电加热服装服用性能研究进展

唐 灿，刘荣平，徐志强

（扬州市职业大学，江苏扬州 225009）

科技的进步和社会的发展使得人们的生活水平得到了大幅度提高，也使得人们的活动范围得到广泛扩展，人们在低温或者极寒的气温下活动越来越普遍，这就催生了对于加热服装的需求。电加热服作为一种加热服装，可以通过自主发热为低温环境下的活动提供热量，在所有加热服装中被关注和研究得较早。电加热服装具有加热效率高、轻薄、工艺简单等优点。电加热服通过将电热元件嵌入到服装中，将电源和控制元件链接起来从而实现电能到热能的转换。电加热服中使用的电热元件一般包括柔性电加热线、导电纤维、导电橡胶、炭黑导电材料、电热薄膜和碳加热高分子等。近年来电加热服也逐渐向智能化方向发展，通过信号处理、通讯系统、温度监测系统和用户界面等实现智能化温度控制和人衣交互[1]。

电加热服装在功能服装当中属于市场化进程比较快的一种服装，在市场化的进程中，电加热服装的服用性能越来越凸显出重要的地位。尤其目前市场上，电加热类服装和用品种类越来越多，竞争日趋激烈，服用性能成为了在竞争中脱颖而出，得到市场和消费者认可的关键。电加热服装由于加热部件的嵌入，在使用过程中，耐久性、舒适性以及保养简便性成为了消费者在选择电加热服装时重要因素。

1 电热性能

电加热服装电热性能的研究主要集中在电热性能测试和新型电热元件制备两个领域。

1.1 电热性能测试

在电热性能测试方面，主要指标包括电加热织物的热稳定性、加热均匀度、加热功率密度和升温速度等。

1.1.1 热稳定性

电加热服装的热稳定涵盖两个方面：一方面是和电加热服装电阻稳定性有关，即在稳定状态工作温度情况下，电阻变化率越小，说明电加热服装的热稳定性越高；另一方面，电加热服装的加热功率变化同样影响着热稳定性，即在稳定状态工作温度情况下，加热功率的变化率越小，说明电加热服装热稳定性越高。在热稳定性能测试中，常用数字万用表测量电加热服装在不同稳定工作温度情况下的电阻值和发热功率，来确定电阻变化率和发热功率变化率。在制备过程中，受工艺流程、材料性质和后处理等因素的影响，电加热服装的电阻会产生变化，因此在设计使用电加热服装过程中要充分考虑到影响电阻的各种因素，来保证电加热服装的热稳定性。

1.1.2 加热均匀度

电加热服装的加热均匀度是指在加热范围内加热温度的一致性。通常使用红外热像仪来测量电加热服装表面瞬时温度的分布情况，从而来评价加热均匀度。加热均匀度受多方面因素影响，如材料性质、导电纤维分布情况等。在材料性质方面，包括导电纤维的细度、纤维和导线之间连接情况等。在电加热服装的加热系统里，导电纤维部分温度较高，普通织物纤维以及服装边缘位置温度较低。导电纤维分布情况也会影响加热均匀度。在实验中，可通过测算服装表面温度分布均匀系数来评价电加热服装的加热均匀度，其中温度分布系数越小，织物的发热均匀度越好。如果电加热服装的加热温度差异过大，可能会发生加热部位局部烧穿的情况，存在较严重的安全隐患[2]。

1.1.3 加热功率密度

加热功率密度即电加热服装单位面积的加热功率。测试中，常用数字万用表测量电加热织物发热功率，除以织物表面积得到发热功率密度。不同材料加热功率密度不同，发热功率越大，则说明电热性能越好。

1.1.4 升温速度

升温速度即电加热服装达到设定温度的快慢。通常通过红外测温仪和红外成像仪来进行测量。当使用红外测温仪来测量电加热服装的升温速度时，升温速度越快，则说明电加热服装的电热性能越好。

1.2 新型电热原件制备

在新型电热元件制备方面，影响电热服装发热效果的主要是织物的材料和结构。一般电加热服装主要分为两大类，一类是涂层织物，即利用涂层导电；另外一类是使用导电纤维制成。涂层类电加热服装的优点是发热效率高、制备简单，缺点是容易老化、舒适性比较差，多用于汽车内饰和家纺。曾经有学者对比研究了不同导电涂层的电加热服装的加热效果，结果表明涂层电加热服装的制备工艺会影响其加热效果。

