电加热服装的研究进展

张雪青，余弘，张岳兰，陈凤梅，沈悦明

（上海市质量监督检验技术研究院，上海200040）

0 引言

随着人类探索和改造自然的脚步不断前进，人类活动空间的不断拓展，如何对抗低温已经成为人类面临的主要问题之一[1]。一些需要长期进行户外工作的特殊工种人员以及生活在极寒地区的人们需要抵抗严寒气候的有效措施[2]。在现代社会中，人们对美的追求越来越高，要求服装既保暖，又不可显得臃肿，而传统服装很难达到上述要求。因此，在纺织业界出现了各种类型的防寒保暖服装被广泛研究的现象。

1 防寒保暖服的发展

依据热源形式的不同，防寒保暖服大致可以分为消极产热式防寒保暖服和积极产热式防寒保暖服两类。消极产热式防寒保暖服通过阻碍空气流动，增加服装与人体之间静止空气层的含量来达到保暖的目的[3]。但是，由于人体自身产生的热量有限，在长期处于低温状态时很难单靠人体的肌肉、血管收缩和增加服装与体表之间静止空气层的含量来维持人体热量平衡[4]，而积极产热式防寒保暖服却能有效地解决这一问题。积极产热式防寒保暖服通过将外接能源转变为热能，加热体表空气，降低人体热量损失，从而达到保温的目的。因此，研制积极产热式防寒保暖服具有十分重要的意义。

目前，积极产热式防寒保暖服依据热源的种类大致可分为4种：电加热服装、化学加热服装、太阳能加热服装和相变调温服装[5]。其中，电加热服装以其发热效率高、工艺简单、轻便等优点成为国内外研究最多的积极产热式防寒保暖服。

2 电加热服装

电加热服装是一个复合系统，它先由电源、发热元件、温度控制系统、安全保护装置等通过导线连接成电路后，再将该电路置于服装内，利用电源控制电热元件产生热量，起到防寒保暖作用的一类服装的总称[6]。目前市场上所销售的电加热服装主要有电加热棉衣、夹克、马甲、背心、保暖套装、护腰等。

早在20世纪40年代，Marickt等[7]就将几乎可以覆盖全部身体的电加热垫置于面料和里料之间，开发出一款电加热服装。此后，研究人员对于电加热服装的研究不断深入。Deloire等[8]将聚氯乙烯涂在电热丝表面制成加热元件置于服装内，制成一款热量可比较均匀向全身传递的电加热服装；Ozan等[9]将导电纱线织入针织物中制成加热板，由镍金属氰化物和锂离子电池供电，设计出一款带有温度控制系统的电加热服装；操民[10]将聚酯膜放置于服装的内层充当加热元件，通过与电池连接达到为人体供暖的要求。此后，科研人员对电加热服装的研究主要集中于电源、发热元件、供热区域和热性能评价方法等方面。

2.1 电加热服装的供电电源

目前市场上电加热服装的供电电源主要有外接电源和移动电池组两类。

外接电源供电与普通家用电器一样，通过电源插头持续不断地为电加热服装供电，此种供电方式简单、稳定、持久，容易实现，但会限制人体行动，只能适用于室内和有固定插头的地方，不适合户外用途，因为其限制了用户的行动范围。因此，这种类型的产品并不常见。

移动电池组供电相对于外接电源供电更方便人的活动，但也有其自身的缺点。目前市场上的产品大多利用可反复充放电的锂电池作为电源供电，以方便人们的活动。然而，由于电池容量和耐用性对电加热服装的应用具有一定的限制，所以一般的移动电源只能维持电加热服装的高档位供电2～4 h[11]，满足不了长期从事户外活动的需求。若加大电池容量，会使电池的体积相应地增加，对服装的轻便性也会造成一定的影响。龚书平[12]和于欣[13]试图将无线充电技术用于给电加热服装的电源充电，在一定程度上虽然缓解了电池容量有限的问题，但同样限制了人的活动范围。另外，锂电池一般内置于服装内侧口袋或上衣裤子口袋中，由于其不能弯折和挤压，必须放在坚硬外壳里才可以使用，放在身上不但比较累赘，影响美观，而且还会对人的活动产生一些影响，降低舒适性。针对上述存在的问题，闫俣西[14]发明了一种可弯折可挤压的片状柔性电池，该柔性电池由若干个依次叠加的柔性固态电池单元组成，且每个柔性固态电池单元由柔性正极片、柔性隔膜和柔性负极片组成。在制作时，将柔性固态电池置于电加热护腰内，随着身体的弯曲可以很好地贴合在身上，同时具有支撑和固定作用，使用和携带非常方便，但目前对电池的寿命、电池容量与质量之间的矛盾等问题还未完全解决，有待进一步的研究。

2.2 电加热服装的发热元件

电加热服装主要通过发热元件发热实现保温加热的作用，发热元件的选择直接影响电加热服装的发热效率和穿着者的实际感受。常用的发热元件主要有金属发热材料、电热膜和碳纤维发热材料3类。其中，金属发热材料质地较硬，无法根据人体活动随意改变形状，一般用于电热毯等产品；电热膜透气性差，易氧化，一般也不作为电加热服装的发热元件；碳纤维发热元件电热转化率高、柔软、质轻、耐用，是一种比较合适的服用发热元件[11]。因此，目前市场上的电加热服装大多采用碳纤维发热材料作为发热元件。

