電加熱戶外服發(fā)熱元件電熱性能評價

王鑫 魯虹

摘要：電加熱服是近年來研究的熱點(diǎn)，發(fā)熱元件是電加熱服的重要組成部分。由于穿著環(huán)境和場合限制，電加熱戶外服對于發(fā)熱元件的電熱性能有著較高的要求。碳纖維發(fā)熱元件、石墨烯發(fā)熱元件及碳納米管發(fā)熱元件是適用于服裝的發(fā)熱元件。為篩選出最適用于電加熱戶外服的發(fā)熱元件，通過對比實(shí)驗(yàn)，對三種發(fā)熱元件的電熱性能（升溫速度、發(fā)熱均勻性、發(fā)熱穩(wěn)定性）進(jìn)行測試。結(jié)果表明，碳納米管發(fā)熱片各項(xiàng)表現(xiàn)均優(yōu)于碳纖維發(fā)熱片以及石墨烯發(fā)熱片，為電加熱戶外服的發(fā)熱元件的篩選奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：發(fā)熱元件;升溫速度;發(fā)熱均勻性;熱穩(wěn)定性

電加熱服是指以電能為能源，通過電加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能的服裝，發(fā)熱元件在電加熱服的發(fā)熱系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[1]。發(fā)熱元件大體可分為金屬發(fā)熱材料、碳纖維發(fā)熱材料以及電熱膜三大類。金屬發(fā)熱材料可通過將不銹鋼紗線、鍍銀紗線等排列于織物中設(shè)計(jì)而成[2-4]。碳纖維發(fā)熱材料是將不同排列方式的碳纖維通過導(dǎo)電材料固定于基布上制成[5-6]。電熱膜多為三明治結(jié)構(gòu)[7]，碳納米管發(fā)熱片就是某公司研發(fā)的新型電熱膜。不同種類的發(fā)熱元件適用于不同領(lǐng)域，本文對市場上常見的三種適用于服裝的發(fā)熱元件電熱性能進(jìn)行評價，為電加熱戶外服發(fā)熱元件的篩選提供依據(jù)。

1升溫速度

1.1實(shí)驗(yàn)方案

發(fā)熱片的升溫速度是衡量發(fā)熱片電熱性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。升溫速度越快，發(fā)熱片的電熱性能越優(yōu)秀。將碳纖維發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片和碳納米管發(fā)熱片放在溫度為20℃，相對濕度為65%的恒溫室內(nèi)平衡。通過額定電壓為5V的充電寶供電，利用紅外熱像儀optris400測量發(fā)熱片幾何中心溫度，每10s測量一次，持續(xù)6分鐘。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每種發(fā)熱片升溫曲線如圖1所示。通電過程中，3種發(fā)熱片表面溫度均呈現(xiàn)先上升再趨于穩(wěn)定的趨勢。通電初期發(fā)熱片的產(chǎn)熱量遠(yuǎn)大于散熱量，發(fā)熱片表面溫度上升速度較快。隨著發(fā)熱片表面溫度的上升，發(fā)熱片表面溫度與外界環(huán)境間溫度差增大，散熱量增大，發(fā)熱片表面溫度上升速度減小，直至發(fā)熱片的散熱量等于產(chǎn)熱量時，發(fā)熱片表面溫度也達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

在輸入相同的電壓的情況下，碳納米管發(fā)熱片的瞬時溫度最高，相較于其他兩種發(fā)熱片，碳納米管發(fā)熱片的熱慣性最小、熱響應(yīng)所需時間最短，碳納米管發(fā)熱片的升溫速度較石墨烯發(fā)熱片和碳纖維發(fā)熱片更快。

2發(fā)熱均勻性

2.1實(shí)驗(yàn)方案

發(fā)熱片表面不同位置發(fā)熱溫度的一致性稱為發(fā)熱片表面溫度分布的均勻性，是衡量發(fā)熱片電熱性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。本實(shí)驗(yàn)在溫度為20℃相對濕度為65%的恒溫室內(nèi)進(jìn)行。通過額定電壓為5V的充電寶為發(fā)熱片供電，持續(xù)6分鐘，采用紅外熱像儀optris400對3種發(fā)熱片工作時表面溫度進(jìn)行測量，每隔30秒拍攝一次紅外圖像。參照國標(biāo)GB/T7287-2008，利用紅外熱像儀自帶軟件對每種發(fā)熱片表面9個部位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，測溫點(diǎn)的選取如圖2所示。通過公式（1）計(jì)算溫度分布系數(shù)。

