灵活、高强度且透气的电暖器，配备3D折叠结构，可实现个人体温调节

《Materials Today Energy》：Flexible, High-strength, and Breathable Electric Heater with 3D Folding Structure for Personal Thermal Management

电加热纺织品研究：采用针织技术将钢纱与棉纱交织形成三维折叠结构，提升弹性（41.2%-42.1%）、透气性（697 mm/s）及发热效率（190.5 W/m2），在10°C环境中维持皮肤温度29°C，为个人保暖服装提供新思路。

　　

青淮燕|云和石|小雅傅|梦迪徐|赫梅拉·埃杰古|嘉慧李|光标徐|华申

中国上海东华大学纺织学院上海前沿纺织科学中心，邮编201620

摘要

电加热器在寒冷环境中对于保护人体皮肤、免疫系统和其他身体部位至关重要。然而，目前的电加热材料往往缺乏弹性和舒适性。本研究采用针织技术实现了钢纱的三维折叠结构，从而制造出了具有弹性的电加热纺织品。在这些纺织品中，FCF-1表现出良好的整体性能，其横向弹性（41.2%）、纵向弹性（42.1%）、透气性（697毫米/秒）和抗撕裂强度（602牛顿）均非常出色。此外，该织物能够产生高达190.5瓦/平方米的热量。经过纵向和横向拉伸的交替处理后，其电阻仅变化了1.69%。在10摄氏度的环境中，使用该织物可以保持手部皮肤温度在29摄氏度左右。电加热织物的实用性和有效性为个人热管理服装的研究提供了新的思路。

引言

暴露在低温环境中会损害人体的温度调节系统，导致体温失衡，增加患感冒和冻伤等疾病的风险[1]。因此，在寒冷环境中，具有先进热调节技术的纺织品变得越来越重要[2]、[3]。近年来，耐寒纺织品的发展主要遵循两种途径：被动隔热和主动产热[4]、[5]、[6]、[7]。被动隔热策略是在服装中加入隔热层或低导热性的材料。虽然这种方法能有效保温，但也存在一些缺点，如增加体积和不便性，从而影响美观并限制活动[8]、[9]。相比之下，主动产热方法通过集成产热材料来提高保暖效果，使得织物轻便且薄，从而提高了舒适性[10]、[11]。

用于服装的主动加热材料包括吸湿加热材料、光能加热材料、电加热材料和相变加热材料。其中，通过焦耳效应产生热量的电加热纺织品由于具有可回收性、可控性、高热效率和快速加热等优点，具有成为柔性、高强度、透气且持续加热织物的潜力。郭等人[12]使用碳纳米管、铜纳米线、气凝胶和棉纤维开发了一种个人热管理织物，实现了良好的电热转换效果。施等人[13]使用MXene和聚乙烯（PE）制备了一种具有主动加热功能的复合薄膜，能够在低电压下快速升温。王等人[14]开发了一种基于聚吡咯的电加热织物，在4伏电压下70秒内即可达到173摄氏度。同样，徐等人[2]在棉织物上合成了银纳米线，赋予其电热转换能力。岳等人[15]利用磁控溅射技术在织物表面沉积了银涂层，显著提升了织物的加热性能。段等人[16]结合MXene、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT: PSS）和聚(对苯基苯并噁唑)制备了可扩展、高强度、防火的柔性电加热薄膜，并展示了其在电加热服装中的潜力。

大多数现有的电加热织物采用分层或块状结构设计，以确保电阻分布均匀，防止局部过热。然而，用这些材料制成的服装通常舒适性较差、耐用性低，并且大规模生产存在挑战。折纸技术通过三维折叠结构增强了纸张的功能[17]。受此启发，通过三维折叠技术将导电纱线融入织物中，可以在保持柔性的同时实现高效且均匀的热分布。导电纱线可以通过编织或针织方式集成到织物中。虽然编织织物具有稳定性，但其弹性完全取决于纱线的固有属性。张等人[18]在棉织物表面涂覆了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，制备出了具有良好电加热性能的材料，并验证了其用于保暖的可行性。余等人[19]利用摩擦纺丝和整理技术制备了导电纱线，并成功编织出了具有稳定电加热性能的织物。此外，一些研究人员研究了织物中导电纱线分布结构对整体电加热性能的影响，并制备出了可大规模生产的电加热织物[20]、[21]。由于导电纱线通常具有均匀的电阻但弹性较低，因此含有导电纱线的编织织物往往缺乏柔韧性，从而降低了舒适性[22]。相比之下，针织织物具有良好的弹性、延展性和透气性[23]。尽管一些研究使用针织技术制备了透气和弹性的个人热管理织物[24]、[25]或用于汗液检测[26]，但关于使用针织结构的电加热材料的文献报道较少。因此，为针织织物中的导电纱线设计三维折叠结构是一种提高电加热织物舒适性和可扩展性的有前景的方法。

本研究探索了利用电加热原理开发一种具有柔性、高强度、透气性和可调加热功能的针织织物的方法。通过将钢纱和棉纱制成三维折叠结构，所得织物表现出更好的延展性、弹性、透气性和热舒适性。

材料

本研究中使用的钢纱直径为0.42毫米，购自常州康瑞电子科技有限公司。该纱线的公制支数和实际电阻分别为2 Nm和14.5 Ω/m。此外，还从潍坊裕邦纺织有限公司采购了线密度为200 tex的六股丝光棉纱。所有材料均未经进一步处理直接使用。

样品制备

针织样品采用SLIVER REED品牌的SK280针织机进行编织

织物结构与基本参数

在针织织物中，弹性主要通过纱线之间的三维折叠结构实现[31]。这种结构使得导电性能良好的钢纱能够成为电加热器。如图1a和1b所示，钢纱在织物内部形成了三维折叠。当织物被拉伸时，弯曲的环状结构可以伸展以抵消外力；外力释放后，环状结构会恢复原状。

结论

总之，我们提出了一种可扩展且简单的策略，利用三维折叠的钢纱制造电加热织物。这些织物具有良好的弹性、透气性、抗撕裂强度和有效的电加热性能，非常适合个人热管理。钢纱在织物内部以三维折叠结构交织在一起，使其在拉伸时能够变形，并在外力释放后恢复原状。

作者贡献声明

华申：可视化处理、项目管理、概念设计。青淮燕：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。小雅傅：撰写——审稿与编辑。云和石：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。赫梅拉·埃杰古：撰写——审稿与编辑。嘉慧李：数据分析。梦迪徐：撰写——审稿与编辑。光标徐：可视化处理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划[编号2022YFC3006103]、上海自然科学基金[24ZR1402100]、中央高校基本科研业务费[2232024D-07]、上海市教委AI增强研究计划[SMEC-AI-DHUY-02]、国家自然科学基金[编号51903034]和上海市科学技术委员会[编号20015800200]的支持。