電加熱服裝服用性能研究進(jìn)展

唐 燦，劉榮平，徐志強(qiáng)

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展使得人們的生活水平得到了大幅度提高，也使得人們的活動(dòng)范圍得到廣泛擴(kuò)展，人們?cè)诘蜏鼗蛘邩O寒的氣溫下活動(dòng)越來越普遍，這就催生了對(duì)于加熱服裝的需求。電加熱服作為一種加熱服裝，可以通過自主發(fā)熱為低溫環(huán)境下的活動(dòng)提供熱量，在所有加熱服裝中被關(guān)注和研究得較早。電加熱服裝具有加熱效率高、輕薄、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。電加熱服通過將電熱元件嵌入到服裝中，將電源和控制元件鏈接起來從而實(shí)現(xiàn)電能到熱能的轉(zhuǎn)換。電加熱服中使用的電熱元件一般包括柔性電加熱線、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電橡膠、炭黑導(dǎo)電材料、電熱薄膜和碳加熱高分子等。近年來電加熱服也逐漸向智能化方向發(fā)展，通過信號(hào)處理、通訊系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和用戶界面等實(shí)現(xiàn)智能化溫度控制和人衣交互[1]。

電加熱服裝在功能服裝當(dāng)中屬于市場(chǎng)化進(jìn)程比較快的一種服裝，在市場(chǎng)化的進(jìn)程中，電加熱服裝的服用性能越來越凸顯出重要的地位。尤其目前市場(chǎng)上，電加熱類服裝和用品種類越來越多，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，服用性能成為了在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，得到市場(chǎng)和消費(fèi)者認(rèn)可的關(guān)鍵。電加熱服裝由于加熱部件的嵌入，在使用過程中，耐久性、舒適性以及保養(yǎng)簡(jiǎn)便性成為了消費(fèi)者在選擇電加熱服裝時(shí)重要因素。

1 電熱性能

電加熱服裝電熱性能的研究主要集中在電熱性能測(cè)試和新型電熱元件制備兩個(gè)領(lǐng)域。

1.1 電熱性能測(cè)試

在電熱性能測(cè)試方面，主要指標(biāo)包括電加熱織物的熱穩(wěn)定性、加熱均勻度、加熱功率密度和升溫速度等。

1.1.1 熱穩(wěn)定性

電加熱服裝的熱穩(wěn)定涵蓋兩個(gè)方面：一方面是和電加熱服裝電阻穩(wěn)定性有關(guān)，即在穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度情況下，電阻變化率越小，說明電加熱服裝的熱穩(wěn)定性越高；另一方面，電加熱服裝的加熱功率變化同樣影響著熱穩(wěn)定性，即在穩(wěn)定狀態(tài)工作溫度情況下，加熱功率的變化率越小，說明電加熱服裝熱穩(wěn)定性越高。在熱穩(wěn)定性能測(cè)試中，常用數(shù)字萬用表測(cè)量電加熱服裝在不同穩(wěn)定工作溫度情況下的電阻值和發(fā)熱功率，來確定電阻變化率和發(fā)熱功率變化率。在制備過程中，受工藝流程、材料性質(zhì)和后處理等因素的影響，電加熱服裝的電阻會(huì)產(chǎn)生變化，因此在設(shè)計(jì)使用電加熱服裝過程中要充分考慮到影響電阻的各種因素，來保證電加熱服裝的熱穩(wěn)定性。

1.1.2 加熱均勻度

電加熱服裝的加熱均勻度是指在加熱范圍內(nèi)加熱溫度的一致性。通常使用紅外熱像儀來測(cè)量電加熱服裝表面瞬時(shí)溫度的分布情況，從而來評(píng)價(jià)加熱均勻度。加熱均勻度受多方面因素影響，如材料性質(zhì)、導(dǎo)電纖維分布情況等。在材料性質(zhì)方面，包括導(dǎo)電纖維的細(xì)度、纖維和導(dǎo)線之間連接情況等。在電加熱服裝的加熱系統(tǒng)里，導(dǎo)電纖維部分溫度較高，普通織物纖維以及服裝邊緣位置溫度較低。導(dǎo)電纖維分布情況也會(huì)影響加熱均勻度。在實(shí)驗(yàn)中，可通過測(cè)算服裝表面溫度分布均勻系數(shù)來評(píng)價(jià)電加熱服裝的加熱均勻度，其中溫度分布系數(shù)越小，織物的發(fā)熱均勻度越好。如果電加熱服裝的加熱溫度差異過大，可能會(huì)發(fā)生加熱部位局部燒穿的情況，存在較嚴(yán)重的安全隱患[2]。

