電加熱服裝的研究進展

張雪青，余弘，張岳蘭，陳鳳梅，沈悅明

（上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院，上海200040）

0 引言

隨著人類探索和改造自然的腳步不斷前進，人類活動空間的不斷拓展，如何對抗低溫已經成為人類面臨的主要問題之一[1]。一些需要長期進行戶外工作的特殊工種人員以及生活在極寒地區(qū)的人們需要抵抗嚴寒氣候的有效措施[2]。在現代社會中，人們對美的追求越來越高，要求服裝既保暖，又不可顯得臃腫，而傳統(tǒng)服裝很難達到上述要求。因此，在紡織業(yè)界出現了各種類型的防寒保暖服裝被廣泛研究的現象。

1 防寒保暖服的發(fā)展

依據熱源形式的不同，防寒保暖服大致可以分為消極產熱式防寒保暖服和積極產熱式防寒保暖服兩類。消極產熱式防寒保暖服通過阻礙空氣流動，增加服裝與人體之間靜止空氣層的含量來達到保暖的目的[3]。但是，由于人體自身產生的熱量有限，在長期處于低溫狀態(tài)時很難單靠人體的肌肉、血管收縮和增加服裝與體表之間靜止空氣層的含量來維持人體熱量平衡[4]，而積極產熱式防寒保暖服卻能有效地解決這一問題。積極產熱式防寒保暖服通過將外接能源轉變?yōu)闊崮?，加熱體表空氣，降低人體熱量損失，從而達到保溫的目的。因此，研制積極產熱式防寒保暖服具有十分重要的意義。

目前，積極產熱式防寒保暖服依據熱源的種類大致可分為4種：電加熱服裝、化學加熱服裝、太陽能加熱服裝和相變調溫服裝[5]。其中，電加熱服裝以其發(fā)熱效率高、工藝簡單、輕便等優(yōu)點成為國內外研究最多的積極產熱式防寒保暖服。

2 電加熱服裝

電加熱服裝是一個復合系統(tǒng)，它先由電源、發(fā)熱元件、溫度控制系統(tǒng)、安全保護裝置等通過導線連接成電路后，再將該電路置于服裝內，利用電源控制電熱元件產生熱量，起到防寒保暖作用的一類服裝的總稱[6]。目前市場上所銷售的電加熱服裝主要有電加熱棉衣、夾克、馬甲、背心、保暖套裝、護腰等。

早在20世紀40年代，Marickt等[7]就將幾乎可以覆蓋全部身體的電加熱墊置于面料和里料之間，開發(fā)出一款電加熱服裝。此后，研究人員對于電加熱服裝的研究不斷深入。Deloire等[8]將聚氯乙烯涂在電熱絲表面制成加熱元件置于服裝內，制成一款熱量可比較均勻向全身傳遞的電加熱服裝；Ozan等[9]將導電紗線織入針織物中制成加熱板，由鎳金屬氰化物和鋰離子電池供電，設計出一款帶有溫度控制系統(tǒng)的電加熱服裝；操民[10]將聚酯膜放置于服裝的內層充當加熱元件，通過與電池連接達到為人體供暖的要求。此后，科研人員對電加熱服裝的研究主要集中于電源、發(fā)熱元件、供熱區(qū)域和熱性能評價方法等方面。

2.1 電加熱服裝的供電電源

目前市場上電加熱服裝的供電電源主要有外接電源和移動電池組兩類。

外接電源供電與普通家用電器一樣，通過電源插頭持續(xù)不斷地為電加熱服裝供電，此種供電方式簡單、穩(wěn)定、持久，容易實現，但會限制人體行動，只能適用于室內和有固定插頭的地方，不適合戶外用途，因為其限制了用戶的行動范圍。因此，這種類型的產品并不常見。

