智能電加熱服的研究進展

李 萍 蔣曉文

(西安工程大學(xué)，陜西西安，710048)

隨著科技的發(fā)展和人類生活水平的提高，功能服裝的需求也與日俱增。電加熱服作為一種功能服裝，可為冷環(huán)境下工作或生活的人提供熱量，20世紀(jì)中葉就引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[1]。近年來，電加熱服的發(fā)熱材料研究已較成熟，國內(nèi)外學(xué)者對電加熱服集成化、服用性的研究更加深入，相關(guān)發(fā)明專利層出不窮[2]。隨著可持續(xù)移動電源、可水洗等技術(shù)問題的突破，電加熱服已在軍事活動、冷環(huán)境作業(yè)、臨床治療等領(lǐng)域得到應(yīng)用[3]。

1 電加熱服的研究進展

1.1 發(fā)熱元件的研究現(xiàn)狀

電加熱服是將電熱取暖的原理運用到服裝上，因此發(fā)熱元件是電加熱服的重要組成部分。發(fā)熱元件從組織結(jié)構(gòu)上主要有三類，分別為電熱絲發(fā)熱片、電熱織物和電熱膜。發(fā)熱元件的特性對于電加熱服的服用性有非常重要的影響。電熱元件必須具有導(dǎo)電的物理特性，高度柔軟且能夠做成復(fù)雜形狀,能滿足人體特定部位的加熱要求，且用電安全。

1.1.1 國外研究現(xiàn)狀

近年來，國外關(guān)于發(fā)熱元件的研究主要有電加熱織物性能測試和新型電熱元件制備兩方面。

在電加熱織物的性能對發(fā)熱效果的影響方面，不同電熱元件影響其發(fā)熱效果的因素不同。其中影響涂層電熱織物的主要原因是涂層材料的物理和化學(xué)性能。此外，有學(xué)者測試4種使用不同氧化劑的PET織物的發(fā)熱效果[4]，結(jié)果顯示：用AQSA鈉鹽作氧化劑的聚吡咯涂層織物發(fā)熱效果最好，織物熱功率密度為430 W/m2。此研究說明涂層電熱織物的制備工藝也會影響其發(fā)熱效果。電熱織物在穿著過程中會產(chǎn)生形變，因此有學(xué)者研究了拉伸對電熱織物加熱溫度的影響[5]。此外還有學(xué)者用不銹鋼絲編織了平針和雙羅紋織物，測試了其發(fā)熱效率，結(jié)果顯示在短時間內(nèi)不銹鋼絲雙羅紋織物比平針織物發(fā)熱溫度高[6]。

在新型電熱元件研制方面，碳納米管涂覆和石墨烯有機高分子材料電熱元件是研究熱點。國外一些學(xué)者通過浸涂法將單壁碳納米管涂覆在棉織物表面制備了加熱織物，并對其負載電壓及加熱速率等方面進行了研究[7]。還有一些研究團隊致力于有機高分子電熱膜的研究，其中LUO J等[8]用一種疊層的方式合成了高性能的碳納米管電熱膜。該薄膜可以承受較大形變，電熱靈敏，10 V電壓時穩(wěn)態(tài)溫度可以達到140 ℃。石墨烯電熱膜具有低電阻和高熱傳導(dǎo)率的特點，在高溫退火后顯示了優(yōu)異的電熱性能[9]。據(jù)報道，將石墨烯沉積在聚乙烯對苯二甲酸基底上形成的電熱膜，當(dāng)電壓從5 V升到30 V，其穩(wěn)定溫度從32 ℃升到139 ℃，熱反應(yīng)速率小于20 ℃/s，在100次彎曲試驗后，電熱性能無明顯變化[10]。

1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)關(guān)于電加熱服電熱元件的相關(guān)研究多集中在制備工藝和發(fā)熱性能測試上。目前發(fā)熱片的制備方法多樣，天津工業(yè)大學(xué)以及東華大學(xué)相繼都有人采用針織工藝將鍍銀紗線織成柔性電熱織物，研究結(jié)果表明：在低電壓測試下電熱織物有明顯的發(fā)熱效果[11-14]；在5 V負載電壓下，平紋梭織、針織平針、滿針羅紋3種試樣平衡溫度都能達到60 ℃以上；與鍍銀紗線加熱織物相比聚吡咯涂層加熱織物耐水洗性較差[15]。杜敏芝、劉欣等多所高校的學(xué)者制備了石墨烯復(fù)合導(dǎo)電織物，并探討了導(dǎo)電材料用量與織物導(dǎo)電性的關(guān)系，優(yōu)化了用料配比[16-19]。以下根據(jù)所使用的發(fā)熱材料，列舉出所采用的具體電熱元件制備方法及基本研究成果。

