基于氧化铟锡薄膜的医用护目镜加温除雾技术研究

王宜馨，王洪亮，施锦玮，皮大伟，王显会

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

在抗击2020年初新冠肺炎疫情时，为防止病菌感染医务工作者，医务人员不得不依次穿戴医用防护口罩、一次性帽子或布帽、工作鞋袜、防护服或隔离衣、加戴一次性帽子和一次性医用外科口罩、防护眼镜、手套、鞋套[1]。由于防护眼镜密闭性强、内外温差大，镜内水汽无法顺利排出，致使镜内水蒸气在镜面遇冷后凝结成水珠附于镜面而严重干扰使用者视线。同时，医务人员需要连续工作6小时以上，现有护目镜除雾时间短而不能满足医务人员的工作需求，甚至不得不中断工作，因此一种可以长时间除雾且效果稳定的除雾方法成为研究热点。

一线医务人员常用的除雾方法有:采用防雾喷剂涂抹、碘酒涂抹、洗手液涂抹等处理方法，但因为每个人的面部与口罩贴合度不同，存在热气从口罩边缘溢出的可能，因此除雾时效并不能得到保障[2，3]。AlJasser Mohammed I则利用两片胶带使鼻腔部位的口罩完全贴合使用者面部[4]。前述方法只是延长水雾附着在镜片上的时间，并不能从根本上实现除雾效果。针对除雾问题，聂广艺等采用在护目镜边缘添加加热条，且将护目镜加热至36 ℃的方法阻止水分液化，以此达到除雾的目的[5]。这一方法虽能实现除雾效果，但除雾范围有限，并不能完全解决视线范围内起雾问题。为扩大除雾面积，苏黎世联邦理工学院团队将嵌入氧化钛中的金纳米粒子的涂层涂抹在镜片上，通过捕捉太阳光外的红外线部分和一部分可见光来加热表面，防止水珠凝结，此过程无需电源加热。谭丽芳等[6]则利用单层石墨有极高热导率这一特点设计单层石墨烯除雾器，该除雾器在饱和温度与响应时间方面优于氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)薄膜或金属除雾器。上述除雾方法受到使用环境与制造成本的制约，除雾效果并不持久且环境适应性不佳。经分析现有除雾措施的缺点，本文将综合考虑除雾时效与制作成本等问题，参考汽车挡风玻璃除雾系统中氧化铟锡导电玻璃除雾原理，研究以聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)为基膜的ITO薄膜来加热护目镜镜片的加温除雾技术。

为满足护目镜在不同室温环境下均可使用，并兼顾节能的需求，本文将利用仿真软件对使用中的护目镜温度场进行分析。辛传奇等[7]利用ANSYS软件模拟分析加热温度场下铝箔密封的传热特性，得到了各种密封情况对应的温度场图像及温度曲线。邹波等[8]针对日照作用下混凝土双室箱梁的温度场分布展开有限元模拟分析，研究了不同时刻时轨道梁截面的温度分布规律，得到了箱梁在不同时刻的温度云图。以上研究均证明，利用ANSYS软件可以研究不同环境温度下护目镜使用过程中温度场的变化。本文将利用ANSYS软件分析不同条件下护目镜的温度场图像与温度云图，获得使用护目镜时所处环境的温度与除雾参数之间的关系，并设计试验对仿真结果进行验证。

为实现长时间且稳定除雾的要求，本文将首先通过原理分析与理论计算设计利用ITO薄膜加热的医用护目镜除雾装置;其次建立人体面部模型，使用ANSYS 中温度场分析模块分析不同室温下护目镜外表面加热膜加热前后的温度;最后根据仿真结果设计试验，验证所提出的加温除雾技术是否能够达到长时间有效除雾的目的。

1 除雾装置设计

1.1 基本功能与原理

利用ITO薄膜加热护目镜镜片，可以除去因环境温度低而凝结在护目镜内镜片上的水珠，为医务人员提供清晰的视野，解决因护目镜起雾而降低工作效率的问题，也可达到无需摘下护目镜即可除雾的目的，降低医务人员被感染的几率。根据使用环境的不同，医务人员可选择与当前环境温度相适用的除雾档位，除雾时间则由提供电能的移动电源所储电量决定，若使用电池容量为10 000 mAh的移动电源供电，可保持除雾时间达9小时以上，即使用该技术的护目镜能拥有长时间、高效除雾的功能。