1.1.3 加熱功率密度

加熱功率密度即電加熱服裝單位面積的加熱功率。測(cè)試中，常用數(shù)字萬用表測(cè)量電加熱織物發(fā)熱功率，除以織物表面積得到發(fā)熱功率密度。不同材料加熱功率密度不同，發(fā)熱功率越大，則說明電熱性能越好。

1.1.4 升溫速度

升溫速度即電加熱服裝達(dá)到設(shè)定溫度的快慢。通常通過紅外測(cè)溫儀和紅外成像儀來進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)使用紅外測(cè)溫儀來測(cè)量電加熱服裝的升溫速度時(shí)，升溫速度越快，則說明電加熱服裝的電熱性能越好。

1.2 新型電熱原件制備

在新型電熱元件制備方面，影響電熱服裝發(fā)熱效果的主要是織物的材料和結(jié)構(gòu)。一般電加熱服裝主要分為兩大類，一類是涂層織物，即利用涂層導(dǎo)電；另外一類是使用導(dǎo)電纖維制成。涂層類電加熱服裝的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)熱效率高、制備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是容易老化、舒適性比較差，多用于汽車內(nèi)飾和家紡。曾經(jīng)有學(xué)者對(duì)比研究了不同導(dǎo)電涂層的電加熱服裝的加熱效果，結(jié)果表明涂層電加熱服裝的制備工藝會(huì)影響其加熱效果。

導(dǎo)電纖維制成的電加熱服裝優(yōu)點(diǎn)是柔軟舒適，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，服用舒適性好，缺點(diǎn)是導(dǎo)電纖維在織成織物時(shí)容易受損，材料加工工藝有待改良[3]。電加熱服裝常使用碳纖維作為導(dǎo)線纖維，碳纖維制成的加熱元件的規(guī)格、加熱功率、部位都可以靈活調(diào)整，但是發(fā)熱欠均勻，效率不高。

天津工業(yè)大學(xué)以及東華大學(xué)都有學(xué)者將鍍銀紗線織成不同織物結(jié)構(gòu)的電加熱服裝，研究結(jié)果表明，在低電壓測(cè)試條件下，鍍銀紗線電加熱服裝能明顯發(fā)熱；測(cè)試中，機(jī)織平紋、針織平針、滿針羅紋3種織物結(jié)構(gòu)的電加熱服裝穩(wěn)定溫度都能達(dá)到60℃以上[1]。

具有低電阻和高熱傳導(dǎo)率的碳納米管和石墨烯材質(zhì)電熱元件是研究焦點(diǎn)。有學(xué)者使用浸涂法將單壁碳納米管涂覆在棉織物表面制成了電加熱服裝，并對(duì)其電熱性能等方面進(jìn)行了研究。其中，有學(xué)者將石墨烯沉積在聚乙烯對(duì)苯二甲酸基底上形成電熱膜，這種電熱膜在多次彎曲試驗(yàn)后，電熱性能仍保持穩(wěn)定[2]。

2 保暖性能

電加熱織物的保暖性是指織物阻止熱量散發(fā)的能力。通常通過暖體假人試驗(yàn)和真人試驗(yàn)，分別從客觀和主觀的角度評(píng)價(jià)電加熱織物的保暖性。

