新型電加熱潛水服加熱材料選取實驗研究

范維，徐佳駿，方以群

(1.上海杉達(dá)學(xué)院，上海 201209;2.海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433)

1 引言

目前常用的可用于潛水服的柔性加熱片材料主要有碳纖維材料、石墨烯材料、碳納米管材料三種，碳纖維材料為最早應(yīng)用于電加熱片的材料[1]，后來隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，石墨烯、碳納米管逐漸替代了碳纖維材料成為了新型電加熱片材料的首選[2]，但對新型加熱片材料應(yīng)用于潛水服加熱的方向并未進(jìn)行過相關(guān)研究，也無法表明后兩種新型材料比碳纖維材料更適合于潛水服。本文以選取潛水服加熱片材料為目的，針對以上三種材料的物理特性、加熱速度、水洗性能和能耗等四個方面進(jìn)行對比實驗，分析三種材料應(yīng)用于潛水服加熱的優(yōu)劣性，并選取性能最優(yōu)的材料進(jìn)行高壓下加熱驗證實驗以確定該材料對潛水服應(yīng)用環(huán)境的適配性，為新型潛水服加熱片材料的更新?lián)Q代提供了重要的數(shù)據(jù)。

2 方法

2.1 物理特性對比實驗

三種加熱材料應(yīng)用于加熱保暖服中，需要內(nèi)襯于服裝內(nèi)部，因而不同的物理特性對加熱片的布放安裝、線路的連接、穿著的舒適性均有一定的影響。本研究針對三種加熱片的不同物理特性，在其形態(tài)、厚度等方面進(jìn)行分析，研究在物理特性方面的優(yōu)劣性。

選取尺寸相近的碳納米管薄膜加熱片、石墨烯加熱片、碳纖維加熱片進(jìn)行對比，對厚度和質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，見圖1-4。

2.2 發(fā)熱性能對比實驗方法

如圖5所示，將加熱片放置在上下保溫層之間，使加熱片處在一個均勻散熱的環(huán)境里。在加熱片不同位置放置熱電偶探頭[6]，測試該點溫度，并設(shè)置達(dá)到最高溫60度的保溫保護(hù)。每分鐘記錄溫度值，測試15 min。

圖5 三種加熱片測溫圖

2.3 能耗對比實驗方法

將三種加熱片使用同一個5000mAh充電寶，通過溫度傳感器反饋控制保持工作溫度55攝氏度，記錄同一個充電寶維持該溫度不變的時間。

2.4 耐水洗性對比實驗方法

將性能較好的石墨烯材料和碳納米管材料加熱片放入洗衣袋中，采用海爾小神童XQB50-M1258全自動洗衣機(jī)，自動水洗，水洗后測試加熱片功率變化。

2.5 高壓下碳納米管加熱片加熱性能實驗方法

對碳納米管加熱片這種新型材料應(yīng)用于本項目特殊應(yīng)用環(huán)境可行性進(jìn)行實驗，主要針對高壓下加熱片加熱性能是否會有變化的問題進(jìn)行了研究。

將碳納米管加熱片上布放溫度傳感器，置于加壓艙內(nèi)，通過穿艙件將溫度傳感器及控制線路接出加壓艙外，關(guān)閉艙門后進(jìn)行加壓至60米壓力 。然后打開溫控開關(guān)，調(diào)整至不同加熱檔位溫度，觀察溫度傳感器溫度能否達(dá)到各檔位溫度的設(shè)定值。如圖6所示：

圖6 碳納米管加熱片高壓下加熱功能實驗圖

3 實驗結(jié)果

3.1 物理特性對比實驗結(jié)果

從外形角度分析，碳纖維材料為寬度較寬的帶狀形態(tài)；石墨烯材料為寬度比碳纖維窄的條狀形態(tài)并行密集排列而形成的面狀材料[3]；碳納米管材料為均勻排列的薄膜形態(tài)，中間無間隔[4-5]。從外形角度分析，石墨烯材料和碳納米管材料的均勻排列的薄膜形態(tài)更對溫度的控制更有優(yōu)勢。

從表1厚度測量結(jié)果可以看出，碳納米管薄膜加熱片厚度最小，碳纖維加熱片厚度最大。在本項目的應(yīng)用，選取片狀加熱材料且盡量使用厚度更薄的材料有利于提高人員穿著的舒適度，分散加熱面積，因而在厚度方面石墨烯材料和碳納米管薄膜材料比碳纖維材料更有優(yōu)勢。