ITO薄膜加温除雾技术的原理是利用ITO薄膜连接到电路而产生的热量对镜片进行加热，通过防止镜内水蒸气液化而达到除雾的目的。除雾装置结构如图1所示。该装置可采用多种供电方式，如采用薄膜太阳能电池[9]可满足节能环保的要求，但考虑到供电稳定性和使用环境限制，该装置电路由输出5 V直流电压的移动电源来提供电能。

图1 基本原理图

1.2 基本构成

1.2.1 护目镜

医用多功能护目镜由镜片、镜架组成，镜架材质无特殊要求。以光学树脂、聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)或聚甲基丙烯酸甲脂(亚克力)为镜片材料。本文以适用范围最广的镜片材料，即聚碳酸脂为试验对象。该材料熔点为220～230 ℃，未填充牌号的热变形温度大约为130 ℃，玻璃纤维增强后可使热变形温度达到140 ℃，耐热性好。护目镜常见厚度为2 mm与2.3 mm，本次研究所使用的护目镜厚度为2.3 mm。PC的导热系数为λ=0.2 W/(m·K)。

1.2.2 ITO薄膜

ITO 薄膜是一种以PET膜为基膜的半导体透明薄膜，其加温过程指给ITO薄膜通电时，导电涂层使电流流动产生热量，产生的热量取决于薄膜和母线的几何形状、施加的电压以及VC系列涂层的薄层电阻等因素。由于ITO薄膜具有良好的化学稳定性、热稳定性，常被用作汽车挡风玻璃除雾加热膜。考虑到ITO薄膜已具有成熟的制作方法，因此较于其他加热膜制造成本较低，故选择其为护目镜镜片加热膜。参考常用普通眼镜尺寸，选择加热面积为33 mm*30 mm*2。

1.3 研究内容

除雾装置为满足长时间有效除雾的要求，综合考虑护目镜使用环境与方式的差异性，首先分析不同环境温度下的热量迁移过程，并通过理论计算获得热量迁移后的护目镜外表面温度，并计算经加热、散热过程后护目镜外表面的温度，最后获得不同环境下的表面换热系数以供后续仿真使用。

1.3.1 热量迁移过程

为获取加热单元温度、档位阻值、室温之间的关系，将利用复合面热量迁移原理描述室温与护目镜内腔温度对镜面温度的影响，将试验简化为加热单元在不同初温下加热至除雾温度所产生的温度差与档位阻值的关系。热量迁移原理如图2所示，图中T为加热膜外侧温度，Tout为护目镜外侧温度，Tin为护目镜内侧温度。

图2 热量迁移原理

图2(a)为未加热状态下护目镜内腔热量扩散至镜片，并与室温进行热量交换的过程;图2(b)为加热后热量向两个方向迁移并与室温进行热交换的过程。由于档位阻值的变化会引起回路电流的变化，则试验最终可简化为加热膜温升与回路电流之间的关系。设护目镜内侧镜片温度为Tin=38℃，导热系数为λ=0.2W/(m·K)，厚度为D1=2.3mm，热量迁移率为H1。导热系数为λ2=0.2W/(m·K)，厚度为D2=0.175mm，热量迁移率为H2，中间接触面温度为Tout，则热量迁移结果为

(1)

(2)

热量达到稳定时

H1=H2

(3)

将式(1)～(3)代入后得

(4)

式(4)变形后得

(5)

1.3.2 加热过程

试验中采用直流电源对加热回路进行供电，并以恒定功率加热，当回路接入档位电阻为Rr时，回路加热功率为

Ph=I2R

(6)

式中:电流I的计算公式为

(7)

式中:R为加热单元总阻值。

1.3.3 散热过程

不同环境温度下散热过程的差异主要表现在散热效率的不同。散热效率指表面温度变化前后的温差与散热面积、表面换热系数的积。表面换热系数表示所围护结构表面与附近空气之间的温差为1℃，单位时间内通过单位面积转移的热量，单位为W/(m2·℃)。表面换热系数αT为该表面对流换热系数αC与该表面辐射换热系数αR之和为

αT=αC+αR

(8)

(1)表面对流散热系数αC可计算为

αC=2.5×10-4ΔT0.25

(9)

(2)表面辐射散热系数αR可计算为

(10)