随着石墨烯技术的发展，以石墨烯为发热元件的电加热服装逐步走向市场。崔志英等[15]通过比较石墨烯发热织物与碳纤维发热织物的发热效能发现，石墨烯发热织物热稳定性更好，升温速度更快，发热均匀性更好，加热效率显著大于碳纤维发热织物。除此之外，童潇等[16]将碳纳米管复合薄膜材料用作发热元件，也取得了良好的效果。许静娴等[17]将镀银纱线制成针织物作为发热元件，在6 V电压下能够获得良好的发热效果，可以很好地确保人体的热舒适性。

2.3 电加热服装的供热区域

电加热服装主要靠发热片来供给热量，因受当前电池电量的影响和对穿着舒适性的考虑，发热片无法覆盖全身，只能局部加热。目前，市场上的电加热服装发热片的安放位置主要在后背、前胸、腰部、腹部、膝关节等部位，但这种供热区域的选择合理性缺乏理论和试验依据。宋英莉等[18]结合中医理论研究，提出发热片在经脉部位会使人体皮肤温度大面积提高，优于其它位置。

2.4 电加热服装的热性能评价

当人体穿着电加热服装时，只有人体的周围环境处于热平衡状态，且保持在最适合的温度范围内才能达到良好的保温防寒效果，这就需要对电加热服装进行热性能评价，而人体着装试验法和暖体假人法是当前国内外学者们常用的热性能测试方法。

人体着装试验法就是让试验员穿着电加热服装，在正常工作情况下得到人体对电加热服装加热性能的主观评价。Haisman等[19]采用此方法研究了寒冷环境中人体穿着电加热服装和穿着普通服装时手部和脚部的温度变化，发现穿着电加热服装能够维持人体手部的温度，且能延缓脚部温度的下降。伍佳[20]制作了一款残疾人穿的电加热裤，他让腿部残疾者在不同温度下穿着该款电加热裤进行热舒适评价，结果表明该款热能裤可以很好地弥补残腿的热量损失，大大提高了残疾人在寒冷环境中的舒适度。Song[21]采用人体着装试验法研究了电加热服对于改善学生舒适性的作用，发现在寒冷环境下电加热服装能够显著提高学生手部的温度，人体的舒适性得到很大提高。

暖体假人法是采用暖体假人模拟人体与环境之间的热交换过程，测量体表温度变化的方法。Wang等[22-23]采用暖体假人测试法对电加热服装加热效率的影响因素进行了研究，发现电压、外界温度、风速等会影响电加热服装的加热效率。此外，还有研究人员采用暖体假人法测试了试验过程中软体假人身体各段皮肤温度的变化，得出电热背心是服装配套保暖量的主要贡献者。但是，上述研究只是指出电加热服装的热效能能够在一定程度上起到保温加热作用，对电加热服装的热效能要达到的水平并未形成统一的结论。

2.5 电加热服装的智能化发展

随着科学技术的进步，电加热服装也不仅仅局限于保暖这一项功能。科学工作者对电加热服的研究已经走向智能化，除了加热保暖功能外，还增加了许多其它功能，如数据传输功能、通讯功能、人体生理指标检测功能等。美国Malden Mills公司开发了一款智能加热服，可以将数据传输功能和通讯功能添加到该款智能加热服中，使之不仅仅是一款简单的电加热服装。The North Face公司研发的智能加热服装，可以实时检测人体的心率和体温，并根据检测结果自动地调节加热功率，达到智能控温的效果，使穿着者始终处于舒适的状态。

2.6 电加热服装存在的问题

电加热服装已经是市场上比较常见的一种产品，但现有电加热服装仍然存在许多不足：①电加热服装的电池带电量较小，无法满足长时间供电需求的问题仍未得到很好的解决；②电加热服装发热区域位置是否合理有待进一步考证；③绝大多数电加热服装还无法根据外界温度的变化自主地调节加热功率，只能由穿着者手动切换；④目前市场上的电加热服装一般设有高温档（65～70℃）、中温档（55～60℃）和低温档（40～45℃）3个档位，这种档位设置的合理性以及是否会因局部过热对人体产生伤害还有待进一步进行论证；⑤电加热服装既是服装产品，又是电器产品，其用电安全性应该受到关注，虽然目前市场上的此类产品均是使用12 V以下的安全特低电压供电，但并无明确的规定，且电气的安全性也未列入标准的考核范围。电加热服装作为一种跨学科领域的产品应该有专门针对该类产品制定的标准来规范市场，保护消费者的合法权益。

3 结论

随着科技的不断发展，各种智能产品越来越受到人们的青睐，电加热服装作为一种智能服装，必然有广阔的发展前景。从电源、发热元件、供热区域、热性能评价、智能化发展趋势等方面对电加热服装的研究情况进行分析，指出目前市场上电加热服装性能存在的一些不足之外（如电池耐用性的问题、未完全实现智能控温、温度设置的合理性、缺乏相应产品标准等问题），希望对今后电加热服装的进一步研究指明方向。