LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的應用與研究

陳罘杲

(山東日納功能材料科技股份有限公司,山東日照276826)

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的應用與研究

陳罘杲

(山東日納功能材料科技股份有限公司,山東日照276826)

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用目主研發的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應用技術,結合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關聯規律,在鞋子一定的體積內把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產品功能和對使用時間的要求,并且根據不同性別對鞋子要求不同的特點,特別設計有男款、女款,符合現代人群越來越注重養生與外觀美的需求,因此有著巨大的市場潛力。

電源電熱鞋；碳纖維加熱板；硅膠加熱片

電熱鞋是一種將電能轉化為熱能,元件裝置于鞋內,為足部保溫驅寒達到人體保健目的的新型功能鞋。就當前的電熱鞋產品來看,電熱鞋從電源使用上主要分為兩類：一種是將電源裝置于鞋幫上(一般是矮筒靴上應用),另一種是將電源裝置于鞋跟內部(應用于矮幫鞋)。但由于電源體積及耐曲折度問題,對于在矮幫鞋幫面上裝置電源還較難實現,選擇在鞋底裝置電源的話,就不得不考慮這樣的問題：①鞋子底部經常受到力的沖擊,易有爆炸的危險；②若鞋底所處的環境較差,遇到進水或低溫冰凍易損壞；③電源容量不大,充電后電源供電時間不夠長；④加熱片裝置的問題,要求其加熱快,散熱均勻且不易折損。

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用自主研發的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應用技術,結合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關聯規律,在鞋子一定的體積內把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產品功能和對使用時間的要求,保證其提供的電量可供發熱片持續發熱2～18 h以上,可以反復充電,延長了電源使用壽命。采用特殊的防潮防爆設計、電池隔離設計,確保其使用安全可靠。電池電路有短路自動保護功能,自動斷電后保護其元器件不受損。高抗震性,保證任意高度的自由落地都不受損。并且根據不同性別對鞋子要求不同的特點,特別設計有男款、女款,符合現代人群越來越注重養生與外觀美的需求,因此有著巨大的市場潛力。

1 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術原理

1.1 技術原理

主要功能器件采用本公司自主研發設計的大容量電源系統,采用特殊的防潮防爆設計、電池隔離設計,使電源可以反復充電,延長了鞋子的壽命,獨特的電池電路短路自動保護功能設計,使鞋子自動斷電后保護其元器件不受損,確保鞋子穿著使用安全可靠；采用自主研發的發熱片裝置,在加熱快、散熱均勻穩定的同時,更增加了耐彎折性,達到了電熱鞋保溫、安全、抗震、健康、美觀的功效。

1.2 技術術語

1.2.1 大容量電池設備

電源規格暫定為：3.7 V/4200 mAh,長63 mm,寬42 mm,高16 mm,低壓注塑膠殼封套,商標包裹,再加外層鋼片防護罩,必要時可在電源上部也就是鞋跟位置加上減震裝置。

1.2.2 開關與充電孔

鞋跟處內藏式的開關與充電孔設計,與電源靠近,打開外部的蓋套即可看到充電孔與開關。開關設計三個檔位(低溫-高溫-關),做簡單指示燈引導,尺寸保持在長3.5 cm,寬1.5 cm,高1.2 cm。配套特定充電器,要求其可以兩只鞋同時充電。

1.2.3 發熱器

采用材質：硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜。材質要有一定的柔韌度,反復彎折不損壞,表面溫度低于100 ℃,面狀發熱且散熱均勻。電熱轉換效率達到98%以上,節能省電發熱快,通電即熱,5 min達到設定溫度；測定其防水等級至少達到5,阻燃等級要達到9；使用壽命可達30 000 h以上。

1.2.4 加熱片

一種是采用組合中底板的方式,中底板留有空位,加熱片與中底板設置為一體；另一種是以特殊鞋墊的方式設置,在中底板上留有引線孔,從大底處穿過此孔接通加熱片。

1.3 發熱保溫機理

(1)在鞋子一定的體積內,大容量電源的成功研發把電池容量做到了最大,保證了其提供的電量可供發熱片持續發熱2～18 h以上,絕對滿足鞋子對保溫時長的要求。同時,充分延長電源使用壽命的問題,確保其可以反復充電。采用電池隔離設計,確保其使用安全可靠。

(2)電源裝置于鞋跟內部,采用低壓注塑膠殼封套,商標包裹,再加外層鋼片防護罩,在充分耐沖擊的同時預防大底面穿刺；在電源上部也就是鞋跟位置加上減震裝置,加強抗震性,任意高度的自由落地都不受損。