Tz——發(fā)熱片幾何中心處的溫度，單位為K;

Ti——發(fā)熱片第i點(diǎn)的溫度，單位為K;

n——除發(fā)熱片幾何中心處測溫點(diǎn)外的測溫點(diǎn)數(shù)目，無量綱;

a——溫度分布系數(shù)，無量綱。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過紅外熱像儀自帶軟件分別對3種發(fā)熱片每個測溫點(diǎn)的溫度進(jìn)行提取，通過Excel對發(fā)熱片每隔30秒的溫度分布系數(shù)a進(jìn)行計(jì)算，利用Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖3所示的三種發(fā)熱片溫度系數(shù)隨時間變化曲線。a1、a2、a3分別為碳纖維發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片、碳納米管發(fā)熱片的溫度分布系數(shù)。

通電過程中三種發(fā)熱片溫度分布系數(shù)均呈現(xiàn)先增大再趨于穩(wěn)定的趨勢。通電初期，發(fā)熱片各部位之間溫度差異較小;隨通電時間的增加，發(fā)熱片各部位之間溫度差異增大，溫度分布不均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種發(fā)熱片溫度分布系數(shù)從小到大分別為碳納米管發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片、碳纖維發(fā)熱片。溫度分布系數(shù)越小，發(fā)熱片發(fā)熱均勻性越好，因而碳納米管發(fā)熱片發(fā)熱最均勻。

3發(fā)熱片熱穩(wěn)定性

3.1實(shí)驗(yàn)方案

發(fā)熱片的熱穩(wěn)定性是指發(fā)熱片工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)、表面溫度一定的情況下，發(fā)熱片電阻穩(wěn)定性。將三種發(fā)熱片放在溫度為20℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕室平衡，通過萬用電表測試三種發(fā)熱片常溫下的初始電阻;校對QC3.0USB電流電壓計(jì)，將其與發(fā)熱片串聯(lián)，通過額定電壓為5V的充電寶為發(fā)熱片供電，通過紅外熱像儀optris400對發(fā)熱片溫度進(jìn)行監(jiān)測，待發(fā)熱片溫度穩(wěn)定后用QC3.0USB功率計(jì)測試通過織物的電流和電壓，計(jì)算發(fā)熱片在該溫度下的電阻，每種發(fā)熱片重復(fù)3次。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過計(jì)算所得發(fā)熱片溫度穩(wěn)定時的電阻Rr和初始電阻R0，對發(fā)熱片的電阻變化率?進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

?——電阻變化率;

R0——織物常溫下的初始電阻;

Rr——織物在該溫度下的電阻。

三種發(fā)熱片在發(fā)熱溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過發(fā)熱片的電流、電壓、發(fā)熱片電阻以及電阻變化率如表1所示。

結(jié)果表明，三種發(fā)熱片電阻變化率?從大到小依次為碳纖維發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片、碳納米管發(fā)熱片。電阻變化率?越小，發(fā)熱片的熱穩(wěn)定性越強(qiáng)，因而碳納米管發(fā)熱片在三種發(fā)熱片中熱穩(wěn)定性最強(qiáng)，石墨烯發(fā)熱片次之，碳纖維發(fā)熱片的電阻變化率高達(dá)7.14%，熱穩(wěn)定性最差。

4結(jié)束語

對碳纖維發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片以及碳納米管發(fā)熱片的升溫速度、發(fā)熱均勻性以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試，結(jié)果表明碳納米管發(fā)熱片在各方面表現(xiàn)均優(yōu)于石墨烯發(fā)熱片和碳纖維發(fā)熱片，具有優(yōu)秀的電熱性能。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果為電加熱戶外服發(fā)熱元件的篩選提供理論依據(jù)。

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作者簡介：王鑫，碩士，主要研究方向?yàn)榉b先進(jìn)制造與人體科學(xué)研究。

通訊作者：魯虹，副教授，主要研究方向?yàn)榉b先進(jìn)制造與人體科學(xué)研究。

（東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院?上海?200051;東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?上海?200051）