式中:Tk为加热单元表面升温后的温度，T0为加热单元表面原始温度，也可近似看作导电膜中间接触面温度Tx，则温差ΔT=Tk-T0。kR为表面辐射系数，辐射系数是某物体单位面积辐射的热量和黑体在相同温度、相同条件下的辐射热量之比，辐射系数反映的是某物体吸收或反射热量的能力。

因此，考虑散热后的加热功率为P=Ph-αT*A*ΔT。本文的研究对象为加热膜温升与回路电流之间的关系，据此，本文应对护目镜进行三维建模，并根据前述计算结果在ANSYS中选择合适的边界条件进行温度场分析，以获得合适的除雾参数，为后续试验提供合理的试验参考数据。

2 温度场分析

根据前述分析可知，某环境温度下加温薄膜的温升与回路电流之间的关系即代表对应的除雾条件。但由于实际试验条件限制，并不能获得所有试验条件下薄膜加温前后温度的变化情况，因此，本文采用ANSYS软件中的温度场分析模块模拟护目镜实际使用时的温度变化过程。首先使用三维绘图软件CATIA绘制所需的护目镜结构模型，仅取人脸部与护目镜接触部分及护目镜本身作为模型，在仿真过程中，由于人体面部结构变化对加热位置的初温并无较大影响，则忽略面部特征变化，同时添加加热薄膜模型，建模结果如图3所示;其次通过设置仿真参数模拟护目镜使用环境，获得不同室温下ITO薄膜加热前的温度;最后根据前述模拟条件，获得不同室温下护目镜镜片内部加热至除雾时的ITO薄膜表面温度。

图3 护目镜三维实体结构建模

2.1 边界条件设置

ANSYS中的温度场模块包括定义单元类型、定义材料属性、建立几何模型、设置单元密度、划分单元、施加对流换热载荷、施加初始温度、设置求解选项等内容。将呼气与人体散热等因素产生的热量共同作为仿真时的恒温热源，取参考温度37 ℃。模型处在室温中，存在热对流、热辐射、热传导三类边界条件。对流面选择除恒温加热面外的镜面与轮廓面。进气流速和温度可以通过改变对流换热系数来进行设置，该系数采用前述理论计算中的表面对流换热系数。在经过前处理设置后进行数值求解，结果收敛后则通过后处理查看模拟计算结果。

2.2 室温下护目镜结构温度分析

当设置模拟室温为20 ℃时，仿真结果如图4所示。由图4可知，因恒温源加热与环境的影响，护目镜表面温度呈阶梯分布，且距离加热源越远表面温度越低;薄膜温度接近室温。将不同室温条件代入仿真分析模型，取与薄膜接近的护目镜外镜面温度为有效值，并将不同温度时的室温与镜片外温度以折线图方式表达，结果如图5所示。由图5可知，护目镜表面温度接近于使用时的环境温度，即与室温成正比。通过室温下护目镜结构温度分析可知，加热前薄膜温度与镜面温度均近似等于使用时的室温。

图4 20 ℃室温下热量迁移结果

图5 不同室温下热量迁移结果

2.3 ITO导电膜加热后镜片内外温度分析

常见除雾装置所设除雾温度约为39 ℃，为确保内镜片温度上升至39 ℃达到除雾目的，加热膜温度应保持在39～40 ℃。本节延用上一节不同温度所对应的环境参数，并设置加热膜初始温度，将经过自然对流直至镜片内外温度达到平衡后所获得的温度作为加热后的加热膜温度。设置模拟室温条件为20 ℃结果表明，当透明加热膜温度为40 ℃时，护目镜内表面温度为39.3 ℃，镜面温度自加热膜位置向边缘逐渐降低，侧面轮廓温度略高于室温。当加热膜温度为39.5 ℃时，护目镜内表面温度为39.1 ℃，模型温度变化规律与上述结果一致。综合以上仿真结果，室温条件为20 ℃所对应加热膜温度为40 ℃，内镜面温度也可保持在39 ℃左右，既能实现有效除雾也能兼顾节能要求。修改仿真参数重复以上试验，获得不同室温下加热膜温度与内侧镜片温度。结果表明，加热膜温度与镜片内侧温度的温差关系并不随所处环境温度的变化而变化，仅需控制加热膜温度，即可实现长时间除雾的要求。因此加热除雾的关键在于保持稳定的有效除雾温度。