(3)鞋跟處內藏式的開關與充電孔設計,采用防潮防爆設計,防止進水；打開外部的蓋套即可看到充電孔與開關,且與電源靠近,方便引線。開關設計三個檔位(低溫-高溫-關),配套特定充電器,兩只鞋可以同時充電。電池電路有短路自動保護功能,自動斷電后保護其元器件不受損。

(4)發熱片：目前計劃實驗三種材質：硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜。電熱轉換效率達到98%以上,通電即熱,5 min達到設定溫度,加熱快的同時要耐彎折,散熱均勻穩定。測定其防水等級至少達到5,阻燃等級要達到9；使用壽命可達到30 000 h以上。

2 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的設計原則

2.1 功能設計原則

使用LUSMZ系列大容量電源電熱鞋,能夠達到鞋子快速升溫、保持足部溫度舒適、改善足部溫度環境的目的,實現人體足部健康保健的功效。

2.2 性價比設計原則

(1)大容量電池、發熱片材質等無副作用；(2)產品生產無“三廢”排放；(3)產品便于推廣和使用；

(4)產品能夠采用知識產權和保護措施；(5)產品便于運輸,保存安全。

3 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術創新點

3.1 關鍵技術

主要功能器件采用本公司自主研發設計的大容量電源系統,采用特殊的防潮防爆設計、電池隔離設計,使電源可以反復充電,延長了鞋子的壽命,獨特的電池電路短路自動保護功能設計,使鞋子自動斷電后保護其元器件不受損,確保鞋子穿著使用安全可靠；采用本公司自主研發的發熱片裝置,在加熱快、散熱均勻穩定的同時,更增加了耐彎折性,達到了電熱鞋保溫、安全、抗震、健康、美觀的功效。

3.2 技術創新點

(1)研制開發的大容量電源,其電量可供發熱片持續發熱2～18 h以上,電池可反復充電,極大的延長了保溫時間。配套特定充電器,可以兩只鞋同時充電。且電池電路有短路自動保護功能,自動斷電后保護其元器件不受損。

(2)發熱片采用硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜材質,節能省電發熱快,通電即熱,材質具有很強的柔韌度,反復彎折不損壞,散熱均勻穩定。

(3)加熱片的設置：一種是采用組合中底板的方式,中底板留有空位加熱片與中底板設置為一體；另一種就是以特殊鞋墊穿過此孔接通加熱片。

圖1 工藝流程圖

(4)鞋款定位為矮幫的商務休閑款：底型選擇較穩重厚實的橡膠大底,增加其防滑耐磨性；幫面設計配合簡潔大氣的結構,搭配上較有質感的材質,手工縫制的圍條圍蓋更顯經典；幫面款式設計有外耳圍蓋舌式及明橡筋舌式兩款,都采用手工縫制的圍條圍蓋增加其穩重大氣。它卸去了冬季棉靴的笨重感,不止輕便,更增添了視覺美的沖擊,滿足了人們越來越注重養生保健又渴望美的需求。

4 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術工藝路線

4.1 技術路線

4.1.1 大容量電池的制作工藝

(1)負電極的制備

碳負電極與適量的導電劑研磨混合后,加入一定量的膠黏劑,在適量溶劑中攪拌一段時間使其成為均勻漿料,用澆鑄法涂覆在銅箔(10～12 μm)表面,然后在適宜的溫度下干燥,在一定的壓力下壓片后,得到所需的電極。

(2)正極制備

將錳酸鋰、導電劑、PVDF(聚偏氟乙烯)在80 ℃真空烘烤6 h,然后按一定比例進行混合、攪拌、涂在集流體鋁箔上,經120 ℃真空脫氣、烘干、壓膜、制成小片,得到正極片。

(3)電解液配置

采用1 mol/L的LiPF6/（EC+DMC+EMC）,體積比1∶1∶1配制電解液。EC為碳酸乙烯酯,DMC碳酸二甲酯,EMC為碳酸甲乙酯。

(4)通過卷繞,裝入鋼殼,脈沖脫氣24 h。注液,擱置后預充、化成后制得樣品電池,待測。

工藝流程圖見圖1所示。

4.1.2 電熱片的制作工藝

(1)玻璃纖維布的制備

采用優質進口玻璃纖維為編織材料,進行平紋、斜紋、緞紋或采用其它織法編織成高級玻璃纖維布基材。在200～250 ℃烘箱中烘3 h,進行脫蠟處理后,再經交聯劑KH-580表面處理,備用。