(1)發(fā)熱材料為紫銅絲黏合襯發(fā)熱片。采用熱壓黏合方法，將黏合襯基底、黏合面料和導(dǎo)電材料進行三層黏合；環(huán)境溫度-20 ℃時發(fā)熱溫度40 ℃；功率消耗小于6 W。該研究發(fā)表于2018年。

(2)發(fā)熱材料為不銹鋼混紡紗線。采用縫制的方法，用5號縫紉針將導(dǎo)電紗線縫制在梭織物上，組織采用平紋、二上一下斜紋，最大負載功率15 W，發(fā)熱范圍29 ℃～41.6 ℃。該研究發(fā)表于2017年。

(3)發(fā)熱材料為聚吡咯織物。采用液相法原位聚合法，處理滌綸和橡膠經(jīng)編、粘膠平針、純棉平針、純棉羅紋、粘膠經(jīng)編織物，加熱平衡溫度可達到105.4 ℃。該研究發(fā)表于2017年。

(4)發(fā)熱材料為鍍銀長絲織物。針織(9.5 tex鍍銀長絲，20 tex滌綸短纖維)采用緯平針、羅紋、雙羅紋組織，電壓1 V～12 V，發(fā)熱溫度在20 ℃～60 ℃。該研究發(fā)表于2015年。

(5)發(fā)熱材料為鍍銀紗線織物。具體內(nèi)容見表1。

表1近年來國內(nèi)以鍍銀紗線織物為發(fā)熱材料的相關(guān)研究

電熱元件制備方法組織結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)發(fā)表年份針織襯緯采用針織方法,9.5 tex鍍銀長絲;20 tex滌綸短纖維采用針織方法,鍍銀紗線和滌綸紗線采用針織、機織、刺繡方法緯平針緯平針;雙羅紋緯平針平紋梭織;針織平針;滿針羅紋電壓為5 V時,穩(wěn)定溫度達36.7 ℃雙羅紋三上七下織物;電壓6 V;發(fā)熱溫度35 ℃電壓為9 V時,平衡溫度67.85 ℃在5 V負載電壓下,3種試樣平衡溫度都能達到60 ℃以上2015201620172017

(6)發(fā)熱材料為石墨、氧化石墨和還原氧化石墨烯復(fù)合導(dǎo)電非織造布。采用一步法浸染工藝，電流3 A時功率30 W，加熱11 min后溫度可達57 ℃；該研究發(fā)表于2014年。

(7)發(fā)熱材料為石墨、炭黑后整理電熱織物。采用導(dǎo)電、導(dǎo)熱漿料印刷的后整理方法，用基布層、導(dǎo)電層、導(dǎo)熱層、絕緣防水粘貼層、絕緣防水涂層的五層結(jié)構(gòu)，電壓5 V～240 V，發(fā)熱溫度20 ℃～100 ℃。該研究發(fā)表于2016年。

(8)發(fā)熱材料為石墨烯和納米二氧化錳整理棉織物。采用浸潤涂覆、化學(xué)沉積、碳化的后整理方法；電壓15 V，通電6 min時，穩(wěn)態(tài)最大溫升36 ℃。該研究發(fā)表于2016年。

(9)發(fā)熱材料為石墨烯復(fù)合織物。采用平紋棉織物電噴涂的后整理方法，電壓10 V，25 s溫度從21.7 ℃升到45.3 ℃，功率密度可達2 000 W/m2。該研究發(fā)表于2018年。

綜上所述，梭織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電阻變化率低，但間隔會影響加熱段的有效功率輸出；羅紋織物的電阻和穩(wěn)定性能均好于平針織物；聚吡咯涂層織物電阻較大，制備的加熱元件需要施加較大功率才能達到較高的溫度。

目前常用的各種發(fā)熱元件都存在一定的優(yōu)缺點，電熱膜發(fā)熱材料發(fā)熱快、成本低、易制備，但易氧化、不透氣，服用舒適性差，因此多用來制作汽車內(nèi)飾和家紡產(chǎn)品。電熱織物柔軟舒適，結(jié)構(gòu)簡單，與服裝的結(jié)合較好，美中不足的是，涂覆法制備的導(dǎo)電可加熱織物性能不穩(wěn)定，導(dǎo)電紗線在織成織物時易受損，生產(chǎn)工藝待優(yōu)化。常見的電加熱服多使用碳纖維絲發(fā)熱片，其形狀、大小、發(fā)熱功率、放置部位都可以進行個性化設(shè)計，可拆卸，便于洗滌，其不足之處在于發(fā)熱不均勻。在加熱服的實際研制中可根據(jù)需求選擇不同的加熱元件，協(xié)調(diào)電加熱織物防水防汗和導(dǎo)熱透濕的矛盾，提高服裝的舒適性。