Wang等人通過使用新型暖體假人來評(píng)價(jià)典型的三層服裝組合中電加熱服裝的保暖性能。電加熱服裝位于三層服裝組合的中間層時(shí)，它能夠有效地為暖體假人的軀干提供舒適的空氣溫度。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度降低會(huì)使得電加熱服裝的加熱效率大幅度下降。根據(jù)環(huán)境溫度的變化調(diào)整加熱功率可以使得人體微環(huán)境的溫度保持在相對(duì)舒適的范圍內(nèi)[4]。

Huiju Park等還研究了電熱元件位于服裝不同層次條件下，有效熱阻和加熱效率的變化，研究發(fā)現(xiàn)電熱元件在多層服裝組合中，其處于的層次距人體的距離越近，有效熱阻和加熱效率就越高，環(huán)境溫度的變化也會(huì)使得電加熱服裝加熱效率發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。當(dāng)然，當(dāng)電熱元件在最內(nèi)層服裝時(shí)，會(huì)影響人體的穿著舒適性，需要綜合考慮電熱元件的放置層次[1]。

3 舒適性能

電加熱服裝的舒適性評(píng)價(jià)一般通過人體穿著試驗(yàn)，通過穿著電加熱服裝，在測(cè)試環(huán)境和特定的活動(dòng)水平下，監(jiān)測(cè)人體生理指標(biāo)的變化情況。同時(shí)，讓試驗(yàn)參與者進(jìn)行主觀舒適性評(píng)價(jià)，并從主客觀兩方面結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)電加熱服裝的舒適性能。

Brajkovic和Song等都使用人體著裝生理實(shí)驗(yàn)法，研究在實(shí)驗(yàn)溫度條件下，電加熱服裝對(duì)人體血管舒張情況和舒適感所造成的影響。實(shí)驗(yàn)表明，電加熱服裝可以提升肢體末梢溫度、皮膚平均溫度和循環(huán)末梢血流速率，從而使得穿著者的舒適感得到提高。

目前，電加熱服裝對(duì)人體體型的適應(yīng)性還比較低，在穿著過程中嵌入的電熱元件、控制元件以及傳感器等的位置常會(huì)發(fā)生偏移。此外，隨著智能化和更多功能的發(fā)展，電熱元件體積增加，也會(huì)影響服裝的舒適性[3]。

4 安全性能

安全性能是電加熱服裝使用過程中要考慮的重要因素。電加熱服裝尤其要考慮到電學(xué)安全性，包括移動(dòng)電發(fā)熱安全性、短路保護(hù)等[5]。

由于電加熱服裝的特殊性，當(dāng)它穿著在人體上時(shí)，電加熱電學(xué)安全性對(duì)于服用者人身安全至關(guān)重要。由于在電加熱服裝中的電熱元件存在安全隱患，所以在使用過程中要考慮到用電安全及局部高溫燙傷等安全因素，確保輸出電壓在12V以下，輸出電流在2A以下，并且設(shè)置短路保護(hù)裝置，保證服用者的人身安全[2]。

5 洗護(hù)性能

在市場(chǎng)化過程中，電加熱服裝要充分考慮到用戶對(duì)洗護(hù)性能的要求，要求做好電熱元件防水，可以洗滌。電加熱服裝中電熱元件的防水一般是通過密封和防水涂層來實(shí)現(xiàn)。

朱江波團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了可水洗的電加熱服裝，使用柔性納米材料發(fā)熱片，根據(jù)人體工程學(xué)的要求，利用嵌入式工藝，將發(fā)熱片與織物密封固定。可水洗電加熱服裝USB接口使用304不銹鋼壓鑄而成，以全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防水和可洗滌[6]。

6 耐用性能

電加熱服裝中通常嵌入有電熱元件、導(dǎo)電元件，有的還有涂層，在服裝穿著、洗滌過程中，這些部件受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、磨損和水浸等作用，一旦其中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)使得服裝電加熱功能受損，影響服裝的耐用性和日常使用，導(dǎo)致電加熱服裝使用壽命及周期縮短[7]。

7 結(jié)語

目前，電加熱服在電熱性能和保暖性能上已經(jīng)比較成熟，而在舒適性能、洗護(hù)性能和安全性能等方面的還有待進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。