智能发热服装研究现状及发展趋势

王 祯，施养承，田明伟

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院/中华人民共和国应急管理部化学品登记中心，山东 青岛，266000；2.安徽省迪盛织造整理有限公司，安徽 亳州，233600；3.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛，266071)

1 引言

人类是恒温生物，体温一般保持在37℃左右，周围环境温度低于该温度时，轻则使人感觉不适，重则对人体造成危害，导致冻伤、生理机能减弱等，甚至危及生命安全[1]。在实际生产生活中，当环境温度低于人体舒适温度范围，特别是冬天或者低温环境中(最低气温可达-30℃～-40℃)，这就需要对人体进行保温。服装是人体抵御寒冷最直接有效的方式之一，但传统服装已不能满足人们对服装功能性的需求，防寒保暖服装应运而生。

目前，防寒保暖服装主要分为两大类：一类是消极产热式保暖服，即被动产热式，通过纺织品材料本身的隔热性能或增加静止空气含量实现阻隔热量传递以增加保暖性能[2]。传统的保暖服装多数为这类被动式的服装，如棉服、羽绒服等，只是单纯靠阻隔人体热量的散失来保持身体温度，服装比较臃肿、笨重，且如果温度下降到一定程度，此类服装难以充分维持人体的温度。另一种则是积极产热式保暖服，即主动产热式，通过外加产热装置，使得服装能在需要时直接为人体提供额外热量[2]。当人体在极寒环境中、受伤或无法对人体进行很好的热量补给情况下，积极产热式保暖服更具优势。智能发热服装不仅可提供动态调节的保暖功能，而且轻便适体，其发展必然会对传统服装领域带来巨大冲击，同时也将带来全新的发展机遇。

2 智能发热服装

目前，智能发热服装主要是指电发热类智能发热服装，即以电能为能源，将电能转化为热能以达到保暖御寒作用的服装。早在20世纪70年代，日本最先将电能应用到服装保温上研制出电热裤，开辟了电子与服装结合的新纪元[3]。随后，相继出现了电热衣、电热护膝、电热袜等电热服装产品[4]。我国于20世纪80年代初期研制出电热服，且自电热服出现以来各种发明层出不穷，被应用于多种行业服装(如飞行员、潜水员、轮船驾驶员等)，随着科技的发展，其应用领域和范围不断拓展[5]。然而，电热服的加热装置往往缺乏加热控制系统，或仅能通过档位来调节加热温度而没有相应的温度感应及反馈机制，因此有加热效率与舒适性差的问题。

智能发热服是指将发热装置与纺织品面料相结合，能够主动产热且温度可调控的一种新型电发热服装。其发热装置包括发热元件、蓄电池、导线、温控装置及温度传感器。目前发热层温度设计在45℃左右，也可根据需要设计。电发热服装的核心是发热元件，其品质和性能是发热服装走向产业化的关键。发热元件材料由金属丝发展到碳纤维，再到石墨烯，电热转换效率越来越高，解决了传统产品不能持久发热的问题。目前市面上发热服装的发热片一般位于前胸和后背，也可根据需求定制，将发热片配置到发热服的不同部位。随着技术的发展，智能电发热服的市场竞争终究会转化为发热材料性能的比拼，如材料的发热功耗、舒适性及与纺织材料的兼容性等。

3 智能发热服装研究现状

3.1 碳纤维类智能发热服装

碳纤维强度高、密度小、耐腐蚀性强且导电性能好，电学、热学和力学性能优异。碳纤维作为智能发热服装的发热材料，除了具有升温迅速，电热转化率高，使用寿命长等优点外，还具备发热时产生远红外线的功能[6]。因此可利用碳纤维发热材料开发出具有保健功能的发热保暖服装。

碳纤维发热服装与之前的电发热服装相比具有很多优点，如发热效率高：碳纤维发热服装中的发热体为碳纤维织物，发热区域大、电热转化率高、远红外发射率高。安全性高：碳纤维工作电压低，与传统电热丝发热服装相比，碳纤维发热服装安全性更高，且碳纤维发热体升温和冷却速度快，因此，碳纤维发热服装能够实现精确控温，适用性更广。舒适性好：碳纤维发热服装中的发热体为碳纤维布，柔软、轻薄、透气，穿着舒适性更好。但目前碳纤维发热服装也存在发热装置防水和耐搓洗性差的问题，因此发热装置只能采用可脱卸设计。