表1 三種加熱片物理性能測試結(jié)果

3.2 發(fā)熱性能對比實驗結(jié)果

從實驗結(jié)果圖7可以看出，碳纖維加熱材料加熱較慢，15分鐘內(nèi)溫度緩慢上升，在第13分鐘達(dá)到約60度的最高溫保護(hù)位置，開始保溫；石墨烯材料加熱速度比碳纖維快，在第10分鐘左右便可達(dá)到60度的最高溫保護(hù)位置，開始保溫；碳納米管薄膜加熱片設(shè)定最高檔60度升溫，1分鐘迅速升到60℃以上，開始保溫，溫度逐漸往設(shè)定溫度回落，15分鐘后兩測溫點溫度分別為58.7和55.7℃，兩點最大溫差在4℃。因而從上述加熱速度方面可以看出，碳納米管薄膜材料加熱速度較其他兩種材料具有明顯的優(yōu)勢。

圖6 三種材料加熱性能實驗結(jié)果圖

3.3 能耗對比實驗結(jié)果

從表2能耗測試實驗可以得出，基本相同功率下碳納米管加熱片能耗最低，石墨烯加熱片能耗比碳納米管加熱片稍高，碳納米管加熱片能耗最高。

表2 三種加熱片能耗對照表

3.4 耐水洗性對比實驗結(jié)果

石墨烯加熱片選取3大片和3小片經(jīng)過三次水洗，加熱片平均功率降低至42%，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 石墨烯加熱片水洗后功率變化表

相同測試方法，選取5個碳納米管薄膜加熱片水洗5次，分別記錄0,2,5次水洗后的功率數(shù)據(jù)，如下表所示。加熱片水洗5次后，均可正常工作，功率變化平均值為91.8%，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 碳納米管薄膜加熱片水洗后功率變化表

圖8為選取其中1片碳納米管薄膜加熱片第5次水洗后的紅外成像圖片，在第5次水洗后核心發(fā)熱片部位發(fā)熱均勻，與水洗前無明顯差別。

圖8 碳納米管薄膜加熱片水洗5次后紅外成像圖

從圖9可以看出，碳納米管薄膜加熱片材料比石墨烯材料在耐水洗性能上有較大的優(yōu)勢。

圖9 石墨烯加熱片水洗后紅外發(fā)熱圖

3.5 高壓下碳納米管加熱片加熱性能實驗結(jié)果

艙內(nèi)壓力為60米，開始加艙內(nèi)溫度約為23.5度，加熱片此時沒有加熱，起始溫度與空氣中一致，約為23.8度。當(dāng)溫度控制器調(diào)整至紫色加熱檔位(設(shè)定溫度38度)后，艙內(nèi)的加熱片溫度為47.3度；當(dāng)溫度控制器調(diào)整至最高紅色檔位(設(shè)定溫度48度)后，艙內(nèi)的加熱片溫度為46.6度，在不考慮加熱片溫度對外界環(huán)境下有一定的散失的情況下，則可認(rèn)為該加熱片在高壓下可正常使用，且上述數(shù)據(jù)顯示加熱到的溫度與設(shè)定溫度基本一致。

4 討論

上以實驗分別從物理特性、加熱速度、水洗性能和能耗方面對比了三種加熱片材料，并進(jìn)行了高壓下加熱控制性能的測試，分析結(jié)果如下：

碳纖維加熱片為最早的加熱片材料，主要為條狀或帶狀分布，且厚度較厚，在布放傳感器時如果將傳感器布放與帶狀加熱片上，會有突兀感覺，且加熱速率低，能耗高。

石墨烯加熱材料也是將寬度比碳纖維窄的條狀形態(tài)并行排列而形成的密集的面狀材料，厚度比碳纖維薄，加熱速率也比碳纖維快，能耗相對較小，缺點是耐水洗性能較差，水洗后會出現(xiàn)發(fā)熱功率下降較快的問題。

碳納米管加熱片在生成是便是片狀薄膜型分布，不需要進(jìn)行二次構(gòu)型，因而易于布放傳感器，且納米級材料厚度小，質(zhì)量輕，加熱速度相當(dāng)快，可以5秒內(nèi)產(chǎn)生熱量，1 min內(nèi)達(dá)到設(shè)置的60度高溫[7-8]，水洗性能良好，能耗低，且經(jīng)高壓下可成功實現(xiàn)加熱控制。

5 結(jié)論

碳納米管加熱片材料較碳纖維加熱、石墨烯加熱材料在物理特性、加熱速率、水洗性能以及能耗方面的優(yōu)勢更加突出，更適合用做電熱式潛水服的加熱片材料。