移動電池組供電相對于外接電源供電更方便人的活動，但也有其自身的缺點。目前市場上的產品大多利用可反復充放電的鋰電池作為電源供電，以方便人們的活動。然而，由于電池容量和耐用性對電加熱服裝的應用具有一定的限制，所以一般的移動電源只能維持電加熱服裝的高檔位供電2～4 h[11]，滿足不了長期從事戶外活動的需求。若加大電池容量，會使電池的體積相應地增加，對服裝的輕便性也會造成一定的影響。龔書平[12]和于欣[13]試圖將無線充電技術用于給電加熱服裝的電源充電，在一定程度上雖然緩解了電池容量有限的問題，但同樣限制了人的活動范圍。另外，鋰電池一般內置于服裝內側口袋或上衣褲子口袋中，由于其不能彎折和擠壓，必須放在堅硬外殼里才可以使用，放在身上不但比較累贅，影響美觀，而且還會對人的活動產生一些影響，降低舒適性。針對上述存在的問題，閆俁西[14]發(fā)明了一種可彎折可擠壓的片狀柔性電池，該柔性電池由若干個依次疊加的柔性固態(tài)電池單元組成，且每個柔性固態(tài)電池單元由柔性正極片、柔性隔膜和柔性負極片組成。在制作時，將柔性固態(tài)電池置于電加熱護腰內，隨著身體的彎曲可以很好地貼合在身上，同時具有支撐和固定作用，使用和攜帶非常方便，但目前對電池的壽命、電池容量與質量之間的矛盾等問題還未完全解決，有待進一步的研究。

2.2 電加熱服裝的發(fā)熱元件

電加熱服裝主要通過發(fā)熱元件發(fā)熱實現保溫加熱的作用，發(fā)熱元件的選擇直接影響電加熱服裝的發(fā)熱效率和穿著者的實際感受。常用的發(fā)熱元件主要有金屬發(fā)熱材料、電熱膜和碳纖維發(fā)熱材料3類。其中，金屬發(fā)熱材料質地較硬，無法根據人體活動隨意改變形狀，一般用于電熱毯等產品；電熱膜透氣性差，易氧化，一般也不作為電加熱服裝的發(fā)熱元件；碳纖維發(fā)熱元件電熱轉化率高、柔軟、質輕、耐用，是一種比較合適的服用發(fā)熱元件[11]。因此，目前市場上的電加熱服裝大多采用碳纖維發(fā)熱材料作為發(fā)熱元件。

隨著石墨烯技術的發(fā)展，以石墨烯為發(fā)熱元件的電加熱服裝逐步走向市場。崔志英等[15]通過比較石墨烯發(fā)熱織物與碳纖維發(fā)熱織物的發(fā)熱效能發(fā)現，石墨烯發(fā)熱織物熱穩(wěn)定性更好，升溫速度更快，發(fā)熱均勻性更好，加熱效率顯著大于碳纖維發(fā)熱織物。除此之外，童瀟等[16]將碳納米管復合薄膜材料用作發(fā)熱元件，也取得了良好的效果。許靜嫻等[17]將鍍銀紗線制成針織物作為發(fā)熱元件，在6 V電壓下能夠獲得良好的發(fā)熱效果，可以很好地確保人體的熱舒適性。

2.3 電加熱服裝的供熱區(qū)域

電加熱服裝主要靠發(fā)熱片來供給熱量，因受當前電池電量的影響和對穿著舒適性的考慮，發(fā)熱片無法覆蓋全身，只能局部加熱。目前，市場上的電加熱服裝發(fā)熱片的安放位置主要在后背、前胸、腰部、腹部、膝關節(jié)等部位，但這種供熱區(qū)域的選擇合理性缺乏理論和試驗依據。宋英莉等[18]結合中醫(yī)理論研究，提出發(fā)熱片在經脈部位會使人體皮膚溫度大面積提高，優(yōu)于其它位置。

2.4 電加熱服裝的熱性能評價

當人體穿著電加熱服裝時，只有人體的周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，且保持在最適合的溫度范圍內才能達到良好的保溫防寒效果，這就需要對電加熱服裝進行熱性能評價，而人體著裝試驗法和暖體假人法是當前國內外學者們常用的熱性能測試方法。