3.2 石墨烯类智能发热服装

石墨烯是继富勒烯和碳纳米管之后的新型碳纳米结构材料，是一种二维层状、单原子厚度的碳单质，由sp2杂化的碳原子在二维平面上有序排列而成(如图1)。原则上，石墨烯是单层原子厚度的碳单质，即单片层石墨烯，但在实际研究应用中，层数较少或者含有其他原子的类似结构，也被称为石墨烯[7]。石墨烯被认为是其他各维碳材料的基本组成单位。石墨烯可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨[8，9]。独特的结构赋予了石墨烯优异的性能，尤其在电学、光学、热学、力学等方面性能更加突出。同时，石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，且石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小[10，11]。基于焦耳定律，石墨烯发热服在使用的过程中，通电之后便会迅速发热，而石墨烯发热服装工作的关键元件在于石墨烯薄膜，通过如图2所示的石墨烯薄膜制备工艺，使得石墨烯片层之间能够形成均匀连通的导电网络，施加较低的电压即可产生较高的热量。

图1 石墨烯、氧化石墨烯的结构示意图

图2 石墨烯发热膜制备工艺和工作示意图

石墨烯发热服的主要特性除了产热效率高外，还具有理疗功能。其特有的六角型结构能够反射人体发出的远红外线，有效保持人体温度，且石墨烯在发热时发出的6 μm～14 μm远红外光对人体健康十分有益。此外，石墨烯面料更加轻盈、透气，具有良好的弹性，如2018年冬奥会闭幕式、2019年春晚，演员穿着轻薄的石墨烯智能发热演出服装时既不会被冻伤，还能保证动作流畅舒展。2018中国国际服装服饰博览会上展出的智能石墨烯发热服，能够实现人工智能语音对话，可以轻松实现人衣互动、精细控温、定制参数、提供个性化健康使用方案等。

4 智能发热服装发展趋势

发热材料是智能发热保暖服装开发的关键，近年来，以碳纤维、石墨烯等新材料为发热元件，先后研制出发热保暖内衣、发热防寒服等产品。随着技术的发展，智能发热服装将会成为发热保暖行业的一个热点，得到更广泛的应用，具有巨大的市场潜力，其发展也将更加多元化。

4.1 功能集成

随着人们对服装性能的要求越来越高，智能发热服装将更加重视功能集成，除保暖功能外，还应具备保健、抗菌、防污、抗静电等功能。物联网的迅速推广为发热保暖服装智能化发展提供了机遇[12]。服装的拓展性和兼容性既为多功能的实现奠定了基础，也为传感器元件的集成提供了平台。未来智能化发热服装除了轻便保暖，在人体健康感知、监测、护理、疾病预防、疾病预警等方面也将逐渐完善。

4.2 环保舒适

由于智能发热服装研发、生产涉及的学科众多，因此开发过程要高度重视环保，实现研发、生产、使用、废弃的全过程无污染或少污染。此外，智能发热服装的发展在保证保暖性的同时，也需实现功能性和舒适性的协调，以提高消费者的认可度。

4.3 经济耐用

目前，发热保暖服装成本过高，不利于推广使用，因此加大低成本发热保暖材料的研发力度，使之具有良好的经济适用性，是今后的研究方向之一。此外，智能发热服装质量参差不齐，发热元件在穿用或洗涤维护后，性能会有所下降。因此，发热保暖材料的耐用性也是今后的研究重点之一。

5 结语

智能发热保暖服装是一种积极产热式保暖服，可明显提升人体对低温环境的耐受度。随着科技、材料、服装设计、电路集成水平的提升以及生产成本的下降，智能发热保暖服装会逐渐进入人们的生活。今后智能发热保暖服装需从功能集成、环保舒适、经济耐用等方面加大研发力度，以实现产学研与市场的精准对接，满足不同消费群体对智能发热保暖服装的需求。