3 性能验证试验

本次试验分别对不同室温下加温前与加温至除雾后的薄膜温度进行测量，加温前薄膜温度的测量结果用来验证室温下仿真结果的准确性，而加热至除雾后所测量的薄膜温度可以检验除雾温度与除雾效果的合理性。薄膜温度的测量将采用多次测量采样点温度的方式实现，采样点在加温薄膜的布局如图6所示，每个加温薄膜均匀分布三行四列共12个温度采样点，由于传热后热量由高温段传至低温段，因此有效加热温度取高温段温度平均值。通过分析采样点数据，获得加热前后护目镜镜片温升与对应串联电阻值的散点图，数据处理后获得不同室温所对应的串联档位电阻值，并根据室温划分加热档位，实现既能有效除雾也可以兼顾节能的要求。

图6 加热单元采样示意图

3.1 试验材料

根据第2节的分析，由于一次性医用护目镜不易进行试验条件的模拟，故采用水箱与厚度同护目镜镜片相同的PC板模拟佩戴护目镜的环境。本次试验使用的材料有水箱、PC板(130 mm×105 mm×30 mm)、导线若干、电源线、方阻为6 Ω/cm2的ITO薄膜两片(33 mm×30 mm×1.75 mm)、输出电压为5 V的移动直流电源、透明导电胶、恒温加热棒、测温仪、万用表等。试验环境为通风良好的室内。

3.2 试验过程

3.2.1 室温下护目镜温度分布

本试验模拟护目镜使用情况:试验人员佩戴一次性医用口罩，并捏紧密封条，将护目镜戴于眼部，使其与面部紧密贴合。鼻托与鼻梁紧密接触，并使部分口罩处于护目镜内腔，防止因佩戴时间过长，口罩与面部间隙大而造成污染。由于试验人员肺活量不同或面部结构有所差异，呼出的部分气体由护目镜下部进入内腔，使得护目镜内部温度与湿度增加，并随时间推移而出现起雾现象。试验时，试验者在室温为23 ℃、通风良好的室内佩戴护目镜一小时后进行测量，即对贴附在镜片上的加热单元中每个采样点进行温度采样，采样点布置如图6所示，其结果如图7所示:护目镜鼻部区域温度略高于其他部位，温度由中间向边缘逐步降低，平均温度接近于室温，右侧图例代表温度变化。结果表明，该测量区域温度变化范围在23～25 ℃，考虑测量误差后，试验结果与仿真结果近似吻合。

3.2.2 除雾效果验证

为实现针对不同室温条件均能实现除雾的目的，需获得准确的除雾温度与实现该除雾温度所需的串联档位电阻值。通过分析加热前后所获得的温差以及档位电阻值，获得温升与阻值的计算公式，为后续划分档位提供支持。

试验过程如图8所示。首先为恒温加热器通电，使得水箱密闭空间气体温度上升至37～38 ℃。改变串联电阻值、利用测温仪获得护目镜在该电流时某室温下护目镜表面温度，继续改变串联电阻值直至恰好除雾，每次改变阻值都需记录12个测量点阻值与温度(每个点测3次求平均值并记录)。然后改变环境温度获得多组加热单元温度与回路电流之间的关系。最后综合分析因素，并总结具有普遍性的加热单元温度与回路电流之间的关系。当室温为27 ℃时试验现象如图9所示。串联电阻值为0 Ω时，加热单元对应镜片完全除雾且除雾面积大于加热单元面积;串联电阻值为9 Ω时，除雾面积有所减小且出现较小面积的水雾;串联电阻值为10 Ω时，加热单元对应区域充满水雾，因此9 Ω是该室温下最佳阻值。以同样方式在室温19 ℃时对其测量，结果表明3.7 Ω为最佳阻值。

图8 试验步骤图

图9 不同串联电阻值所对应除雾效果

3.3 试验结果与讨论

3.3.1 ITO薄膜对温度的响应

试验中测量了环境温度为20 ℃时ITO薄膜上同一测量点在开始和停止加热时温度的变化。如图10所示，电流在开始加热时温度上升较快但并未达到稳定值，加热时间延长后则达到一个稳定值但有所波动(加热与散热达到平衡)。当停止加热后，薄膜温度在只有散热时降低。同时通过对多点测量发现，薄膜温度处于稳定时呈阶梯分布，如图11所示。需要注意的是当最高行平均温度达到40 ℃时，薄膜在加热位置可实现有效除雾，右侧图例代表温度变化。因此，试验结果表明ITO薄膜可以作为有效除雾且效果稳定的加热单元。

