基于不同使用环境及负载条件下暖贴产品发热特性研究

黄凯杰 周燕舞 叶芷瑜

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

暖贴产品：通常俗称“暖宝宝”，是以铁粉为主要原料，与空气发生氧化反应而持续释放热量，用于人体取暖的一次性自反应暖贴。

目前，现行国内标准仅有QB/T 4903-2016《暖贴》，据企业反馈，产品温度测试不精确，波动性偏大。此外，由于暖贴产品发展起源于日本，日本有工业标准：JIS S 4100《一次性暖包》，国内外标准差异的对测试结果的影响需要验证。

现有标准主要是考核的是不能直接粘贴在皮肤的暖贴（如图1所示），随着暖贴市场的发展，类似眼罩类可以直接粘贴在人体皮肤上的暖贴产品（如图2所示）缺少相关的测试标准。

本文从对比研究使用环境（如10 ℃、23 ℃、35 ℃环境温度下）、测试负载（如置于空气中、直接贴在真人身上、贴在模拟硅胶身上以及贴在模拟人体温度的测试装置上等）等环境下暖贴产品的温升曲线及发热特性入手，结合国内外QB/T 4903-2016《暖贴》和JIS S 4100《一次性暖包》的差异，探索出一种可用于眼罩产品的温升测试方法，为下一步标准修订提供数据参考及建议。

1 不同温度及负载条件下测试结果分析

为了验证暖贴产品在不同环境温度及负载条件的发热特性，取某厂生产的同一批次的暖贴产品（测试样品如图3、图4所示），每次仅改变1个变量，研究在不同条件下发热特性差异。

图1 暖贴（不可直接贴于皮肤上）

图2 暖贴（可直接贴于皮肤上）

1.1 环境温度对试验结果的影响

1.1.1 产品重复性测量

取5片暖贴产品，在无对流房间中，环境温度控制在（23±2）℃，贴在底衬材料为2层纱布上，测试样品不覆盖，每个暖贴产品布4条热电偶监测，测试时间为工作至器具不发热为止，记录产品的发热情况，如表1所示。

根据五组样品的测试结果，依据公式1和公式2，计算最高温度、平均温度、平均温升和工作时间的平均值和标准差。

从表1结果可见，在相同条件下，样品间的测试结果标准差均小于1，一定程度上说明样品的均匀性及复现性较好。

1.1.2 环境温度对测试结果的影响

在无对流房间中，环境温度分别控制在（10±2）℃、（23±2）℃、（35±2）℃条件下，贴在底衬材料为2层纱布上，每个暖贴产品布4条热电偶监测，测试样品分别在覆盖和不覆盖两种状态下工作，测试时间为工作至器具不发热为止，记录产品的发热情况。

测试样品在不覆盖的情况下，测试结果如表2，图5所示。

从表2，图5结果可见，在不同环境温度条件下，样品最高温度及发热时间有差异，笔者分析，主要有以下两个方面原因：

1）暖贴产品的铁粉含量恒定，即能产生的热量理论上是确定的。这就能解释为什么在10 ℃环境下最高温度只能达到23 ℃，而在23 ℃环境下最高温度可以达到39 ℃。

2）从平均温升和发热时间来看，暖贴产品在23 ℃和35 ℃平均温升比在10 ℃环境下平均温升高，发热时间长，笔者分析可能是暖贴产品在氧化反应速率与环境成负相关，即环境温度越高，产品氧化反应速度越慢。

测试样品用8层普通平面绒覆盖情况下，测试结果如表3，图6所示。

图3 测试样品背面

图4 测试样品正面（带4个单独发热面）

表1 产品重复性测量

表2 不同环境温度、无覆盖条件下测试结果

图5 不同环境温度、无覆盖条件下测试结果

从表3，图6结果可见，测试样品在覆盖的情况下，发热时间及最高温度都比不覆盖时高一些，笔者分析可能是因为覆盖物起到一定的保温作用，防止热量快速散失。

通过产品覆盖和不覆盖的对比测试，可以得出一个结论，为了更好的反映暖贴产品的实际使用情况，应根据产品预期用途来确定产品是否需要覆盖。

1.2 不同负载对试验结果的影响

在无对流房间中，环境温度控制在（23±2）℃条件下，测试样品贴在不同负载上，1#贴在底衬材料为2层纱布上、2#贴在女生真人身上、3#贴在男生真人身上、4#贴在硅胶上，每个暖贴产品布4条热电偶监测，测试样品用8层普通平面绒覆盖，测试时间为工作至器具不发热为止，记录产品的发热情况，测试结果如表4，图7所示。

