导热纤维及织物在加热服装中的应用研究

学号201720001126密级
硕士学位研究生学位论文
中文题目：导热纤维及织物在加热服装中的应用研究
英文题目： STUDY ON THE THERMAL CONDUCTIVE
FIBERS AND FABRICS IN HEATING GARM-
ENTS
姓名：包玉秀
专业：纺织材料与纺织品设计
导师：王越平、衣卫京
学院：材料设计与工程学院
二0 一九年十二月
导热纤维及织物在加热服装中的应用研究
摘要
本文通过研究加热服装中各层的作用来优化服装整体的导热保暖性能，减少电池能源消耗。

首先选用导热系数较高的超高分子量聚乙烯织物和石墨烯原位聚合PA6织物，通过控制变量法织造不同纱线种类、纱线粗细、织物组织结构和织物密度的布样，研究结构参数对导热织物热传导性能的影响，研究结果显示：纤维原料对织物热传导有一定的影响，石墨烯原位聚合PA6织物和超高分子量聚乙烯织物的热传导性能较好；且纱线越粗，织物越密，组织交织次数越少，热传导性能越好，因此可选用纱线较粗、织物较密、组织结构为缎纹的超高分子量聚乙烯织物或石墨烯原位聚合PA6织物作为加热服的导热层。

其次，通过比较市场上选购的含气凝胶的单面磨毛织物与普通纯棉织物的导热系数，可知“气凝胶织物”导热率仅为0.0415W/m·℃，而普通纯棉针织织物导热率为0.0647W/m·℃，说明“气凝胶织物”具有良好的保温效果，可作为加热服的保温隔热层，防止热量散失；此外，通过布料烫金工艺，在“气凝胶织物”上涂覆金属铝层，可以减少红外辐射的散失，提高面料的红外反射率，通过设计金属层图案，提高面料的透气率；并比较不同涂层面的导热率和红外反射率，确定两层的位置，得出当在无磨毛面涂层并使涂层面向外时，导热率最低，红外反射率最高。

最后通过拍摄各层面料的红外热成像图，比较了导热层、保温隔热层和红外反射层在加热服中所起的效果，并对受试者背部穿着普通T恤加热和各层组合式加热服进行红外热成像对比。

