電加熱戶外服發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，發熱元件是電加熱服的重要組成部分。由于穿著環境和場合限制，電加熱戶外服對于發熱元件的電熱性能有著較高的要求。碳纖維發熱元件、石墨烯發熱元件及碳納米管發熱元件是適用于服裝的發熱元件。為篩選出最適用于電加熱戶外服的發熱元件，通過對比實驗，對三種發熱元件的電熱性能（升溫速度、發熱均勻性、發熱穩定性）進行測試。結果表明，碳納米管發熱片各項表現均優于碳纖維發熱片以及石墨烯發熱片，為電加熱戶外服的發熱元件的篩選奠定基礎。

關鍵詞：發熱元件;升溫速度;發熱均勻性;熱穩定性

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

1升溫速度

1.1實驗方案

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

1.2實驗結果與分析

通過Origin對數據進行處理，得到每種發熱片升溫曲線如圖1所示。通電過程中，3種發熱片表面溫度均呈現先上升再趨于穩定的趨勢。通電初期發熱片的產熱量遠大于散熱量，發熱片表面溫度上升速度較快。隨著發熱片表面溫度的上升，發熱片表面溫度與外界環境間溫度差增大，散熱量增大，發熱片表面溫度上升速度減小，直至發熱片的散熱量等于產熱量時，發熱片表面溫度也達到一個相對穩定的狀態。

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

2發熱均勻性

2.1實驗方案

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

Tz——發熱片幾何中心處的溫度，單位為K;

Ti——發熱片第i點的溫度，單位為K;

n——除發熱片幾何中心處測溫點外的測溫點數目，無量綱;

a——溫度分布系數，無量綱。

2.2實驗結果與分析

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

通電過程中三種發熱片溫度分布系數均呈現先增大再趨于穩定的趨勢。通電初期，發熱片各部位之間溫度差異較小;隨通電時間的增加，發熱片各部位之間溫度差異增大，溫度分布不均勻。實驗結果表明，三種發熱片溫度分布系數從小到大分別為碳納米管發熱片、石墨烯發熱片、碳纖維發熱片。溫度分布系數越小，發熱片發熱均勻性越好，因而碳納米管發熱片發熱最均勻。

3發熱片熱穩定性

3.1實驗方案

發熱片的熱穩定性是指發熱片工作達到穩定狀態、表面溫度一定的情況下，發熱片電阻穩定性。將三種發熱片放在溫度為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熱片常溫下的初始電阻;校對QC3.0USB電流電壓計，將其與發熱片串聯，通過額定電壓為5V的充電寶為發熱片供電，通過紅外熱像儀optris400對發熱片溫度進行監測，待發熱片溫度穩定后用QC3.0USB功率計測試通過織物的電流和電壓，計算發熱片在該溫度下的電阻，每種發熱片重復3次。

3.2實驗結果與分析

通過計算所得發熱片溫度穩定時的電阻Rr和初始電阻R0，對發熱片的電阻變化率?進行計算，計算公式如下：

?——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。

三種發熱片在發熱溫度達到穩定狀態后，通過發熱片的電流、電壓、發熱片電阻以及電阻變化率如表1所示。

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

4結束語

對碳纖維發熱片、石墨烯發熱片以及碳納米管發熱片的升溫速度、發熱均勻性以及熱穩定性進行測試，結果表明碳納米管發熱片在各方面表現均優于石墨烯發熱片和碳纖維發熱片，具有優秀的電熱性能。本文實驗結果為電加熱戶外服發熱元件的篩選提供理論依據。

參考文獻

[1]唐世君，郭詩珧.電加熱服裝的研制[J].中國個體防護裝備，2013（06）：5-8.

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[3] Syed Talha Ali Hamdani，Anura Fernando，Muhammad Maqsood. Thermo-mechanical behavior of stainless steel knitted structures[J]. Heat and Mass Transfer，2016，52（9）.

[4]李雅芳. 基于鍍銀紗線的加熱織物制備及其熱力學性能研究與仿真[D].天津工業大學，2017.

[5]吳官正，張玲，范佳璇，董維鋒，韓曉果，肖學良.服裝用發熱碳纖維串并聯模型對發熱效率及均勻性的影響[J].服裝學報，2018，3（04）：294-300.

[6]張猛，富秀榮.碳纖維發熱織物的電熱性能研究[J].合成纖維，2015，44（11）：25-27+57.

[7] Hamdani Syed Talha Ali，Potluri Prasad，Fernando Anura. Thermo-Mechanical Behavior of Textile Heating Fabric Based on Silver Coated Polymeric Yarn.[J]. Materials （Basel， Switzerland），2013，6（3）.

作者簡介：王鑫，碩士，主要研究方向為服裝先進制造與人體科學研究。

通訊作者：魯虹，副教授，主要研究方向為服裝先進制造與人體科學研究。

（東華大學 服裝與藝術設計學院?上海?200051;東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室?上海?200051）