从表4，图7结果可见，测试样品在不同负载的情况下，最高温度和工作时间有差异，测试样品贴在常温的纱布及常温的硅胶上的测试结果不能正确反映器具在人身上的工作情况。

分析：暖贴产品受环境温度及负载差异影响较大，为了能准确测量暖贴产品的发热特性，需要有相关测试负载装置来模拟暖贴产品在人身上工作的情况。

测试负载装置应能模拟人皮皮肤构造及人体表皮温度情况，应关注测温设备表层的厚度模拟皮肤厚度、设备表层温度模拟皮肤表层温度以及液体流速控制来模拟血液流动带走热量的情况。

2 国内外暖贴标准测试差异

现行国内外标准主要有国内行业标准QB/T 4903-2016《暖贴》和日本有工业标准：JIS S 4100《一次性暖包》，对比QB/T 4903-2016与标准JIS S 4100温升测试方法，差异情况见表5。

对比中外标准的测试方法，可以发现：

1）测试的环境温度有略微差异，但是都在20±5 ℃范围内；

2）试验装置的温热部表面材料组成有差异，JIS标准使用7块厚1 mm聚丙烯板，国内行标使用1块厚8 mm聚丙烯板；

3）循环式恒温水箱的温水流量和温热部表面温度有差异，JIS标准循环水箱的流速较大，温热部表面温度较低。为验证此差异对测试结果的影响，进行多组对比试验，测试结果见表6；

表3 不同环境温度、有覆盖条件下测试结果

图6 不同环境温度、有覆盖条件下测试结果

表4 不同负载条件下测试结果

图7 不同负载条件下测试结果

4）JIS标准规定了测温用热电偶的形状以及温热部表面材料放在温热部上要有排除空气的相关措施，可以一定程度避免其他干扰因素；

5）国内外标准所考虑的暖贴产品都不适于直接贴在皮肤上的暖贴产品（如眼罩），对于蒸汽眼罩类产品的测试，急需有统一的测试标准及测试方法。

为了验证温水流量及温热部表面不同对测试结果的影响，进行以下试验，1#（温热部表面温度30±1 ℃，温水流速12±2 L/min）、2#（温热部表面温度35±1 ℃，温水流速12±2 L/min）、3#（温热部表面温度30±1 ℃，温水流速2～4 L/min）、4#（温热部表面温度35±1 ℃，温水流速 2～4 L/min）。

表5 QB/T 4903-2016与JIS S 4100测试方法对比

表6 不同表面温度及流水速度的测试结果

通过表6、图8测试结果，笔者分析：测试样品在不同的温热部表面温度上测试结果不同，相同流速下，温热部表面温度越高，得到的最高温度越高；测试样品在不同的温水流速下测试结果也不同，相同温热部表面温度下，温水流速越高，得到的最高温度越低。

由于暖贴产品的发热量基本恒定，暖贴产品与测试设备接触表面温度越高，得到的最高温度越高。此外，水流动的越快，带走表面热量的速度越快，测得的最高温度越低。从表6结果来看，理论分析与实际测试结果是吻合的。

因此在进行样品测试时，选择的测试条件就相当重要，查阅相关文献发现，人体体表温度大致如图9所示。

3 测温设备及温热部表面材料差异的研究

目前用于暖贴产品测试的测试设备主要有两种，一种是加热器和水箱融为一体，且带有多个测温表面，可以实现多个产品同时测量（简称圆桶测温装置，见图10）；一种是加热水容器与温热部容器分离，通过水循环将所需温度的水从加热水容器带到温热部容器后，再回到加热水容器的这样一种装置，测试窗口一般只有两个（简称矩形槽测温装置，见图11）。

3.1 不同测温装置测试结果比对分析

圆桶测温装置的优势是有8个测试区域，可实现多个产品同时检测，不足之处在于无法控制水流速度，可能会导致工作区域热量集聚，不能准确模拟人体血液流动带走热量的情况；

矩形槽测温装置的优势温热部与加热槽独立，避免水温波动太大，同时带有流速控制装置，可以一定程度模拟人体血液流动情况，不足之处在于测试区域只有2个。

为了验证两个测温装置的测试效果，取2片试验样品，分别贴在圆桶和矩形槽测温装置上进行测试，环境温度控制在23±2 ℃、温热部表面温度控制在35±1 ℃，测试样品不覆盖，样品1#贴在圆桶上、样品2#贴在矩形槽上（水流速度控制在低流速，1 L/min），测试结果见表7。

