基于石墨烯加熱膜片的自動控溫運動服

許 冰，鐘冬根，龔 龑，，4，齊 凱，周紅雷

（1.新疆大學紡織與服裝學院，烏魯木齊 830000；2.江西財經大學體育學院，南昌 330000；3.北京服裝學院材料學院，北京 100000；4.塔里木大學紡織服裝系，阿拉爾 843300）

1 背景

目前，中國石墨烯產業化的應用包括石墨烯粉末涂料和石墨烯發熱膜等。粉末涂料由于門檻相對較低，鑒別難度高，市場較為混亂；而石墨烯發熱膜，擁有單層石墨烯的明顯特征，具有透明、輕薄、柔軟可折疊等特性，也是實現大規模石墨烯民用的核心基礎[3][4]。石墨烯發熱膜也具有低電壓高熱量、安全輕薄便利等特性，因此可廣泛用于家庭智能取暖領域、智能體育活動、智能可穿戴領域[5][6]。體育運動員運動量大，熱量消耗快，比普通人更加需要維持身體溫度來保持肌肉運動活力[7][8]。

2 石墨烯膜制備

2.1 實驗藥品

表1 實驗藥品信息表Tab.1 Experimental drug information table

2.2 漿料的制備及涂膜

準確稱量45g 數均分子量為22000 的TPU（熱塑性聚氨酯）樹脂溶解在150gDMF 中，溶解溫度為80℃，溶解完全降至室溫后加入55g 助劑A（亮度調節劑）并攪拌均勻，標記為樹脂溶液1；準確稱量35g 數均分子量為35000 的TPU 樹脂溶解在150gDMF中，溶解溫度為80℃，溶解完全降至室溫后加入65g助劑A并攪拌均勻，標記為樹脂溶液2。

將樹脂溶液1、2 按質量比1：1 混合攪拌均勻配制成溶劑。本實驗配制4組不同濃度梯度的石墨烯漿料，質量濃度分別為5.5%、6.5%、7.5%、8.5%，四種助劑的質量分數和為1%，每組配制10g 石墨烯漿料。4 組漿料配制完成后，每組分別涂膜1~5 層，涂膜基底為7.5cm×2.5cm×1.61cm 的玻璃片，共20 片膜。將玻璃片置于120℃烘箱中恒溫干燥2h后取出降至室溫，最后在膜表面貼上銅箔電路。

表2 不同含量石墨烯漿料的成分表Tab.2 Composition table of graphite slurry with different content

圖1 7.5%wt石墨烯漿料實物圖及SEM圖Fig.1 7.5%wt graphene slurry physical image and SEM image

2.3 電性能表征

本實驗配合1cm2刀口電極測量膜的方塊電阻，所測電阻為測量10 處區域方塊電阻的平均值。石墨烯膜電導率通過公式σ=L/RDW 求得，式中σ：電導率（S/cm）；L：膜長度（7.5cm），D：膜厚度（cm），本實驗取10 組厚度數據的平均值；W：膜寬度（2.8cm），測試當天室溫為26.4℃。

圖2 石墨烯電加熱膜模型圖Fig.2 Graphene electric heating film model diagram

2.3.1 電壓與發熱膜溫度的的關系

圖a~d 為濃度梯度5.5%~9.5%的石墨烯漿料分別涂膜1~5層后其發熱溫度隨電壓變化的關系圖，由于本實驗中發熱膜的用途是為人體保暖，因此本實驗設定的電壓范圍選擇5~10V以上且每遇整數取一次溫度值，最大為10V。由圖可以看出，石墨烯濃度對發熱溫度的影響最為顯著，濃度越高，相同電壓下發熱溫度越高。另外，同一濃度的石墨烯膜涂膜層數越多，即厚度越厚，相同電壓下發熱溫度越高，對于施加5~10V電壓的電加熱服來說，只有濃度7.5%以上，涂膜層數3 層以上才能達到40℃左右的人體適宜溫度，濃度過低或涂膜層數太少均無法在指定電壓范圍內達到理想溫度。

圖3 不同濃度各層數下溫度與電壓的關系圖Fig.3 The relationship between temperature and voltage under different concentration and number of layers

2.3.2 電極間距與溫度分布的關系

本實驗認為電極間距是影響溫度分布的一個重要原因，為了驗證猜想本實驗將7個濃度梯度的石墨烯漿料分別涂在10cm×10cm的聚酰亞胺薄膜上，若將整片膜按圖示方法粘貼銅箔電路，將會把膜分成5個區域。

圖4 石墨烯電加熱膜示意圖及等效電路圖Fig.4 Schematic diagram and equivalent circuit diagram of graphene electric heating film

圖5 石墨烯膜電極間距與發熱溫度關系圖Fig.5 Relationship between electrode spacing and heating temperature of graphene film