此外，本文对加热服面料组合进行了设计。

加热服外层采用市场上选购的马甲，里衬面料为涂覆金属铝点的“气凝胶织物”，里衬边缘加魔术贴，便于拆卸和马甲的日常清洗。

里衬内在胸、腹、背、腰部位缝制口袋用于放置加热片，口袋面料为石墨烯原位聚合PA6织物。

在马甲前端设置口袋，内设电源，对各个部位的石墨烯加热片进行加热。

结果表明通过对加热服的材料和各层进行优化，可使产生的热量尽可能传递到更大的面积，并且防止了热量的散失，将有助于加热服装的优化和发展。

关键词：加热服；热传导；保温隔热；红外反射
STUDY ON THE THERMAL CONDUCTIVE FIBERS AND
FABRICS IN HEATING GARMENTS
Abstract
The article studies the role of layers in heating service to optimize the thermal conductivity and thermal performance, thereby reducing the energy consumption of batteries. We first select ultra-high molecular weight polyethylene fabric with high thermal conductivity and graphene in-situ polymerized nylon 6 fabric, and use this as raw material to weave different yarn types, yarn fineness, fabric structure and fabric density by controlled variable method. The swatches were used to study the effect of structural parameters on the thermal conductivity of thermally conductive fabrics. The results show that the fiber raw materials have a certain influence on the heat conduction of the fabric, and the heat conduction performance of the graphene in-situ polymerized of nylon 6 fabric and the ultra-high molecular weight polyethylene fabric is very good. And the thicker the yarn, the denser the fabric, and the less the number of interlacings, the better the heat conduction. Therefore, an ultrahigh molecular weight polyethylene fabric or a graphene in-situ polymerized nylon 6 fabric with a relatively thick yarn, a high fabric density, a satin texture can be selected as the heat conductive layer of the electric heating service.
Secondly, by comparing the thermal conductivity of a aerogel single-faced sanded fabric and a plain cotton fabric purchased on the market. It can be seen that the thermal conductivity of aerogel fabric is only 0.0415W/m·℃, while the thermal conductivity of the ordinary cotton knitted fabric is 0.0647W/m·℃. It shows that the aerogel fabric has better thermal insulation effect and can be used as the thermal insulation layer of the heating service to prevent the loss of heat. In addition, by coating the metal foil layer on the aerogel fabric through the cloth bronzing process, the loss of infrared radiation can be reduced, and the infrared reflectivity of the fabric can be improved. By designing the metal layer pattern, the air permeability of the fabric is improved. The position of the two layers is also determined by comparing the thermal conductivity and infrared reflectivity of the different coated faces. It is concluded that when the non-abrasive finish is applied
and the coating is facing outward, the thermal conductivity is the lowest and the infrared reflectance is the highest.
Finally, by taking the infrared thermography image of each layer of fabric, the effects of heat conduction layer, thermal insulation layer and infrared reflection layer in the heating service were compared. And infrared thermography was compared with the wear of ordinary T-shirts and the combined heating service of each layer on the back of the experimenter. In addition,This paper designs the fabric combination of the heating service. The outer layer of the heating service is made of the commercially available vest, the lining fabric is aerogel fabric coated with metal aluminum dots, and the edge of which is velcro for easy disassembly and daily cleaning of the vest. Inside the lining, a pocket is placed on the chest, abdomen, back, and waist for placing the heating sheet, and the pocket fabric is a satin structure of ultra high molecular weight polyethylene fabric.
A pocket is provided at the front end of the vest, and a power source is provided to heat the graphene heating sheet of each part.The result shows that by optimizing the materials and layers of the heating service, the generated heat can be transferred to a larger area as much as possible, and the loss of heat is prevented, which will help the optimization and development of heating service.
Key words: heating service; heat conduction; thermal insulation; infrared reflection
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 保暖服装的分类 (1)
1.2.1 被动保暖服 (1)
1.2.2 主动加热服 (2)
1.3 纤维及织物导热性的研究现状 (5)
1.2.1 纤维的影响 (5)
1.2.2 织物结构参数的影响 (5)
1.2.3 环境温度的影响 (7)
1.4 本课题研究内容及研究意义 (7)
1.4.1 研究内容 (8)
1.4.2 研究意义 (8)
第2章纤维、纱线、织物的基本性能及热传导性能的测量 (9)
2.1 试验方案设计 (10)
2.2 石墨烯原位聚合PA6纤维及纱线基本性能的研究 (10)
2.2.1 石墨烯原位聚合PA6纤维的表面形态 (10)
2.2.2 纱线的力学性能 (11)
2.3 超高分子量聚乙烯织物和石墨烯原位聚合PA6织物热传导性能的测量 (12)
2.3.1 铂电阻测温仪测温法 (12)
2.3.2 KES-F7测量织物导热率法 (19)
2.4 本章小结 (24)
第3章保温隔热层及热辐射反射层的设计与评价 (26)
3.1 保温隔热层的性能测试 (26)
3.1.1. 气凝胶长纤的表面形态 (27)
3.1.2. 导热系数测量 (27)
3.2 热辐射层的设计与性能测试 (28)
3.2.1. 试验方案设计 (29)
3.2.2. 红外辐射层的制备 (30)
3.2.3. 红外辐射层的性能测试 (30)
3.3 辐射反射层与保温隔热层的位置对比 (32)
3.1.1. 通过导热系数分析两层位置关系 (32)
3.1.2. 通过红外反射率分析两层位置关系 (33)
3.4 本章小结 (34)
第4章加热服装的性能评价 (35)
4.1. 电加热服各层效果评价 (35)
4.1.1. 试验方案设计 (35)
4.1.2. 实验器材 (36)
4.1.3. 加热服性能评价测试 (36)
4.2. 电加热服整体效果评价 (38)
4.3. 加热服结构设计 (38)
4.4. 本章小结 (40)
第5章结论与展望 (41)
5.1 结论 (41)
5.2 展望 (41)
参考文献 (43)
攻读硕士学位期间发表的学术论文 (47)
致谢 (48)
北京服装学院硕士学位论文
第1章绪论
1.1引言
通常情况下，人们通过调整建筑物空间的温度来使人体感到舒适，这个过程需要耗费大量的能量。