导电纤维制成的电加热服装优点是柔软舒适，结构简单，服用舒适性好，缺点是导电纤维在织成织物时容易受损，材料加工工艺有待改良[3]。电加热服装常使用碳纤维作为导线纤维，碳纤维制成的加热元件的规格、加热功率、部位都可以灵活调整，但是发热欠均匀，效率不高。

天津工业大学以及东华大学都有学者将镀银纱线织成不同织物结构的电加热服装，研究结果表明，在低电压测试条件下，镀银纱线电加热服装能明显发热；测试中，机织平纹、针织平针、满针罗纹3种织物结构的电加热服装稳定温度都能达到60℃以上[1]。

具有低电阻和高热传导率的碳纳米管和石墨烯材质电热元件是研究焦点。有学者使用浸涂法将单壁碳纳米管涂覆在棉织物表面制成了电加热服装，并对其电热性能等方面进行了研究。其中，有学者将石墨烯沉积在聚乙烯对苯二甲酸基底上形成电热膜，这种电热膜在多次弯曲试验后，电热性能仍保持稳定[2]。

2 保暖性能

电加热织物的保暖性是指织物阻止热量散发的能力。通常通过暖体假人试验和真人试验，分别从客观和主观的角度评价电加热织物的保暖性。

Wang等人通过使用新型暖体假人来评价典型的三层服装组合中电加热服装的保暖性能。电加热服装位于三层服装组合的中间层时，它能够有效地为暖体假人的躯干提供舒适的空气温度。同时，研究发现环境温度降低会使得电加热服装的加热效率大幅度下降。根据环境温度的变化调整加热功率可以使得人体微环境的温度保持在相对舒适的范围内[4]。

Huiju Park等还研究了电热元件位于服装不同层次条件下，有效热阻和加热效率的变化，研究发现电热元件在多层服装组合中，其处于的层次距人体的距离越近，有效热阻和加热效率就越高，环境温度的变化也会使得电加热服装加热效率发生对应的变化。当然，当电热元件在最内层服装时，会影响人体的穿着舒适性，需要综合考虑电热元件的放置层次[1]。

3 舒适性能

电加热服装的舒适性评价一般通过人体穿着试验，通过穿着电加热服装，在测试环境和特定的活动水平下，监测人体生理指标的变化情况。同时，让试验参与者进行主观舒适性评价，并从主客观两方面结合起来综合评价电加热服装的舒适性能。

Brajkovic和Song等都使用人体着装生理实验法，研究在实验温度条件下，电加热服装对人体血管舒张情况和舒适感所造成的影响。实验表明，电加热服装可以提升肢体末梢温度、皮肤平均温度和循环末梢血流速率，从而使得穿着者的舒适感得到提高。

目前，电加热服装对人体体型的适应性还比较低，在穿着过程中嵌入的电热元件、控制元件以及传感器等的位置常会发生偏移。此外，随着智能化和更多功能的发展，电热元件体积增加，也会影响服装的舒适性[3]。

4 安全性能

安全性能是电加热服装使用过程中要考虑的重要因素。电加热服装尤其要考虑到电学安全性，包括移动电发热安全性、短路保护等[5]。

由于电加热服装的特殊性，当它穿着在人体上时，电加热电学安全性对于服用者人身安全至关重要。由于在电加热服装中的电热元件存在安全隐患，所以在使用过程中要考虑到用电安全及局部高温烫伤等安全因素，确保输出电压在12V以下，输出电流在2A以下，并且设置短路保护装置，保证服用者的人身安全[2]。

5 洗护性能

在市场化过程中，电加热服装要充分考虑到用户对洗护性能的要求，要求做好电热元件防水，可以洗涤。电加热服装中电热元件的防水一般是通过密封和防水涂层来实现。

朱江波团队设计了可水洗的电加热服装，使用柔性纳米材料发热片，根据人体工程学的要求，利用嵌入式工艺，将发热片与织物密封固定。可水洗电加热服装USB接口使用304不锈钢压铸而成，以全系统实现防水和可洗涤[6]。

6 耐用性能

电加热服装中通常嵌入有电热元件、导电元件，有的还有涂层，在服装穿着、洗涤过程中，这些部件受到拉伸、扭转、磨损和水浸等作用，一旦其中某一个环节出现问题，都会使得服装电加热功能受损，影响服装的耐用性和日常使用，导致电加热服装使用寿命及周期缩短[7]。

7 结语

目前，电加热服在电热性能和保暖性能上已经比较成熟，而在舒适性能、洗护性能和安全性能等方面的还有待进一步深入细致的研究。