圖5 為實際測得的石墨烯膜電極間距與發熱溫度關系圖，本實驗恒定電壓為10V。由圖可知相同濃度的石墨烯膜，電極間距越小，發熱溫度越高，發熱更加均勻，這是因為相同尺寸的膜片，電極間距越小，則分隔的區域越多，在電路圖中表現為并聯的電阻越多，因此電路總電阻越小，相同電壓下發熱溫度越高。此外，考慮到人體適宜的溫度和成本、美觀等方面的因素，確定了石墨烯含量7.5%、電壓9~10v，電極間距1cm 的方案，后續將采用絲網印刷技術將石墨烯漿料和導電銀漿印在聚酰亞胺薄膜和織物上制成成品石墨烯電加熱膜，并將其初步應用于電加熱服領域。

3 涂膜及控制器原理

3.1 柔性基材涂膜

本實驗確定出最佳漿料配比及電極參數后，通過絲網印刷技術將漿料和電極印刷在聚酰亞胺薄膜上，做成如圖七所示的石墨烯電加熱膜，成品測試結果發現，以柔性的熱反射布料為基底的石墨烯電加熱膜，也可實現電加熱功能，且膜發熱面積更大，發熱更均勻。為了能更好的導電，因此銀漿兩邊鋪設鍍銀導線，用銅箔膠帶進行固定，兩端引出導線后接一個含有3 個檔位的控溫開關，另一端為USB 插頭，使用10V 移動電源對膜供電，加熱膜可在紅、藍、綠3個檔位穩定持續發熱，紅色為最低檔，發熱溫度為32~35℃；藍色為中檔，發熱溫度為35~8℃；綠色為最高檔，發熱溫度為38~40℃。

圖6 石墨烯電加熱布實物圖Fig.6 The physical drawing of the graphene electric heating cloth

圖7 石墨烯電加熱膜的循環穩定性Fig.7 Cyclic stability of graphene electroheated film

本實驗持續施加10V 電壓500h，膜發熱程度良好，溫度變化不大，發熱均勻。為測試膜的耐受性能，本實驗進行了循環穩定性實驗，將電壓由0V 調至10V，記錄最終溫度和升溫時間，再將電壓調至0V，待膜表面恢復到室溫后再調至10V，如此循環5000次，每隔500次取一次升溫時間和最終溫度的平均值，通過方差大小來分析膜的工作穩定程度，記錄數據如圖7所示。

可以看出，在循環穩定性實驗中，膜的升溫時間在10.8s 上下波動，方差0.05。圖顯示膜最終溫度在43℃左右上下波動，方差為0.20，兩組數據方差均不大，說明膜的發熱比較穩定。而且，經過5000 次循環穩定性測試后，性能依然良好，未出現斷路或溫度下降等問題。

3.2 控制器結構與工作原理

在鍵入擋位設置后，單片機發送測溫指令給DS18B20，使其開始測溫并進行溫度信息回傳。單片機將回傳溫度信息給LCD1602 顯示。在單片機內部，比較當前測量溫度是否超出溫度閾值，如果該溫度低于閾值，單片機啟動加熱單元來升高膜片溫度，并且蜂鳴器報警；如果該溫度未高于閾值，除控制LCD實時顯示當前溫度外，不作任何操作。

圖8 系統整體框圖Fig.8 System overall block diagram

由圖9 可以看出，本控制器的硬件分為7 個模塊，分別為電源模塊、控制驅動模塊、DS18B20測溫模塊、上拉電阻、1602液晶模塊、蜂鳴器驅動和按鍵模塊。本實驗的最高電壓達到10V，不能直接給其他模塊供電，因此電源模塊設置了7805 穩壓器，將電壓轉換為5v供給到其他模塊上。DS18B20測溫模塊和控制驅動模塊都設置了三組接插件，因為本實驗需要控制器獨立控制三個膜片的工作狀態，蜂鳴器與1602顯示器，分別是用于按鍵的聲音反饋和溫度的狀態顯示。按鍵的功能分別是加減溫度（擋位調換），確定與取消溫度設置。由于stc 帶載能力弱無法驅動1602顯示器，因此本電路設置了上拉電阻提高信號的帶載能力。

圖9 硬件電路圖Fig.9 Hardware circuit diagram

4 結語

制備出一種石墨烯粉末摻加高聚物得到石墨烯漿料的配方，涂膜后得到電加熱膜，分析了電壓（9~10V）、膜層（3層）、升溫溫度（32~35、35~38、38~40℃，三個檔位）等參數與石墨烯含量（7.5%wt）之間的關系，確定出最佳石墨烯含量和電極間距（1CM）。最后采用絲網印刷技術，將漿料和電極印在柔性熱反射布料上制備成石墨烯電加熱膜成品，測試了膜的使用壽命和循環穩定性（10V電壓下連續工作500h及5000次穩定發熱），確定了膜的可靠性后在電源與膜片之間加入了控制器，可獨立控制每個膜片的工作狀態及升溫速率，最后將柔性膜嵌入沖鋒衣中得到了可用的電加熱裝。

圖10 運動服成品圖Fig.10 Sportswear finished image