人體著裝試驗法就是讓試驗員穿著電加熱服裝，在正常工作情況下得到人體對電加熱服裝加熱性能的主觀評價。Haisman等[19]采用此方法研究了寒冷環(huán)境中人體穿著電加熱服裝和穿著普通服裝時手部和腳部的溫度變化，發(fā)現穿著電加熱服裝能夠維持人體手部的溫度，且能延緩腳部溫度的下降。伍佳[20]制作了一款殘疾人穿的電加熱褲，他讓腿部殘疾者在不同溫度下穿著該款電加熱褲進行熱舒適評價，結果表明該款熱能褲可以很好地彌補殘腿的熱量損失，大大提高了殘疾人在寒冷環(huán)境中的舒適度。Song[21]采用人體著裝試驗法研究了電加熱服對于改善學生舒適性的作用，發(fā)現在寒冷環(huán)境下電加熱服裝能夠顯著提高學生手部的溫度，人體的舒適性得到很大提高。

暖體假人法是采用暖體假人模擬人體與環(huán)境之間的熱交換過程，測量體表溫度變化的方法。Wang等[22-23]采用暖體假人測試法對電加熱服裝加熱效率的影響因素進行了研究，發(fā)現電壓、外界溫度、風速等會影響電加熱服裝的加熱效率。此外，還有研究人員采用暖體假人法測試了試驗過程中軟體假人身體各段皮膚溫度的變化，得出電熱背心是服裝配套保暖量的主要貢獻者。但是，上述研究只是指出電加熱服裝的熱效能能夠在一定程度上起到保溫加熱作用，對電加熱服裝的熱效能要達到的水平并未形成統(tǒng)一的結論。

2.5 電加熱服裝的智能化發(fā)展

隨著科學技術的進步，電加熱服裝也不僅僅局限于保暖這一項功能。科學工作者對電加熱服的研究已經走向智能化，除了加熱保暖功能外，還增加了許多其它功能，如數據傳輸功能、通訊功能、人體生理指標檢測功能等。美國Malden Mills公司開發(fā)了一款智能加熱服，可以將數據傳輸功能和通訊功能添加到該款智能加熱服中，使之不僅僅是一款簡單的電加熱服裝。The North Face公司研發(fā)的智能加熱服裝，可以實時檢測人體的心率和體溫，并根據檢測結果自動地調節(jié)加熱功率，達到智能控溫的效果，使穿著者始終處于舒適的狀態(tài)。

2.6 電加熱服裝存在的問題

電加熱服裝已經是市場上比較常見的一種產品，但現有電加熱服裝仍然存在許多不足：①電加熱服裝的電池帶電量較小，無法滿足長時間供電需求的問題仍未得到很好的解決；②電加熱服裝發(fā)熱區(qū)域位置是否合理有待進一步考證；③絕大多數電加熱服裝還無法根據外界溫度的變化自主地調節(jié)加熱功率，只能由穿著者手動切換；④目前市場上的電加熱服裝一般設有高溫檔（65～70℃）、中溫檔（55～60℃）和低溫檔（40～45℃）3個檔位，這種檔位設置的合理性以及是否會因局部過熱對人體產生傷害還有待進一步進行論證；⑤電加熱服裝既是服裝產品，又是電器產品，其用電安全性應該受到關注，雖然目前市場上的此類產品均是使用12 V以下的安全特低電壓供電，但并無明確的規(guī)定，且電氣的安全性也未列入標準的考核范圍。電加熱服裝作為一種跨學科領域的產品應該有專門針對該類產品制定的標準來規(guī)范市場，保護消費者的合法權益。

3 結論

隨著科技的不斷發(fā)展，各種智能產品越來越受到人們的青睞，電加熱服裝作為一種智能服裝，必然有廣闊的發(fā)展前景。從電源、發(fā)熱元件、供熱區(qū)域、熱性能評價、智能化發(fā)展趨勢等方面對電加熱服裝的研究情況進行分析，指出目前市場上電加熱服裝性能存在的一些不足之外（如電池耐用性的問題、未完全實現智能控溫、溫度設置的合理性、缺乏相應產品標準等問題），希望對今后電加熱服裝的進一步研究指明方向。