1.2 電加熱服的研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)至今，美國、英國、芬蘭、日本、土耳其、瑞典等國家都有學(xué)者對電加熱服進行過相關(guān)研究。進入21世紀(jì)后，芬蘭的KUKKONEN K等以溫度區(qū)間來控制電加熱服發(fā)熱范圍，還提出了基于掌上電腦的用戶界面設(shè)想[20]；2009年土耳其的KAYACAN O等用導(dǎo)電紗線針織物、電路和電源組成了電加熱服的加熱保暖系統(tǒng)，這個系統(tǒng)分為四個子系統(tǒng)：測試系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、能量源和用戶界面，其中數(shù)碼溫度傳感技術(shù)也被運用到測試系統(tǒng)中[21]。在電加熱服的服用性能研究方面，2010年瑞典的WANG F等的研究表明電加熱服的加熱效率隨著空氣流速的增加而減小，特別適用于代謝率低于1.9 Mets的職業(yè)人群[22]；同年該研究團隊通過理論分析和熱模擬試驗說明了電加熱服可以改變?nèi)龑臃b群體的小氣候溫度分布,隨著溫度升高，更多的熱量損失在環(huán)境中，加熱效率會變低[23]。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來可穿戴技術(shù)和加熱織物的發(fā)展，極大推動了國內(nèi)電加熱服的研發(fā)，詳見表2。在服裝類型方面，除了電加熱背心，還研制了電加熱沖鋒衣、電加熱防寒服等；在結(jié)構(gòu)造型方面，以基本款為主；在電源方面，一般選取12 V以下的低壓直流便攜式可充電電源；加熱元件的選擇以碳纖維發(fā)熱片為主，這與其他加熱織物不易制備有較大關(guān)系；在調(diào)溫控制方面，大多數(shù)電加熱服裝通過電壓或熱功率進行分檔，手動調(diào)溫；一些學(xué)者在電加熱服中加入了傳感器和溫控裝置，實現(xiàn)了智能化調(diào)溫；調(diào)溫電路的導(dǎo)線一般選取普通絕緣導(dǎo)線，隨著導(dǎo)電縫紉線各方面性能的優(yōu)化，智能調(diào)溫服裝的集成化和可穿性將會進一步提高[24]。

表2近年來國內(nèi)電加熱服的類型、使用技術(shù)及相關(guān)參數(shù)

發(fā)表年份服裝類型加熱元件控制系統(tǒng)傳感器導(dǎo)線相關(guān)參數(shù)20132014201620172017201720172018201820182018電熱馬甲 智能電熱馬甲 中草藥加熱睡衣 中長款棉服 太陽能電熱調(diào)溫服智能電熱馬甲 男士電熱外套 光伏電熱防寒服 智能發(fā)熱防寒服 電熱馬甲 電熱保暖休閑褲 碳纖維平紋梭織物銀絲柔性加熱織物自控溫中草藥加熱片碳纖維 USB 發(fā)熱膜碳纖維絲加熱片碳聚合物加熱元件金屬發(fā)熱絲柔性電熱片加熱絲加熱布碳纖維長絲發(fā)熱布柔性納米遠紅外電熱材料4檔電壓、遙控器MPS430單片機時間控制熱敏電阻器、溫控器微型單片機控制器極值判斷CTC15F104W單片機IAP15W4K58S4單片機溫控裝置極值判斷電壓調(diào)節(jié)溫控器無有無無無無無有有無有普通絕緣導(dǎo)線不祥普通絕緣導(dǎo)線普通絕緣導(dǎo)線普通絕緣導(dǎo)線FEP絕緣電線普通絕緣導(dǎo)線普通絕緣導(dǎo)線不祥普通絕緣導(dǎo)線普通絕緣導(dǎo)線7.4 V,50 ℃～72 ℃25 ℃～28 ℃35 ℃～50 ℃5 V,28 ℃～33 ℃7.4 V,30 ℃～50 ℃7.5 V,7.5 A,56.25 W22 ℃～33 ℃12 V,40 ℃～50 ℃7.4 V,30 ℃～35 ℃4 V ～5 V,4.08 W,34.3 ℃28 ℃～33 ℃