根据美国能源部公布的建筑能源数据手册，2006年在美国一次能源消耗总量中建筑行业占据了38.9％,而在这些能源中，建筑供暖又占据了34.8％[1],[2]。

但是，人体在整个建筑的空间里所占的体积很小，改变建筑整个空间的温度会造成能源的严重浪费。

因此在当今能源紧张并且主张可持续发展的大环境下，用调整服装微环境的温度来代替建筑空间大环境的温度，可以节省大量的能源[3]。

现有的加热服中电加热服是国内外研制最多且技术相对比较成熟的，但受电源限制，通常加热面积有限，且还存在局部低温烫伤等问题。

因此，需要对加热服的结构进行优化，促进电加热服的发展。

作为人体的第二层皮肤，服装最初的功能就是御寒保暖。

随着国内外研究者的不断努力，保暖服装的发展非常迅速。

且通过对服装材料本身及其结构参数对导热性影响的研究可以极大地促进保暖服的发展。

1.2保暖服装的分类
从热源控制形式方面，保暖服装可分成两种：消极阻热式和积极产热式[4]。

消极阻热式保暖服,也称被动保暖服，其原理是增加织物内静止空气层的含量，由于静止空气的热传导率最低，其含量越高，阻热保暖效果越好。

然而人体所产生的热量非常有限，若外界温度特别低，仅通过消极阻热的方式为人体保暖是很难使长时间处于严寒状态下的人维持热量平衡的。

所以，积极产热的加热服由此产生[5]。

积极产热式的加热服，是将别的能源转换为热能，从而实现为服装加热的目的。

现在国内外所研发的积极产热式加热服按热源分大致有五类：太阳能加热服、电热服、空调热服、化学能热服和相变材料热服等[6]。

下面对保暖服装的分类进行阐述。

1.2.1被动保暖服
被动保暖服通过增加织物内静止空气的含量来达到阻热的目的。

根据保暖原料的不同，可将分天然保暖材料和化学保暖材料。

(1)天然保暖材料
棉纤维是人类应用时间最长的，范围最广的天然纤维，其横截面的中腔及纵向的转曲结构使其具有一定的保暖性[7]。

但其重量较重，且回潮率好而湿传递性能较差，受潮之后其保暖性能下降，除此之外其弹性回复性较差，导致其易板结[8]。

羊毛，羊绒等由于纤维
第1章绪论
天然的卷曲结构使之具有良好的蓬松性，保留了大量的静止空气在其中，有优质的保暖性能[9]，但其价格昂贵，易虫蛀且维护成本较高，限制了它的普及[8]。

羽绒制品具有质轻、柔软、蓬松、保暖性好等优点，是一种优良的保暖材料，但其易钻绒、易虫蛀、易霉变，且价格较高[10]。

(2)化学保暖材料
化纤行业的兴起使化学纤维得以大规模地推广使用，为了进一步提高材料的保暖性，以化学纤维为原料的保暖功能纤维层出不穷。

如超细纤维、中空纤维、三维卷曲纤维、太空棉等。

超细纤维是通过剥离型和海岛型两种复合纺丝工艺生产的纤维[11]，超细纤维保暖性较好一方面是由于纤维较细,保暖产品内纤维根数多,对热辐射的反射能力强,使得人体辐射的热量能够以较高的比例反射回人体,从而起到保温的作用；另一方面,由于织物内纤维根数多,静止空气被分割得非常细密,从而加强了对空气流动的阻隔能力,有利于织物对静止空气的保持。

最初在日本东丽等公司利用特殊纺丝法及剥离法等研制出的超细纤维较普通纤维，有极大的比表面积，可吸附较多的静止空气，有助于提高织物的保暖性能[12]。

中空纤维是指纤维纵向拥有细管状空腔，空腔可为十字、多角中空型等复杂的异形结构，空腔可滞留大量无法产生对流的静止空气，可有效减少热量的散失，且中空度越高，保暖性越好。

