出最大的散香量，這是因為“∞”型結構的碳纖維發熱網絡能在短時間內較快達到其最高溫度，這與碳纖維網絡發熱測試的結果相匹配。測試結果表明，可通過設計碳纖維發熱網絡的結構以及參數來調控散香面料的散香速率。

3 結 語

綜上所述，“∞”型和“#”型碳纖維發熱網絡結構均表現出優異的快速發熱性能。隨著單位網格參數的增加，兩種導電網絡的總電阻逐步上升，所能達到的最高溫度呈下降趨勢；隨著外接電壓的增加，發熱網絡結構所能達到的最高溫度也隨之增加。在單位網格參數與外接電壓均相同的條件下，“∞”型碳纖維網絡能以較快的升溫速率達到相對應的最高溫度；“#”型碳纖維發熱網絡所能達到最高溫度(69.9 ℃)高于“∞”型碳纖維發熱網絡的最高溫度(55.9 ℃)。

此外，基于碳纖維發熱網絡制備了自散香的服裝面料。研究發現，可以通過改變碳纖維發熱網絡的結構或參數調節其升溫速率以及最高溫度的大小，從而控制溫控散香面料的散香速率。文中實驗旨在為碳纖維發熱網絡的研究提供理論依據與數據支撐。