在電加熱服測試與評價方面，較為普遍的方式是采用暖體假人客觀測試法和人體著裝主觀評價法[25]。近年來，建模法逐漸被用來反映電加熱服發(fā)熱過程和效果。例如，范敏基于傳熱學(xué)原理，推導(dǎo)了加熱功率與面料熱阻的關(guān)系模型[26]；陳揚采用ANSYS建立加熱片、空氣層與織物組合體的三維有限元模型，模擬分析了不同織物、不同加熱片和不同空氣層厚度等條件下模型內(nèi)部與外表面的溫度分布特征。此外，鄭兆和等參考各項標(biāo)準(zhǔn)從用電安全性和熱功能性兩方面完善了電加熱服的評價方法[27]。

2 智能電加熱服的核心技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 傳感技術(shù)

傳感器是智能電加熱服的基礎(chǔ)元件，其作用是采集服裝內(nèi)外環(huán)境溫濕度等信息。智能電加熱服常用的溫度傳感器有DS18B20、Pt100等。目前應(yīng)用較多的是DS18B20，它的特點是經(jīng)濟、靈活、體積小，可設(shè)定9位～12位的分辨率，精度可達到±0.1 ℃，為了提高數(shù)據(jù)采集和傳輸效率精度常設(shè)置為±0.5 ℃。此外，智能電加熱服可以通過加入濕度傳感器和壓力傳感器等，監(jiān)測電加熱服的熱濕舒適性和人體其他生理指標(biāo)。

傳感技術(shù)的關(guān)鍵在于傳感器的精度、采集數(shù)據(jù)的頻率以及信號在傳輸過程中的保真率。對于智能服裝而言還需要考慮監(jiān)測部位的選擇，如溫度傳感器應(yīng)放置在后背、前胸、腋下等人體溫度敏感部位和電加熱服加熱區(qū)域，濕度傳感器應(yīng)放置在人體排汗區(qū)，但是隨著人體運動產(chǎn)生的皮膚滑移，會導(dǎo)致監(jiān)測位置不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)變動較快等問題，給信號傳輸、數(shù)據(jù)處理和控制判斷帶來不便。

2.2 智能控制技術(shù)

智能控制是研發(fā)智能電加熱服裝的核心技術(shù)。智能控制系統(tǒng)可以接收傳感器采集的信息，并進行數(shù)據(jù)處理和判斷，然后用控制命令驅(qū)動加熱部件產(chǎn)生反饋，實現(xiàn)調(diào)溫閉環(huán)。微控制器還可集成藍牙、Wi-Fi等模塊,與用戶界面進行無線通訊，實現(xiàn)人衣交互。

智能調(diào)溫服常用的控制原理是開關(guān)控制和PID控制，開關(guān)控制的原理是實時判定設(shè)定溫度值與被控對象溫度值之間的關(guān)系，對加熱系統(tǒng)進行通斷控制。開關(guān)控制法響應(yīng)速度快、實現(xiàn)簡單，但控制存在滯后性和慣性。PID算法控制精度高，但易出現(xiàn)積分飽和。目前，實際應(yīng)用中常用多種方法結(jié)合控制。

馬浩研究了一種醫(yī)用保暖褲控制系統(tǒng)[28],該控制系統(tǒng)以P89V52X2單片機為核心，配以溫度傳感器和鍵盤控制單元，能夠通過LCD顯示模塊顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，系統(tǒng)采用PID加開關(guān)控制。翟軍輝等用Android智能手機作為上位機，AVR單片機作為微控制器，用藍牙通信方式，為運動受限的病人設(shè)計了一款智能保暖服裝[29]。該服裝每5 s采集一次溫度信息，不斷與溫度設(shè)定值進行比較，低于11 ℃自動閉合加熱電路，高于39 ℃自動斷開加熱電路，在11 ℃～30 ℃用PID算法控制加熱時間。

2.3 電子器件與服裝連接技術(shù)

多種電子元件的加入使加熱服裝更加智能化，同時也面臨服裝與電子元件一體化集成的各種難題。目前，市場上的電加熱服一般采用多層結(jié)構(gòu)，將普通絕緣導(dǎo)線加熱電路和電熱元件固定在服裝中層，將控制按鍵或微控制器用熱熔膠固定在防水硅膠膜中縫制在服裝表面，將可充電電源放置在口袋中。也有部分產(chǎn)品是用絎縫或壓膠的工藝來固定加熱電路，將微控制器做成紐扣固定在服裝上，這種方法相對來說一體化程度更高，更利于保護電路，但電子元器件不可拆卸，對洗滌條件有一定的要求。此外，也可以把導(dǎo)電縫紉線作為導(dǎo)線，將電路直接縫制在服裝上。