图10 ITO薄膜加热温度对时间的响应

图11 ITO薄膜加热后的温度分布

3.3.2 加热丝的布置方式对加热效果的影响

在同一加热电流下，加热丝的不同设计方式对加热效果会有影响。为了验证加热时加热丝放置方式是否会对薄膜导热产生影响，所以设计两种不同的放置方式，即垂直放置与水平放置，如图12所示。对两种布置方式加热相同电流后，垂直放置方式在除雾条件相同的情况下有水雾残留，除雾效果略逊于水平放置方式，且布线较为繁琐，故试验中采取水平放置方式。

图12 加热丝的布置形式

3.3.3 ITO薄膜表面温升与加热电流之间的关系

ITO薄膜加热后的温度通过测温仪直接测量，其误差范围为±2 ℃。试验中对同一测量点测量3次，结果取平均值。所使用串联电阻值无法直接读数，选择使用万用表进行阻值测量，其精度为±(1.0%+2)，回路电流也使用其直接读数，其精度为±(1.0%+2)。将试验过程中，不同室温对应的温升与串联电阻值均表示在同一散点图中，经过数据处理得到温升与回路电流之间的关系如图13所示。从图13可以看出，ITO薄膜在加热前后温升与电流的拟合关系式为ΔT=a*(0.1*i)b，其中a=216 614.613 75，b=2.722 55。

图13 温升与回路电流之间的关系

为验证上述公式的合理性，代入其他测量温度并与计算值比较，具体结果如表1。

表1 不同室温对应除雾温度

试验结果表明，在测温仪精度范围内，该公式可以较好地反映加热前后护目镜表面温升与加热电流之间的关系。

3.3.4 除雾档位设计

根据上述ITO薄膜表面温升与加热电流之间的关系，本文根据使用环境温度的差异对除雾效果进行档位划分，防止过度加热而浪费电能;也避免室温较高时，过度加热造成护目镜镜片变形，影响防护效果;同时，也避免镜片过热造成使用者眼部温度较高，导致眼部干涩而影响使用效果。由前述试验结果可得，当加热单元温度为40 ℃时，护目镜可实现有效除雾，因此，选择40 ℃为除雾温度。

根据计算公式获得不同室温下回路阻值，结果如表2所示。

表2 不同室温下回路阻值

为实现各种环境温度下均能有效除雾，且尽量减小能量损失，则设计环境温度与档位之间的对应关系，如表3所示。

表3 除雾档位

4 结束语

本文研究了基于氧化铟锡薄膜加热的医用护目镜除雾技术，通过理论计算、软件仿真与试验验证相结合的方法，最终获得以下结论:

(1)基于氧化铟锡薄膜加热的除雾技术可以满足长时间有效除雾的要求。根据该技术所设计的除雾装置可实现无差别除雾效果达九小时以上，并能根据使用环境的不同选择合适的除雾档位。

(2)ANSYS中的温度场分析模块能够达到模拟护目镜使用环境的目的。通过对加温前后护目镜温度场进行分析，获得不同的使用环境时实现除雾效果所需的加温温度。

(3)本研究可实现无需摘下护目镜即可除雾的目的，有效降低被感染的几率。该研究装置不仅可供室内医务人员使用，也可供在环境温度更低的条件下工作的户外防疫人员使用。

(4)本研究虽可实现除雾，但由于并未考虑湿度对仿真的影响，并且由于试验环境不可控的因素，理论除雾温度应有所下降，除雾时间也相应增加，以后会对此进行改进。

目前，ITO薄膜加热护目镜镜片技术尚未得到广泛应用，使用较多的仍是涂抹除雾剂等化学处理方法。基于氧化铟锡薄膜的加温除雾技术可解决受环境温度、场景、时效、使用者身体构造的差异性等因素制约的现状，该技术的研究与使用既能保障医务人员工作效率，又能避免感染病菌，且操作简单、造价低，适合推广与使用。因此，既高效除雾、又兼顾实用性的加温除雾技术将会在护目镜除雾方法中占有重要地位。