专用高温下服装材料的论文研究

随着2007年第一代iPhone发布之后，特别是近5年以来，智能已经成为了所有行业的一个发展的共同方向，包括智能手机，智能制造，人工智能等等等等，而他们也有一个共同的目的，那就是提高效率，提升用户体验，让一切变得简单。而谈到智能服装，算是所有智能系产业中的一个小小小baby吧，到现在全球范围内也只是初级研发阶段，产出了一些“半智能服装”，就是那些没有实现完全自主采集及处理各种变化量或者数据，而我最终想要实现的，是真正意义的智能服装，他将具备高度自主采集，分析，处理数据的能力，同时具备防水，抗污的能力，但这些能力加成并不会影响其最基础的性能，那就是穿着舒适度，包括透气性，弹性，悬垂性等等，毕竟追根究底，其本质依旧是一件服装，所以对于智能服装，有几点基本的要求：柔软（soft），柔性（flexible），可洗（washable）。 我们可以根据服装的不同功能来分为以下几类：现今在世界范围内已经公开发售的智能服装中，智能加热服装是现今研发及销售最突出的产品。我们可以通过两种方式来实现服装的加热功能：一种是制作加热模块，然后把加热模块植入到普通的服装之中，第二种是生产出可进行加热的纱线，直接使用这种纱线来进行织物的织造【1】。现在所有的加热服装都使用第一种方法进行设计与生产，加热模块有两种不同的形状，一种是薄片状，一种是线状。薄片状的发热模块可以更均匀。Fig.2.1是某品牌的加热服装原理图，根据wang等人的文章【2】，实现服装的加热一共有四种方法：1.电子加热，2.相变材料，3.化学加热，4.热流体加热。目前为止，绝大部分的加热服装都使用电子加热的方法来达到目的，因为其可以实现主动的调温。一部分加热服装也使用相变材料来达到控温的目的，相变材料可以实现双向控温，既可以在温度高时通过液化吸热来降低人体温度，又可以在相对较冷的条件是通过固化放热来实现升温，不过相对于电子加热，其控温效果有限，时效较短，而且制作过程复杂。 智能保健服装也是智能服装中的一个重要领域，通过加热理疗，磁疗等保健方法按摩穴位或者受伤部位（拉伤等）来实现辅助治疗及保健作用（Fig. 2.2是智裳科技研发的一款理疗内衣）。睡眠监测也是一个重要的方面，通过安装在睡衣上的柔性传感器，可以实现对于睡眠的监测以及睡眠质量的评估。 医用智能服装结合了生物学，传感器科学，纺织科学，医学等多学科的科技，实现了高精准度的对于心率，血压，血氧等多种数据的监测，为医生的诊治及病人的病情监测提供了宝贵的参考数据。 Fig. 1.1 是某公司生产的运动身体数据监测智能服装。该服装通过对于心率，血氧等数据的监测，为运动员或者健身爱好者提供了身体的保护以及帮助他们合理规划训练量，相对于医用级智能服装，运动用服装的监测精确度会有所下降，但是其在人体运动状态下的监测能力却显著提升。 Fig. 2.3 是智裳科技研发的一款可以实现自动变色的婚纱。光学智能服装可以为人们提供一款随时app变色的服装，在舞台演出，婚礼庆典等会有较好的作用。 在本篇文章中，我们主要来探讨一下智能加热服装的材料，结构以及生产方法。关于智能加热服装的材料，可以分为基础材料（background material）和发热材料（heating material）,由于基础材料完全可以使用普通的服装材料，所以我们今天来主要探讨一下通过电子加热来实现恒温的发热材料的问题，服装升温的原理是，在发热材料两端产生不同的电动势，就会造成纱线内电子的流动，从而因为电阻的存在，将部分能量转化为热能【3】，所以我们的发热材料必须为导电材料。现在常用的发热材料有以下几种：金属纤维（不锈钢复合纱线，镀银纱线），碳纤维，石墨烯复合材料等。当电容器电压恒定时，显而易见，根据P=V^2/R这个公式，我们可以得出当电阻越小时发热的功率越大，但是，当电压恒定，而电阻过于小的时候，根据欧姆定律，我们可以知道通过的电流也会相应增大，这样就极有可能造成发热材料熔断的情况，所以，在短期内没有新材料出现的情况下，我们在选择发热材料的过程，其实是一个相对取舍，得到一个最佳点的过程，是一个阴阳转换的过程，多一份则熔断，少一分则温度不足。 接下来再说到我们现有的几种材料，镀银纱线，碳纤维或石墨纤维，石墨烯复合材料。 镀银材料(Fig.2.4)是使用最为广泛的一种加热材料，一般情况下使用高弹纱线作为基底（substrate），例如莱卡纱线，然后在其表面用涂层技术制作一层银涂层，此技术已经十分成熟，其特点是电阻低，对人体无害，有杀菌作用，其电阻可以低至几欧甚至不足一欧每米。