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智慧型紡織品：電熱性紡織品

97/06/11 27080

李振良｜紡織產業綜合研究所產品部

身體保暖用品從最原始的樹葉獸皮開始，演變到養蠶取絲；從以天然的素材做為原料開始，到開發出化學纖維。近年來保暖材料由人造纖維又回到天然動物羽絨材料，但不管材質如何改變，人們對於既要保暖也要輕薄的防寒訴求一直沒有消失過，甚至更為嚴苛。在冬天酷寒地區，厚重的衣著造成行動上的不便成了最大的詬病，人們對於輕薄防寒織物有殷切的需求與期待，電熱保溫紡織服飾因此應運而生。

技術發展

早期的電熱性紡織品並非以整體織物結構進行設計，而是以加熱材料為設計基礎，利用市面上既有的電熱片、電熱管、水袋等可以加溫保暖的材料與紡織品結合，做成具有加熱保溫效果的紡織品，便稱為電熱性紡織品。過去這些產品除了透氣舒適性差之外，也因缺乏考慮使用者的生理特性，致使意外燙傷的事件層出不窮。

現今的電熱性紡織品則以紡織材料為設計基礎，使紡織紗線本身具有加熱保溫的功能。一般市面常見的電熱型產品系統，多以碳素纖維、電熱絲等為主體，再包含高純度的鎳系合金而成。

這類電熱型溫控性紡織品在應用上有其先天上的缺點，包含溫度分布不均－溫度隨電熱絲的分布而變化，同時造成局部過熱效應；降低織物舒適度－在較薄的織物結構中，電熱絲和碳纖維的剛硬性易破壞織物的手感和觸感；電熱絲易抽離－由於電熱絲與高分子纖維間並無任何附著力，稍經拉扯便容易把電熱絲自織物中抽離；易腐蝕－當電熱絲織物暴露在潮濕的環境中（如洗滌時），容易產生金屬氧化腐蝕。

微氣候與熱阻抗

舒適性是紡織品不可或缺的一項要求，過去電熱性紡織品幾乎都以固定的加熱溫度為設計標的。從生理微氣候的觀點，人體裸身在攝氏 28 度的環境中是最舒適的。這時體表的溫度大約是攝氏 33 度，超過這個溫度身體會感到悶熱，低於這個溫度則會感覺寒冷。

當新陳代謝產生的熱量不足以維持體表的溫度時，人體就出現失溫狀態。為了維持舒服的體表溫度，除了新陳代謝產生熱量外，可借助服飾保持熱量，避免身體熱能大量散失。而不同的織物對熱的阻隔有不同的效果，統稱為熱阻抗。除了熱阻抗是保溫效果的一個指標外，人體微氣候也是紡織品能否令人舒適的一個指標。

冉坦南（Jaana Rantanen）的研發團隊在人體的胸、腹、背、手臂等處安裝 12 片加熱片，在攝氏零下 20 度的酷寒氣溫下，量取體表的微氣候溫度。實驗結果顯示，在低溫下很難量測到微氣候體表溫度。未穿電熱衣的受測人員在該測試溫度下，處於失溫狀態。但穿著電熱衣的受測者在受測完畢後，卻表示在實驗的環境下並不會產生寒冷的感覺。這使得電熱產品的微氣候概念開始受到注意。

但是織物層與體表微氣候的設計概念，仍不足以達到生理舒適性的需求。人體可視為一個發熱體，新陳代謝速率決定體表散失熱能的高低。當人體處於運動狀態時，新陳代謝加速，為降低新陳代謝放熱產生的高溫，人體以排汗來降低身體溫度。雖然人體可視為一個發熱體，發熱的效率卻是由人的活動狀態來決定的。在酷寒的氣溫下，穿著熱阻不足的織物時，可靠電熱性紡織品補充新陳代謝產生熱量的不足。但若在運動狀態時，產生的熱量不能及時傳到織物外，而保留在織物與體表之間，人體依然會感到過熱。

基於這個理由，電熱性紡織品除了補充熱阻不足之外，還必須依照人體的生理機制隨機調整，才能令人有舒適感。

電熱能量轉換

既然身體熱散失使人感覺寒冷，便必須以外在熱源補足身體的熱。熱的來源有很多種形式，包括一次熱轉換、二次熱轉換等，各種能量經過轉換後以熱的型態表現出來。能量每次轉換都有損耗，每一次損耗會降低可用的能量。例如以電磁波加熱是二次能量轉換（如電磁爐），它是先把電能轉成電磁波，能量轉換的最高效率只有87％，隨後再利用電磁波對水分子震盪而產生熱能，這時又會損耗一些能量。因此電磁波加熱方式的能量效率並不高。