美国杜邦公司受中孔空结构的北极熊毛启发研制的Thermolite涤纶中空纤维及其他异形中空纤维的中空结构内可滞留的静止空气，拥有很好的保暖和导湿性能[13],[14]。

三维卷曲纤维是受羊毛三维卷曲结构启发研制的一种纤维，如DuPont 公司研制的自卷曲丙纶及日本东洋纺公司结合中空技术与三维卷曲技术研制的Twinair 纤维三维卷曲纤维，因其纤维蓬松，拥有较多的静止空气，保暖效果较好[15][16]。

太空棉是通过将人体产生的远红外辐射反射回人体的原理，实现为人体加热的目的。

最初是20世纪60年代时，美国宇航局为宇航员研制出的适宜在太空中穿用的服装，它在织物中加入了铝钛合金箔，可有效反射人体产生的远红外辐射，与加入前相比保暖率提高了将近75%。

到80年代时，这种织物被应用在民用保暖领域，但由于透气性较差，未得到大规模推广使用[17]。

1.2.2主动加热服
(1)太阳能加热服
太阳能加热服利用太阳能能源，并将其转化为热能，对服装加热。

由于对太阳能的
利用方式不同，可将其分成两种：一种是在服装上通过太阳能电池进行供电，它是电池
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蓄电技术与电热服技术的结合，其中包含两个过程——太阳能转化为电能进行储存的技术、电能转变为热能的技术；另一种则是从服装材料的角度出发，使用太阳光蓄热保温材料进行加热[18]。

太阳能电池板[6]最早由于质地较硬且易折断，在服装领域应用较少。

随着加州大学伯克利分校及Konarka科技公司研究人员的研发，太阳能电池在质量、柔韧性、成本和用途等方面不断得以改善，可大面积使用用于服装表面进行太阳能的收集。

国内外学者对太阳能电池的研究较广泛，种类很多，有柔性塑胶太阳能电池、基于Power Plastic TM的柔性太阳能电池、染料敏化太阳能电池、胶体量子点太阳能电池，以及其他太阳能电池面料等。

太阳能蓄热服[18]是服装本身在太阳光下具有发热的功能，通常是通过添加对近红外线能量具有较好吸收能力的金属或碳化物为主制成的纤维。

虽然目前太阳能热服由于受太阳光强度制约、光电转换率低、室内条件下无法长时间使用等问题，并未在服装上广泛应用。

但不可否认的是，太阳能是很有潜力的可再生能源，相信随着研究的不断深入，太阳能服装必能得到很好地发展。

(2)化学能加热服
化学加热服，是通过服装面料化学反应时放出的热能对服装进行加热的一类服装。

这类加热服被普遍用于潜水服对潜水员进行水下供热，Chan和Burton认为化学加热服可以为在浅水区作业的潜水员提供充足的热量[6]。

最初由日本研制的一种保暖贴，是通过化学反应的原理来实现为人体供热的目的，如铁粉生锈、氧化放热等。

这种暖贴有一定的优点，如反应速度快、贴上立即发热、且使用简单、携带方便、价格低廉等优点；但其也有十分显著的缺点，例如适用范围窄，在环境温度极低的情况不能产生足够的热量，并且产生的温度范围不可严格控制，也不可以循环使用。

这就需要新的化学反应来克服上述缺点，否则将难以广泛用于服装领域。

(3)相变材料加热服
相变储能材料是指某些材料在相转变时会产生吸收热或释放热的现象，从而实现储能、加热或制冷的目的，其中利用储能加热的加热服，为“相变材料加热服”。

其应用方式一般分为四种：一是把相变材料添加到纤维的中空部分，再把它密封起来；二是将相变材料置于微胶囊并将其密封，再将密封的微胶囊纺入纤维或用微胶囊在织物表面涂层；三是把相变材料直接纺在纤维的内部, 为避免相变材料从纤维中析出，可在纤维表层用环氧树脂做一定的处理；四是把相变材料放到一定形状的封闭袋中, 然后在衣服上缝制多个特定口袋, 使用时可以直接把封闭袋放入衣服的口袋中[19]。