(2)硅膠混煉膠制備

導熱硅橡膠以有機硅樹脂為粘結材料,填充導熱粉體達到導熱目的的高分子復合材料,原料配方如下：

有機硅樹脂(基礎原料)：乙烯基硅橡膠和甲基乙烯基硅橡膠；氣相法白炭黑；經基硅油；導熱絕緣填料：氧化鋁、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁等；阻燃劑為氫氧化鎂,氫氧化鋁；無機著色劑,有機鉑催化劑。

選用乙烯基硅橡膠、部分白炭黑(100份)和導熱填料(200～500份)在真空捏合機內,混成團后再分次加入剩余白炭黑。全部混成團后于100混煉3 h,然后升溫至150 ℃、真空度60～99 kPa下脫水共混30min；取出,自然冷卻,在常溫下,在雙輥煉膠機上將0.5～1.5份含氫硅油、0.01～0.06份阻燃劑,3～10份著色劑及0.25～0.75份鉑催化劑混煉；最后在平板硫化機上制片(120 ℃, 10min),得到混煉硅橡膠。

(3)玻璃纖維硅膠布的制備

由涂烘機的上膠機構將混煉硅橡膠與溶劑(如汽油、甲苯等)混勻的膠漿涂覆到經過脫蠟的玻璃纖維的一面,當一側表面的膠漿經烘燥后再涂覆另一側,在引入烘燥機構進行烘燥,涂覆與烘燥連續進行。經烘燥后收卷得到涂膠布,然后引入壓延機,由壓延機將混煉硅橡膠壓延到涂膠布上,最后經硫化機硫化,得到玻璃纖維硅膠布。

(4)導熱硅膠片的制備

把絲狀的鎳鎘合金發熱體均布于涂布有耐高溫硅橡膠的玻璃纖維布間,發熱絲呈“W”狀,經高溫模壓而成。電熱絲通過有電源線與電源相連,電源上設有溫度控制開關和充電插孔。

4.1.3 小型觸摸式溫控開關的制作工藝

4.2 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的制作及工藝圖

4.2.1 鞋幫材料

電熱鞋全部采用最優質的頭層牛皮制造,鞋頭部的皮質為亞光感覺類似磨砂皮料,鞋幫面采用粒面牛皮。

4.2.2 鞋底材料

使用固特異鞋底和高性能耐磨軍用橡膠材質,以國際眾多軍隊使用戰靴的鞋底材質為原型,加上舒適度的注入而達到耐磨度與舒適度的完美結合,合成技術生產的橡膠大底,特別凸顯在耐寒和耐磨方面的優異的性能。加工工藝見圖2。

圖2 加工工藝

表1 電熱鞋技術指標

表2 大容量電池技術指標

表3 硅膠加熱片技術指標

表4 PET絕緣金屬電熱膜技術參數

表5 碳纖維加熱板技術指標

表6 電池開關技術指標

5 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋主要技術指標

5.1 電熱鞋技術指標（見表1）

5.2 大容量電池技術指標（見表2）

5.3 硅膠加熱片技術指標（見表3）

5.4 PET絕緣金屬電熱膜技術參數（見表4）

5.5 碳纖維加熱板技術指標（見表5）

5.6 電池開關技術指標（見表6）

6 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋對比分析

電熱鞋在我國已經發展了六、七年的時間,目前也有為數不少的廠家生產電熱鞋,但市場開拓進展遲緩,電熱鞋雖然在鞋子保溫方面達到了一定的功效,但也存在著很多的問題,例如：安全性能受到質疑、電池壽命不夠長、散熱不夠均勻,而且目前的產品主要應用于軍警靴或勞保靴,多數屬于高幫鞋,在外型上存在著一定的缺陷,使得受眾消費群體比較局限,滿足不了不同地區消費者的需求。

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用自主研發的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應用技術,結合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關聯規律,在鞋子一定的體積內把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產品功能和對使用時間的要求,保證其提供的電量可供發熱片持續發熱2～18 h以上,可以反復充電,延長了電源使用壽命。采用特殊的防潮防爆設計、電池隔離設計,確保其使用安全可靠。電池電路有短路自動保護功能,自動斷電后保護其元器件不受損。高抗震性,保證任意高度的自由落地都不受損。并且根據不同性別對鞋子要求不同的特點,特別設計有男款、女款,符合現代人群越來越注重養生與外觀美的需求,因此它有著很大的市場潛力。

陳罘杲,男,畢業于哈爾濱電工學院、北京農業電力工程學院,博士,“中國現代功能鞋理論”創始者和學科帶頭人,擁有在電磁、化工、環境、功能鞋、納米材料、電光源、農業等領域的發明專利50多項,現任山東日納功能材料科技股份有限公司總經理,湖南科技大學輕化學院客座教授。