2.4 信號處理及系統(tǒng)通訊技術(shù)

信號處理及系統(tǒng)通訊技術(shù)是實現(xiàn)智能服裝智能控制和人衣交互的關(guān)鍵技術(shù)。常用的短距離無線通信技術(shù)主要有藍牙、Zig Bee、Wi-Fi等技術(shù)。藍牙是比較常見的無線通信技術(shù)，主要面向移動設(shè)備的小范圍連接，在手機、PAD等設(shè)備中都有應(yīng)用；Zig Bee是一種低功耗、低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在智能電加熱服裝中，信息的傳遞和接受都需要進行信號處理，在信號傳輸?shù)倪^程又用到系統(tǒng)通訊技術(shù)。

3 智能電加熱服裝有待解決的問題

在舒適性方面，市場上的電加熱服多采用碳纖維絲或金屬發(fā)熱絲黏合襯發(fā)熱片，其特點是升溫快、功率可定做，但是該發(fā)熱片在升溫過程中易出現(xiàn)局部溫度過高，發(fā)熱不均勻，影響熱濕舒適性。

在功能性方面，大多數(shù)的智能電加熱服裝傳感器數(shù)量較少，溫度傳感器的靈敏度和精度較低，信號在傳輸過程中的衰減都會影響調(diào)溫效果。部分學(xué)者開發(fā)了調(diào)溫APP進行終端控制，但藍牙接收信號的距離有限，APP功能也有待進一步拓展。

在服用性方面，現(xiàn)階段電加熱服對體型的適應(yīng)性不強，在人體穿著過程中加熱元件和傳感器位置會發(fā)生一定的偏移。另外，隨著更多功能的加入，電路板體積增加，會影響服裝的服用性。

在安全性方面，從醫(yī)學(xué)角度考慮智能電加熱服對人體的影響。人們追求功能和高科技的同時，也越來越重視健康。為了探究電加熱服的可服用性問題，還需進一步從醫(yī)學(xué)角度探究穿著智能調(diào)溫服對人體血液微循環(huán)、體表神經(jīng)系統(tǒng)、排汗系統(tǒng)等微觀生理系統(tǒng)的影響。

電子元件與服裝一體化集成有待提高。導(dǎo)電縫紉線、印刷電路還處于研究初期，大多數(shù)電加熱服采用普通絕緣導(dǎo)線連接電路，運用壓膠、拉鏈、紐扣等方法固定電路和電子元件，需要不斷改善服裝集成技術(shù)，使其穿著更舒適，洗滌更方便，用電更安全。

4 趨勢

智能服裝技術(shù)不斷成熟，基于用戶需求的個性化智能服裝也開始發(fā)展。在總結(jié)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，智能電加熱服應(yīng)從產(chǎn)品出發(fā)，針對目標(biāo)人群，篩選設(shè)計要素，制定設(shè)計方案。綜合現(xiàn)階段有待解決的問題，以下幾方面將成為智能電加熱服的研究趨勢。

(1)智能加熱將符合個性化需求。智能電加熱服的目標(biāo)是實現(xiàn)人體在不同環(huán)境溫度下，服裝內(nèi)環(huán)境都能夠使人體各部位在舒適溫度范圍。每個人每個部位的熱感是有差異的，因此加熱部位和加熱溫度應(yīng)符合個性化需求，這需要加入人機對話和機器學(xué)習(xí)的內(nèi)容，讓智能調(diào)溫服熟悉個體的調(diào)溫習(xí)慣，才能實現(xiàn)真正的智能調(diào)溫。

(2)針織電加熱服將進行一體化織制。隨著微電子技術(shù)和紡織新材料的不斷發(fā)展，設(shè)計師可以將電熱元件和電路進行一體化設(shè)計及織造，提高產(chǎn)品美感和穿著舒適度。

(3)人衣交互是電加熱服裝的發(fā)展趨勢。加入機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)，研發(fā)可以實現(xiàn)人衣交互的個體化智能服裝成為電加熱服的發(fā)展趨勢。

(4)智能電加熱服裝功能升級。在供電問題得到妥善解決的情況下，采用多種傳感器獲取環(huán)境信息，處理器多任務(wù)工作，除了智能保暖功能外，具有聽歌、定位、生理監(jiān)測、智能報警等功能，滿足用戶更多的生理和心理需求。