第1章绪论
由于蓄热材料的相变温度非常有限，这种热服的使用范围受到一定的限制，虽然在一般的低温条件下可以发挥一定的作用，但不适合在极端条件下使用，因此亟需寻找可以适应温度变化范围较大的服用相变材料[20]。

(4)空调热服
早期的空调热服用于航天领域，由于宇航员处在温度变化较大的月球表面，在舱外时需要一个密封的环境防止宇航员受到高低温的伤害，除此之外需要一个微型空调系统使宇航员达到热平衡。

这个微型空调系统利用金属氧化物热泵做为冷却来源，由于储氢合金和氢之间存在着可逆的化学反应，可以达到热量传递的目的。

也可将这种空调热服微型化用于其他民用领域，如极端温度条件下的供暖或降温，还可用于糖尿病及其他身体循环系统疾病的患者等[6]。

(5)电加热服
电加热服是当前国内外研究较多的，并且技术较为成熟。

电加热服是将电源的能量使用发热元件转化为热量的方式，为加热服提供热量。

控温装置用来将温度控制在一定的区间内。

安全保护装置防止人体触电，保证电路安全。

早在70年代时，日本就研制了电热裤。

国内外对电加热服的研发及专利层出不穷，其电热性能及安全隐患不断得到改善，很多作业服及理疗服也用到电加热服供暖[21]-[22]。

将发热元件安置在适合的人体部位可以提高加热的效果，例如使用在人体的热敏感部位：前胸、前腹、后腰、后背、关节。

电源一般采用两种方式——外接电源和电池组，外接电源比较适合室内有电源插头的地方使用，但容易发生电线缠绕问题，且不利于人体活动；电池组使用较为方便，但电池耐用性始终是一个需要克服的难点，一般高温档位仅能维持2～4小时[5]。

电热元件是电加热服的重要组成部分，现有的电热元件大体上可分为三类：金属发热材料、电热膜及碳素发热织物。

金属发热材料，包括金属丝或金属片两类。

如2016年，任龙研制的发热服，衣身从外至内包括外层、填充层、发热层、里层，其中发热层包括绝缘层和发热片，里层包括无纺布层、金属微丝层、布料层，无纺布层与金属微丝层通过胶水粘连[23]。

这种材料比较硬，弯曲度较差，导致其与人体不贴合，且易折断，服用性能较差，不适合在纺织服装方面推广使用。

电热膜是一种直接涂在物体表面的导电薄膜，它的成本较低，但质地较硬，透气性差，服用性能不高，且长时间接触空气极易导致氧化，电热性能会随之变差[24]。

碳素发热织物，如碳纤维发热元件、石墨烯加热片等，是目前应用较为广泛的电热元件，它可以根据服装的造型要求进行裁剪和缝制。

现在的碳纤维发热元件的使用方法大致可分为两种：一是将碳纤维束以黏附的方式与织物结合，引出的电极与电源
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连接，但接头极易损坏，寿命较短，且碳纤维易老化，应用较少；二是织物纬向采用碳纤维与普通纤维间隔交替，经向采用铜丝与普通纤维间隔交替的方式，使得电热元件柔软度明显提高，可随意剪裁，也可与人体的曲线结构良好接触，透气性也得到明显的改善[25]。

由碳原子组成的二维纳米材料——石墨烯是一类六角型呈蜂窝晶格状的材料。

石墨烯发热织物与碳纤维发热织物相比，具有很多优良特性。

如2018年，崔志英等比较了碳纤维发热元件和石墨烯发热元件的性能，得出石墨烯发热元件热稳定性较好,功率密度更高、升温速度更快、发热更均匀，因此被广泛应用于电加热服中[26]。

1.3纤维及织物导热性的研究现状
从宏观上看，织物内除了纤维，还有大量的静止空气，因此织物的热传递过程有三类：纤维内部的热传导、纤维之间存留空气的弱对流传递、纤维与纤维表面的辐射传递[27]。

大多数人处于久坐状态，处于相对封闭的室内环境中，且一般纺织品纱线之间或纤维之间的间距较小，加上加热服一般贴身穿着，对流相对于热传导和热辐射对传热的贡献小[8]，故室内条件下主要考虑热传导和热辐射的影响。