从表7可见，在温水基本没有流速的情况下，圆桶测温装置与矩形槽测温装置测试结果基本一致。不过，当对温水流速有要求时，圆形桶无法满足测试条件。

图8 不同表面温度及流水速度的测试结果

图9 人体体表温度示例

图10 圆桶测温装置

图11 矩形槽测温装置

3.2 不同温热部表面材料测试结果对比分析

JIS标准使用的温热部表面材料为7块厚1 mm聚丙烯板，国内行业标准使用的温热部表面材料为1块厚8 mm厚聚丙烯板（见图12），由于聚丙烯板材料的柔韧性及弯曲性，实际操作中很难将7块聚丙烯板紧密结合并在不胶黏情况下排除额外空气。在两种材料测试结果可以等效的情况下，笔者更倾向于使用1块厚8 mm厚聚丙烯板代替7块厚1 mm聚丙烯板。

由于聚丙烯板材料在实际操作中也是比较难紧密贴合在温热部表面，因此需要寻找一种可以替代的材质。此类材料不仅需要在导热性、柔软度等方面优于聚丙烯板，而且还需要与人体皮肤相似，经过查找相关文献及对比分析，笔者发现硅胶材质在这方面可以满足要求。硅胶材料与聚丙烯板材料实物对比图见图13。

为了验证聚丙烯板材质与硅胶材料差异对测试结果的影响，在保证其他测试条件相同情况下，仅改变温热部表面材料，测试样品1#温热部表面材料为7块厚1 mm聚丙烯板、测试样品2#温热部表面材料为1块厚8 mm聚丙烯板、测试样品3#温热部表面材料为1块厚8 mm硅胶，测试结果见表8。

从表8的测试结果，笔者分析三种温热部表面材料的测试结果基本相同，存在互相替代的可能。另外，由于硅胶的柔软性好，与温热部的贴合会更加紧密，所以热传导效率也会高些，比如设定相同的温度条件下，不同温热部表面材料测得的初始温度，硅胶＞1片8 mm厚聚丙烯板＞7片1 mm厚聚丙烯板。所以在温热部表面材料可选择的情况下，笔者更倾向于使用硅胶材料。

3.3 测试装置覆盖材料和下垫材料的必要性

JIS S 4100《一次性暖包》和 QB/T 4903-2016《暖贴》测试装置中都使用了2层纱布作为下垫材料、8层平面绒作为覆盖材料。笔者分析标准中如此规定的目的是为了模拟暖贴产品的实际使用情况，不直接贴在人体皮肤上（可能模拟隔了一层衣服），同时考虑使用者外部还有其他衣服包裹的情况。因此对于测量QB/T 4903-2016和JIS S 4100标准中的暖贴产品（如暖宝宝），此覆盖材料和下垫材料是合理且必要的。

但是，现在市面上出现很多可以直接贴在皮肤上使用的暖贴产品（如蒸汽眼罩），现有标准测试方法是不能全部适用的，急需行业出台制定相关的标准。笔者建议，在制定蒸汽眼罩等直接贴于皮肤的暖贴产品标准时，应取消下垫材料，如果产品使用时不会存在覆盖，也需要取消覆盖材料。此外，如果暖贴产品使用的位置不是一个平面，如蒸汽眼罩使用在眼睛周边，笔者建议是否将温热部的表面材料换成脸部模型形状，而不是一个平面。

表7 不同测温装置测试结果

图12 不同标准要求的聚丙烯板

图13 聚丙烯板材料与硅胶材料

表8 不同温热部表面材料测试结果

4 总结

本文通过研究某款暖贴产品在不用的环境温度下、不同负载条件下以及不同的测温设备下的发热情况，结合对比研究中外标准的测试方法差异，设计了对比试验，发现暖贴产品与环境温度、负载条件影响较大，并初步得出以下结论：

1）环境温度会影响暖贴产品的最高温度和发热时间，环境温度越低，发热时间越短。

2）暖贴产品在有覆盖条件下比没覆盖条件下能达到的最高温度更高。

3）测温装置温热部表面温度越低，测得的最高温度越低。

4）测温装置温水流速越快，测得的最高温度越低。

5）测温装置表面材料用硅胶材料代替聚丙烯板材料，存在可替代性。

经过一系列的对比研究，旨在探究更为合理的暖贴产品温升测试方法，探讨不同温水速度及温热部表面材料差异对测试结果的影响，为后续暖贴标准的修订或眼罩标准的制定提供了数据依据及建议。