電轉熱是古老的發熱技術，屬於一次能量轉換。由於原子在絕對溫度零度以上會有自然震盪，使電子遷移產生阻礙，電熱性產品就是利用電子碰撞的方式直接產生熱。

導電材料通上電流後，因材料具有電阻，阻礙電流流通而產生熱。電流（I）流經有電阻（R）的材料時，產生電壓降（V），其關係式是 V = IR，即歐姆定律。電流與電壓降的乘積是功率（P），P = IV = I²R；電流在時間（t）內流過電阻的發熱量（q）則是：q = Pt = I²Rt。發熱量隨時間增長而增加，而與電流的平方成正比。

發熱元件把產生的熱傳導至欲加熱的物體，可以透過輻射、對流及傳導 3 種方式進行。以紡織材料做為發熱元件，受到紡織結構組織與材料的限制，纖維與纖維之間的空間非常小，以致無法發生快速對流，因此在熱傳遞上對流的效應非常低。輻射不需要介質就可以達到，但主要發生在高溫下，一般情況下熱輻射效應並不明顯。因此在紡織結構上，熱傳方式以傳導為主。

技術改良

紡織產業綜合研究所開發電熱保暖紡織品，是從最上端的紗線開始進行的。在輕巧柔軟的使用原則下，在一般的保溫紗線中加入導電材料，包括金屬纖維、金屬複合紗線、導電性複合纖維、導電性高分子纖維等，再透過織物結構與材料特性設計並通入電流，織物體的導電性便可因適當的電阻設計把電能轉變為熱能。電熱服飾的設計則是利用上述生理微氣候的科學觀點，控制升溫曲線與微氣候變化，讓使用者有最舒適的感受。

電熱性紡織品的能源，受限於人的活動，只能使用攜帶型的電源，電池是最好的選擇，但目前仍需開發小體積高功率的電池。紡織產業綜合研究所為了在現有電池規格上提升使用時效，研發降低電池電流的輸出機制，製造出長時間保溫發熱的電熱性紡織品，並利用遠紅外線材料加強產品蓄熱保溫能力與均溫效果。而遠紅外線材料的選擇，也同樣依據產品的特性設計，降低織物對大氣環境的熱傳，減少電池輸出功率及時間，即可延長電池作功的時間。當遭受災難時，延長保溫時間以等待救援是非常重要的。

紡織產業綜合研究所目前除了開發發熱與蓄熱保溫元件的紡織品外，還研發溫度控制裝置，包含充電電池、充電電路與溫度控制電路3部分。這3個元件的控制因子全在於所設計出來的導電織物的電阻，其影響因素包括材料本體及加工製程，即紗線製程中的包紗撚度、纖維細度、纖維根數與成紗張力，織造製程中的織造張力、織造密度與長度設計，另外還包括表面塗布製程的塗布原料、厚度、面積、均勻度等。

上述技術可衍生出多樣性電熱織物產品。由於紡織材料輕盈並可彎折，能夠大幅降低攜帶體積是它的最大優點。因此電熱性紡織產品不限於穿著衣物，電熱毯、電熱被、電熱手套、電熱鞋、電熱布簾等都是眾所皆知的產品。

電熱產品的需求溫度範圍廣，過去由於紡織材料低熔點的限制，電熱性紡織品在應用上受到很大的限制。隨著高熔點高強度的高分子材料的開發，紡織品材料的耐熱溫度已顯著提高，電熱性紡織品的應用更加寬廣了。

電熱性紡織品緣起於我們對自然環境或氣候的一項主動性調和動機，特別是在緩和冷熱衝擊或取得長時間的適應性上，是一種以應用為導向的新時代產物。在電熱型溫控性紡織品方面，早期以家飾用紡織品為大宗，如電毯、棉被、床墊、椅墊、桌巾、地毯等，近年來也延伸至儀器、物品的保溫覆蓋物，以及汽車、建築內裝材料等。透過本文提示的深層化技術，未來在衣著用及高科技產業用紡織品上的發展更是大有可為。

深度閱讀

Rantanen-Jaana, Vuorela-Timo, Kukkonen-Kari, Ryynanen-Outi, Siili-Arto and Vanhala-Jukka (2001) Improving Human Thermal Comfort with Smart Clothing. Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2, 795-800.
Kari Kukkonen, Timo Vuorela, Jaana Rantanen, Outi Ryynanen, Arto Siili and Jukka Vanhala (2001) The Design and Implementation of Electrically Heated Clothing, Proceedings of the 5th IEEE International Symposium on Wearable Computers, 180-181.

資料來源

《科學發展》2008年6月，426期，20 ~ 24頁

科發月刊(5210)

智慧型紡織品：電熱性紡織品

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