1.3.1 纤维的影响
纤维的种类不同，其织物热传递性能存在差异。

除此之外，同种纤维的分子的堆积形态、结晶度、取向度及纤维构成的纱线结构亦会影响到纤维的孔隙结构，从而影响织物的热传导，纤维轴向的导热系数T//比纤维径向的导热系数T⊥大[28]，这是由于纤维中的热传递是以声子的形式进行的，沿纤维轴向晶格有序排列，这有助于热振动的传递，而纤维径向晶格无序，热阻较大，因此轴向的导热系数较径向大[29]。

纤维间往往存在着静止空气，其导热系数远远小于纤维的导热系数，故纤维本身对热传导的作用较为明显。

1.3.2 织物结构参数的影响
织物结构参数对传热的影响，主要考虑到织物结构不同时，空隙的大小不同，也就是织物中静止空气的含量不同，这会在极大程度上影响到热传导能力。

此外，热传递中若存在织物的微气候的对流传递，服装材料的热传递性能也会由于织物内孔隙的不同而受到影响。

具体来说影响织物热传递的因素有厚度、覆盖系数、容重、平均浮长、组织结构等。

(1)厚度
2017年，刘让同等通过层层叠加的方式使改变织物的厚度，通过YG606LF型纺织品热传导性能测试仪测量织物厚度对热阻的影响，得出热阻会随织物厚度的增加而升高[30]，然而织物叠加时层与层之间存在大量空气，这对织物热阻会产生非常大的影响，实验存在
第1章绪论
一定的误差。

崔莉莉[28]等通过研究织物几何结构参数与织物热传递性能的关系得出，厚度对织物保暖性有一定的影响：当织物厚度持续增加时，织物的保暖性出现先增加后降低的趋势。

2007年，吴海军等通过将不同组织的织物面密度控制在大致相等的范围内，使得织物厚度不等，得出同样的结论[31]。

这是因为：随着织物厚度的增加，它所含的静止空气含量就越高，而静止空气的导热系数比纤维的导热系数小很多，因此织物厚度增加时，其保暖性会也随之增加。

但是当织物的厚度增加到一定程度时，一是增强了织物内部空气的流动，而流动空气的导热能力远大于静止空气；二是这样会使织物内部的空隙增多，对流传热对总传热的影响逐渐占据主要地位。

所以，织物厚度再持续增加时，保暖性能反而出现减弱的趋势，即织物的热传递性能随着织物厚度的增加出现先减弱后增强的趋势。

2002年，王彩霞等通过研究针织内衣保暖性与厚度关系发现，厚度为2.1mm～2.5mm范围内时，保暖效果最好[32]。

（2）覆盖系数
覆盖系数是指纱线的投影的面积占织物总面积的比值，用R表示。

式中：R为覆盖系数（％）；E T，E W为经向、纬向紧度（％）。

吴海军等通过研究覆盖系数与透气量、透气量与克罗值之间的关系，得出透气量会随着织物覆盖系数的增加而减小，之后趋于平缓，克罗值会随着透气量的减小而减小，以此类推得出克罗值会随着覆盖系数的增加而减小[31]。

织物热传递性能随着覆盖系数的增大而加强是因为织物覆盖系数是利用透气量使其热传递性能受到影响，覆盖系数越大，透气量会减小，织物内所含的静止空气就越少，由于静止空气的导热系数比纤维的导热系数小很多，所以热传递性能随之增强。

但是当覆盖系数增加到一定程度后，透气量会保持稳定状态，这是由于此时纱线的孔隙已经很小，增加覆盖系数只会使纤维间的挤压增加，而对纤维间缝隙的影响程度变小[31]。

所以，织物热传递性能随着覆盖系数的增加而增强，最后趋于稳定。

（3）容重
容重指的是一立方米的重量，也就是单位容积内物体的重量。

刘让同[30]等通过选择厚度相近，组织结构相同的织物研究容重对织物热阻的影响，发现织物热阻随容重的增加有下降的趋势。

因为随着容重的增加，织物中所含纤维就越多，空气含量相应变少，使得织物的热阻越小。

除此之外，容重越大，纤维增多导致织物中纤维与纤维间隔变小，这使得传热通道变短，轴向传热通道增加，织物热阻减小。