比较不好的特点是，银会在长期较高温度下分解（degrade），影响服装的使用寿命。 碳纤维或者石墨纤维（Fig. 2.5），含碳量高于90%的无机高分子纤维称为碳纤维，含碳量高于99%的无机高分子纤维称为石墨纤维。这种耐腐蚀，电阻低（数欧姆到数百欧姆之间），对人体无害，耐高温，是比银更为理想的加热材料，而且其模量是传统的凯夫拉材料（防弹材料）的3倍之多，以后在单兵系统中的使用也会更加广泛，但是由于其剪切强度（shear strain）较低，在服用中，人们会经常弯腰，运动等，所以可能会出现断裂等情况。最后一种是石墨烯材料(Fig.2.6)。石墨烯作为材料世界新兴的宠儿，现在正在被各方面的材料学家所关注，华为技术有限公司也投巨资在曼彻斯特大学国家石墨烯研究院进行石墨烯电容器等研究，但截止到目前为止，以我的观点来看，Graphene is Nothing（石墨烯一无所获），在发热材料这方面，石墨烯具有超强的导电，导热，柔韧，但是由于其提取工艺复杂，到目前为止也难以见到高纯度石墨烯墨水，这就导致了其各种性能的急剧下降。换句话说，石墨烯是有很多不错的性能，但是我们现在并不能得到纯体石墨烯。现在的情况是，在用了很多种不同公司生产的石墨烯墨水，进行涂层以后，最低的电阻也在数万欧，一般都在兆欧级别，这也就导致了在同样的电压情况下，前两种材料可能已经加热到60度了，石墨烯材料可能只有十几度甚至二十度。 纺织品发热模块以其穿着舒适性而领先于其他发热模块，常见生产方法有：机织，针织，非织造三种方式。在使用同种导电纱线的情况下，非织造纺织品具有很高的电阻，所以一般在发热模块中不太使用。机织纺织品相对于针织纺织品具有较低的电阻，但是针织品一般具有更大的可伸缩性，所以根据不同的最终用途，这两种结构可以进行选择。由于机织物的结构对于发热性能的影响十分有限，所以我们今天主要来谈一谈针织物的三种常见结构：plain, rib and interlock. interlock结构相对于plain和rib结构，由于此结构的织物电阻较小，所以会产生更高的温度，不过由此也导致了涂层更快地降解，对于涂层技术，现在大概分为两种：一种是涂层技术（coating），一种是印刷技术（printing）。涂层技术又有：气相沉淀法，溶液聚合法等等。印刷技术主要依靠喷墨打印机，以导电性材料为墨水，进行电路的印刷。 涂层技术：相对于溶液聚合法(Solution Polymerization)，气相沉淀法（Chemical Vapor Deposition）会形成相对整齐的表面，出现断点的几率也比较低，但是有过程复杂，花费过大的缺点，溶液聚合法过程相对简单，条件也没有那么苛刻，但是会出现涂层不匀等现象（Fig. 5.1），增加了退浆率，从而影响服装的使用寿命。印刷技术： 印刷技术相对于涂层技术有绝对的优势，因其在印刷电路的过程中，出墨量及运动速率完全由电脑控制，所以并不会出现线路缺损等问题，然而，由于墨水的特殊流体力学性质，它会受到咖啡环效应（Coffee Ring Effect）的严重影响，降低了线路的连续性，还有墨水在进入布料以后会有不受控制的扩散效应，所以印刷技术还不是很成熟。 1.Kayacan, O.; Bulgun, E.Y. Heating behaviours of metallic textile structures.Int. J. Cloth.              Sci.Technol.2009,21, 127–136.2.Wang F, Gao C, Kuklane K, et al. A review of the technology of personal heating garments.        Int J Occup Safety Ergonom2010; 16: 387–404.3.Flandin L, Brechet Y and Cavaille JY. Electrically conductive polymer nanocomposites as deformation sensors.Compos Sci Technol2001; 61: 895–901. 我--------是-----分------割--------线------------------------------------------------------ 本来想些一片最近的做研究的想法的，通过一些科学的东西来表达一些自己的态度和想法，没想到惯性思维让我写成了科普文甚至科技文。。。。